吳海艷，江 琴，李保宏，劉天琪，張 敏，王騰鑫

（1.四川大學(xué) 電氣工程學(xué)院，四川 成都 610065；2.國(guó)網(wǎng)山西省電力有限公司電力科學(xué)研究院，山西 太原 030012）

0 引言

根據(jù)我國(guó)能源分布的情況和電力發(fā)展的趨勢(shì)，直流輸電技術(shù)已成為我國(guó)電網(wǎng)建設(shè)的重要方向。基于電網(wǎng)換相型換流器（line commutated converter，LCC）的常規(guī)高壓直流輸電（line commutated converter based high voltage direct current，LCC-HVDC）技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得較為成熟，被廣泛應(yīng)用在電壓等級(jí)高、距離長(zhǎng)、容量大的輸電工程中，但是由于存在換相失敗的風(fēng)險(xiǎn)，發(fā)展也受到了一定的限制［1］；而基于電壓源型換流器（voltage source converter，VSC）的柔性高壓直流輸電（voltage source converter based high voltage direct current，VSC-HVDC）則不存在換相失敗的問(wèn)題并且能夠?qū)崿F(xiàn)有功功率和無(wú)功功率的獨(dú)立控制，但是相較于LCC-HVDC存在成本較高和容量較小的缺點(diǎn)［2］。為此，結(jié)合LCC與VSC優(yōu)勢(shì)發(fā)展而來(lái)的混合直流輸電技術(shù)成為我國(guó)直流輸電領(lǐng)域的一大研究熱點(diǎn)。

目前針對(duì)混合直流輸電的研究主要在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、控制策略、故障穿越等方面。文獻(xiàn)［3-4］提出了一種整流側(cè)使用LCC、逆變側(cè)使用模塊化多電平換流器（modular multilevel converter，MMC）的LCC-MMC型混合直流系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)雖然結(jié)合了2種換流器的優(yōu)點(diǎn)，但是仍然存在MMC自身無(wú)法清除直流故障的缺點(diǎn)。文獻(xiàn)［5］提出了一種逆變側(cè)使用混合型MMC的混合直流輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，雖然自身能清除直流故障，但是會(huì)造成直流系統(tǒng)損耗和造價(jià)的升高。文獻(xiàn)［6-7］提出了一種整流側(cè)使用LCC、逆變側(cè)使用LCC與MMC并聯(lián)組串聯(lián)的混合級(jí)聯(lián)直流系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。與文獻(xiàn)［3-4］提出的LCC-MMC型拓?fù)湎啾?，混合?jí)聯(lián)直流系統(tǒng)具有如下2個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)：①具有優(yōu)越的直流故障穿越能力［8］，由于LCC具有功率單向傳輸特性，逆變側(cè)直流故障回路中不存在故障電流；②逆變側(cè)的VSC可支撐受端交流母線電壓的穩(wěn)定，降低LCC發(fā)生換相失敗的概率，即使LCC發(fā)生換相失敗，系統(tǒng)仍可傳輸一定的有功功率。我國(guó)目前正在建設(shè)并即將投產(chǎn)的白鶴灘特高壓直流輸電工程采用文獻(xiàn)［6-7］提出的混合級(jí)聯(lián)直流系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，本文也基于該拓?fù)湔归_研究。

