基于触发角监测的混合直流输电系统功率稳定策略

张军，姚为正，杨美娟，吴金龙

(1.西安许继电力电子技术有限公司，西安市 710075；2. 许继集团有限公司，河南省许昌市 461000)

基于触发角监测的混合直流输电系统功率稳定策略

张军1，姚为正2，杨美娟1，吴金龙1

(1.西安许继电力电子技术有限公司，西安市 710075；2. 许继集团有限公司，河南省许昌市 461000)

由电网换相换流器与模块化多电平换流器(line commutated converter and modular multi-level converter，LCC-MMC)组成的混合直流输电系统同时兼备两者的优点，未来发展前景非常好。功率的稳定传输对混合直流输电系统非常关键。该文首先研究LCC-MMC型混合直流输电系统的运行原理以及功率传输条件；然后分析采用触发角作为系统稳定运行判断依据的原理和可行性，并在此基础上提出混合直流输电系统协调控制的目标和方法；最后在PSCAD/ EMTDC软件中建立LCC-MMC混合直流输电系统以及协调控制仿真模型，对协调控制策略进行仿真验证。通过研究可知，触发角度α对于LCC-MMC混合直流输电系统运行参数的变化非常灵敏，在此基础上设计的协调控制系统能够迅速并准确地对两端的控制指令进行调节，以使系统快速恢复到稳定运行的状态。

电网换相换流器(LCC)；模块化多电平换流器(MMC)；协调控制；功率传输；触发角

0 引 言

目前，基于晶闸管换流器的高压直流输电系统技术已经发展得非常成熟，但是由于晶闸管构成的电网换相型换流器(line commutated converter，LCC)自身的限制，换相失败始终是高压直流输电系统难以解决的问题。在我国部分发达地区已经形成了多馈入直流输电系统，换相失败故障的发生可能会对整个地区电网安全稳定带来非常大的威胁[1-8]。模块化多电平电压源型换流器(modular multi-level converter，MMC)具备了电压源换流器(voltage source converter, VSC)全部的优点，并且本质上彻底解决了换相失败故障，同时还具有制造难度低、开关频率较低、并网点谐波含量少、扩展性强等优点[9-10]。由电网换相换流器和模块化多电平换流器(line commutated converter and modular multi-level converter，LCC-MMC)组成的混合直流输电系统结合了LCC和MMC的优势，在受端为直流多馈入地区、弱电网、孤岛供电等工程中将有着广泛的应用场景[11]。协调控制对于混合直流输电系统的安全稳定运行有着关键性的作用，因此对于LCC-MMC混合直流输电系统协调控制的研究有重要的现实意义。

文献[12]对LCC-MMC混合直流系统进行了研究，并对该系统启动、稳态运行等工况进行了仿真分析。文献[13]提出了LCC-MMC混合直流输电系统直流侧谐波电流频率计算方法和完整流程。文献[14]提出的MMC采用了半桥子模块与全桥子模块拓扑混杂的方式，并重点研究了LCC-MMC直流故障穿越和清除过程。文献[15]研究了LCC-VSC协调控制策略，其中主要采用自适应电流限制器来改善两电平VSC故障后电压恢复的性能。上述研究中，没有涉及到混合直流输电系统中LCC与MMC控制器控制指令之间的相互配合；同时对于如何确保混合直流输电系统中功率的稳定传输也没有涉及到。

本文首先分析LCC-MMC混合直流输电系统的运行原理；然后采用检测得到的触发角α作为系统稳定运行的判断依据，并以功率稳定传输为目标设计协调控制系统，按照运行参数对两端控制指令进行校正和调节；最后，在PSCAD/ EMTDC软件中对LCC-MMC混合直流输电系统协调控制策略进行仿真验证。

1 LCC-MMC混合直流输电系统原理

在高压直流输电系统中，将受端逆变器改造为VSC后，可以有效地避免因LCC发生换相失败而引起的电网波动。LCC-VSC混合直流输电系统如图1所示。

图1 LCC-VSC混合直流输电系统

混合直流输电系统中送端采用晶闸管整流器，在运行过程中通过控制晶闸管的周期开通来将交流侧电能转换为直流电能并送出。逆变站采用VSC，通过全控型电力电子器件的开通与关断控制将直流电能转换成交流电能并送入到电网中，完成逆变。

