孫銀鋒，劉宇晗*，郭宇航，李國(guó)慶，王振浩，吳學(xué)光

(1.現(xiàn)代電力系統(tǒng)仿真控制與綠色能源新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（東北電力大學(xué)），吉林 吉林 132012；2.全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院，北京 102211；3.直流電網(wǎng)技術(shù)與仿真北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102211)

為構(gòu)建清潔能源供應(yīng)體系，高比例新能源的輸送與消納能力亟需提升，加大電能替代力度成為首要任務(wù)[1–2]?；谀K化多電平換流器的多端柔性直流輸電系統(tǒng)（multi-terminal HVDC based on MMC，MMC–MTDC）已經(jīng)證明了其在風(fēng)電并網(wǎng)與消納[3]、孤島供電[4]、提升電網(wǎng)穩(wěn)定性[5]等方面的優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)已成為直流輸電系統(tǒng)的首選方案[6]，在海上風(fēng)電并網(wǎng)與多電網(wǎng)互聯(lián)等領(lǐng)域擁有廣闊的前景[7]。

隨著電力系統(tǒng)電壓等級(jí)和傳輸距離的提高，直流線(xiàn)路架空線(xiàn)具有顯著的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)增加了故障發(fā)生率。在柔直輸電系統(tǒng)中，直流故障發(fā)展更為迅速，對(duì)電網(wǎng)沖擊更大。因此，提升系統(tǒng)直流故障穿越能力成為目前研究的重點(diǎn)?，F(xiàn)有針對(duì)柔性直流輸電系統(tǒng)直流故障穿越措施的研究主要分為以下2個(gè)方面：一是，改進(jìn)換流器或子模塊拓?fù)洌蛊渚邆涔收献郧宄芰?。曹帥等[8–9]采用半橋與全橋子模塊組成的混合型MMC，可以在故障期間不閉鎖持續(xù)運(yùn)行，具有良好的故障阻斷能力。王冰冰等[10]提出一種儲(chǔ)能內(nèi)置式子模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)故障自我隔離與故障后快速恢復(fù)。但新型子模塊更復(fù)雜的控制方式與更高的成本使得此方法在實(shí)際工程應(yīng)用中受限。二是，采用半橋子模塊與直流斷路器（direct current circuit breaker，DCCB）相互配合迅速隔離故障線(xiàn)路[11–12]。該方案在舟山柔性直流電網(wǎng)與張北500 kV直流電網(wǎng)中已得到實(shí)際工程應(yīng)用[13–14]。

針對(duì)直流線(xiàn)路雙極接線(xiàn)方式，在直流線(xiàn)路單極故障期間，可以通過(guò)非故障極繼續(xù)傳輸功率，由于非故障極無(wú)法承擔(dān)全部的功率輸送，較大的剩余功率會(huì)涌入非故障極造成換流站過(guò)載[15]。目前工程上針對(duì)剩余功率消納問(wèn)題采用耗能方案進(jìn)行消耗，主要分為以下2種方案：一是，通過(guò)在風(fēng)電場(chǎng)交流側(cè)匯流母線(xiàn)處并聯(lián)耗能電阻，以維持故障期間系統(tǒng)的穩(wěn)定性[8–9]。二是，在換流站直流側(cè)配置耗能裝置[16–17]。耗能裝置中全控型電力電子器件較多，拓?fù)鋸?fù)雜且經(jīng)濟(jì)成本高昂[18]?？刂七壿嬙O(shè)計(jì)困難、能源浪費(fèi)與散熱設(shè)施建設(shè)等問(wèn)題也在制約該方法的進(jìn)一步發(fā)展。

工程中普遍使用的耗能電阻阻值相對(duì)固定，只能成組投退，對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行沖擊性較大。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行方式不同時(shí)，無(wú)法針對(duì)不同運(yùn)行狀態(tài)與故障類(lèi)型準(zhǔn)確消納不平衡功率。因此，相較于采用耗能方式進(jìn)行故障期間的功率消耗，采用風(fēng)力發(fā)電機(jī)配置的儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行故障穿越更具研究?jī)r(jià)值。儲(chǔ)能系統(tǒng)吸收剩余功率方案復(fù)雜程度更低，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)根據(jù)不同故障類(lèi)型定量計(jì)算不平衡功率，使功率消納更為準(zhǔn)確。鄭子萱等[19]提出了一種依托于儲(chǔ)能裝置的交流故障穿越新方法，通過(guò)多種方案的對(duì)比證明了在儲(chǔ)能裝置介入的情況下可以更有效的維持直流電壓穩(wěn)定。但單獨(dú)采用儲(chǔ)能系統(tǒng)消納功率的方法需要為儲(chǔ)能系統(tǒng)配置過(guò)高的容量，投資成本過(guò)高，很難應(yīng)用于實(shí)際。楊航等[20]在風(fēng)電機(jī)組全功率換流器直流鏈路設(shè)置儲(chǔ)能系統(tǒng)，通過(guò)DC/DC變換器對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制提高了風(fēng)電機(jī)組的故障穿越能力和故障期間運(yùn)行穩(wěn)定性，但僅關(guān)注交流故障抑制方面，未涉及故障發(fā)生率更高的直流故障。Jannati等[21]提出在風(fēng)電場(chǎng)匯流母線(xiàn)處并聯(lián)儲(chǔ)能系統(tǒng)，通過(guò)輸出功率跟蹤和效用約束降低儲(chǔ)能系統(tǒng)容量與損耗，延長(zhǎng)儲(chǔ)能單元壽命，變相提高了儲(chǔ)能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。但研究重點(diǎn)側(cè)重儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)故障期間的能量吸收與故障后的快速恢復(fù)，未能將定量分析與新能源出力相互配合，降低了系統(tǒng)的整體故障穿越能力。

