周 鑫， 邱子鑒， 劉 晉

(華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院， 北京 102206)

0 引 言

近些年來，柔性直流輸電技術(shù)逐漸成為我國電能傳輸、可再生能源并網(wǎng)的重要技術(shù)方案。2011年7月，上海南匯柔性直流示范工程成功投運[1]；2013年12月，廣東南澳VSC四端柔直工程成功投運[2]；2014年7月，浙江舟山VSC五端柔直工程成功投運[3]；為迎接2022年冬奧會，我國正在籌建電壓等級為±500 kV的張北柔性直流示范工程[4]，輸電容量高達(dá)4 500 MW，2020年6月張北柔直示范工程四端帶電組網(wǎng)成功；2020年7月31日，世界第一條±800 kV特高壓多端柔性直流輸電“高速路”，烏東德電站送電廣東廣西特高壓直流示范工程提前實現(xiàn)階段性投產(chǎn)。

張北柔性直流示范工程(以下簡稱張北柔直工程)的電壓等級高達(dá)±500 kV，采用模塊化多電平換流器(Modular Multilevel Converter, MMC)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并且首次實現(xiàn)了直流斷路器的示范應(yīng)用[5]。此外，直流電網(wǎng)采用“口”字型環(huán)網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，直流輸電線路選取了長距離架空輸電線路。

長距離架空輸電線路的故障率相對較高，直流故障發(fā)生后，直流電流迅速上升，直流電網(wǎng)的輸入、輸出功率失去平衡。工程上可以利用直流斷路器隔離直流故障，從而實現(xiàn)直流故障穿越。但是，在直流斷路器動作后，環(huán)網(wǎng)拓?fù)浒l(fā)生改變，直流潮流隨之轉(zhuǎn)移，此時需要考慮非故障線路的過載情況；此外，在直流斷路器動作后，殘余過電流不會立即消失，而是注入近故障端換流站，致使換流站直流電壓升高。針對上述問題，需要合理設(shè)計環(huán)網(wǎng)MMC-MTDC系統(tǒng)直流故障穿越策略，提高M(jìn)MC-MTDC系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。

文獻(xiàn)[6]對張北柔直電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、故障特性進(jìn)行分析，針對環(huán)形電網(wǎng)中非故障線路的過載問題，提出了潮流轉(zhuǎn)帶的方案，但并未考慮增減功率引發(fā)的直流電壓波動問題；文獻(xiàn)[7]對ABB混合式直流斷路器的分合特性進(jìn)行研究，提出了往復(fù)式限流斷路器的技術(shù)方案，實現(xiàn)了直流故障穿越，但是該方案投資成本相對較高；文獻(xiàn)[8]～[10]通過改造MMC子模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實現(xiàn)直流故障穿越，但這些方案添加了大量電力電子器件，相比現(xiàn)有的半橋子模塊經(jīng)濟性較差；文獻(xiàn)[11]指出傳統(tǒng)下垂控制不依賴站間通信，但受限于固定的下垂系數(shù)的特點；下垂控制可以自動實現(xiàn)功率平衡[12]，維持直流電壓穩(wěn)定[13]，若下垂系數(shù)可以自我調(diào)整，以適應(yīng)不同工況[14]，可以提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性[15];近些年來，研究人員通過修改整定參數(shù)[16，17]、引入影響因子[18,19]以及規(guī)劃分段函數(shù)等方法[20]實現(xiàn)自適應(yīng)下垂控制，雖然成功實現(xiàn)了下垂系數(shù)的自我調(diào)整，但是均未考慮直流故障情況下控制策略的適應(yīng)性。

本文設(shè)計了一種加裝在換流站出口處的輔助電路，通過控制輔助電路引導(dǎo)能量轉(zhuǎn)移，消耗近故障端換流站的不平衡功率，從而降低換流站的直流過電壓水平；此外，本文提出了一種增強型自適應(yīng)下垂控制策略，下垂控制換流站在直流故障期間自動鎖定下垂系數(shù)，平移下垂曲線以防換流站發(fā)生功率越限；下垂控制換流站與平衡換流站共同協(xié)調(diào)有功功率，直流電網(wǎng)迅速恢復(fù)功率平衡。綜上所述，本文通過軟件控制和硬件電路相互結(jié)合的方式提升了環(huán)網(wǎng)MMC-MTDC系統(tǒng)的直流故障穿越能力。

