多端柔性直流输电系统中混合运行方式分析

易荣，岳伟，张海涛，许树楷，丁雅丽

（1. 荣信电力电子股份有限公司，辽宁 鞍山 114051；2. 南方电网科学研究院有限责任公司，广东 广州 510080）

随着电力电子技术的进步，柔性直流作为新一代直流输电技术，可使当前交直流输电技术面临的诸多问题迎刃而解，为输电方式变革和构建未来电网提供了崭新的解决方案[1-3]。与传统直流输电技术相比，以电压源换流器（voltage source converter，VSC）为核心部件、脉宽调制（pulse width modulation，PWM）控制为理论基础的新一代直流输电技术具有不存在换相失败风险、可实现有功无功快速解耦控制、输出电压电流谐波含量低等诸多优点[2-5]。在近十几年来，已有一系列的实际应用[6]。2001年德国学者提出模块化多电平换流器（modular multilevel converter，MMC）采用模块化设计，结构灵活且易于扩展，可以有效地实现高电压、大功率能量转换，因此在高压直流输电领域得到了越来越多的关注和应用[7-8]。

多端柔性直流输电系统（voltage source convertermulti-terminal HVDC，VSC-MTDC）指的是在同一直流网架下，含有2个以上VSC换流站的柔性直流输电系统。作为一种更为灵活、快捷的输电方式，VSCMTDC可实现多电源供电、多落点受电、孤岛供电等，在风电等新能源并网、构筑城市直流配电网等领域将具有广阔的应用前景[9-12]。

虽然多端柔性系统比两端柔性系统具有更高的经济性与灵活性，但是其在控制器的设计上更为复杂[13]。当”多送多受”柔性直流输电系统中的送端换流站类型不同时，文献[14]将这种运行方式定义为混合运行方式，此时应采用不同的控制策略，在保持各换流站正常工作的基础上，实现换流站之间的协调控制，以维持整个直流网络的平衡，保障系统直流电压的稳定以及系统的可靠运行。

1 MMC-MTDC系统拓扑结构

模块化多电平换流器拓扑结构如图1所示，usa，usb，usc分别为换流器输出交流电压；Idc、Udc分别为直流侧电流和电压；2L0、2R0分别为桥臂等效电抗和桥臂等效电阻。每个相单元由上下两个桥臂组成，每个桥臂由若干相同功率模块串联以产生高电压。每个子模块（Sub-module，SM）由2只带反并联二极管的绝缘栅双极晶体管（IGBT）和1个直流储能电容器（Uc）构成[15]。

本文研究的基于模块化多电平换流器的多端柔性直流输电系统如图2所示，为便于控制和扩展，三个换流站并联运行。其中，MMC1、MMC2为送端换流器，MMC1与有源网络相连，MMC2与无源网络相连；MMC3为受端换流站；R1、R2、R3分别为换流站直流线路电阻。

图1 模块化多电平换流器拓扑结构Fig. 1 Topology structure of MMC

图2 多端柔性直流输电系统拓扑结构Fig. 2 Topology structure of MMC-MTDC

2 控制策略分析

柔性直流换流站采用电流内环、电压外环的双闭环控制策略，其电流内环控制如图3所示，外环功率控制器产生内环参考电流Idref、Iqref，通过引入电压耦合补偿项ωLisd、ωLisq，以及交流电网电压前馈补偿usd、usq，采用比例积分控制，实现dq轴电流的解耦控制[16-19]。由于换流站类型不同，需采用不同的外环控制策略，以实现系统的稳定运行。

图3 MMC内环电流控制框图Fig. 3 Structure of MMC inner current control

2.1 MMC3控制策略

MMC3为受端换流站，为维持直流电压的稳定和多端直流系统的功率平衡，MMC3采用定直流电压控制[20]，其控制如图4所示。直流电压参考值与反馈值比较后，经PI调节器生产内环d轴电流参考值。同理，无功功率参考值与反馈值比较后，经PI调节及限幅控制生成内环q轴电流参考值，完成换流站3的定电压控制。