目前針對(duì)混合級(jí)聯(lián)直流系統(tǒng)故障穿越問(wèn)題已有一些研究：文獻(xiàn)［9］針對(duì)直流故障期間MMC并聯(lián)組電流分配不均衡導(dǎo)致的過(guò)電流問(wèn)題，提出對(duì)定有功功率的MMC進(jìn)行功率調(diào)控的恢復(fù)控制策略；文獻(xiàn)［10］針對(duì)交直流故障期間MMC并聯(lián)組電流分配不均衡導(dǎo)致的系統(tǒng)穩(wěn)定性降低問(wèn)題，提出對(duì)MMC有功功率的指令值進(jìn)行調(diào)控的協(xié)調(diào)控制策略；文獻(xiàn)［11］針對(duì)逆變側(cè)上閥LCC擾動(dòng)引起的無(wú)功損耗問(wèn)題，提出了由下閥MMC提供無(wú)功功率支撐的應(yīng)急補(bǔ)償策略；文獻(xiàn)［12］針對(duì)后續(xù)換相失敗的問(wèn)題，提出了一種針對(duì)逆變站MMC的無(wú)功功率調(diào)控方法；文獻(xiàn)［13］通過(guò)半橋／全橋混合MMC結(jié)構(gòu)和直流斷路器之間的協(xié)調(diào)運(yùn)行來(lái)實(shí)現(xiàn)隔離故障，并形成接地回路以在接地故障期間傳輸有功功率。MMC并聯(lián)組功率盈余和LCC換相失敗均可能導(dǎo)致MMC過(guò)流、過(guò)壓而引起MMC保護(hù)動(dòng)作，造成MMC閥組閉鎖，甚至?xí)?dǎo)致功率傳輸中斷。針對(duì)此問(wèn)題，文獻(xiàn)［14］提出在MMC直流側(cè)串聯(lián)二極管或在旁路開關(guān)串聯(lián)電阻的方法來(lái)限制故障電流；文獻(xiàn)［15］提出一種基于故障限流器的故障穿越策略來(lái)限制故障電流；文獻(xiàn)［16］提出一種基于避雷器消能的大容量可控自恢復(fù)消能裝置來(lái)解決子模塊過(guò)壓的問(wèn)題。針對(duì)MMC過(guò)流、過(guò)壓?jiǎn)栴}，目前已有的一類解決方法是添加額外的限流設(shè)備或消能裝置，但均需增加成本，削弱了混合級(jí)聯(lián)直流系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。故有必要研究混合級(jí)聯(lián)直流系統(tǒng)在發(fā)生受端交流側(cè)故障時(shí)限制MMC故障電流的另一類方法，既可避免MMC閥組發(fā)生閉鎖，又無(wú)需增加額外的設(shè)備。

本文針對(duì)多落點(diǎn)混合級(jí)聯(lián)直流系統(tǒng)，通過(guò)分析其主從控制方式下的控制特性，研究了逆變側(cè)交流故障下混合級(jí)聯(lián)直流系統(tǒng)的故障特性，發(fā)現(xiàn)交流故障下逆變側(cè)MMC的故障電流會(huì)顯著增加，并存在直流閉鎖的風(fēng)險(xiǎn)。除此之外，逆變側(cè)采用定直流電壓控制的MMC還存在功率倒送的風(fēng)險(xiǎn)。為提升混合級(jí)聯(lián)直流系統(tǒng)的故障穿越能力和功率傳輸能力，提出了一種基于虛擬阻抗的故障穿越方法，無(wú)需添加額外設(shè)備。通過(guò)在故障期間投入虛擬阻抗控制可以實(shí)現(xiàn)故障電流的有效抑制，防止功率倒送，從而實(shí)現(xiàn)混合直流系統(tǒng)的交流故障成功穿越以及功率可靠傳輸。

1 多落點(diǎn)混合級(jí)聯(lián)直流系統(tǒng)

多落點(diǎn)混合級(jí)聯(lián)直流系統(tǒng)的整流側(cè)采用LCC，逆變側(cè)采用LCC與多臺(tái)MMC級(jí)聯(lián)，該系統(tǒng)充分運(yùn)用了VSC與LCC的優(yōu)勢(shì)：一方面通過(guò)逆變側(cè)VSC穩(wěn)定交流系統(tǒng)的母線電壓值，降低LCC發(fā)生換相失敗的風(fēng)險(xiǎn)；另一方面采用多臺(tái)MMC并聯(lián)以增加系統(tǒng)的傳輸容量。同時(shí)，LCC和MMC并聯(lián)組共存使受端換流站分散接入交流電網(wǎng)，即可形成滿足多個(gè)負(fù)荷中心用電需求的多落點(diǎn)形式，無(wú)論是在前期建設(shè)還是后期運(yùn)行中，都可以大幅提高系統(tǒng)的靈活性和可靠性。

1.1 多落點(diǎn)混合級(jí)聯(lián)直流系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