為解決上述問(wèn)題，本文建立了風(fēng)電接入多端柔直輸電系統(tǒng)和儲(chǔ)能系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)模型；通過(guò)多端柔直系統(tǒng)的直流故障特性分析，根據(jù)非故障極換流站的功率傳輸能力，確定了自消納與非自消納情形；根據(jù)斷路器重合閘信息判斷的不同故障類(lèi)型和功率消納情形調(diào)整換流站控制方式，設(shè)計(jì)分散于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組全功率換流器預(yù)裝的儲(chǔ)能設(shè)備參數(shù)，吸收故障期間的不平衡功率，進(jìn)而提出完整的故障穿越協(xié)調(diào)控制策略，有效減小故障的影響范圍，保證風(fēng)電機(jī)組出力和系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。最后通過(guò)數(shù)字仿真驗(yàn)證了本文所提控制策略的有效性。

1 風(fēng)電經(jīng)對(duì)稱(chēng)雙極MMC–MTDC并網(wǎng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運(yùn)行方式及控制策略

1.1 MMC–MTDC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與運(yùn)行方式

風(fēng)電經(jīng)對(duì)稱(chēng)雙極MMC–MTDC系統(tǒng)并網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

由圖1可知，直流電網(wǎng)為對(duì)稱(chēng)雙極接線(xiàn)，正負(fù)極輸電線(xiàn)路分別形成環(huán)網(wǎng)，每一端由正負(fù)極兩個(gè)換流站構(gòu)成，直流輸電線(xiàn)路始末兩端均配備直流斷路器。永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)通過(guò)全功率變流器與電網(wǎng)連接，并采用等值模擬原理構(gòu)建風(fēng)電場(chǎng)。儲(chǔ)能系統(tǒng)并聯(lián)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)全功率變流器的直流線(xiàn)路上，主要包含DC/DC變換器及儲(chǔ)能單元兩部分。

圖1 風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)MMC–MTDC并網(wǎng)系統(tǒng)拓?fù)浼翱刂瓶驁DFig. 1 Topology and control block diagram of grid connected system of wind farm via MMC–MTDC

相較于兩端輸電系統(tǒng)，多端網(wǎng)絡(luò)需要配置站間協(xié)調(diào)控制策略，用以調(diào)整直流線(xiàn)路電壓、各換流站傳輸功率等指標(biāo)，維持直流電網(wǎng)穩(wěn)定。下垂控制由于具有功率調(diào)節(jié)快、直流電壓穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于直流系統(tǒng)的直流電壓控制，相較于單一主站控制還可以避免因主換流站容量不足而限制系統(tǒng)的功率波動(dòng)調(diào)節(jié)能力。換流站MMC1與MMC2采用直流電壓下垂控制，共同承擔(dān)故障期間系統(tǒng)中的電壓波動(dòng)。對(duì)MMC3和MMC4分別采用孤島控制與定有功功率控制，維持系統(tǒng)功率平衡。

采用對(duì)稱(chēng)雙極接線(xiàn)方式的MMC-MTDC系統(tǒng)具有可靠、靈活的運(yùn)行特性，發(fā)生故障時(shí)可以改變系拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過(guò)非故障極保證故障期間風(fēng)功率的及時(shí)送出與消納[22]。穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)正負(fù)極傳輸功率，當(dāng)其中一極發(fā)生故障時(shí)，快速切除故障極線(xiàn)路防止故障電流危害系統(tǒng)穩(wěn)定性，此時(shí)故障極停止傳輸功率，僅由非故障極線(xiàn)路保證故障期間的功率傳輸。

1.2 MMC結(jié)構(gòu)與數(shù)學(xué)模型

三相MMC換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及原理如圖2所示。由圖2可知，換流器由三相上下橋臂組成，各橋臂含有數(shù)量相同的子模塊（sub module，SM）并與橋臂電感串聯(lián)，交流側(cè)從上下橋臂相連處接入。MMC直流側(cè)輸出電壓由每一相上下橋臂子模塊電容支撐，見(jiàn)式（1）：

圖2 單極MMC換流器拓?fù)銯ig. 2 Topology of unipolar MMC converter

式中，uip與uin分別為每相上、下橋臂子模塊電容電壓之和，Udc為直流線(xiàn)路電壓。為保持穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)直流母線(xiàn)電壓不變，則需保證每相上下橋臂投入子模塊數(shù)量滿(mǎn)足：

式中，nip與nin分別為每相上、下橋臂子模塊投入數(shù)量，N為每相橋臂串聯(lián)子模塊個(gè)數(shù)的一半（不考慮冗余）。

MMC采用矢量控制方式，基本控制策略可分為功率外環(huán)控制與電流內(nèi)環(huán)控制。功率外環(huán)主要是對(duì)有功功率、無(wú)功功率、直流電壓、交流電壓等物理量進(jìn)行控制，并輸出dq軸的電流參考值至電流內(nèi)環(huán)控制器，內(nèi)環(huán)控制實(shí)現(xiàn)對(duì)參考值的快速跟蹤。

建立dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下MMCm的時(shí)域輸入輸出基頻表達(dá)式[23]：

式中，Lm和Rm分別為MMCm的等效電阻和等效電感，ω為各換流站交流電網(wǎng)角頻率，usdm和usqm分別為MMCm上、下橋臂差模電壓的d軸和q軸分量，udm、uqm、idm、iqm分別為MMCm交流側(cè)輸入的電壓與電流的d軸和q軸分量。

通過(guò)Laplace變換將式（3）從時(shí)域變換到頻域，可得：

根據(jù)三相瞬時(shí)功率理論，dq坐標(biāo)系下MMCm與交流系統(tǒng)交換的瞬時(shí)有功功率和無(wú)功功率可表示為：

在三相電壓平衡條件下，取三相電壓合成矢量方向?yàn)閐軸方向，則usdm=Us（交流系統(tǒng)電壓幅值），usqm=0。與由式（5）可知，有功功率僅與idm有關(guān)，無(wú)功功率僅與iqm有關(guān)。根據(jù)上述原理可設(shè)計(jì)換流站的內(nèi)外環(huán)控制器結(jié)構(gòu)。

