舟山多端柔性直流系统交流故障穿越能力分析

黄磊，罗伟，杨冠军

(国网浙江省电力公司电力调度控制中心，浙江 杭州 310007)

舟山多端柔性直流系统交流故障穿越能力分析

黄磊，罗伟，杨冠军

(国网浙江省电力公司电力调度控制中心，浙江 杭州 310007)

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，分析总结了舟山柔性直流输电工程控制保护系统的总体结构和主要功能，重点研究了舟山MMC-MTDC控制保护系统中的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、三相短路故障四种情况下的瞬时故障穿越能力。本文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。

多端直流输电；模块化多电平换流器；控制保护系统；故障穿越

1 引言

柔性直流输电，即基于模块化多电平换流器(MMC，Modular Multilevel Converter)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，MMC-MTDC)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，分析总结了其控制保护系统的总体结构和主要功能，重点研究了控制保护系统中的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、三相短路故障四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。

2 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、舟洋等五个直流换流站和多段直流电缆构成，直流电压等级为±200kV，容量分别为舟定换流站400MW、舟岱换流站300MW、舟衢换流站100MW、舟洋换流站100MW、舟泗换流站100MW。舟定和周岱站通过220kV单线分别接入220kV云顶变和蓬莱变，舟衢、舟洋和舟泗站通过110kV单线分别接入110kV大衢变、沈家湾变和嵊泗变。其系统接线方式如图1所示。

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。

图1 舟山柔性直流输电工程系统接线图

图2 换流站一次接线图

3 控制保护系统

柔性直流输电控制保护系统是柔性直流输电工程的大脑，实现对整个系统及所有设备的控制、监视和保护，直接关系着系统运行的性能﹑安全﹑效益，是柔性直流输电系统的关键。

多端柔性直流输电系统是一个复杂的多输入多输出系统，为了提高其运行的可靠性，限制任一控制环节故障造成的影响，其控制保护系统采用模块化、分层分布式结构。舟山柔性直流输电工程控制保护策略分4个层次：系统级控制保护层、换流器级控制保护层、阀级控制保护层、子模块级控制保护层，其结构如图3所示。

系统级控制保护层是MMC-MTDC控制保护系统中级别最高的层次，主要功能有：运行方式控制、控制模式控制、系统启停控制、系统稳定控制、快速功率变化控制、潮流反转控制、联接变压器保护、交流场保护等。

换流器级控制保护层是联系上层系统级控制保护层和下层阀级控制保护层的中间环节，也是MMC-MTDC控制保护系统中的核心层。主要功能有：有功类控制、无功类控制、换流器闭锁解锁控制、负序电流抑制控制、桥臂环流控制、运行信息采集处理、换流器限流控制、换流器监视与保护等。

阀级控制保护层是联系上层控制系统与底层开关器件控制的中间枢纽。接收换流器级控制保护层输出的控制信号，并通过适当的调制方式产生相应的阀触发脉冲以控制阀组的导通、关断，从而实现对换流器阀的触发控制。同时接收各子模块开关器件驱动电路的回报信号及状态信息并上报至换流器级控制保护系统的监控单元。阀级控制保护层是实现各种指令的具体执行操作层，与系统级控制保护层、换流器级控制保护层相比，其响应速度更快。主要功能有：开关调制、阀组导通/关断控制、换流阀监测与保护、子模块电容电压平衡调制、桥臂故障检测与保护等。

子模块级控制保护层是直接对MMC中的每个子模块进行触发控制的设备，其主要功能有：子模块触发控制、旁路控制、过压控制、子模块电容电压及状态信息检测。

图3 舟山柔性直流输电工程控制保护策略图

4 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。主要表现为[7]：

(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它换流站，影响其它换流站的稳定运行。

4.1 交流侧故障穿越控制策略

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。控制器的设计思路为：建立MMC-MTDC系统单个换流站发生不对称故障时换流器的数学模型(其他换流站类似)，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，这两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能够平衡，进而控制直流电压的稳定。其控制策略如图4所示，图中，Usz_acb、Usf_acb分别表示换流器三相电压正序分量和负序分量，Iz_acb、If_acb分别表示换流器三相电流正序分量和负序分量，Izd_ref、Izq_ref、Ifd_ref、Ifq_ref分别表示换流器正序有功电流参考值、正序无功电流参考值、负序有功电流参考值、负序无功电流参考值分量，L0表示桥臂阻抗。

4.2 试验分析

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、三相短路四种故障情况进行实验分析。模拟故障时间为100ms(0.52s时故障，0.62s故障消除)，在相同运行方式下，仿真结果如图5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 舟山柔性直流输电工程交流侧故障时控制框图

从图中可以看出，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。

图5 交流侧故障时系统运行波形

5 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，分析总结了其控制保护系统的总体结构和主要功能，重点研究了舟山MMC-MTDC系统的交流故障穿越控制策略，最后通过试验分析了其交流故障穿越能力，试验结果表明：舟山柔性直流输电工程在四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。

[1] 汤广福，贺之渊，庞辉.柔性直流输电工程技术研究、应用及发展[J].电力系统自动化,2013,37(15):3-14.

[2] 殷自力，李庚银，李广凯，等.柔性直流输电系统运行机理分析及主回路相关参数设计[J].电网技术,2007,31(21):16-22.

[3] 汤广福，罗湘，魏晓光.多端直流输电与直流电网技术[J].中国电机工程学报,2013,33(10):8-17.

[4] 毛颖科，桂顺生，贺之渊，等.基于MMC技术的柔性直流输电系统性能分析[J].华东电力,2011,39(7):1133-1136.

[5] 郑超，滕松，宋新立，等.百万千瓦级柔性直流接入大连电网后的系统特性分析[J].电力系统自动化,2013,37(15):15-19.

[6] 范心明，管霖，夏成军，等.多电平柔性直流输电在风电接入中的应用[J].高电压技术,2013,39(2):497-504.

[7] 曹春刚.交流系统故障时MMC-HVDC系统的控制和保护策略研究[D].北京：华北电力大学,2012.

AC Faults Ride-through Capability Analysis of Zhoushan MMC-MTDC System

HUANGLei，LUOWei，YANGGuan-jun

(State Grid Zhejiang Electric Power Dispatching & Control Center,Hangzhou 310007,China)

The paper introduces the general situation of the world′s first five side modular multilevel converter multi- terminal direct current(MMC-MTDC)transmission project—Zhoushan MMC-MTDC transmission project and its main equipment composition.The overall structure and major function of its control and protection system are analyzed and summarized.Based on the research of AC fault ride-through strategy of MMC-MTDC control system,several experiments were conducted to analyze the fault ride-through capability of MMC-MTDC system under four kinds of faults,including AC single phase-to-grounding,AC two-phase-to- grounding,AC two-phase short-circuit and AC three-phase short-circuit.The research results provide technical support and theoretical guarantee for Zhoushan MMC-MTDC system.

multi-terminal direct current(MTDC)；modular multilevel converter(MMC)；control and protection system；fault ride-through

1004-289X(2016)03-0022-05

TM71

B

2015-03-19

黄磊(1982-)，男，工程师，本科，从事电力系统调控运行工作； 罗伟(1984-)，男，工程师，硕士，从事电力系统调控运行工作； 杨冠军(1983-)，男，工程师，本科，从事电力系统调控运行工作。