图4 定直流电压控制框图Fig. 4 Structure of DC voltage control

2.2 MMC1控制策略

MMC1为送端换流器，其交流侧与有源电网相连，可采用定功率控制，以完成功率的外送。其控制策略如图5所示，有功功率参考值与其反馈值比较后，经PI调节及限幅控制产生内环d轴电流参考值。

图5 定有功功率控制框图Fig. 5 Structure of active power control

2.3 MMC2控制策略

当换流站交流侧连接无源电网，且作为整流器运行时，需要换流器提供较强和稳定的交流电源，以维持无源网络的电压和频率稳定。其控制系统如图6所示，频率参考值与检测到的电网电压相角比较后经积分器得到换流器输出电压相角，电压幅值参考值与原有电网电压幅值比较后，经限幅得到换流器输出电压幅值，最后经坐标变换得到调制波。

2.4 调制策略

MMC输出电压的谐波畸变较低，因此其调制波可采用较低的开关频率，降低损耗，从而提高效率[21-22]。

模块化多电平换流器的调制策略需要给出每个时刻上、下桥臂导通子模块数。最近电平逼近调制的本质是控制任意时刻投入若干个子模块构成的方波尽可能逼近于调制波[23]。

图6 孤岛电压频率控制Fig. 6 Islanded voltage and frequency control

us（t）为调制波瞬时值；Uc为子模块的直流电压平均值。N为上桥臂子模块数，也为下桥臂子模块数，每个时刻，下桥臂需要投入的子模块数为：

上桥臂需要投入的子模块数为：

受子模块数的限制，有0≤nup，ndown≤N。若根据式（1）和式（2）计算得到的nup、ndown超出边界值，则取相应的边界值[21-23]。

3 仿真分析

为了验证送端混合运行方式的可性和适用性，在PSCAD/EMTDC平台上搭建了三端模块化多电平换流器仿真模型。系统关键参数如表1所示。

表1 仿真系统关键参数Tab. 1 Key parameters of simulation system

连接有源网络送端换流站功率阶跃：仿真设置MMC1和MMC3无功功率参考值为0，与MMC2相连的风电场出力40 MW，2.5 s时MMC1有功功率由50 MW阶跃至100 MW，MMC3定直流电压320 kV。3个换流站功率仿真波形如图7所示，“+”表示换流站发出功率，“-”表示换流站吸收功率，系统直流电压波形如图8所示，MMC2交流电压有效值波形如图9所示。

图7 有功无功仿真波形Fig. 7 Active and reactive power

图8 直流电压仿真波形Fig. 8 Direct current voltage

图9 交流线电压有效值仿真波形Fig. 9 RMS of AC line voltage

由仿真图可以看出，MMC2系统功率阶跃时，三端柔性直流输电系统可保持功率平衡，经暂态过程，系统直流电压恢复到额定值，定V/F换流站交流电压稳定。

连接无源网络送端换流站功率阶跃：仿真设置MMC1和MMC3无功功率参考值为0，MMC1发出100 MW有功功率，2.5 s时与MMC2相连的风电场增大有功出力。3个换流站功率波形如图10所示，系统直流电压波形如图11所示，MMC2交流电压有效值波形如图12所示。

图10 有功无功仿真波形Fig. 10 Active and reactive power

图11 直流电压仿真波形Fig. 11 Direct current voltage

由图10可以看出，当连接无源网络的换流站功率阶跃时，在各换流站控制系统作用下可以保持功率平衡，经过暂态过程，系统直流电压恢复到额定值，定V/F换流站交流母线电压恢复到额定值。

图12 交流线电压有效值仿真波形Fig. 12 RMS of AC line voltage

4 结语

根据换流站运行状态及其所连交流电网的类型，提出多端柔性直流输电系统中送端换流站连接不同类型交流电网时，采用混合运行方式，各站采取不同的控制策略以维持系统直流电压的稳定，保证多端柔性直流输电系统的稳态运行。最后，通过仿真验证了混合运行方式的可行性及所提控制策略的可行性。

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