班國邦 牛 唯 楊文勇 李建文 李 戎

基于模塊化多電平換流器的直流融冰裝置饋線潮流控制仿真

班國邦1,2牛 唯1,2楊文勇1,2李建文3李 戎3

（1. 貴州電網(wǎng)有限公司電力科學研究院，貴陽 550002； 2. 南方電網(wǎng)公司防冰減災重點實驗室，貴陽 550002； 3. 華北電力大學新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室，河北 保定 071003）

本文對基于模塊化多電平換流器（MMC）的直流融冰裝置進行功能拓展，利用其整流側對稱的拓撲將其延展為雙端柔性互聯(lián)裝置，接入配電網(wǎng)對饋線潮流進行控制，靈活改變交流系統(tǒng)電壓、電流使其滿足上層功率指令變化，并在其中一側交流系統(tǒng)發(fā)生短時電壓波動時由對側方向交流系統(tǒng)提供一定的無功支撐，在提高配電網(wǎng)供電可靠性的同時也提高了設備的利用率。首先對基于模塊化多電平換流器的直流融冰裝置拓撲及直流側整流系統(tǒng)的控制方式進行設計并加以說明，進而在仿真平臺搭建實際雙端柔性互聯(lián)裝置模型，通過改變功率參考值及暫時電壓波動得到過渡過程的電壓、電流波形，驗證直流融冰裝置在融冰期外作為柔性互聯(lián)裝置實現(xiàn)饋線潮流控制的有效性。

潮流控制；直流融冰；柔性互聯(lián)裝置；模塊化多電平換流器（MMC）

0 引言

冬季輸電線路覆冰嚴重危害到了供電可靠性，處理不及時會造成大面積停電事故，給國民經(jīng)濟造成巨大損失[1]。常見的除冰方法有機械除冰和電流除冰兩種，后者通過電流產(chǎn)生的熱效應除冰，憑借反應速度更快且相對更安全的優(yōu)勢得到了廣泛應用，其中直流融冰相較交流融冰因無需提供更多的無功電源而受到更多的青睞[2]。

直流融冰裝置通過整流電路并入三相交流系統(tǒng)，工作時通過短接兩相導線實現(xiàn)導線發(fā)熱融冰。傳統(tǒng)的整流電路多為基于全控型器件的橋式整流電路，其輸出電流諧波含量較高，功率因數(shù)較低，大多需額外添加功率補償裝置以改善波形。模塊化多電平換流器（modular multilevel converter, MMC）裝置的提出顯著改善了波形質(zhì)量，這種拓撲通過串聯(lián)子模塊提升換流器電壓等級和容量，降低整流電路對濾波裝置的需求[3-4]。較傳統(tǒng)的橋式整流電路，MMC多采用雙閉環(huán)控制實現(xiàn)對功率的連續(xù)調(diào)節(jié)，其拓撲易于延展構成多端網(wǎng)絡實現(xiàn)柔性直流輸電，使其不僅能在冬季融冰時使用，在其余時間還可作為柔性互聯(lián)裝置（flexible interconnection device, FID）實現(xiàn)對多個交流系統(tǒng)的潮流控制[5]，提供緊急無功支撐，解決電壓閃變、驟降問題，均衡潮流分布以保證配電網(wǎng)的供電可靠性[6-10]，提高裝置的利用率[11]。

1 MMC直流融冰裝置拓撲

MMC直流融冰裝置拓撲如圖1所示，每相分為上、下兩個橋臂，每個橋臂由個級聯(lián)的子模塊及濾波電感組成，±·dc為直流母線電壓（kV），三相結構完全對稱，整流電路通過繼電保護裝置并入交流配電網(wǎng)。直流母線電壓兩側的整流電路完全相同，構成雙端FID。

圖1 MMC直流融冰裝置拓撲

2 基于直流融冰FID的基本控制策略

基于MMC拓撲的直流融冰裝置采用直接電流控制的矢量控制方法，具有快速的電流響應特性和良好的限流能力。矢量控制由外環(huán)控制策略和內(nèi)環(huán)控制策略組成。外環(huán)控制主要包括有功功率類控制和無功功率類控制[12]，內(nèi)環(huán)控制采用電流控制[13-17]?；贛MC拓撲的直流融冰裝置矢量控制結構如圖2所示。

圖2 基于MMC拓撲的直流融冰裝置矢量控制結構

2.1 功率傳輸原理

柔性直流換流器功率傳輸原理如圖3所示。將換流器看作一個相位和幅值可調(diào)的交流電壓源。其中電抗為橋臂等效電抗。

圖3 柔性直流換流器功率傳輸原理

由式（2）和式（3）可知，有功功率大小取決于電角度，為正表示換流器發(fā)出有功，為負表示換流器吸收有功；而無功功率大小取決于abccos，sabc-abccos為正表示換流器吸收感性無功，為負表示換流器發(fā)出無功。通過控制與abc便能實現(xiàn)對有功和無功的獨立控制。

