舟山多端柔性直流系统环流抑制和交流故障穿越能力分析

高强，吴华华，陈楚楚，张帆，吴烨（.国网浙江省电力公司电力调度控制中心，浙江杭州　30007；.国网宁波供电公司，浙江宁波　35000）

舟山多端柔性直流系统环流抑制和交流故障穿越能力分析

高强1，吴华华1，陈楚楚2，张帆1，吴烨1
（1.国网浙江省电力公司电力调度控制中心，浙江杭州310007；2.国网宁波供电公司，浙江宁波315000）

介绍了世界首例五端柔性直流输电工程——浙江舟山柔性直流输电工程的概况和主要设备组成，分析总结了舟山MMC-MTDC控制保护系统中的环流抑制控制策略和交流故障穿越控制策略，最后通过实验分析了舟山MMC-MTDC系统的环流抑制效果，以及在交流侧单相接地故障、两相接地故障、两相短路故障、三相短路故障4种情况下的瞬时故障穿越能力。研究结果可为舟山五端柔性直流输电系统安全稳定运行提供技术支持和理论保障。

多端直流；模块化多电平换流器；环流抑制；故障穿越

柔性直流输电，即基于模块化多电平换流器（modular multilevel converter，MMC）的新一代高压直流输电技术，具有向无源电网供电、快速独立控制有功与无功、潮流反转方便快捷、运行方式变换灵活等特点，在风电并网、电网互联、孤岛和弱电网供电、城市供电等领域应用广泛［1-6］。其中，多端柔性直流（MMC multi-terminal direct current，MMCMTDC）输电系统由3个或以上换流站及连接换流站的高压直流输电线路组成，能够实现多电源供电、多落点受电，相比于两端柔性直流输电系统，运行方式更为灵活，能更好地发挥直流输电的经济性和灵活性［3-5］。目前，已投运的浙江舟山柔性直流输电工程为世界上首个建成的五端柔性直流输电工程。

本文介绍了浙江舟山柔性直流输电工程的概况，研究了其控制保护系统中的环流抑制控制策略和交流故障穿越控制策略，最后通过实验分析了舟山MMC-MTDC系统的环流抑制效果，以及舟山MMC-MTDC系统在交流侧单相接地故障、两相接地故障、两相短路故障、三相短路故障4种情况下的故障穿越能力，为多端柔性直流技术的发展和应用提供理论基础和实践经验。

1　舟山柔性直流输电工程概述

舟山柔性直流输电工程是世界上首例五端直流输电工程，承担着增强舟山北部诸岛电网的供电能力，提高供电可靠性，促进舟山群岛新区经济发展的任务，具有电力工程技术创新的示范效应和重要的社会经济意义。

舟山柔性直流输电工程由舟定、舟岱、舟衢、舟泗、舟洋5个直流换流站和多段直流电缆构成，直流电压等级为±200 kV，容量分别为舟定站400 MW、舟岱站300 MW、舟衢站100 MW、舟洋站100 MW、舟泗站100 MW。舟定和周岱站通过220 kV单线分别接入220 kV云顶变和蓬莱变，舟衢、舟洋和舟泗站通过110 kV单线分别接入110 kV大衢变、沈家湾变和嵊泗变。其系统接线方式如图1所示。

图1　舟山柔性直流输电工程系统接线图Fig.1　Connection diagram of Zhoushan MMC-MTDC

舟山柔直换流站一次设备主要包括交流线路、直流线路、直流母线、换流器（联结变+换流阀组）等，其一次接线如图2所示。该工程投入运行后，舟山电网将发展为一个同时包含多端柔性直流、传统直流和风电场的复杂交直流混联电网，电能可同时通过交流通道和直流通道到达各岛，运行方式复杂多变，在世界上尚属首例［7］。