混合直流输电系统中LCC的拓扑和常规直流输电系统中晶闸管整流器一致，不再赘述。

VSC形式比较多，本文采用半桥子模块型式的MMC拓扑。MMC以及子模块拓扑如图2所示。

图2 模块化多电平换流器拓扑

如图2所示，MMC共6个桥臂分为3个相单元，每一相由上下2个桥臂组成。每个桥臂由N个子模块及1个桥臂电抗器串联组成。半桥子模块由2个全控开关器件绝缘栅双极晶体管(insulated-gate bipolar transistor，IGBT)和1个电容组成，是MMC运行过程中的基本单元。子模块在运行过程中存在3种状态：投入、切除及闭锁。MMC运行中采用最近电平逼近调制法，通过控制子模块的投入和切除的个数来实现控制目标[16-17]。

由于对称双极系统可以等效为2个独立的单极系统，将LCC-MMC混合直流输电系统拓扑进行简化，如图3所示。

图3 LCC-MMC混合直流输电系统单极系统

为了实现直流故障穿越，在MMC出线端设置了二极管阀。在图3所示的LCC-MMC混合直流输电系统中，运行参数存在以下关系：

(1)

Edr=Udc+RId

(2)

式中：Id为直流电流；Er为LCC换流器交流线电压有效值；Lr为换流变压器每一相的换相电感；α为LCC触发角；Edr为LCC整流器直流侧直流电压；Udc为MMC直流侧直流电压；R为线路等效阻抗。

式(1)是LCC换流器自身的特性，式(2)是LCC-MMC系统所决定的。在图3所示的混合直流输电系统稳态运行过程中，需要同时满足式(1)和式(2)这2个约束条件，并且要满足有功平衡的约束条件即LCC输出的有功功率等于MMC接受的有功加上线路有功损耗。

2 LCC-MMC协调控制策略

采用LCC-MMC混合直流输电系统，从本质上彻底消除了逆变站换相失败对电网稳定运行的威胁。为了满足电能的安全稳定传输，需要LCC-MMC系统中两端换流器相互配合[18]。

送端LCC采用定直流电流控制，受端MMC采用定直流电压控制，图3所示的混合直流输电系统可以等效为图4。

图4 LCC-MMC混合直流输电系统等效模型

在图4所示的功率传输等效模型中，为了实现电能从送端电网传输到受端电网，需要满足以下条件：

(1)电流源产生的直流电流Id方向保持不变；

(2)电压源端口的电压(Udc)小于电流源端口的电压(Udr)。

其中，由于LCC自身的特性，整流器产生Id在运行中方向是不变的。但是，LCC直流电压Udr同时受到公式(1)和(2)这2个条件的约束。由于故障、电网波动等因素的影响，如果导致条件(2)不满足，直流电流将下降为0，送端功率不能传输到受端；LCC类似发生“断流”故障。因此，对于混合直流输电系统LCC和MMC控制指令相互协调是非常必要的。

对公式(1)和公式(2)进行变换可以得到：

C1Ercosα-Udc=C2Id

(3)

(4)

α=arccos[f(Udc,Id,Er)]

(5)

式中C1和C2为常数，与LCC-MMC系统拓扑相关。

由于 LCC采用定直流电流控制，MMC采用定直流电压控制，因此对于稳定运行的LCC-MMC直流输电系统，α的值应该不变或者在极小范围内波动。对于公式5所示的LCC的触发角α表达式，其函数曲线如图5所示。

图5 系统中触发角α的函数曲线

如图5所示，触发角α<45°时变化率非常大，较小的变化量Δf都可能引起α大范围波动，即α对直流输电系统运行参数的变化非常灵敏。

整流侧LCC在稳态条件下触发角的设计值一般在15°左右，因此采用α作为LCC-MMC系统稳态运行评判标准是准确和可行的。从公式(4)和公式(5)可知，引起α变化的3个因素为Er、Idc以及Udc。

LCC交流电压Er发生跌落时，或者LCC定直流电流控制指令Idc大于稳态运行设计值时，以及MMC定直流电压控制指令Udc大于稳态运行设计值时会导致α减小，反之亦然。

为了实现混合直流输电系统运行过程中的协调控制，本文采用监测到的α作为判断依据，对两端换流器之间的控制指令Idc-ref和Udc-ref进行调整。

3 LCC-MMC协调控制系统设计

协调控制策略首先以LCC触发角误差值Δα是否超过允许值A作为启动信号。协调控制系统的触发指令控制框图如图6所示。

图6 协调控制系统触发指令控制原理

在图6中，Δα为LCC触发角测量值与设计值之间的误差，A为系统允许的角度误差范围。当ΔαA时，AK=1，协调控制策略启动，对LCC定电流直流或MMC定电压指令进行调整。