多落點(diǎn)混合級(jí)聯(lián)直流系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（單極）如附錄A圖A1所示，系統(tǒng)參數(shù)如附錄A表A1所示。整流站由2組12脈動(dòng)LCC串聯(lián)構(gòu)成，逆變站由1組12脈動(dòng)LCC和MMC并聯(lián)組串聯(lián)構(gòu)成，MMC并聯(lián)組由3個(gè)半橋型MMC（MMC1—MMC3）并聯(lián)構(gòu)成。其中逆變側(cè)高端LCC額定電壓與功率分別為400 kV與2 000 MW，低端MMC并聯(lián)組的額定電壓與總功率分別為400 kV與2 000 MW。逆變側(cè)的LCC與MMC并聯(lián)組串聯(lián)后形成總額定電壓為800 kV的混合直流系統(tǒng)，并共同分擔(dān)送端LCC輸送的功率。

1.2 多落點(diǎn)混合級(jí)聯(lián)直流系統(tǒng)的控制策略

多落點(diǎn)混合級(jí)聯(lián)直流系統(tǒng)整流側(cè)LCC采用定直流電流控制（constant current，CC），并配備定觸發(fā)角控制（constant ignition angel，CIA）、低壓限流控制（voltage dependent current order limiter，VDCOL）作為后備和輔助控制；逆變側(cè)LCC采用定直流電壓控制（constant voltage，CV），并配備定熄弧角控制（constant extinction angel，CEA）、CC、最小觸發(fā)角控制（minimum angel limitation，MAL）和VDCOL作為后備和輔助控制，逆變側(cè)MMC并聯(lián)組采用主從控制，MMC1采用定直流電壓控制，MMC2和MMC3采用定有功功率控制，各MMC無(wú)功類控制量均為無(wú)功功率。在確定混合級(jí)聯(lián)直流系統(tǒng)的控制策略后可得其UI特性曲線，如附錄A圖A2所示。

逆變側(cè)MMC并聯(lián)組采用主從控制時(shí)，由于定直流電壓站的存在，限制了整流側(cè)電壓的降低，整流側(cè)VDCOL段截止于400 kV，同時(shí)逆變側(cè)MMC并聯(lián)組表現(xiàn)出的UI外特性可表示為：

式中：udc_MMC、Udc_rated分別為定直流電壓站的直流電壓、額定直流電壓。

根據(jù)逆變側(cè)LCC的CV段、CEA段、VDCOL段和MAL段，逆變側(cè)LCC直流電壓udc_LCC可表示為：

由式（1）、（2）可得混合級(jí)聯(lián)直流逆變側(cè)直流電壓表達(dá)式為：

當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行于圖A2所示的黑色運(yùn)行點(diǎn)時(shí)，逆變側(cè)的傳輸有功功率為整個(gè)矩形陰影部分，LCC有功功率為上方的陰影部分，MMC并聯(lián)組有功功率為下方的陰影部分。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行點(diǎn)變化時(shí)，上方陰影部分面積會(huì)同時(shí)受到電壓、電流的影響；因?yàn)镸MC并聯(lián)組的直流電壓固定在400 kV，所以下方陰影部分面積僅受到電流的影響。這也表明當(dāng)系統(tǒng)的控制模式切換時(shí)，逆變側(cè)MMC并聯(lián)組有功功率的變化相較于LCC更小，并且只要系統(tǒng)的直流電流不降為0，MMC并聯(lián)組就可保證一定的有功功率傳輸。

2 基于虛擬阻抗的故障電流抑制方法

本文提出了一種基于虛擬阻抗的故障電流抑制方法。首先通過(guò)逆變側(cè)交流系統(tǒng)的故障分析，指出MMC并聯(lián)組會(huì)出現(xiàn)過(guò)流、過(guò)壓的現(xiàn)象，引起閥組閉鎖；然后通過(guò)在MMC并聯(lián)組控制中引入虛擬阻抗控制環(huán)節(jié)抑制故障電流，避免閥組閉鎖；最后分別闡述了虛擬阻抗的具體計(jì)算過(guò)程和投入實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