2.2 有功外環(huán)控制

有功類外環(huán)控制包括有功功率控制和直流電壓控制[18]，前者通過上層傳輸指令實現(xiàn)一定范圍內(nèi)有功功率調(diào)節(jié)，后者控制直流母線正負極間電壓，二者皆輸出電流參考值d軸分量作為電流控制的輸入。有功功率控制和直流電壓控制框圖如圖4所示。

圖4 有功外環(huán)控制框圖

圖4（a）中，ref為功率期望值，為經(jīng)過一階低通濾波器后的直流極有功功率值，二者的差值通過PI控制環(huán)節(jié)后限幅生成d軸電流參考值dref。圖4（b）中，dc_ref為總直流電壓期望值，dButter為正負極直流電壓相減之后經(jīng)二階巴特沃斯低通濾波器的電壓值，二者的差值通過PI控制環(huán)節(jié)后限幅生成d軸電流參考值dref。

2.3 無功外環(huán)控制

無功類外環(huán)控制包括定無功功率控制和定交流電壓控制[18]，前者以網(wǎng)側無功為控制目標，后者以網(wǎng)側電壓為控制目標，二者皆輸出電流參考值q軸分量作為電流控制的輸入。無功功率控制框圖和交流電壓下垂控制示意圖如圖5所示。

圖5（a）中，ref為功率期望值，為經(jīng)過一階低通濾波器后的網(wǎng)側無功功率值，二者的差值通過PI控制環(huán)節(jié)后限幅生成q軸電流參考值qref。圖5（b）以網(wǎng)側電壓為目標為系統(tǒng)提供無功支撐，輸出q軸電流參考值qref，其中q∈[0, 1]為電壓幅值下垂系數(shù)，0為電壓下垂曲線電壓幅值初值，0為與其對應的無功功率參考值。

2.4 電流內(nèi)環(huán)控制

電流內(nèi)環(huán)控制的輸入是功率外環(huán)控制的輸出，電流內(nèi)環(huán)控制的輸出是功率開關管的調(diào)制電壓。電流內(nèi)環(huán)控制是實現(xiàn)輸出電流無差跟蹤目標電流的環(huán)節(jié)，其邏輯控制框圖如圖6所示。

圖6 電流內(nèi)環(huán)邏輯控制框圖

3 仿真驗證

為驗證第2節(jié)基于直流融冰FID的控制策略的有效性，在Matlab/Simulink中搭建雙端口FID系統(tǒng)模型，令其在穩(wěn)態(tài)時交流系統(tǒng)三相電壓平衡，系統(tǒng)仿真參數(shù)及控制側參數(shù)分別見表1與表2。

表1 系統(tǒng)仿真參數(shù)

表2 系統(tǒng)控制側參數(shù)

（續(xù)表2）

3.1 有功功率支撐

設定MMC1外環(huán)為dc控制，MMC2外環(huán)為控制。MMC2的有功功率和無功功率的參考值分別為0.5p.u.和0.1p.u.，設置仿真時長為2.5s，在=1.5s時令有功參考值變?yōu)?.8p.u.，圖7～圖9給出了此時交流與直流系統(tǒng)側電壓、電流波形，交流側三相電壓、電流對稱，以a相為例進行分析。

圖7 功率指令變化后MMC1側交流系統(tǒng)

a相電壓、電流波形

圖8 功率指令變化后MMC2側交流系統(tǒng)

a相電壓、電流波形

圖9 功率指令變化后直流母線電壓、電流波形

由圖7可知，MMC1側交流系統(tǒng)電壓在=1.5s時未發(fā)生變化，MMC1側電流在=1.5s時出現(xiàn)波動，幅值逐漸變大，在=1.7s時達到穩(wěn)定；由圖8可知，MMC2側交流系統(tǒng)電壓在=1.5s時未發(fā)生變化，MMC2側電流在=1.5s時出現(xiàn)波動，幅值逐漸變大，在=1.7s時達到穩(wěn)定；由圖9可知，直流母線電壓在=1.5s出現(xiàn)波動后迅速回歸穩(wěn)態(tài)電壓值，直流母線電流在=1.5s時出現(xiàn)波動，幅值逐漸變大，在=1.9s時達到穩(wěn)定。說明基于直流融冰的雙端FID采取合理的控制策略（一端為dc控制，另一端為控制），在有功功率指令發(fā)生變化時，控制側能快速將功率變化信號轉(zhuǎn)化為電流dq軸信號，進而通過改變電流幅值跟蹤功率，實現(xiàn)對有功功率的支撐。

3.2 無功功率支撐

設定MMC1外環(huán)為dc控制，MMC2外環(huán)為ref控制。設置仿真時長為8s，在=2.5s時令MMC2側交流系統(tǒng)電壓出現(xiàn)暫降，大小降為額定值的90%，持續(xù)時長3s，圖10～圖13給出了此時交流與直流系統(tǒng)側電壓、電流波形。