ΔE、ΔIdc以及ΔUdc分别为LCC交流电压误差值、LCC直流电流误差值以及MMC直流电压误差值；Ec、Ic以及Uc分别为误差的允许范围。当误差超过允许范围时，协调控制触发指令输出“1”，误差在允许范围内时，输出的触发指令为“0”。

协调控制策略通过对LCC定直流电流控制指令Idc-ref和MMC定直流电压控制指令Udc-ref的调节来稳定系统能量的传输。由于Er属于外在因素，换流器控制系统无法调节，因此ΔE引起的调节优先级别比Udc高。

协调控制系统需要根据系统的运行参数，计算出故障状态下需要的校正量，计算原理如下所述。

(1)当LCC直流电流控制量发生偏移时，会引起系统稳态传输条件的改变，监测触发角偏移量超过范围后，LCC定直流电流指令校正系数DIK为

(6)

根据校正系数和电流指令调节触发指令IKK计算出LCC定直流电流指令校正量为

ΔIdc-ref=Idc-refIKKDIK

(7)

(2)当LCC交流侧电压Er发生变化时，会引起系统稳态传输条件的改变，当触发角误差值超过范围后，MMC定直流电压控制指令校正系数为

(8)

根据校正系数和电压调节触发指令EKK计算出MMC定电压参数校正量为

ΔUdc-ref=Udc-refEKKDKK

(9)

(3)MMC直流电压控制量发生偏移时，会引起系统稳态传输条件的改变，监测触发角偏移量超过范围后，MMC定电压控制指令校正系数为

(10)

根据校正系数和电压调节触发指令UKK计算出MMC定电压参数校正量为

ΔU1dc-ref=Udc-refUKKDUK

(11)

协调控制系统的校正量需要根据引起α波动的因素，按照上述情况分别进行计算。协调控制系统框图如图7所示。

图7 协调控制系统框图

如图7所示，协调控制系统分为3个部分，分别计算由于Er、Idc以及Udc误差而导致的系统不稳定的控制指令校正值。

当LCC交流侧电压Er值变化时，经过分析计算得到MMC定直流电压指令校正系数DKK，将DKK、触发指令EKK和Udc-ref三者相乘后得到Udc-ref需要的校正量。

当MMC定直流电压Udc值与系统设计参数有误差时，经过分析计算得到Udc-ref校正系数DUK，将DUK、触发指令UKK和Udc-ref三者相乘得到需要的校正量ΔU1dc-ref。

协调控制系统输出的校正系数对LCC和MMC控制指令进行校正。协调控制系统动作以α的检测值为参考，当Δα

当LCC-MMC系统发生故障时，控制系统根据α的变化以及故障系统的检测结果判断故障的类型，随后LCC和MMC通过自身换流器级的控制策略完成暂态工况的协调控制。

4 协调控制策略仿真分析

为了对上述LCC-MMC混合直流输电系统协调控制策略进行验证，建立送端为6脉波LCC，受端为MMC的混合直流输电系统仿真模型。算例中额定直流电压为50 kV，直流电流为0.6 kA，MMC为33电平，稳态时触发角α设计值为15°，角度误差允许值为±5°。

当LCC交流系统发生故障，电压跌落5%时，采用协调控制策略，LCC-MMC系统运行参数如图8所示。

图8 LCC交流电压跌落故障中协调控制过程

Fig.8 Coordinated control process under AC voltage drop fault of LCC

如图8(a)所示，在2.0 s时刻，LCC交流电压下跌5%，受其影响Udr会有所下降；触发角跌至饱和值5 °左右，AK迅速从0变为1，协调控制系统启动，按照图7所示的策略，对MMC定直流电压指令进行校正得到新的控制指令。

如图8(b)所示，在2.05 s时刻，协调控制系统将MMC直流电压降低为稳态的95%，LCC直流电流也开始逐渐恢复，在2.3 s时刻经过调整后系统重新进入稳态运行，触发角度稳定为设计值15°。AK=0，协调控制完成并退出，LCC-MMC系统控制指令保持当前值。

当LCC直流电流发生高于设计值的故障时，采用协调控制策略后，LCC-MMC系统运行参数如图9所示。

Fig.9 Coordinated control process under DC current rising condition of LCC

如图9(a)所示，当LCC直流电流偏高时，会导致触发角减小并接近饱和值，此时AK=1；协调控制系统在2.0 s时刻开始启动，对LCC定直流电流控制指令按照图7所示的协调控制策略进行校正；如图9(b)所示，最终将Idc减低到系统设计参数值，触发角度也稳定到系统设计值15°，而MMC的直流电压Udc始终保持不变。

