LCC-VSC两端混合直流输电系统基本控制策略的仿真研究

曹力潭 贾轩涛 高仕龙 于 海 谢斯晗



LCC-VSC两端混合直流输电系统基本控制策略的仿真研究

曹力潭1贾轩涛1高仕龙2于 海2谢斯晗1

（1. 国网浙江省电力公司检修分公司，杭州 310018；2. 许继电气股份有限公司，河南许昌 461000）

本文基于LCC（line commutated converter）-VSC（voltage source converter）混合直流输电系统还未工程化应用的现状，为研究LCC-VSC混合直流输电系统的基本控制策略，通过RTDS建立由LCC和VSC组成的两端混合直流输电系统仿真模型，并与实际的控制主机进行接口。在LCC-VSC功率输送模式下，对提出的混合直流输电系统起动、停运控制策略进行仿真验证。研究结果为以后的工程化应用提供了参考和借鉴价值。

混合直流输电；电网换相换流器；电压源换流器；起动策略；闭锁策略；在线转换；仿真

对于传统特高压直流输电系统，逆变侧在交流电压出现异常的情况下容易发生换相失败，换相失败的发生将严重影响交流系统稳定性，甚至可能导致区域电网的大面积断电事故。而以全控型器件为基础的柔性直流输电系统（VSC-HVDC），因不存在换相失败、不需要无功功率补偿装置及可自行关断不需要外加换相电压等特点，自20世纪90年代后得到了迅速发展，目前已有多个柔性直流输电工程投入运行[1-6]。

结合传统直流输电和柔性直流输电的优势，一种新的LCC-VSC混合直流输电拓扑结构有着重要的应用研究价值。目前LCC-VSC混合直流输电系统还未有工程化实际应用，现有关于混合直流输电系统控制策略仿真的文献[11-12,14]等均采用仿真软件模拟控制保护硬件平台。为了最大程度上模拟工程应用环境，基于RTDS搭建了LCC- VSC两端混合直流输电系统模型，并与实际的控制保护硬件平台进行接口，对混合直流输电系统的控制策略、功率传输效率等关键技术进行研究仿真分析[7-12]。

1 LCC-VSC两端混合直流输电系统仿真系统总体设计

LCC-VSC混合直流输电系统由端1和端2两个换流站组成，设备组成及测点配置如图1所示。仿真系统的设计具有以下特点：

1）端1为常规直流LCC换流站，端2为柔性直流VSC换流站。

2）混合直流输电系统采用完整双极设计，极1、极2可单独完成功率输送。

3）端1 LCC仅作为整流站输出直流功率，端2VSC可工作在整流模式、逆变模式或STATCOM模式。

图1 LCC-VSC两端混合直流输电系统主接线图

2 RTDS仿真模型

RTDS混合直流仿真系统为了配合后期1∶1动模实验平台的建立，从设备成本、占地面积、接线施工等方面进行综合考虑，LCC换流站每个极采用一个6脉动的晶闸管换流阀，每个单阀包括一个晶闸管；VSC换流站每个极为一个6桥臂柔直换流阀，每个桥臂包括6个半桥型柔直子模块。主要系统运行参数如下：直流额定电压为±1kV，直流额定电流为30A，双极输送直流额定功率均为60kW[13-16]。

根据系统主接线在RTDS混合直流输电系统模型主要包括：6脉动晶闸管换流阀、VSC柔直换流阀、VSC软起电阻、直流滤波器、LCC换流变压器、VSC换流变压器、开关设备、交流等值系统等。

仿真模型中交流系统采用无穷大系统，交流电压380V，LCC换流变压器模型为三相变压器，端1极1采用Yd-11接线方式变压器一台，极2采用Yy0接线方式变压器一台，参数见表1。

表1 LCC换流变压器参数

LCC换流阀模型为单极6脉动晶闸管换流阀，具体参数见表2。

表2 LCC换流阀参数

VSC换流变压器模型为三相变压器，极1、极2各配置三相变压器一台，VSC换流变压器参数见表3。

表3 VSC换流变压器参数

VSC柔直换流阀采用半桥型结构，极1、极2配置相同，每个桥臂为子模块数量为6个，具体参数见表4。

表4 VSC换流阀参数

LCC换流站极1、极2直流线路侧均配置了相同的平波电抗器，平波电抗器参数为35mH。

VSC换流站极1、极2配置相同的软起回路，软启电阻为50W。

3 LCC-VSC混合直流输电系统控制策略及仿真验证

在LCC-VSC混合直流输电运行方式下，端1LCC做为整流站运行，端2VSC做为逆变站运行；结合已经投入运行的舟山柔直工程，VSC换流站解锁过程中不依赖整流站提供换相电压，因此混合直流输电系统的两个换流站采取独立控制方式，两个站分别下发解锁、闭锁命令[17-18]。

LCC与VSC换流站之间设计了站间通信，主要用于起停控制的联锁和定电压控制的切换；两站之间传输的信号有：解锁信号、闭锁信号、控制模式、电流指令、电流限制值等。

3.1 起动控制策略

VSC首先在定直流电压模式下解锁，直流电压稳定后LCC在定电流模式下后解锁；LCC解锁允许条件为VSC已解锁，同时系统直流电压已经稳定建立[19-22]。

VSC解锁过程如图2所示。

图2 VSC解锁时LCC、VSC波形

在图2中系统直流电压由VSC解锁输出，在VSC解锁后420ms直流电压稳定到额定值；在该工况下LCC具备解锁条件，LCC解锁逻辑设计为：收到解锁命令后立即解除移相，点火角开始由90°逐渐减小，当LCC直流电压大于VSC侧直流电压时，开始建立直流电流。

