陸書豪，賈秀芳

(華北電力大學(xué) 新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206)

0 引 言

送端采用常規(guī)直流(LCC)受端采用柔性直流(MMC)的混合特高壓直流輸電系統(tǒng)，結(jié)合了MMC無換相失敗風(fēng)險(xiǎn)、對(duì)濾波裝置需求較低、無功有功解耦控制以及LCC運(yùn)行損耗較低、耐壓耐流水平較高等優(yōu)勢(shì)，具有良好的發(fā)展前景[1-3]。

文章的研究?jī)?nèi)容基于特高壓三端混合直流輸電工程進(jìn)行，工程額定直流電壓為±800 kV，滿發(fā)容量8 000 MW；送端換流站采用特高壓常規(guī)直流，受端換流站采用特高壓柔性直流，由此提升了長(zhǎng)距離、大容量輸電背景下直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性[4-6]。

針對(duì)多端混合直流輸電系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)外已有相關(guān)學(xué)者展開了相應(yīng)的研究。其中針對(duì)運(yùn)行方式的研究主要集中在啟停控制、MMC站子模塊充電策略以及站間協(xié)調(diào)策略等方面[7-13]。

另一方面， 目前針對(duì)同極雙閥組間電壓平衡控制的研究集中在穩(wěn)態(tài)場(chǎng)景[14-18]，而在閥組投入過程中，如何在盡量滿足已投入閥組穩(wěn)定運(yùn)行前提下，實(shí)現(xiàn)待投閥組電壓穩(wěn)定上升還未有文獻(xiàn)進(jìn)行討論。

針對(duì)目前對(duì)于電壓平衡策略的研究?jī)H局限于穩(wěn)態(tài)的情況，文章通過對(duì)LCC-MMC混合特高壓直流輸電系統(tǒng)單閥啟動(dòng)過程進(jìn)行分析，在現(xiàn)有電壓平衡策略的基礎(chǔ)上提出了一種基于調(diào)整閥間電壓偏差值的電壓平衡控制策略。該策略通過對(duì)高低閥組間的電壓偏差值進(jìn)行簡(jiǎn)單的調(diào)整，可在滿足閥組運(yùn)行要求的同時(shí)有效降低子模塊電容電壓等電氣量的波動(dòng)，并且無需切換控制便能穩(wěn)定過渡至穩(wěn)態(tài)。隨后文章基于PSCAD/EMTDC仿真平臺(tái)搭建了相關(guān)模型，通過對(duì)比三種不同閥間電壓平衡策略對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響驗(yàn)證了文章所提策略的有效性。

1 閥組在線投入過程分析

1.1 特高壓三端混合直流輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

特高壓三端混合直流輸電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，送端為常直換流站LCC1，受端為兩個(gè)柔直換流站MMC2、MMC3，S1、S2、S3分別為三個(gè)換流站的交流側(cè)電源。系統(tǒng)采用真雙極接線方式，正負(fù)極均配有高低兩個(gè)串聯(lián)閥組以增大傳輸容量，近中性母線閥組稱為低閥，近直流極線閥組稱為高閥。

圖1 特高壓三端混合直流輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of hybrid three-terminal UHVDC transmission system

1.2 特高壓三端混合直流輸電系統(tǒng)單閥投入過程

以高閥投入為例，此時(shí)低閥已處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，在收到閥組投入信號(hào)后，首先將MMC2、MMC3站的直流側(cè)短接，對(duì)高閥子模塊電容進(jìn)行充電。充電結(jié)束后，將待投入閥組切換至定直流電流控制，使得直流電流成功從直流開關(guān)轉(zhuǎn)移至閥組。接著對(duì)直流側(cè)旁通開關(guān)組(如圖2中的BPI、BPS、Q1、Q2)進(jìn)行順控操作完成MMC站閥組投入。隨后LCC1站高端閥組解鎖，并采用定觸發(fā)角控制，以相同的方式完成電流的轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)旁通開關(guān)的開斷。最后MMC3站高閥轉(zhuǎn)為定直流電壓控制，LCC1、MMC2站轉(zhuǎn)為定電流/有功功率控制，將功率提升至額定值。至此，三端系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全壓運(yùn)行，投入過程結(jié)束。整個(gè)投入過程的流程示意圖如圖2所示。