MMC采用定直流电压控制策略，Udc偏大或者偏小都会影响到LCC-MMC混合直流输电系统的功率传输。当Udc较大时，经过协调控制系统调节，LCC-MMC系统运行参数如图10所示。

图10 MMC直流电压指令偏高工况下协调控制过程

如图10(a)所示，MMC直流电压偏大时，LCC触发角大幅度降低，α已经接近或者达到控制系统饱和值，此时AK=1；协调控制系统在2.0 s时刻开始启动，对MMC定直流电压控制指令按照图7所示的协调控制方式进行校正；如图10(b)所示，最终将Udc减低到系统设计参数值，而从公式(2)可知，在此过程中Idc也随之增加至设计值，最终触发角度也稳定到系统设计值15°。

5 结 论

(1)LCC-MMC混合直流输电系统中，为了满足功率正常传输需要保证两端控制指令相互匹配和协调；

(2)LCC定直流电流和MMC定直流电压的混合直流输电系统中，触发角α对于系统运行参数的变化比较灵敏，因此可以采用触发角α作为系统稳定运行的判断标准；

(3)协调控制系统中将引起触发角α变化的运行参数分别进行考虑，通过触发指令来判断需要调节的运行参数，可以准确地将系统调节至稳态。

[1]肖俊，李兴源，张英敏，等．多馈入直流系统换相失败分析[J]．四川大学学报，2014，46(5)：139-147． XIAO Jun，LI Xingyuan，ZHANG Yingmin，et al．Study on commutation failure in mult-infeed HVDC system[J]．Journal of Sichuan University：Engineering Science，2014，46(5)：139-147.

[2]郑超，杨金刚，腾予非，等．LCC与VSC型直流馈入对弱受端电网特性的影响[J]．电力建设，2016，37(4)：84-90． ZHENG Chao，YANG Jingang，TENG Yufei，et al．Impact of LCC-HVDC and VSC-HVDC infeed on weak-receiving-end grid characteristics [J]．Electric Power Construction，2016，37(4)：84-90.

[3]刘羽超，郭春义，许韦华，等．一种降低直流输电换相失败概率的控制方法[J]．电网技术，2015，39(1)：76-82． LIU Yuchao，GUO Chunyi，XU Weihua，et al．A control method to reduce commutation failure probability in HVDC power transmission[J]．Power System Technology，2015，39(1)：76-82.

[4]郭琦，王嘉钰，林雪华，等．提高MMC高效电磁暂态模型仿真精度的方法[J]．电力建设，2016，37(6)：49-54. GUO Qi，WANG Jiayu，LIN Xuehua，et al．Improvement of high-efficiency electromagnetic transient model simulation precision of MMC[J]．Electric Power Construction，2016，37(6)：49-54．

[5]RAHIMI E，GOLE A M，DAVIES J B．Commutation failure analysis in multi-infeed HVDC systems[J]．IEEE Transactions on Power Delivery，2011，26(1)：378-384．

[6]张静，孙维真，费建平，等．MMC-HVDC的稳态运行范围研究[J]．电力建设，2015，36(3)：1-6． ZHANG Jing，SUN Weizhen，FEI Jianping，et al．Steady-state operating range of MMC-HVDC [J]．Electric Power Construction，2015，36(3)：1-6.

[7]BAUMAN J，KAZERANI M．Commutation failure reduction in HVDC systems using adaptive fuzzy logic controller [J]．IEEE Transactions on Power Systems，2007，22(4)：1995-2002．

[8]LEE H D，ANDERSON G．Power stability analysis of multi-infeed HVDC systems[J]．IEEE Transactions on Power Delivery，1998，13(3)：923-931．

[9]李广凯，李庚银，梁海峰，等．新型混合直流输电方式的研究[J]．电网技术，2006，30(4)：82-86． LI Guangkai，LI Gengyin，LIANG Haifeng，et al．Research on a novel in hybrid-HVDC system[J]．Power System Technology，2006，30(4)：82-86．

[10]刘欣和，吴金龙，韩坤，等．基于电压向量合成的模块化多电平换流器控制策略研究[J]．电力建设，2014，35(3)：36-42． LIU Xinhe，WU Jinlong，HAN Kun，et al．Research of modular multi-level converter control strategy based on voltage vector composition[J]．Electric Power Construction，2014，35(3)：36-42．

[11]倪晓军，赵成勇，刘羽超，等．混合双馈入直流系统中VSC-HVDC对LCC-HVDC受端系统强度的影响[J]．中国电机工程学报，2015，35(16)：4052-4061． NI Xiaojun，ZHAO Chengyong，LIU Yuchao，et al．The effects of VSC-HVDC on the system strength of LCC-HVDC in dual-infeed hybrid HVDC system[J]．Proceedings of the CSEE，2015，35(16)：4052-4061．