1 MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理

如圖1所示，MMC一般為三相六橋臂拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[17]，每個橋臂由N個相互串聯(lián)且完全相同的子模塊(Sub-Module, SM)以及橋臂電抗器串聯(lián)構(gòu)成，上、下橋臂構(gòu)成一個相單元[18]。

圖1 單端MMC換流器結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Structure of single-ended MMC converter

半橋子模塊(Half-Bridge Sub-Module,HBSM)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。HBSM包含2個IGBT(T1,T2)和2個反并聯(lián)二極管(D1,D2)以及1個電容器(C0)[19]。圖中，Usm為子模塊的輸出電壓，ism為流入子模塊的電流，Uc為電容電壓，參考方向如圖所示。

圖2 MMC半橋子模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig. 2 Topology of HBSM

MMC將子模塊中直流儲能電容的能量均勻地分配到3個獨立的相單元子模塊中，通過調(diào)整子模塊中2個IGBT(T1、T2)的開通與關(guān)斷狀態(tài)，靈活地實現(xiàn)子模塊的投入與切除。

根據(jù)圖1，以A相為例進(jìn)一步分析MMC工作原理。Va和Va′分別為A相上、下橋臂電壓，直流側(cè)的正負(fù)母線相對于參考中性點o的電壓分別為Udc/2和-Udc/2，Uao為A相交流輸出側(cè)的電壓，根據(jù)KVL定理，可得：

(1)

將式(1)相加，可得：

(2)

由式(2)可知，MMC正常運行時，必須維持直流側(cè)電壓Udc恒定，且直流電壓等于相單元中上、下橋臂電壓之和。為保證獲得最大的直流電壓，每個相單元中處于投入狀態(tài)的子模塊數(shù)為N。

2 MMC-MTDC系統(tǒng)極間短路故障特性

參考張北柔直工程，MMC-MTDC系統(tǒng)采用環(huán)網(wǎng)拓?fù)洌⒃趽Q流站出口處配置直流斷路器。參考ABB公司混合式直流斷路器的開斷時間，直流故障發(fā)生后，直流斷路器將在5 ms內(nèi)隔離故障。

2.1 極間短路故障

極間短路故障往往是直流電網(wǎng)中最惡劣的故障，因此，本節(jié)主要針對直流電網(wǎng)極間短路故障特性進(jìn)行研究。將極間短路故障劃分為換流站閉鎖前和閉鎖后兩個階段進(jìn)行分析。換流站閉鎖前，子模塊正常投切，處于投入狀態(tài)的子模塊，子模塊電容通過T1對故障點放電；處于切除狀態(tài)的子模塊，交流電網(wǎng)通過子模塊下部二極管D2向故障點注入電流，放電過程如圖3所示。

圖3 換流站閉鎖前子模塊放電情況Fig. 3 Discharge of the SM before blocking of converter station

此時，故障電流主要由子模塊電容放電和交流電源饋流組成，電容放電占主導(dǎo)地位。由1.2節(jié)可知，子模塊正常投切的情況下，任一時刻上、下兩個橋臂共投入N個子模塊。根據(jù)MMC子模塊電容電壓均衡控制策略，每相所有子模塊可近似看作并聯(lián)的兩個小組[7]，每相N個子模塊交替放電，等效電路如圖4所示。

圖4 換流站閉鎖前等效電路Fig. 4 Equivalent circuit before blocking of converter station

(3)

(4)

(5)

可見，故障發(fā)生后，換流站閉鎖前，換流器的拓?fù)淇梢缘刃镽LC二階放電回路，根據(jù)等效電路，列寫KVL方程：

(6)

UC=Ae-σtsin(βt+φ)

(7)

(8)

式中：L為放電回路直流側(cè)等效電感；R為放電回路直流側(cè)等效電阻；C為直流電容器等效電容；

由式(7)、(8)可知，子模塊電容放電過程中，電容電壓持續(xù)下降，電容放電是一個欠阻尼振蕩過程；子模塊電容放電產(chǎn)生的電流大小取決于子模塊電容的大小，電流的上升速度取決于橋臂電感值的大小。