1.3 儲(chǔ)能系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)

如圖1所示，儲(chǔ)能系統(tǒng)并聯(lián)在全功率變流器直流線(xiàn)路上，區(qū)別于儲(chǔ)能系統(tǒng)集中式接入交流系統(tǒng)，分布式接入的儲(chǔ)能系統(tǒng)容量小、成本低，并省略雙向DC/AC換流器，減少不必要的電力電子器件。DC/DC變換器根據(jù)故障信號(hào)切換運(yùn)行模式，控制儲(chǔ)能系統(tǒng)吸收或發(fā)出有功。系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)退出運(yùn)行，與電網(wǎng)不發(fā)生能量交換；故障發(fā)生時(shí)，直流斷路器迅速動(dòng)作并產(chǎn)生故障信號(hào)，DC/DC變換器切換到充電模式，儲(chǔ)能單元吸收有功，消納故障期間電網(wǎng)中的不平衡功率。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)預(yù)裝的儲(chǔ)能裝置有著平滑功率輸出等作用，因此在滿(mǎn)足系統(tǒng)穩(wěn)定性要求與不影響其他功能的前提下，合理配置儲(chǔ)能系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)，盡可能減小儲(chǔ)能系統(tǒng)額定容量，在安全性與經(jīng)濟(jì)性?xún)煞矫鎸?duì)于多端直流輸電系統(tǒng)具有重要意義。

儲(chǔ)能系統(tǒng)配置的額定有功功率與風(fēng)電場(chǎng)額定輸出功率和換流站單極最大輸送功率有關(guān)，三者滿(mǎn)足的不平等約束條件為：

式中，Pbess為儲(chǔ)能系統(tǒng)的額定有功功率值，Pmmcmax為單極換流站最大輸送有功功率值，Pwindmax為風(fēng)電場(chǎng)輸出的額定有功功率值，極限情況下式（6）等號(hào)成立。同時(shí)，考慮功率冗余與直流電網(wǎng)正負(fù)極對(duì)稱(chēng)性，換流站正常工作傳輸?shù)墓β市∮谧畲筝斔凸β?，單極換流站最大傳輸有功功率值的2倍不小于風(fēng)電場(chǎng)輸出的額定有功功率，見(jiàn)式（7）：

式中，Pmmc為單極換流站正常工作時(shí)傳輸?shù)挠泄β省?/p>

綜合考慮系統(tǒng)功率平衡原理與經(jīng)濟(jì)性因素，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單極故障時(shí)，非故障極換流站與儲(chǔ)能系統(tǒng)承擔(dān)功率之和與風(fēng)電場(chǎng)輸送功率之間的差值決定了系統(tǒng)的功率冗余，風(fēng)電場(chǎng)輸送功率的最大值為額定有功功率。

從初始充電狀態(tài)開(kāi)始，對(duì)流經(jīng)電池電流積分，確定電池的荷電狀態(tài)與剩余容量。對(duì)荷電狀態(tài)上下限進(jìn)行約束，防止儲(chǔ)能系統(tǒng)過(guò)量充放電造成元件損壞[24–25]。荷電狀態(tài)Qsoc公式與約束條件為：

式中：Q0為電池的額定容量；Qsoc0為電池的初始充電狀態(tài)，可通過(guò)將開(kāi)路電壓與電池制造商提供的特性進(jìn)行比較來(lái)獲得。設(shè)置Qsocmin=20%，Qsocmax=80%。

為保證系統(tǒng)發(fā)生單極故障時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)與換流站均不發(fā)生過(guò)載，考慮故障期間非故障極換流站功率傳輸能力會(huì)明顯減小儲(chǔ)能系統(tǒng)容量。根據(jù)分布式儲(chǔ)能裝置特性，儲(chǔ)能設(shè)備的容量為：

式中，n為構(gòu)成風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)機(jī)總臺(tái)數(shù)，Ebess為每臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)預(yù)裝的儲(chǔ)能系統(tǒng)用于故障穿越功能的額定容量，t0和t1分別為直流斷路器兩次動(dòng)作的時(shí)間。

2 直流故障特性分析及故障穿越協(xié)調(diào)控制策略

2.1 直流故障特性分析

圖3為子模塊放電回路。由圖3可知，當(dāng)風(fēng)電經(jīng)對(duì)稱(chēng)雙極MMC–MTDC并網(wǎng)系統(tǒng)直流輸電線(xiàn)路發(fā)生單極短路接地故障時(shí)，故障點(diǎn)對(duì)地電壓瞬間跌落至0，故障極換流站中的子模塊向故障點(diǎn)迅速放電產(chǎn)生過(guò)電流，嚴(yán)重危害電網(wǎng)安全。

圖3 MMC子模塊放電回路Fig. 3 Discharge circuit of MMC sub module

由于換流站所采用的半橋型子模塊無(wú)法自動(dòng)清除故障，子模塊電容不斷放電導(dǎo)致自身電壓不斷降低，無(wú)法維持風(fēng)電并網(wǎng)點(diǎn)電壓穩(wěn)定，導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)交流側(cè)匯流母線(xiàn)電壓迅速降低，等同于風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)發(fā)生三相故障，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)安全運(yùn)行產(chǎn)生極大沖擊。為快速隔離故障線(xiàn)路，抑制故障電流，采用直流斷路器對(duì)故障極線(xiàn)路快速切除。由于故障極換流站橋臂電感的存在，故障線(xiàn)路被隔離后換流站內(nèi)部電流無(wú)法瞬間降至0，交流側(cè)電流會(huì)通過(guò)某相橋臂的反并聯(lián)二極管向其他各相所連橋臂中的子模塊持續(xù)充電，造成故障極子模塊的過(guò)電壓。此時(shí)如果將故障極換流站切除，當(dāng)故障結(jié)束后換流站的重啟會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成較大沖擊，此種措施在實(shí)際工程中未得到大規(guī)模應(yīng)用。因此，在故障持續(xù)期間，改變故障極換流站控制方式為定直流電壓控制，既可以抑制因交流饋入導(dǎo)致的子模塊電容過(guò)度充電，又可以實(shí)現(xiàn)不閉鎖持續(xù)運(yùn)行。