圖2 特高壓三端混合直流輸電系統(tǒng)閥組投入Fig.2 Process of high valve deblock in hybrid three-terminal UHVDC transmission system

1.3 定有功功率MMC站電壓不平衡機(jī)理分析

在上述閥組投入過程中，定直流電壓控制的MMC3站，由于高低閥組的直流電壓由本閥組獨(dú)立控制，因此不會(huì)出現(xiàn)電壓分配不均的問題。而在定有功功率控制的MMC2站中，串聯(lián)的高低閥組只能保證直流側(cè)流通的電流一致，將有可能導(dǎo)致高低閥組間的電壓不均，下面對(duì)其機(jī)理作詳細(xì)分析。

在特高壓直流輸電系統(tǒng)中，饋入某MMC逆變站的能量可分為高端閥組內(nèi)部電容儲(chǔ)存的能量(W1)、高端閥組交流側(cè)出口能量(W2)、低端閥組內(nèi)部電容儲(chǔ)存的能量(W3)、低端閥組交流側(cè)出口能量(W4)，能量之間的關(guān)系如式(1)所示：

WDC=W1+W2+W3+W4

(1)

式中WDC為直流側(cè)饋入逆變站的總能量。

在閥組投入過程中，定有功功率站低端閥組交流側(cè)有功應(yīng)為額定值PacN,而高端閥組將按照預(yù)先設(shè)定好的速率將功率提升至額定值，通常選取該速率與定直流電壓站高閥升壓速率相同。假設(shè)升壓函數(shù)為g1(t)，其表達(dá)式如下：

(2)

式中t0、t1分別為升壓起始和結(jié)束時(shí)刻。

那么對(duì)于定有功功率站而言，其功率將按式(3)抬升：

(3)

若忽略測(cè)量環(huán)節(jié)、控制系統(tǒng)響應(yīng)誤差等因素的影響，上述方案(即保持低閥功率參考值不變，高閥按照預(yù)設(shè)速率提升功率，以下簡(jiǎn)稱策略A)理論上可以實(shí)現(xiàn)閥組的正常投入。但由于上述因素的影響，實(shí)際上定有功站高閥無法按照指定速率抬升功率。假設(shè)某時(shí)刻高閥交流出口有功功率測(cè)量值(Pm)略低于其參考值(Pref),即產(chǎn)生一個(gè)功率偏差值ΔP(ΔP=Pref-Pm)。 根據(jù)式(1)，上述情況將使得W2增大W1降低，導(dǎo)致高端閥組的直流電壓下降，直流電流上升。又因?yàn)楦叩烷y組直流側(cè)串聯(lián)，所以低端閥組的直流電流上升將使得W3增大，又W4基本不變，那么低端閥組的直流電壓將增大，也即低端閥組子模塊電容易發(fā)生過壓。綜上所述，在考慮測(cè)量、控制環(huán)節(jié)誤差的影響下，定有功功率MMC站將無法保證閥組正常投入。

文獻(xiàn)[6]提出了一種基于電壓偏差量的平衡策略(以下簡(jiǎn)稱策略B)，其基本思想為提取高低閥組的直流電壓偏差量ΔUdc，計(jì)算公式如下：

ΔUdc=Udc-Udc_other

(4)

式中Udc為本閥組的直流電壓；Udc_other為串聯(lián)閥組的直流電壓，串聯(lián)閥組間的電壓偏差量ΔUdc互為相反數(shù)。

根據(jù)式(5)可將電壓偏差值轉(zhuǎn)換為閥間功率偏差量ΔP如下：

ΔP=ΔUdcIdc

(5)

式中Idc為串聯(lián)閥組的直流側(cè)電流。

最后將該值與初始有功參考值相加，得到輸入有功外環(huán)控制的參考值Pref。

然而策略B只適用于穩(wěn)態(tài)情況，這是因?yàn)樵陂y組投入過程中，此法將導(dǎo)致低端閥組外環(huán)有功參考值瞬間增大至近額定功率的二倍，交流側(cè)出口能量瞬間增大，閥內(nèi)能量降低，直流電壓跌落，更多的有功功率饋入該站，子模塊在正向電流的作用下不斷充電引起過壓。