2.2 近故障端換流站直流過電壓情況分析

極間短路故障發(fā)生后，直流電流注入故障點，直流電壓近似為0。直流斷路器動作后，故障線路切除，由于限流電抗器的存在，電流方向不能突變，殘余過電流轉(zhuǎn)而流入近故障端換流站，直流功率由遠(yuǎn)端換流站注入近故障端換流站。

若換流站仍工作于正常投切狀態(tài)，處于切除狀態(tài)的子模塊將通過T2續(xù)流，處于投入狀態(tài)的子模塊將通過二極管D1為子模塊電容充電，如圖3紅線所示，直流電壓逐漸上升，直至故障電流衰減至0，此時IGBT T2將會發(fā)生危險。

值得注意的是，直流斷路器動作后，環(huán)網(wǎng)拓?fù)浒l(fā)生改變，直流潮流隨之轉(zhuǎn)移，潮流的轉(zhuǎn)移可能引發(fā)非故障線路過載。利用Matlab/Simulink搭建如圖5所示的四端環(huán)網(wǎng)MMC-MTDC系統(tǒng)仿真模型，直流電網(wǎng)采用環(huán)網(wǎng)拓?fù)洹?.7 s時，線路Line13發(fā)生極間短路故障，0.705 s時，直流斷路器斷開，切除故障線路Line13，監(jiān)測直流電網(wǎng)各線路電流的變化情況，如圖6所示。

圖5 四端MMC-MTDC系統(tǒng)Fig. 5 Four-terminal MMC-MTDC system

圖6 直流電網(wǎng)電流變化情況Fig. 6 Analysis of DC grid current changes

由圖6可知，切除故障線路Line13后，潮流發(fā)生轉(zhuǎn)移，流過非故障線路Line42、Line34、Line21的電流有所增加，流過Line42的電流甚至增加一倍，需要合理設(shè)計故障穿越控制策略以減輕非故障線路的過載情況。

3 直流故障穿越策略分析

直流電網(wǎng)阻尼較低，直流故障發(fā)生后，故障電流迅速上升，對換流器構(gòu)成嚴(yán)重威脅。直流斷路器能夠迅速隔離故障，是提高M(jìn)MC-MTDC系統(tǒng)直流故障穿越能力的極佳措施。

3.1 利用直流斷路器隔離故障線路

環(huán)網(wǎng)MMC-MTDC系統(tǒng)仿真模型參數(shù)如表1所示。在各換流站出口處配置直流斷路器，直流斷路器可在故障發(fā)生后5 ms內(nèi)隔離直流故障。

表1 仿真模型參數(shù)Tab.1 Simulation model parameters

設(shè)置仿真時間為0.7 s時，線路line13發(fā)生極間短路故障；0.705 s時，線路line13兩端直流斷路器動作，切除故障線路，仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 仿真結(jié)果Fig. 7 Results of simulation

由仿真結(jié)果可知，故障發(fā)生后，近故障端換流站VSC1、VSC3向故障點注入有功功率，換流站VSC3潮流發(fā)生反轉(zhuǎn)。在直流斷路器動作后，換流站直流側(cè)電壓迅速上升，在0.737 s時，直流電壓達(dá)到最大值1.576 p.u.，而后在控制環(huán)節(jié)的作用下逐漸衰減。由仿真結(jié)果可知，僅利用直流斷路器實現(xiàn)直流故障穿越，雖然能在短時間內(nèi)切除故障線路，但是換流站在暫態(tài)過程中仍然存在較大的直流過電壓，容易觸發(fā)換流站的過電壓保護(hù)。

3.2 利用輔助電路實現(xiàn)直流故障穿越

換流站直流過電壓是直流斷路器斷開后殘余過電流對子模塊電容器充電所致，即換流站輸入、輸出功率不平衡所致。因此，考慮在直流斷路器動作之前啟動輔助電路，引導(dǎo)能量轉(zhuǎn)移，消耗不平衡功率以降低直流過電壓水平。