2.2 故障情景與穿越措施分類(lèi)

2.2.1 單極故障

在實(shí)際工程領(lǐng)域，已實(shí)現(xiàn)直流斷路器在故障發(fā)生6 ms內(nèi)快速隔離故障，有效抑制故障電流的快速上升。通過(guò)輔以切換換流站控制方式可以有效控制電壓穩(wěn)定，保證風(fēng)電機(jī)組不脫網(wǎng)持續(xù)運(yùn)行。直流線(xiàn)路發(fā)生單極故障時(shí)，盡可能保證風(fēng)電場(chǎng)輸送到直流電網(wǎng)的功率保持不變，精準(zhǔn)消納故障期間系統(tǒng)產(chǎn)生的不平衡功率成為首要任務(wù)。

此時(shí)系統(tǒng)中產(chǎn)生的不平衡功率ΔP與正常工作時(shí)換流站功率相等，即ΔP=Pmmc，單極故障期間非故障極換流站可吸收的功率為：

式中，Prest為非故障極的裕量功率。根據(jù)Prest與ΔP的大小可分為2種功率消納方案，圖4為兩種方案下故障期間功率流通路徑。具體的功率消納方案如下：

圖4 故障期間功率流通路徑Fig. 4 Power flow path during fault

方案1：非故障極換流站不平衡功率自消納，此時(shí)要求 ?P≤Prest，系統(tǒng)產(chǎn)生的不平衡功率可以完全由非故障極消納。在此情形下系統(tǒng)發(fā)生故障，不需要風(fēng)電場(chǎng)與儲(chǔ)能系統(tǒng)參與系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)，風(fēng)電場(chǎng)與受端網(wǎng)絡(luò)在故障結(jié)束后可快速恢復(fù)至穩(wěn)態(tài)，一定程度上減小故障影響范圍，提升系統(tǒng)穩(wěn)定性，功率消納路徑如圖4（a）所示。

方案2：非故障極換流站無(wú)法完全消納不平衡功率，此時(shí)ΔP>Prest，優(yōu)先控制非故障極換流站達(dá)到滿(mǎn)載運(yùn)行狀態(tài)，系統(tǒng)產(chǎn)生的不平衡功率在非故障極滿(mǎn)載后仍有剩余，這一部分的剩余功率由儲(chǔ)能系統(tǒng)承擔(dān)。此時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)參與功率流通如圖4（b）所示，將不平衡功率分配到每臺(tái)風(fēng)機(jī)配備的儲(chǔ)能單元上，每臺(tái)風(fēng)機(jī)的儲(chǔ)能裝置吸收的功率為：

式中，ΔPbess為故障期間每個(gè)分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)吸收的功率。

單極故障發(fā)生時(shí)，直流斷路器在6 ms內(nèi)完成對(duì)故障線(xiàn)路的隔離，考慮最嚴(yán)重的情況為非故障極換流站滿(mǎn)載，儲(chǔ)能系統(tǒng)參與吸收不平衡功率。儲(chǔ)能系統(tǒng)容量與直流斷路器重合閘時(shí)間存在約束關(guān)系，要求直流斷路器兩次動(dòng)作時(shí)間差內(nèi)，儲(chǔ)能系統(tǒng)額定功率運(yùn)行不會(huì)超出容量限制。當(dāng)重合閘失敗時(shí)，發(fā)出永久故障信號(hào)，儲(chǔ)能系統(tǒng)與風(fēng)電場(chǎng)接收信號(hào)，儲(chǔ)能系統(tǒng)退出運(yùn)行不再吸收能量，風(fēng)電場(chǎng)減載的功率與故障期間儲(chǔ)能系統(tǒng)吸收的功率關(guān)系為：

式中，ΔPwind為風(fēng)電場(chǎng)減載功率。此時(shí)風(fēng)電場(chǎng)輸出的功率為Pwind–ΔPwind，正常工作條件下系統(tǒng)正負(fù)極換流站完全承擔(dān)風(fēng)電場(chǎng)輸出功率，即Pwind=2Pmmc，將式（12）代入，可得風(fēng)電場(chǎng)減載后輸出功率為Pmmcmax。功率分配改變后系統(tǒng)達(dá)到永久故障下新的穩(wěn)定狀態(tài)。

對(duì)于架空輸電線(xiàn)路，直流側(cè)單極故障的發(fā)生是最為頻繁的，故障類(lèi)型分為瞬時(shí)故障與永久故障兩種情況。本研究以直流斷路器重合閘情況判斷故障類(lèi)型：若直流斷路器成功重合閘，則為瞬時(shí)故障，否則為永久故障?？紤]功率消納方案與不同的故障類(lèi)型，共計(jì)4種情形。本文提出的完整故障穿越流程如圖5所示。由圖5可知：自消納前提下的瞬時(shí)故障。此時(shí)風(fēng)功率可完全由非故障極傳輸，發(fā)生瞬時(shí)故障后，儲(chǔ)能系統(tǒng)與風(fēng)電場(chǎng)不動(dòng)作，非故障極換流站增大傳輸功率至故障前的2倍。故障結(jié)束后將直流網(wǎng)絡(luò)每一端的故障極換流站從定直流電壓控制切換回穩(wěn)態(tài)控制模式，不再參與額外的功率消納。非自消納功率情況下發(fā)生瞬時(shí)故障，故障期間由非故障極換流站和儲(chǔ)能系統(tǒng)共同承擔(dān)不平衡功率，待直流斷路器重合閘后儲(chǔ)能系統(tǒng)退出運(yùn)行，控制非故障極換流站減小功率承擔(dān)至與故障極換流站相等，完成故障穿越。自消納前提下的永久故障不需要儲(chǔ)能系統(tǒng)與風(fēng)電場(chǎng)參與功率轉(zhuǎn)移，可完全由非故障極換流站承擔(dān)，功率分配方案與瞬時(shí)故障相同。