2.1 逆變側(cè)交流系統(tǒng)故障分析

以逆變側(cè)LCC的交流系統(tǒng)發(fā)生接地故障作為示例，在考慮逆變側(cè)交流系統(tǒng)的耦合時(shí)，交流系統(tǒng)發(fā)生接地故障將導(dǎo)致交流母線的電壓不同程度地下降，如附錄A圖A3所示。較低的交流母線電壓一方面會(huì)導(dǎo)致LCC換相失敗，逆變側(cè)高端LCC換相失敗后將對(duì)低端MMC子模塊電容充電，故障電流也會(huì)升高；另一方面會(huì)導(dǎo)致MMC送出功率能力受阻，低端MMC的功率盈余導(dǎo)致MMC子模塊中的電容兩端電壓增加。這2個(gè)因素疊加將導(dǎo)致MMC并聯(lián)組產(chǎn)生過(guò)流、過(guò)壓?jiǎn)栴}，引起閥組閉鎖，進(jìn)一步導(dǎo)致多落點(diǎn)混合級(jí)聯(lián)直流系統(tǒng)發(fā)生暫時(shí)功率中斷，對(duì)直流系統(tǒng)本身及受端交流系統(tǒng)穩(wěn)定性均產(chǎn)生影響。除上述故障工況外，還可能會(huì)出現(xiàn)MMC定直流電壓站功率倒送的情況。MMC并聯(lián)組的總傳輸功率值PMMC等于3組MMC傳輸功率之和PMMC1+PMMC2+PMMC3。當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，PMMC減小，定有功功率站MMC2、MMC3的傳輸功率指令值不變，則PMMC2和PMMC3不變，這時(shí)只能由定直流電壓站MMC1吸收有功功率來(lái)平衡傳輸功率關(guān)系式，這將導(dǎo)致功率倒送的現(xiàn)象發(fā)生。

為了解決在逆變側(cè)交流系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)MMC過(guò)流、過(guò)壓導(dǎo)致閥組閉鎖，從而造成系統(tǒng)傳輸功率中斷的問(wèn)題，本文在MMC控制中引入虛擬阻抗控制環(huán)節(jié)。當(dāng)逆變側(cè)交流系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，一方面通過(guò)投入附加的虛擬阻抗抑制混合級(jí)聯(lián)直流系統(tǒng)的故障電流，降低直流故障電壓，從而避免MMC發(fā)生閉鎖；另一方面避免發(fā)生功率倒送現(xiàn)象，保證功率的有效傳輸。

2.2 虛擬阻抗控制環(huán)節(jié)

MMC采用雙環(huán)控制，以采用定功率外環(huán)控制的MMC站為例。MMC直流電流與直流電壓通過(guò)電流內(nèi)環(huán)控制建立聯(lián)系，因此考慮在內(nèi)環(huán)控制中引入虛擬阻抗Zv_MMC，引入虛擬阻抗控制后的MMC控制框圖如圖1所示。圖中：u、i分別為電壓、電流變量，其下標(biāo)g、s、c分別表示變量在交流系統(tǒng)、公共連接點(diǎn)（point of common coupling，PCC）、MMC交流側(cè)出口處的對(duì)應(yīng)分量，下標(biāo)d、q分別表示變量的d、q軸分量，下標(biāo)abc表示三相坐標(biāo)系下的變量，下標(biāo)ref表示變量參考值，上標(biāo)“′”表示引入虛擬阻抗控制后的變量；udc為直流電壓；LT和RT分別為交流變壓器側(cè)等效電感和電阻；Lg為交流系統(tǒng)的電感；ωb為交流側(cè)基準(zhǔn)角頻率；θ為相位角；Kp（s）和Kc（s）分別為功率外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)PI控制器的傳遞函數(shù)；KVIC為虛擬阻抗控制中引入的變量數(shù)值；G、T分別為延時(shí)環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)、時(shí)間常數(shù)；Pac、Pref分別為功率的實(shí)測(cè)值、參考值；PLL為鎖相環(huán)；PWM為脈寬調(diào)制。

圖1 逆變側(cè)定功率控制MMC引入虛擬阻抗的控制框圖Fig.1 Control block diagram of inverter-side constant power control MMC with virtual impedance