綜上所述，前文定義的策略A和策略B，均無法在閥組投入過程中維持閥間電壓平衡，并且將造成程度不同的子模塊過電壓或是電壓失衡現(xiàn)象，工程上將無法完成閥組投入。因此，一種新的基于調(diào)整閥間電壓偏差值的策略被提出，該策略能夠保證閥組投入過程中的電壓平衡，并且能平穩(wěn)過渡至穩(wěn)態(tài)階段，無需切換控制，便于工程實(shí)現(xiàn)。

2 基于調(diào)整閥間電壓偏差值的平衡控制策略

針對(duì)前文所述的電壓不平衡問題，一種調(diào)整閥間電壓偏差的平衡策略被提出(以下簡(jiǎn)稱策略C)。需要說明的是，由于系統(tǒng)采用真雙極結(jié)構(gòu)，文章對(duì)于該策略的解釋將基于正極說明，負(fù)極的情況與正極相同。

假設(shè)系統(tǒng)在零時(shí)刻開始抬升高閥電壓，為保證高閥電壓升高的過程中，盡量不影響在運(yùn)閥組(低端閥組)的平穩(wěn)運(yùn)行，可對(duì)定有功功率站閥間電壓偏差值進(jìn)行一定的調(diào)整，具體如式(6)所示：

(6)

其中，引入的函數(shù)f(t)降低速率與閥組升壓速率相同，其表達(dá)式如下：

(7)

由式(6)可知，若高端閥組正常抬升直流電壓，則在上述控制的作用下，低閥電壓偏差量ΔUdc_cor_l仍舊為零，低端閥組保持穩(wěn)定運(yùn)行。若高閥電壓未能正常抬升，則本控制策略僅對(duì)該部分偏差值進(jìn)行調(diào)整。

同理，對(duì)于高端閥組，為了保證直流電壓的正常抬升，需對(duì)電壓偏差量如下進(jìn)行調(diào)整：

ΔUdc_cor_h=Udc_h+f(t)-Udc_l

(8)

將調(diào)整后的閥間電壓偏差量ΔUdc_cor_l、ΔUdc_cor_h分別代入式(5)，則可將電壓偏差轉(zhuǎn)換為功率偏差ΔP。最后將該偏差量與初始有功參考值相加，如式(9)所示：

Pref=ΔP+Pref0

(9)

根據(jù)式(9)可得調(diào)整后的有功功率參考值，將其作為高低閥有功外環(huán)參考值，即可通過控制實(shí)現(xiàn)閥組的平穩(wěn)投入。

該基于調(diào)整電壓偏差量的平衡策略流程如圖3所示，圖中Uref為經(jīng)內(nèi)外環(huán)控制生成的三相調(diào)制波參考值。

圖3 串聯(lián)閥組均壓策略示意圖Fig.3 Schematic diagram of voltage balancing control strategy in series valves

3 仿真驗(yàn)證

3.1 LCC-MMC混合特高壓直流輸電工程仿真模型

論文在PSCAD/EMTDC環(huán)境中搭建了LCC-MCC混合特高壓直流輸電工程的仿真模型如圖4所示，送端LCC1站額定容量為8 000 MW，受端MMC換流站額定功率分別為MMC2站 3 000 MW，MMC3站5 000 MW。換流站之間經(jīng)架空線連接，線路采用依頻模型。

圖4 LCC-MMC混合特高壓直流輸電系統(tǒng)拓?fù)鋱DFig.4 Topology diagram of LCC-MMC hybrid UHVDC transmission system

表1所示為該直流輸電系統(tǒng)各換流站內(nèi)部關(guān)鍵參數(shù)及配置。

表1 特高壓三端混合直流輸電系統(tǒng)主要參數(shù)(單閥)Tab.1 Main parameters of three-terminal hybrid UHVDC transmission system(a single valve group)