圖5 系統(tǒng)故障穿越協(xié)調(diào)控制流程Fig. 5 System fault ride-through coordination control process

圖6為系統(tǒng)在非自消納前提下發(fā)生永久性故障的功率流通示意圖。直流斷路器第1、2次動(dòng)作期間功率流通與瞬時(shí)故障相同。由圖6可知，重合閘后儲(chǔ)能系統(tǒng)停止吸收功率，風(fēng)電場(chǎng)輸出功率減小并僅由非故障極換流站傳輸。

圖6 非自消納前提下永久故障功率流通情況Fig. 6 Permanent fault power flow under the premise of non-self absorption

2.2.2 雙極故障

系統(tǒng)發(fā)生雙極短路故障時(shí)，由于雙極短路時(shí)無(wú)法通過(guò)換流站消納部分功率，式（9）與（11）中Pmmcmax為0，可得儲(chǔ)能系統(tǒng)滿(mǎn)足雙極故障穿越條件的容量應(yīng)大于單極故障時(shí)容量，因此設(shè)置儲(chǔ)能系統(tǒng)容量應(yīng)以雙極故障情形為準(zhǔn)。

雙極故障穿越流程：當(dāng)直流線(xiàn)路發(fā)生雙極短路時(shí)，直流斷路器動(dòng)作將正負(fù)極線(xiàn)路隔離，直流線(xiàn)路無(wú)法傳輸功率。正負(fù)極換流站均需改變控制模式至定直流電壓控制以防止交流側(cè)電流饋入子模塊電容造成過(guò)載。儲(chǔ)能系統(tǒng)接收斷路器跳開(kāi)信號(hào)進(jìn)行功率消納至斷路器第2次動(dòng)作時(shí)刻。若為瞬時(shí)故障，重合閘成功后系統(tǒng)恢復(fù)至故障前狀態(tài)；若為永久性故障，則風(fēng)電場(chǎng)減載，減載功率根據(jù)式（12）計(jì)算。從故障穿越措施角度而言，雙極故障本質(zhì)上為不含非故障極換流站配合的協(xié)調(diào)控制措施，屬于單極故障穿越措施的一部分，因此本文并未對(duì)于雙極故障進(jìn)行單獨(dú)仿真研究。

3 仿真分析

為驗(yàn)證本文提出的故障穿越方案的有效性，在PSCAD/EMTDC仿真平臺(tái)搭建如圖1所示的風(fēng)電經(jīng)對(duì)稱(chēng)雙極MMC–MTDC并網(wǎng)系統(tǒng)的仿真模型，通過(guò)穩(wěn)態(tài)仿真驗(yàn)證模型合理性后，對(duì)自消納與非自消納前提下的單極短路故障穿越措施進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

模型中采用等值模擬方法構(gòu)建額定有功功率為1 000 MW風(fēng)電場(chǎng)，由210臺(tái)額定功率為5 MW的風(fēng)機(jī)組成，交流匯流母線(xiàn)電壓為380 kV。風(fēng)電機(jī)組出口電壓為0.69 kV，經(jīng)全功率變流器與匯流母線(xiàn)相連，匯流后并入MMC3。設(shè)置直流斷路器兩次動(dòng)作時(shí)間間隔為0.3 s，進(jìn)行雙極故障條件下的儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置計(jì)算，根據(jù)式（9）與（11）計(jì)算可得式（13）：

預(yù)裝儲(chǔ)能單元用于故障穿越的容量約為0.41 kWh。考慮儲(chǔ)能系統(tǒng)的平滑風(fēng)機(jī)出力及風(fēng)電場(chǎng)黑啟動(dòng)等作用[26]，容量以需要的最大值為準(zhǔn)為1 kWh[27–28]。其他仿真參數(shù)見(jiàn)表1，功率流動(dòng)以流向直流電網(wǎng)為正方向。

表1 系統(tǒng)仿真相關(guān)參數(shù)Tab. 1 System simulation related parameters

3.1 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行驗(yàn)證

為驗(yàn)證搭建仿真模型的合理性，系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)情況下運(yùn)行時(shí)仿真如下。

圖7為直流線(xiàn)路正負(fù)極電壓。由圖7可知：系統(tǒng)啟動(dòng)后，MMC1的正負(fù)極換流站在0.2 s時(shí)解鎖并投入運(yùn)行，建立直流電壓，并維持電壓穩(wěn)定在400 kV，為其他換流站投入運(yùn)行創(chuàng)造電壓穩(wěn)定條件。MMC2與MMC4分別在0.4和0.6 s解鎖，與風(fēng)電場(chǎng)相連的MMC3在0.8 s時(shí)解鎖，為風(fēng)電場(chǎng)端提供交流側(cè)穩(wěn)定電壓。風(fēng)電場(chǎng)與全功率變流器在0.8 s時(shí)接入，直流線(xiàn)路電壓因建立全功率變流器直流電壓而產(chǎn)生波動(dòng)，待風(fēng)電場(chǎng)端完全啟動(dòng)后，系統(tǒng)直流線(xiàn)路電壓恢復(fù)穩(wěn)定。

圖7 直流線(xiàn)路電壓Fig. 7 DC line voltage

圖8為風(fēng)電場(chǎng)交流側(cè)匯流母線(xiàn)電壓與注入系統(tǒng)的有功功率和無(wú)功功率仿真結(jié)果圖。由圖8可知，在t=0.8 s前，風(fēng)電場(chǎng)處于閉鎖狀態(tài)，未向系統(tǒng)注入功率，匯流母線(xiàn)電壓與傳輸功率均為0，風(fēng)電場(chǎng)自0.8 s接入系統(tǒng)，匯流母線(xiàn)處交流電壓在t=1.2 s達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。此后風(fēng)電場(chǎng)輸出的有功功率不斷增大，在t=3.3 s達(dá)到最大值約為1 000 MW，