[12]余瑜，刘开培，陈灏泽，等．伪双极VSC-LCC型混合直流输电系统启动方法[J]．高电压技术，2014，40(8)：2572-2578． YU Yu，LIU Kaipei，CHEN Haoze，et al．Startup procedure for VSC-LCC based hybrid pseudo bipolar HVDC system[J]．High Voltage Engineering，2014，40(8)：2572-2578．

[13]唐庚，徐政，薛英林，等．LCC-MMC混合高压直流输电系统[J]．电工技术学报，2013，28(10)：301-310． TANG Geng，XU Zheng，XUE Yinglin，et al．A LCC-MMC hybrid HVDC transmission system [J]．Transactions of China Electrotechnical Society，2013，28(10)：301-310．

[14]薛英林，吴方劼，张涛，等．基于PSCAD/EMTDC 的多端柔性直流输电系统并行仿真计算[J]．电力建设，2016，37(2)：10-17． Xue Yinglin，Wu Fangjie，ZHANG Tao，et al． Parallel simulation of multi-terminal MMC-HVDC system based on PSCAD/EMTDC[J]．Electric Power Construction，2016，37(2)：10-17．

[15]许烽，徐政．基于LCC和FHMMC的混合型直流输电系统[J]．高电压技术，2014，40(8)：2520-2530． XU Feng，Xu Zheng．Hybrid HVDC system based on LCC and FHMMC [J]．High Voltage Engineering，2014，40(8)：2520-2530．

[16]蒋炮炮．VSC-HVDC和LCC-HVDC混合高压直流输电系统协调控制策略研究[D]．兰州：兰州理工大学，2014． JIANG Paopao．Research of coordinated control strategy on VSC-HVDC and LCC-HVDC hybrid-HVDC system[D]．Lanzhou:Lanzhou University of Technology，2014．

[17]郭春义，赵成勇，王晶. 新型双馈入直流输电系统供电无源网络的运行特性研究[J]. 电工技术学报，2012，27(11)：211-218. GUO Chunyi, ZHAO Chengyong, WANG Jing. Operation characteristic research on novel double-infeed HVDC system supplying passive network[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2012, 27(11): 211-218.

[18]KOURO S, BERNAL R, MIRANDA H, et al. High-performance torque and flux control for multilevel inverter fed induction motors[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2007, 22(6): 2116-2123.

张军 (1986)，男，硕士，工程师，主要从事常规和柔性直流输电系统分析、过电压与绝缘结构分析等工作；

姚为正 (1967)，男，博士，副教授，主要从事直流输电技术与大功率电力电子技术的研究工作；

杨美娟 (1986)，女，硕士，工程师，主要从事柔性直流输电系统分析与控制技术等研究工作；

吴金龙 (1981)，男，硕士，工程师，主要从事柔性直流输电系统分析与控制技术等研究工作。

(编辑 刘文莹)

Power Stability Control Strategy of Hybrid-HVDC Transmission System Based on Triggering Angle Monitoring

ZHANG Jun1，YAO Weizheng2，YANG Meijuan1，WU Jinlong1

(1.Xi’an XJ Power Electronics Technology Co.，Ltd., Xi’an 710075，China; 2. Xu Ji Group Co.，Ltd., Xuchang 461000，Henan Province, China)

Hybrid high voltage direct current (hybrid-HVDC) system composed of line commutated converter and modular multi-level converter (LCC-MMC) combines the merits of both converters, which will be used widely in the future. The stability of power transmission is very critical for hybrid-HVDC system. Firstly, this paper analyzes the operation principle of LCC-MMC hybrid-HVDC system and the conditions of power transmission. Then, the principle and feasibility of triggering angle used as hybrid-HVDC system normal operation criteria are analyzed, and on this basis the coordinated control objective and strategy are proposed for hybrid-HVDC system. Finally, this paper constructs LCC-MMC hybrid-HVDC transmission system and coordinated control simulation model in PSCAD/EMTDC, simulates and verifies the coordinated control strategy. The results show that the triggering angle of LCC-MMC hybrid-HVDC transmission system is sensitive to operation parameters change. The control parameters of both LCC and MMC can be adjusted quickly and accurately by coordinated control system designed on triggering angle analysis. In addition, the system can be restored to steady operation rapidly.

line commutated converter (LCC); modular multi-level converter (MMC); coordinated control; power transmission; triggering angle

TM 72

A

1000-7229(2016)11-0101-07

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.11.015

2016-07-12