改造換流站出口線路，在換流站直流出口處加裝輔助電路，輔助電路的結(jié)構(gòu)示意圖如圖8所示，輔助電路由開關(guān)電路及能量耗散電路組成，開關(guān)電路負(fù)責(zé)引導(dǎo)能量轉(zhuǎn)移，能量耗散電路負(fù)責(zé)消耗不平衡功率。開關(guān)電路由IGBT及二極管組成，選取通流能力較強的電力電子器件；開關(guān)電路兩端并聯(lián)避雷器，以防暫態(tài)過電壓沖擊，保護(hù)IGBT器件；能量耗散電路由具有高通流能力的晶閘管組、電容器組C以及耗能電阻Rax組成。其中，晶閘管和電容器的使用數(shù)量由直流電壓決定；耗能電阻的阻值根據(jù)不平衡功率Pdif以及經(jīng)濟條件適當(dāng)選取。

圖8 輔助電路結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 8 Schematic diagram of auxiliary circuit structure

Rax=(Udcmax-Uc0)2/Pdif

(9)

式中：Rax為耗能電阻的阻值；Udcmax為換流站所能承受最大電壓；Uc0為電容器的初始電壓。

以受端換流站為例進(jìn)行分析，正常運行時，觸發(fā)T1、T2，電流流過開關(guān)器件T1、D2，如通路1所示，此時電路中僅有較低的通態(tài)損耗；故障狀態(tài)下，橋臂電流反向，電流流過通路2；為抑制直流過電流引起的不利影響，閉鎖T1、T2，觸發(fā)晶閘管組DT1′，使近故障端換流站不再向故障點放電，而是類似VSC-MTDC系統(tǒng)的預(yù)充電過程，為電容器組C充電，如通路3所示；直流斷路器動作后，觸發(fā)晶閘管組DT1，耗能電阻Rax將消耗不平衡功率Pdif，如通路4所示；隨著電容電壓不斷升高，流過晶閘管的電流逐漸減少，直至晶閘管產(chǎn)生反向壓降，晶閘管關(guān)斷，解鎖T1、T2，換流站逐漸恢復(fù)正常運行。

設(shè)置仿真時間為0.7 s時，線路Line13發(fā)生極間短路故障；0.703 s時，啟動輔助電路，引導(dǎo)能量轉(zhuǎn)移，0.705 s時，線路Line13兩端直流斷路器動作，隔離故障線路，0.75 s后，輔助電路退出運行，仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9 仿真結(jié)果Fig. 9 Results of simulation

對比圖7、圖9可知，輔助電路可以減少換流站對故障點的功率注入，同時消耗直流電網(wǎng)的不平衡功率，使流入近故障端換流站的能量減少，從而減輕近故障端換流站的直流過電壓水平，使MMC-MTDC系統(tǒng)具有良好的直流故障穿越能力。

4 增強型自適應(yīng)下垂控制策略

直流斷路器動作后，直流電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生改變，潮流的轉(zhuǎn)移可能引發(fā)非故障線路過載，此時需要及時調(diào)整換流站輸送的有功功率，減輕非故障線路過載情況。

調(diào)整換流站輸送的有功功率容易導(dǎo)致?lián)Q流站輸入、輸出功率再次失去平衡。如果平衡換流站擁有足夠大的功率調(diào)節(jié)能力，就可以緩沖不平衡功率，從而維持直流電壓穩(wěn)定；但是，如果平衡換流站的功率調(diào)節(jié)能力不足，就需要改變換流站控制方式以維持直流電壓穩(wěn)定[20]。

下垂控制能使多個換流站共同協(xié)調(diào)有功功率，但是傳統(tǒng)下垂控制受限于固定的下垂系數(shù)[11]，并且在直流故障的情況下，直流電壓嚴(yán)重下降，下垂控制容易導(dǎo)致?lián)Q流站功率越限。本文提出一種增強型自適應(yīng)下垂控制策略，該方案可以根據(jù)換流站的功率變化情況自適應(yīng)調(diào)整下垂系數(shù)，并且在直流故障發(fā)生后，鎖定該時刻的下垂系數(shù)，自動平移下垂曲線，防止換流站功率越限，自適應(yīng)下垂系數(shù)ki表示為

(10)