圖8 穩(wěn)態(tài)下風(fēng)電場(chǎng)匯流母線(xiàn)電壓及輸出功率Fig. 8 Wind farm bus voltage and output power in steady state

穩(wěn)態(tài)仿真中，有功功率傳輸情況如圖9所示。由圖9可知：風(fēng)電場(chǎng)在3.3 s后達(dá)到額定輸出功率，風(fēng)電輸出不再增加，各換流站功率傳輸趨于穩(wěn)定。穩(wěn)態(tài)期間儲(chǔ)能系統(tǒng)不參與功率流通。上述仿真結(jié)果可以表明，所搭建的仿真模型在系統(tǒng)穩(wěn)定后可以較好地反映系統(tǒng)狀態(tài)，為后續(xù)提出故障穿越措施提供驗(yàn)證平臺(tái)。

圖9 穩(wěn)態(tài)下各換流站有功功率Fig. 9 Active power of each converter station in steady state

3.2 非自消納情形下直流故障

3.2.1 非自消納情形下瞬時(shí)故障

為驗(yàn)證非自消納情形下瞬時(shí)故障的故障穿越措施，在t=5 s時(shí)于MMC1出口處設(shè)置正極直流母線(xiàn)瞬時(shí)故障，持續(xù)0.2 s后結(jié)束。直流斷路器在故障發(fā)生2 ms后發(fā)出故障信號(hào)，在6 ms后隔離故障線(xiàn)路。

系統(tǒng)接收直流斷路器動(dòng)作信號(hào)后轉(zhuǎn)變?yōu)楣收洗┰侥Ｊ剑涸诜亲韵{前提下，非故障極換流站無(wú)法完全傳輸風(fēng)電場(chǎng)輸出功率，根據(jù)非故障極換流站與儲(chǔ)能系統(tǒng)容量，由式（11）計(jì)算功率分配方案。系統(tǒng)接收直流斷路器動(dòng)作信號(hào)后轉(zhuǎn)變?yōu)楣收洗┰侥Ｊ剑河泄β释Ｖ惯M(jìn)入故障極換流站，改變故障極換流站控制方式為定直流電壓控制，防止交流側(cè)電流饋入對(duì)換流站子模塊進(jìn)行過(guò)充電。令非故障極換流站滿(mǎn)載，有功功率由穩(wěn)態(tài)的500 MW上升至700 MW。儲(chǔ)能系統(tǒng)接收故障信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槌潆娔Ｊ?，從直流線(xiàn)路吸收能量，承擔(dān)的有功功率之和為300 MW。分配到每臺(tái)風(fēng)機(jī)的儲(chǔ)能單元吸收的有功功率約為1.36 MW。

圖10為單一儲(chǔ)能單元功率傳輸情況。由圖10可知，在非自消納前提下，儲(chǔ)能系統(tǒng)于5.002 s接收故障信號(hào)，開(kāi)始向電池充電，此時(shí)產(chǎn)生持續(xù)時(shí)間約20 ms的較大波動(dòng)。故障持續(xù)期間穩(wěn)定從全功率變流器的直流線(xiàn)路吸收約1.36 MW，防止風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的不平衡功率過(guò)量涌入非故障極換流站造成換流站過(guò)載。

圖10 儲(chǔ)能系統(tǒng)吸收有功Fig. 10 Active power absorbed by the energy storage system

圖11為風(fēng)電場(chǎng)輸出功率與匯流母線(xiàn)電壓電流波形。由圖11（a）可知，風(fēng)電場(chǎng)對(duì)外輸送功率由穩(wěn)態(tài)的1 000 MW經(jīng)儲(chǔ)能系統(tǒng)吸收后，故障期間穩(wěn)定在700 MW，符合單極換流站最大容量要求。圖11（b）表明風(fēng)電場(chǎng)交流側(cè)匯流母線(xiàn)三相電壓在故障持續(xù)期間未發(fā)生較大波動(dòng)，可以保證風(fēng)機(jī)的不脫網(wǎng)持續(xù)運(yùn)行。由圖11（c）可以看出，由于部分有功功率被儲(chǔ)能系統(tǒng)吸收，風(fēng)電場(chǎng)對(duì)系統(tǒng)注入功率的下降導(dǎo)致匯流母線(xiàn)三相電流在故障期間維持在較低水平且保持相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。故障結(jié)束后，電流快速恢復(fù)至正常水平。

圖11 風(fēng)電場(chǎng)輸出功率及匯流母線(xiàn)電壓電流Fig. 11 Wind farm output power and bus voltage and current

圖12為故障期間各換流站功率流通情況。由圖12可以得到：由于直流斷路器在故障發(fā)生后隔離故障線(xiàn)路時(shí)間有所延遲，MMC1與故障點(diǎn)直接相連，直流線(xiàn)路電流瞬間增大，造成MMC1功率上升且流向故障點(diǎn)。與交流電網(wǎng)相連的MMC2缺少來(lái)自MMC1的功率輸送，從直流線(xiàn)路吸收的功率值有所下降。隨著故障線(xiàn)路的切除，MMC1功率恢復(fù)正常值。風(fēng)電場(chǎng)向直流電網(wǎng)注入功率因儲(chǔ)能系統(tǒng)吸收而小于穩(wěn)態(tài)注入功率，MMC2從直流電網(wǎng)吸收的功率值在故障持續(xù)期間均維持在較低水平。在t=5.3 s時(shí)斷路器重合閘成功，儲(chǔ)能系統(tǒng)退出運(yùn)行，各換流站有功恢復(fù)至穩(wěn)態(tài)值。