3.2 策略對(duì)比及有效性的驗(yàn)證

在進(jìn)行仿真驗(yàn)證時(shí)，系統(tǒng)均在0.4 s抬升高閥電壓，0.8 s相應(yīng)過程結(jié)束，系統(tǒng)轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。

(1)無電壓平衡策略(策略A)下系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

若采用策略A抬升高閥電壓，由圖5可知，升壓過程中高低閥組的電壓出現(xiàn)較大波動(dòng)，低閥子模塊電壓升高至近3.1 kV(1.48 p.u.)(如圖5(d)),該值將觸發(fā)閥組暫時(shí)性閉鎖保護(hù)動(dòng)作，無法完成閥組的正常投入。由圖5(a)可知，升壓過程中高閥無法按照指定速率抬升電壓，轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)時(shí)實(shí)際電壓高于其額定值，并且高低閥組間電壓逐漸失衡。此外，圖(e)表明該策略易造成兩受端換流站間的有功波動(dòng)導(dǎo)致MMC2站直流電流增大，仿真波形與前文分析基本一致;

圖5 無電壓平衡策略(策略A)下系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性Fig.5 System dynamic characteristics without voltage balancing strategy (strategy A)

(2)采用穩(wěn)態(tài)電壓平衡策略(策略B)時(shí)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

由圖6可知，在采用策略B進(jìn)行升壓時(shí)，相比策略A，雖然高低閥的直流電壓波動(dòng)在穩(wěn)態(tài)情況下較小并且能夠保證閥間電壓平衡，但是在閥組投入瞬間，如前文所述，低端閥組交流側(cè)出口有功功率瞬間增大，從而造成低閥直流電壓跌落，對(duì)端換流站向本站饋入的有功增大，最終導(dǎo)致子模塊嚴(yán)重過壓，仿真波形與前文分析基本一致。

圖6 穩(wěn)態(tài)下電壓平衡策略(策略B)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性Fig.6 Dynamic characteristics with the steady-state voltage balancing strategy (strategy B)

(3)采用調(diào)整閥間電壓偏差平衡策略(策略C)下系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

由圖7可知，采用策略C進(jìn)行升壓時(shí)，相比策略B，高閥直流電壓(如圖7(a))波動(dòng)幅度顯著減小，低閥直流電壓(如圖7(c))波動(dòng)幅度減小約75%，這是因?yàn)椴呗訡在升壓過程中對(duì)閥組電壓偏差量ΔUdc進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，電壓平衡的效果更好。此外，相較策略A和B，相應(yīng)閥組內(nèi)的子模塊電壓也得到了更好的穩(wěn)定控制，升壓過程中波動(dòng)的最大值約為2.25 kV(1.07 p.u.)(如圖7(b)、圖7(d))，大大減小了保護(hù)誤動(dòng)的概率。最后，通過對(duì)比圖5(e)和圖7(e)直流電流波形，該策略還能有效抑制閥組投入過程MMC3站饋入MMC2站的有功功率，一方面避免橋臂過流風(fēng)險(xiǎn)，另一方面也有利于減輕MMC3站的功率波動(dòng)，仿真波形驗(yàn)證了前文分析的正確性。

圖7 基于調(diào)整閥間電壓偏差的平衡策略(策略C)下系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性Fig.7 Dynamic characteristics with the strategy of correcting voltage deviation between series valves (strategy C)

4 結(jié)束語

文章的主要工作及結(jié)論如下：

(1)結(jié)合單閥投入場(chǎng)景，分析了LCC-MMC多端混合直流輸電系統(tǒng)中定有功MMC站存在的電壓分配不均現(xiàn)象，并提出了一種調(diào)整閥間電壓偏差的平衡控制策略；

(2)在PSCAD/EMTDC仿真平臺(tái)搭建了相應(yīng)的系統(tǒng)模型，通過對(duì)比不同策略下各換流站的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，驗(yàn)證了文章所提策略的有效性；

(3)文章提出的電壓平衡策略雖基于閥組投入場(chǎng)景，但能夠很好地適用于穩(wěn)態(tài)情況。因此，在從閥組投入轉(zhuǎn)為穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)無需切換控制即可完成平穩(wěn)過渡。