图2　换流站一次接线图Fig.2　Primary wiring diagram of the converter station

2　环流抑制控制策略及试验验证

模块化多电平换流器由大量的子模块构成，每个子模块中都有一个储能电容，各个子模块电容的分布式布置及其能量不均衡，将导致MMC换流器桥臂之间产生呈负序分布的二倍频环流［8-9］。环流的存在一方面会使换流器输出的电流发生畸变，降低了输出波形的质量，并且增加了电力电子器件的容量等级要求；另一方面增加了损耗，并使功率开关管严重发热，甚至烧毁，影响装置使用寿命［10-11］。尽管桥臂电抗器对环流具有一定的抑制作用，但作用有限［11-13］，因此，必须设计一种环流抑制控制器。

2.1环流抑制控制策略

舟山多端柔性直流输电系统采取的是环流谐波解耦控制策略，在MMC内部数学模型的基础上，采用二倍频负序旋转坐标变换将换流器内部的三相环流分解为2个直流分量，由此设计了相应的环流抑制控制器。

MMC的数学模型可以由式（1）来表示［14］：

式中：Ux为换流器三相电压（x=a，b，c）；Ux1为下桥臂电压；Ux2为上桥臂电压；R0为桥臂电阻；L0为桥臂电感；Ix为换流器三相电流；Iz为二倍频环流分量。

由式（1）可知，上下桥臂之间的电压差和交流侧相电流会对逆变器交流侧电压产生影响，而上下桥臂电压之和与直流电压不相等是内部环流产生的根本原因。为了消除各相上下桥臂电压之和的不一致性，可以在上下桥臂电压上同时减去一个大小相等的电压修正量Ufix，可抵消2个串联电抗器两端的电压，间接控制换流器内部环流。由于是在上下桥臂同时减去一个电压分量，因此不会对逆变器交流侧电压产生影响。

根据文献［8-9］可知，MMC内部三相环流为二倍频负序分量，设其幅值为Izf，初始相位为φ，那么换流器三相中的环流可以表示为

令二倍频环流电压为

则式（1）可变形为

将abc负序分量调整为acb正序分量，引入二倍频正序变换矩阵式（5）。

利用旋转坐标变换将换流器内部三相二倍频负序环流分解为2个直流量，具体计算过程为将式（2）代入式（4），然后两边同时左乘acb-dq变换矩阵式（5），得到：

式（6）即为MMC内部环流数学模型，在此数学模型的基础上即可设计相应的环流抑制控制器，如图3所示。

2.2试验验证

图3　MMC环流抑制器控制图Fig.3　The control diagram of the MMC circulating current suppressor

以定海站为例，通过实测验证舟山柔性直流工程控制保护系统的环流抑制功能，见表1。换流器由6个桥臂构成，在相同运行方式下，环流抑制器投入前后桥臂电流二倍频分量占基波分量的比例如表1所示。可看出，投入环流抑制器前，桥臂电流二倍频环流分量占基波分量的比例为6%左右。投入环流抑制器后，桥臂电流二倍频环流分量占基波分量的比例均小于1%，环流得到了有效抑制，桥臂电流的畸变程度大大降低。

表1　环流抑制实验结果Tab.1　Experiment result of the circulating current suppressing

3　交流侧故障穿越能力分析

MMC-MTDC系统在运行过程中，若发生交流侧不对称故障，则会产生较大的负序电流，从而会对MMC-MTDC系统的稳定运行产生很大的影响。主要表现如下［15］：

1）使系统三相电流不对称，进而引起系统故障使得保护动作，较大的故障电流还会对换流器的安全运行产生影响。

2）使系统有功功率产生波动，进而导致直流电压波动。这种波动会通过直流线路传输到其他换流站，影响其他换流站的稳定运行。

为了避免上述情况出现，舟山MMC-MTDC系统采取了内环电流、外环功率的解耦控制策略，从而保证了系统能够在交流侧瞬时故障时不间断运行。控制器的设计思路：建立MMC-HVDC系统发生不对称故障时的数学模型，进行dq旋转坐标变换，从而得出换流器的正序系统数学模型和负序系统数学模型，这2个模型相互解耦独立。在MMC-MTDC系统交流侧发生不对称故障时，通过控制负序有功电流参考值和负序无功电流参考值，来抑制负序电流。通过控制正序有功电流参考值和正序无功电流参考值，来保证系统传输的有功功率平衡，进而控制直流电压的稳定。