圖12 換流站傳輸功率Fig. 12 Power transmitted by converter station

3.2.2 非自消納情形下永久故障

在非自消納前提下，為驗(yàn)證本文的故障穿越措施對(duì)永久故障有較好效果，在t=5 s時(shí)于MMC1換流站出口處設(shè)置正極線(xiàn)路永久故障。直流斷路器于故障發(fā)生2 ms后動(dòng)作并發(fā)出故障信號(hào)，系統(tǒng)進(jìn)入故障穿越模式。在直流斷路器二次動(dòng)作信號(hào)發(fā)出前，故障穿越流程與瞬時(shí)故障情形相同。在t=5.302 s時(shí)直流斷路器重合閘并發(fā)出永久故障信號(hào)，儲(chǔ)能系統(tǒng)接收信號(hào)后退出運(yùn)行防止過(guò)充電，風(fēng)電場(chǎng)減載功率與故障期間儲(chǔ)能系統(tǒng)吸收功率相等。

圖13為風(fēng)電場(chǎng)輸出功率及匯流母線(xiàn)電壓電流波形圖。在永久故障條件下，儲(chǔ)能系統(tǒng)投切方案與瞬時(shí)故障完全相同，投入期間的吸收功率相對(duì)穩(wěn)定，功率流通大小與瞬時(shí)故障情形一致。如圖13所示：在t=5.3 s時(shí)重合閘失敗發(fā)出永久故障信號(hào)，儲(chǔ)能系統(tǒng)自動(dòng)切除，風(fēng)電場(chǎng)減載功率與故障期間儲(chǔ)能系統(tǒng)吸收功率相等，風(fēng)電場(chǎng)輸出功率產(chǎn)生波動(dòng)后迅速消失。自故障發(fā)生后，風(fēng)電場(chǎng)輸出功率與非故障極換流站最大容量基本相等，匯流母線(xiàn)三相電壓與三相電流相對(duì)穩(wěn)定，為風(fēng)電場(chǎng)持續(xù)運(yùn)行提供良好條件。

圖13 風(fēng)電場(chǎng)輸出功率及匯流母線(xiàn)電壓電流Fig. 13 Wind farm output power and bus voltage and current

圖14為直流線(xiàn)路電壓及負(fù)極傳輸?shù)挠泄β史抡娼Y(jié)果。

圖14（a）為換流站間正負(fù)極直流線(xiàn)路電壓。由圖14（a）可以看出：故障發(fā)生瞬間正極線(xiàn)路直流電壓劇烈波動(dòng)后變?yōu)榱?，?fù)極線(xiàn)路直流電壓由穩(wěn)定狀態(tài)的–400 kV變?yōu)楣收虾蟮抹C380 kV。在永久故障發(fā)生后，直流斷路器隔離正極線(xiàn)路致使正極傳輸功率為0，負(fù)極線(xiàn)路承擔(dān)全部的功率輸送任務(wù)，負(fù)極線(xiàn)路電壓的穩(wěn)定關(guān)系到系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性。自故障發(fā)生后，經(jīng)歷直流斷路器2次動(dòng)作，最后到新的穩(wěn)定狀態(tài)，負(fù)極線(xiàn)路電壓均未產(chǎn)生劇烈波動(dòng)，可以通過(guò)負(fù)極線(xiàn)路穩(wěn)定傳輸功率。圖14（b）為各換流站間負(fù)極線(xiàn)路功率傳輸情況仿真結(jié)果，其中，Pij為MMCi與MMCj兩換流站間傳輸?shù)墓β?。由圖14（b）可知：在直流斷路器2次動(dòng)作期間功率流通存在較大波動(dòng)。在t=5.3 s時(shí)刻，直流斷路器重合閘，因線(xiàn)路故障仍然存在，線(xiàn)路電壓與負(fù)極功率產(chǎn)生劇烈變化。重合閘失敗后直流斷路器再次隔離線(xiàn)路，系統(tǒng)拓?fù)涓淖儾⑦_(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)，功率分配方案為負(fù)極線(xiàn)路在t=5.3 s后穩(wěn)定時(shí)刻所傳輸?shù)墓β省?/p>

圖14 直流電壓及負(fù)極傳輸有功Fig. 14 DC voltage and active power transmitted by negative pole

3.3 自消納情形下直流故障

3.3.1 自消納情形下瞬時(shí)故障

為驗(yàn)證自消納情景下故障穿越方案的可行性，設(shè)置相同條件下的瞬時(shí)故障。自消納情形下風(fēng)電場(chǎng)輸出功率為500 MW，小于單極換流站的最大容量，故障期間儲(chǔ)能系統(tǒng)不參與功率調(diào)節(jié)。

圖15為風(fēng)電場(chǎng)輸出功率波形。由圖15可知：風(fēng)電場(chǎng)向直流網(wǎng)絡(luò)輸出的有功功率在故障前后保持穩(wěn)定，無(wú)功功率在直流斷路器動(dòng)作時(shí)刻產(chǎn)生較小波動(dòng)后快速消失。風(fēng)電場(chǎng)交流側(cè)匯流母線(xiàn)三相電壓與三相電流在故障持續(xù)期間相比于穩(wěn)態(tài)產(chǎn)生少許偏差，在故障結(jié)束后恢復(fù)至穩(wěn)態(tài)水平。因此，自消納情形下風(fēng)電場(chǎng)未受到故障影響，本文提出的故障穿越措施有效減小了故障影響范圍，顯著提升系統(tǒng)整體穩(wěn)定性。