式中：Uth為直流電壓偏差的門檻值；Piref、Pimax分別表示換流站的額定功率及功率最大值；ΔUdc、ΔPi分別表示換流站的直流電壓和有功功率偏差值；ΔUdcmax為換流站直流電壓的最大偏差值。

(11)

為抑制下垂系數(shù)在電壓偏差較小時頻繁切換，設(shè)置電壓滯環(huán)策略，在ΔUdc上引入滯環(huán)控制，且環(huán)寬為2|Um|。電壓偏差在[-Um,Um]之間，下垂系數(shù)保持初始值不變。

當(dāng)∣ΔUdc∣Uth時，控制系統(tǒng)判定系統(tǒng)直流電壓偏移較大，此時系統(tǒng)應(yīng)以維持直流電壓穩(wěn)定為主，下垂系數(shù)逐漸變大，功率協(xié)調(diào)任務(wù)由系統(tǒng)主站以及下垂控制換流站共同承擔(dān)。

直流故障情況下，直流電壓急劇下降，送端換流站發(fā)出的功率急劇增加，換流站發(fā)生功率越限，如圖10 C點所示。因此，在檢測到直流故障后，立即鎖定故障時刻的下垂系數(shù)Klock，根據(jù)式(12)調(diào)整直流電壓參考值Udcref，下垂曲線隨之平移，如圖10 D點所示。

圖10 下垂控制特性曲線Fig. 10 Droop control characteristic curve

(12)

U′min=0.9Udc_lock

(13)

式中：Udc_lock為故障時刻下垂控制換流站直流電壓的測量值；Pmax為換流站有功輸出的最大值；Pmin為換流站有功輸出的最小值。

將環(huán)網(wǎng)MMC-MTDC系統(tǒng)仿真模型中換流站VSC1、VSC4的控制方式調(diào)整為增強型自適應(yīng)下垂控制。設(shè)置仿真時間為0.7 s時，線路Line13發(fā)生極間短路故障；0.705 s時，線路Line13兩端直流斷路器動作，隔離直流故障，不采用其他直流故障穿越策略；0.80 s時，減少換流站VSC2的有功輸出，仿真結(jié)果如圖11所示。

圖11 仿真結(jié)果Fig. 11 Results of simulation

對比圖6、圖11 (a)可知，調(diào)整換流站的出力水平可以有效減輕非故障線路的過載情況，直流線路Line42并未出現(xiàn)過載；由圖11 (b)、(c)可知，直流故障發(fā)生后，下垂曲線向下平移，換流站VSC1注入故障點的有功功率減少，由2.5 p.u.減少至2.0 p.u.，不平衡功率隨之減少；此外，在增強型自適應(yīng)下垂控制策略的作用下，平衡換流站VSC3以及換流站VSC1、VSC4共同協(xié)調(diào)功率平衡，有功功率很快恢復(fù)平衡，直流電壓過電壓水平減小，由1.54 p.u.減少至1.45 p.u.；因此，MMC-MTDC系統(tǒng)采用增強型自適應(yīng)下垂控制策略能夠提升換流站的直流故障穿越能力。

5 結(jié) 論

本文研究了環(huán)網(wǎng)MMC-MTDC系統(tǒng)直流故障穿越策略。針對直流斷路器動作后，殘余過電流對子模塊電容的充電問題，提出了一種加裝在換流站出口處的輔助電路，通過控制輔助電路引導(dǎo)能量轉(zhuǎn)移，從而降低換流站的直流過電壓水平，提高系統(tǒng)直流故障穿越能力。

針對直流斷路器動作后非故障線路的過載問題，可以通過調(diào)整換流站的有功出力，減輕非故障線路的過載情況。此外，考慮到平衡換流站的功率平衡能力有限，下垂控制在直流故障期間控制效果不佳，本文提出一種增強型自適應(yīng)下垂控制策略，使下垂控制換流站能夠自適應(yīng)調(diào)整下垂系數(shù)以適應(yīng)不同工況，與平衡換流站共同協(xié)調(diào)功率平衡。此外，在直流故障期間下垂系數(shù)自動鎖定，下垂曲線向下平移，防止換流站發(fā)生功率越限，提升了系統(tǒng)的直流故障穿越能力。