2.3 虛擬阻抗計(jì)算

為了求得虛擬阻抗值Zv_MMC，首先需要推導(dǎo)MMC的阻抗模型，得到其輸出阻抗值。MMC在基頻下的單相等效電路推導(dǎo)過(guò)程如圖2所示。圖中：SM為MMC子模塊；N為子模塊總數(shù)；Rarm和Larm分別為橋臂電阻和橋臂電感；Ceq為等效電容；ZEP和ZEV分別對(duì)應(yīng)定功率站和定電壓站的等效受控電流源（equivalent controlled current source，ECCS）的輸出阻抗。ZP和ZV分別對(duì)應(yīng)定功率站和定電壓站的輸出阻抗，本文僅給出ZP的推導(dǎo)過(guò)程，ZV推導(dǎo)過(guò)程類似，不再贅述。

圖2 MMC的單相等效電路的推導(dǎo)過(guò)程Fig.2 Derivation process of single-phase equivalent circuit of MMC

ZEP的具體推導(dǎo)過(guò)程見(jiàn)附錄B式（B1）—（B8），最終表達(dá)式為：

式中：GA表示維度為1×1系數(shù)矩陣，其表達(dá)式見(jiàn)附錄B式（B8）；“Δ”表示對(duì)應(yīng)變量的擾動(dòng)量；下標(biāo)“0”表示對(duì)應(yīng)電氣量的穩(wěn)態(tài)值。

ZEP進(jìn)一步等效后可得MMC定功率站的輸出阻抗ZP表達(dá)式為：

根據(jù)圖1引入虛擬阻抗后的MMC控制框圖，可將式（B5）改寫為：

式中：GPWM為PWM過(guò)程的傳遞函數(shù)，其表達(dá)式見(jiàn)附錄B式（B3）；GuA、GiA分別為電壓、電流的系數(shù)矩陣，其表達(dá)式見(jiàn)附錄B式（B7）。從而式（B8）可以改寫為：

式中：GV表示維度為1×1系數(shù)矩陣；md0和mq0分別為調(diào)制度的d、q軸分量。

由式（7）可得引入虛擬阻抗后系統(tǒng)阻抗Z′EP為：

從式（8）可以看出，虛擬阻抗控制器投入后，系統(tǒng)的等效阻抗在原有模型的基礎(chǔ)上增加了一部分，增加的量即為虛擬阻抗值，該值為：

由式（7）、（9）可知，GV可以跟隨KVIC的改變而變化，進(jìn)而改變虛擬阻抗Zv_MMC。

由以上分析可以看出，引入虛擬阻抗后，系統(tǒng)等效阻抗會(huì)在原有基礎(chǔ)上增大。本文在MMC并聯(lián)組的控制策略中引入虛擬阻抗環(huán)節(jié)以限制故障電流，該機(jī)理通過(guò)增大系統(tǒng)阻抗值的方式來(lái)減小故障電流，從而達(dá)到限流的目的。圖3為加入虛擬阻抗前、后定功率控制MMC等效阻抗的對(duì)比情況。由于發(fā)生故障期間高頻段阻抗對(duì)故障電流的影響較大，根據(jù)圖3可以看出，引入虛擬阻抗后系統(tǒng)高頻段阻抗有明顯增加，從而能達(dá)到限流的目的。

圖3 投入虛擬阻抗前、后定功率控制MMC等效阻抗對(duì)比Fig.3 Comparison of equivalent impedance of constant power control MMC before and after adding virtual impedance

2.4 虛擬阻抗的投入實(shí)現(xiàn)過(guò)程

本節(jié)對(duì)虛擬阻抗的實(shí)現(xiàn)過(guò)程進(jìn)行描述，如圖4所示。圖中：Idc_m為直流側(cè)電流的測(cè)量值；Idc_rated為直流側(cè)電流的額定值；ΔIdc為直流側(cè)電流測(cè)量值和額定值的差值。虛擬阻抗只在故障發(fā)生時(shí)才會(huì)投入，正常工作情況下虛擬阻抗不會(huì)投入。當(dāng)正常工作時(shí)，觸發(fā)模塊產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)“1”，此時(shí)輸出選擇器輸出0，等同虛擬阻抗未投入；當(dāng)實(shí)際測(cè)量電流值超過(guò)額定電流值0.9 p.u.時(shí)，觸發(fā)模塊產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)“0”，輸出選擇器輸出控制模塊的輸出值KVIC，此時(shí)虛擬阻抗投入。