圖15 風(fēng)電場(chǎng)輸出功率Fig. 15 Wind farm output power

換流站傳輸功率及直流電壓波形圖見(jiàn)圖16。

圖16 換流站傳輸功率及直流電壓Fig. 16 Transmission power and DC voltage of converter station

從圖16（a）可以看出：換流站有功功率變化在故障前后未發(fā)生失穩(wěn)情況。由于直流網(wǎng)絡(luò)低慣性特點(diǎn)，與故障點(diǎn)直接相連的換流站MMC1的有功功率在故障發(fā)生時(shí)刻流向故障點(diǎn)，導(dǎo)致正極功率瞬間增大，故障恢復(fù)階段正負(fù)極功率平穩(wěn)回歸穩(wěn)態(tài)值。由圖16（b）可知：負(fù)極線(xiàn)路電壓在故障發(fā)生時(shí)刻與恢復(fù)時(shí)刻受到擾動(dòng)產(chǎn)生變化，總體電壓情況在故障穿越前后保持穩(wěn)定。正極直流電壓在故障持續(xù)期間為0，故障結(jié)束0.5 s內(nèi)恢復(fù)至400 kV。直流線(xiàn)路電壓在故障前后的相對(duì)穩(wěn)定為直流電網(wǎng)故障穿越功率分配方案提供先決條件。

3.3.2 自消納情形下永久故障

在t=5 s時(shí)設(shè)置MMC1出口處正極直流線(xiàn)路永久性故障，自消納情形下無(wú)需使用儲(chǔ)能系統(tǒng)平衡功率，故障期間非故障極換流站承擔(dān)全部功率傳輸，不產(chǎn)生不平衡功率。直流斷路器在第1次動(dòng)作后間隔300 ms進(jìn)行第2次動(dòng)作，在t=5.302 s時(shí)重合閘，由于直流線(xiàn)路故障未清除，在t=5.304 s重合閘失敗后發(fā)出永久故障信號(hào)，風(fēng)電場(chǎng)接收信號(hào)不減載，輸出功率保持恒定。風(fēng)電場(chǎng)控制措施與瞬時(shí)故障一致，因此未繪制相關(guān)曲線(xiàn)。

圖17為直流線(xiàn)路電壓仿真結(jié)果。由圖17可知：在故障發(fā)生后，正極電壓由于線(xiàn)路切除變?yōu)?。在t=5.3 s時(shí)因重合閘改變系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)但正極線(xiàn)路故障仍然存在，正極直流線(xiàn)路電壓產(chǎn)生劇烈波動(dòng)，重合閘失敗后直流斷路器再次跳開(kāi)，電壓波動(dòng)逐漸消失。在t=5.4 s后，電壓波動(dòng)完全消失，正負(fù)極電壓達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。

圖17 換流站間直流線(xiàn)路電壓Fig. 17 DC line voltage between converter stations

圖18為電網(wǎng)直連換流站MMC2與風(fēng)電場(chǎng)直連換流站MMC3故障期間功率流通情況。由圖18可知：MMC2與MMC3的正極換流站有功功率在故障期間因正極線(xiàn)路隔離而停止與直流網(wǎng)絡(luò)交換功率，自消納情形下故障期間功率均由負(fù)極換流站傳輸，MMC2與MMC3的負(fù)極有功在經(jīng)歷短暫波動(dòng)后變?yōu)楣收锨暗?倍，完全承擔(dān)故障期間的功率輸送。在t=5.304 s后，系統(tǒng)因永久故障繼續(xù)隔離正極線(xiàn)路使得拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與故障持續(xù)期間相同，因此，故障期間即為新的穩(wěn)定狀態(tài)，重合閘前后正負(fù)極換流站流通功率相等。

圖18 換流站功率傳輸Fig. 18 Power transmission of converter station

圖19為各換流站有功功率。由圖19可以看出：各換流站有功功率在故障信號(hào)與故障類(lèi)型信號(hào)發(fā)出時(shí)刻因系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改變發(fā)生變化，系統(tǒng)拓?fù)洳辉侔l(fā)生變化后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。自消納前提下，負(fù)極換流站利用功率裕量在故障期間傳輸全部功率，換流站整體傳輸功率故障前后不變。直流斷路器因永久故障重合閘失敗再次跳開(kāi)，重合閘前后系統(tǒng)穩(wěn)定于相同狀態(tài)。

圖19 各換流站有功功率Fig. 19 Active power of each converter station

4 結(jié) 論

本文針對(duì)適用于高滲透率風(fēng)電經(jīng)MMC–MTDC并網(wǎng)系統(tǒng)的直流故障穿越方案開(kāi)展研究。得出以下結(jié)論：

1）根據(jù)故障前系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)與故障后產(chǎn)生的不平衡功率能否自主消納分為不同工況，協(xié)調(diào)控制分散儲(chǔ)能系統(tǒng)與風(fēng)電場(chǎng)有功出力，改變換流站控制方式進(jìn)行裕量功率消納，所提針對(duì)不同工況采用相應(yīng)的故障穿越策略，能夠有效減小故障影響范圍，并實(shí)現(xiàn)直流故障平穩(wěn)穿越。

2）基于功率平衡原理的儲(chǔ)能系統(tǒng)投切迅速，消納功率數(shù)值依運(yùn)行工況定量調(diào)整。僅在非自消納永久故障情形下，當(dāng)重合閘后風(fēng)電場(chǎng)主動(dòng)減小出力時(shí)出現(xiàn)一定情況的棄風(fēng)現(xiàn)象，在非自消納瞬時(shí)故障與自消納情形下，故障前后均無(wú)能量損失。對(duì)于直流故障的單極與雙極兩種故障類(lèi)型，本文采用的故障穿越措施均能保證在故障持續(xù)期間風(fēng)機(jī)不脫網(wǎng)，故障后可快速恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。

本文采用等值模擬方法構(gòu)建風(fēng)電場(chǎng)，假定所有風(fēng)力發(fā)電機(jī)初始狀態(tài)相同，統(tǒng)一控制儲(chǔ)能系統(tǒng)的投切，未考慮風(fēng)電場(chǎng)中各風(fēng)機(jī)出力不同的實(shí)際情況，可能會(huì)產(chǎn)生一定誤差，這將是作者后續(xù)的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容之一。