以定海站为例，对舟山MMC-MTDC系统交流侧单相接地、两相接地、两相短路、三相短路4种故障情况进行实验分析。模拟故障时间为100 ms（0.52 s时故障，0.62 s故障消除），在相同运行方式下，仿真结果如图4所示。（其中If、Vf、Vw、P、UDC分别表示阀侧电流、阀侧电压、网侧电压、有功功率、直流电压）。

图4　交流侧故障时系统运行波形Fig.4　Operation waveform of Zhoushan MMC-MTDC system on AC-side fault

从图4中可以看出，当系统交流侧发生故障导致三相电压不平衡时，MMC整流器仍然能够正常工作，输出的直流电压基本保持不变。故障切除后，系统拥有较快的响应速度，短时内就恢复到正常电压，且超调量较小，从而证明舟山MMC-MTDC系统具有良好的交流故障穿越能力。

4　结语

舟山五端柔性直流输电工程的建成，将加强舟山诸岛之间的电气联系，增强网架结构，提高供电可靠性，将为舟山群岛新区的经济发展提供强劲动力，同时将解决海上风电等新能源灵活接入、电缆充电功率和冲击性负荷带来的稳定性及电能质量问题，为柔性直流输电的大规模推广起到良好示范作用。

本文介绍了浙江舟山柔性直流输电工程的概况，分析总结了其环流抑制控制策略和交流故障穿越控制策略，最后通过试验分析了舟山MMC-MTDC系统的环流抑制效果和交流故障穿越能力，试验结果表明：1）未投入环流抑制器时，换流器三相桥臂电流二倍频环流分量占基频分量的6%左右，投入环流抑制器后，二倍频环流分量所占比重降低为基频分量的1%以下，桥臂内部环流得到了有效抑制；2）舟山柔性直流输电工程在4种交流瞬时故障情况下，均具有快速恢复及系统连续运行能力，即良好的交流故障穿越能力。本文研究可为多端柔性直流技术的发展和实际应用提供理论基础和实践经验。

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（编辑冯露）

Circulating Current Suppressing and AC Faults Ride-through Capability Analysis of Zhoushan MMC-MTDC System

GAO Qiang1，WU Huahua1，CHEN Chuchu2，ZHANG Fan1，WU Ye1
（1.State Grid Zhejiang Electric Power Dispatching&Control Center，Hangzhou 310007，Zhejiang，China；2.State Grid Ningbo Power Supply Company，Ningbo 315000，Zhejiang，China）

This paper introduces the general situation of Zhoushan MMC-MTDC transmission project，the world's first five side modular multilevel converter multi-terminal direct current（MMC-MTDC）transmission project，and the composition of the key parts of the project.Based on the research of circulating current suppressing control strategy and AC fault ride-through strategy of VSC-MTDC control system，the relative experiments are conducted to analyze the circulating current suppressing effect of MMC-MTDC system and the transient fault ride-through capability of MMC-MTDC system in case of four kinds of faults，including AC single phase-togrounding，AC two-phase-to-grounding，AC two-phase shortcircuit and AC three-phase short-circuit.The research results providetechnicalsupportandtheoreticalguaranteefor Zhoushan MMC-MTDC system.

multi-terminal direct current（MTDC）；modular multilevel converter（MMC）；circulating current suppressing；fault ride-through

1674-3814（2016）06-0062-06

TM72

A

2015-03-18。

高强（1985—），男，工程师，硕士，从事电力系统调控运行工作；

吴华华（1977—），男，高级工程师，本科，从事电力系统调控管理工作；

陈楚楚（1988—），女，助理工程师，本科，从事电力系统调控运行工作；

张帆（1973—），男，高级工程师，本科，从事电力系统调控运行工作；

吴烨（1980—），男，高级工程师，博士，从事电力系统调控运行工作。

国网浙江省电力公司科技项目（5211HZ150187）。Project Supported by Science and Technology Project of State Grid Zhejiang Electric Power Company（5211HZ150187）.