圖4 虛擬阻抗控制框圖Fig.4 Block diagram of virtual impedance control

3 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)的虛擬阻抗控制器的控制效果，在PSCAD／EMTDC中搭建圖A1所示的多落點(diǎn)混合級(jí)聯(lián)直流系統(tǒng)，分別在逆變側(cè)LCC交流母線和MMC交流母線設(shè)置短路故障，對(duì)投入本文所設(shè)計(jì)的虛擬阻抗控制器的控制效果進(jìn)行仿真分析。

3.1 逆變側(cè)LCC交流母線故障仿真分析

在逆變側(cè)LCC交流母線設(shè)置單相短路接地故障，故障開始時(shí)間為第3 s，故障持續(xù)時(shí)間為0.1 s。圖5上、下圖分別給出了逆變側(cè)LCC交流母線短路時(shí)投入虛擬阻抗控制前、后流經(jīng)MMC3的橋臂電流值的對(duì)比情況。圖中：陰影部分為過(guò)流區(qū)域；Iarm3為流經(jīng)MMC3的橋臂電流值。投入虛擬阻抗控制前，MMC3的故障電流超過(guò)了正常運(yùn)行時(shí)的2倍，落入過(guò)流區(qū)域，若考慮保護(hù)控制的作用，則MMC存在閉鎖及傳輸功率中斷的風(fēng)險(xiǎn)；投入虛擬阻抗控制后，MMC的故障電流從投入虛擬阻抗控制前的5.05 kA有效降低至3.16 kA，故障電流均在安全運(yùn)行區(qū)域內(nèi)（即正常工作電流的2倍之內(nèi)）。

圖5 投入虛擬阻抗控制前、后MMC3的橋臂電流對(duì)比Fig.5 MMC3bridge arm current comparison before and after adding virtual impedance control

圖6給出了投入虛擬阻抗控制前、后逆變側(cè)LCC關(guān)斷角γ、逆變側(cè)LCC直流側(cè)電流ILCC、MMC并聯(lián)組直流側(cè)電壓UdcMMC以及MMC1有功功率PMMC1的對(duì)比情況。由圖6可知：①投入虛擬阻抗后，關(guān)斷角能迅速恢復(fù)正常值，流經(jīng)LCC的電流值也能較快恢復(fù)；②投入虛擬阻抗前，UdcMMC持續(xù)上升，若考慮保護(hù)控制的作用，則MMC閥組存在因過(guò)壓而閉鎖及傳輸功率中斷的風(fēng)險(xiǎn)，投入虛擬阻抗后，UdcMMC不會(huì)持續(xù)上升，且能較快恢復(fù)到正常工作電壓值，有效避免了MMC閉鎖，功率能正常傳輸，保證了混合直流在發(fā)生逆變側(cè)LCC交流母線故障時(shí)能有效穿越；③投入虛擬阻抗前，逆變側(cè)LCC交流母線故障發(fā)生后，LCC發(fā)生換相失敗，送出功率下降，并最終導(dǎo)致傳輸功率中斷，為了維持功率平衡，采用主從控制的MMC并聯(lián)組功率先增加后出現(xiàn)功率倒送現(xiàn)象，投入虛擬阻抗后，系統(tǒng)穿越故障后傳輸功率可恢復(fù)至正常運(yùn)行時(shí)的水平，保證了功率的正常傳輸，有效解決了故障期間MMC并聯(lián)組功率倒送的問(wèn)題，緩解了MMC并聯(lián)組功率平衡的壓力，大幅提升了混合級(jí)聯(lián)直流輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖6 投入虛擬阻抗控制前、后LCC交流母線接地故障系統(tǒng)特性Fig.6 System characteristics of LCC AC bus grounding fault before and after adding virtual impedance control

由以上分析可得，在逆變側(cè)LCC交流母線發(fā)生故障時(shí)，本文所設(shè)計(jì)的虛擬阻抗控制器在限制故障電流方面有明顯的效果，穿越故障后能保證功率的正常傳輸。