圖10 發(fā)生電壓暫降后MMC1側交流系統(tǒng)

a相電壓、電流波形

圖11 發(fā)生電壓暫降后MMC2側交流系統(tǒng)

a相電壓波形

圖12 發(fā)生電壓暫降后MMC2側交流系統(tǒng)

a相電流波形

圖13 發(fā)生電壓暫降后直流母線電壓、電流波形

由圖10可知，MMC1側交流系統(tǒng)電壓在=2.5s時未發(fā)生變化，MMC1側電流在=2.5s時出現(xiàn)波動，幅值先變小再變大，在=2.85s時達到穩(wěn)定；由圖11可知，MMC2側交流系統(tǒng)電壓在=2.5s時出現(xiàn)暫降，在=4s時幅值已恢復至暫降前的穩(wěn)態(tài)值；由圖12可知，MMC2側交流系統(tǒng)電流在=2.5s時出現(xiàn)暫降，在=4s時幅值已恢復至暫降前的穩(wěn)態(tài)值；由圖13可知，直流母線電壓在=2.5s出現(xiàn)微小波動，電流在=2.5s增大，二者在=3s時回歸穩(wěn)態(tài)。說明基于直流融冰的雙端FID采取合理的控制策略（一端為dc控制，另一端為ref控制），在交流系統(tǒng)電壓出現(xiàn)波動時，控制側能快速將電壓變化信號轉(zhuǎn)化為電流dq軸信號，通過直流母線電壓波動改變兩個子系統(tǒng)間的潮流輸送，令無電壓波動的一方增大其電流為電壓暫降系統(tǒng)提供無功支撐。

4 結論

在仿真平臺搭建了基于直流融冰的雙端FID模型，通過改變有功功率信號、短時交流系統(tǒng)電壓波動，觀察交流與直流側電壓、電流波形，得到如下結論：

1）雙端FID控制策略選取一端為dc控制，另一端為控制，在上層功率指令發(fā)生變化時，控制側能快速將功率變化信號轉(zhuǎn)化為電流dq軸信號，進而通過改變電流幅值跟蹤功率，實現(xiàn)對有功功率的支撐。

2）雙端FID控制策略選取一端為dc控制，另一端為ref控制，在交流系統(tǒng)電壓出現(xiàn)波動時，控制側能快速將電壓變化信號轉(zhuǎn)化為電流dq軸信號，通過直流母線電壓波動改變兩個子系統(tǒng)間的潮流輸送，令無電壓波動的一方增大其電流為電壓暫降系統(tǒng)提供無功支撐。

本文對基于直流融冰的FID采取合理的控制策略，將其與兩個（或多個）配電網(wǎng)相連即可實現(xiàn)功率潮流控制，解決因大量的電力電子裝置接入及用戶負荷的多樣化帶來的電壓波動、饋線負荷不均衡等問題，在不改變現(xiàn)有配電網(wǎng)架構的同時提高了供電可靠性，也提高了裝置的利用率。

下一步研究與工程化工作：針對配電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生故障時，基于直流融冰FID的抵御能力與功能特性展開研究，并盡快開展后續(xù)試驗和現(xiàn)場工程應用，測試設備各種性能參數(shù)和配網(wǎng)潮流控制情況。

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Feeder power flow control simulation of direct current ice melting device based on modular multilevel converter

BAN Guobang1,2NIU Wei1,2YANG Wenyong1,2LI Jianwen3LI Rong3

(1. Electric Power Research Insitute of Guizhou Power Grid Co., Ltd, Guiyang 550002; 2. Key Laboratory of Anti-icing and Disaster Reduction of China Southern Power Grid Corporation, Guiyang 550002; 3. State Key Lab of New Energy and Power Systems of North China Electric Power University, Baoding, Hebei 071003)

This paper expands the function of the DC ice melting device based on modular multilevel converter (MMC), uses the symmetrical topology of rectifier side to extend it into a double-ended flexible interconnection device, which is connected to the distribution network to control feeder power flow. The voltage and current of AC system is changed to meet upper-level power command changes. A certain amount of reactive power is provided from the opposite AC system when a short-term voltage fluctuation occurs in one of the AC systems. Thus the reliability of the distribution network’s power supply is improved while the utilization rate of the device is increased. First, topology of the DC ice melting device based on modular multilevel converter and control method of the rectifier side are designed and explained, then a double-ended flexible interconnection device model is built on simulation platform, and the voltage and current waveforms of transition process is obtained by changing power reference value and temporary voltage fluctuations. The results verifiy effectiveness of the DC ice melting as a flexible interconnection device to achieve feeder power flow control outside the ice melting period.

power flow control; direct current ice melting; flexible interconnection device; modular multilevel converter (MMC)

2021-04-09

2021-04-29

班國邦（1983—），男，貴州省畢節(jié)市人，碩士，高級工程師，主要從事高電壓技術及柔性直流配電技術研究、測試等工作。

貴州電網(wǎng)公司科技項目（GZKJXM20182104）