3.2 逆變側(cè)MMC交流母線故障仿真分析

在逆變側(cè)MMC交流母線設(shè)置單相短路接地故障，故障開始時(shí)間為第3 s，持續(xù)時(shí)間為0.1 s。需要指出的是，在此種故障情況下，逆變側(cè)LCC未發(fā)生換相失敗現(xiàn)象，功率盈余值分擔(dān)到每臺(tái)MMC且MMC閥組未發(fā)生過(guò)壓現(xiàn)象。附錄C圖C1給出了MMC并聯(lián)組投入虛擬阻抗控制前、后流經(jīng)MMC3的橋臂電流值的變化情況。投入虛擬阻抗控制前，MMC3的故障電流超過(guò)了正常運(yùn)行時(shí)的2倍，落入過(guò)流區(qū)域，若考慮保護(hù)控制的作用，則MMC存在閉鎖及傳輸功率中斷的風(fēng)險(xiǎn)；投入虛擬阻抗控制后，MMC的故障電流從投入虛擬控制前的3.45 kA降至2.51 kA，故障電流均在安全運(yùn)行區(qū)域內(nèi)（即正常工作電流的2倍之內(nèi)）。這有效避免了MMC閉鎖，功率能正常傳輸，保證了混合直流在逆變側(cè)LCC交流母線故障時(shí)能有效穿越。

發(fā)生故障后為維持功率平衡，采用主從控制的MMC并聯(lián)組中定電壓站MMC1可能會(huì)出現(xiàn)功率倒送現(xiàn)象。附錄C圖C2給出了MMC并聯(lián)組投入虛擬阻抗控制器前、后MMC1有功功率的變化情況。由圖可知：投入虛擬阻抗控制前，MMC1由逆變轉(zhuǎn)為整流運(yùn)行，開始反向吸收功率，與其連接的交流系統(tǒng)出現(xiàn)功率倒送的現(xiàn)象，穩(wěn)定性大幅降低；投入虛擬阻抗控制后，功率倒送的問(wèn)題得到了有效解決。

由以上分析可知，在逆變側(cè)MMC交流母線發(fā)生故障時(shí)，本文所設(shè)計(jì)的虛擬阻抗控制器能夠避免定直流電壓站MMC出現(xiàn)功率倒送的現(xiàn)象，并且在限制故障電流方面有明顯的效果。

4 結(jié)論

混合級(jí)聯(lián)直流系統(tǒng)充分利用了LCC與MMC的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，具備傳輸容量大、可靈活接入等優(yōu)點(diǎn)。本文對(duì)此類拓?fù)涞墓收咸匦赃M(jìn)行了分析，并提出了一種基于虛擬阻抗的故障電流限制方法，最后搭建了多落點(diǎn)級(jí)聯(lián)混合直流系統(tǒng)模型，對(duì)故障特性及控制效果進(jìn)行了分析驗(yàn)證，具體結(jié)論如下。

1）在逆變側(cè)發(fā)生交流故障時(shí)，無(wú)論是LCC交流母線故障導(dǎo)致?lián)Q相失敗還是MMC交流母線故障，都存在MMC功率盈余的問(wèn)題。故障期間MMC閥組過(guò)流、過(guò)壓存在直流閉鎖風(fēng)險(xiǎn)，并且故障期間存在嚴(yán)重的功率倒送現(xiàn)象，威脅系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2）在逆變側(cè)LCC交流母線發(fā)生故障時(shí)，本文所設(shè)計(jì)的虛擬阻抗控制器一方面在限制MMC直流故障電流方面有明顯的效果，能有效地將故障電流限制在安全運(yùn)行范圍內(nèi)避免直流閉鎖，混合級(jí)聯(lián)直流系統(tǒng)能成功穿越LCC交流母線故障，另一方面緩解了功率不平衡壓力，解決了MMC并聯(lián)組功率倒送的問(wèn)題，并保證功率的正常傳輸。

3）在逆變側(cè)MMC交流母線發(fā)生故障時(shí)，本文所設(shè)計(jì)的虛擬阻抗控制器能有效輔助混合級(jí)聯(lián)直流系統(tǒng)成功穿越，同時(shí)避免MMC并聯(lián)組的功率倒送，保證了本文提出的虛擬阻抗控制器對(duì)不同母線故障的適用性。

4）本文提出的虛擬阻抗器為混合級(jí)聯(lián)直流輸電系統(tǒng)抑制受端交流系統(tǒng)故障電流提供了一種有價(jià)值的方案，但對(duì)直流故障產(chǎn)生的故障電流抑制特性還有待進(jìn)一步研究。

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