LCC换流站发出解锁命令后解锁过程如图3所示。

图3 LCC解锁时LCC波形

3.2 VSC控制模式切换

LCC-VSC混合直流输电系统解锁后LCC控制直流电流，VSC控制直流电压；根据运行方式的需要，在VSC侧由手动下发控制模式切换指令，可将VSC切换为定功率控制模式，在此过程中VSC将以切换前的功率实测值做为新的功率参考值；LCC通过站间通信检测到VSC控制模式发生变化，则自动接管直流电压控制；反之，当VSC切换为定电压控制时，LCC自动切换为定电流控制。

VSC切换为有功控制模式过程中直流电压、直流电流、直流功率、LCC电流电压控制器切换等如图4所示。

图4 VSC切换为有功控制LCC、VSC波形

VSC切换为直流电压控制模式过程中直流电压、直流电流、直流功率、LCC电流电压控制器切换等如图4所示。

图5 VSC切换为直流电压控制LCC、VSC波形

3.3 LCC-VSC混合运行方式闭锁停运策略

在LCC-VSC两端混合运行方式下，正常的闭锁顺序为LCC定电流控制模式下降直流功率，直流电流低于0.12p.u.后移相闭锁，LCC移相过程为：以3.5°/ms的速率将点火角移到120°，检测到直流电流为0时继续将点火角移到160°后闭锁。

VSC只有在检测到LCC闭锁后，允许进行相应的闭锁操作。

LCC、VSC闭锁操作如图6、图7所示。

图6 LCC闭锁时LCC、VSC波形

4 结论

通过RTDS建模并进行仿真试验，对LCC-VSC两端混合直流输电系统的基本控制策略进行了仿真和验证，并得出以下试验结论：

图7 VSC闭锁时LCC、VSC波形

1）两端混合运行方式下的起停策略经过仿真验证是可行的，起动策略为VSC定电压首先解锁，LCC定电流后解锁；闭锁策略为LCC定电流降功率先闭锁，VSC后闭锁。

2）在两端混合运行模式下，VSC控制模式（有功功率/直流电压）进行手动切换，LCC能够自动接管直流电压控制，切换过程系统运行稳定。

基于RTDS仿真结果，所提出的基本控制策略是可行的，在混合系统的起停和电压切换控制过程中直流系统运行稳定；LCC-VSC混合直流输电系统结合了两种换流器的优势，构成一种具有广泛应用前景的混合拓扑结构，鉴于LCC-VSC新型混合直流输电系统还未有工程化应用，RTDS仿真与实际工程工况存在一定的差异，因此在实际工程中闭环控制器的参数需根据工程系统参数进一步优化，仿真研究的结果为以后的工程化应用提供了参考和借鉴价值。

[1] 林呈辉, 刘宝诚, 张海涛, 等. 一种适用于远距离输电的柔性直流输电系统[J]. 电气技术, 2014, 15(9): 58-62.

[2] 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.

[3] 徐政, 唐庚, 黄弘扬, 等. 消解多直流馈入问题的两种新技术[J]. 南方电网技术, 2013, 7(1): 6-14.

[4] 罗磊, 盛琰, 王清坚, 等. 特高压直流输电系统顺序控制的研究[J]. 电力系统保护与控制, 2011, 39(23): 30-33, 38.

[5] 李兴源, 赵睿, 刘天琪, 等. 传统高压直流输电系统稳定性分析和控制综述[J]. 电工技术学报, 2013, 28(10): 288-300.

[6] 徐政, 陈海荣. 电压源换流器型直流输电技术综述[J]. 高电压技术, 2007, 33(1): 1-10.

[7] 徐殿国, 刘瑜超, 武健. 多端直流输电系统控制研究综述[J]. 电工技术学报, 2015, 30(17): 1-12.

[8] 刘会勇. 多端柔性直流输电系统主接线方案的应用分析[J]. 电气技术, 2014, 15(5): 72-76.

[9] 赵成勇, 刘文静, 郭春义, 等. 一种适用于风电场送出的混合型高压直流输电系统拓扑[J]. 电力系统自动化, 2013, 37(15): 146-151.

[10] 汤广福. 基于电压源换流器的高压直流输电技术[M]. 北京: 中国电力出版社, 2010.

[11] 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, 前插2.

[12] 唐庚, 徐政, 薛英林. LCC-MMC混合高压直流输电系统[J]. 电工技术学报, 2013, 28(10): 301-310.

[13] 雷霄, 王华伟, 曾南超, 等. LCC与VSC混联型多端高压直流输电系统运行特性的仿真研究[J]. 电工电能新技术, 2013, 32(2): 48-52.

[14] 薛英林, 徐政, 潘武略, 等. 电流源型混合直流输电系统建模与仿真[J]. 电力系统自动化, 2012, 36(9): 98-103.

[15] 管敏渊, 徐政. 向无源网络供电的MMC型直流输电系统建模与控制[J]. 电工技术学报, 2013, 28(2): 255-263.

[16] 管敏渊, 徐政. 模块化多电平换流器型直流输电的建模与控制[J]. 电力系统自动化, 2010, 34(19): 64-68.

[17] 李剑波, 刘黎, 苗晓君, 等. 舟山多端柔直换流站起停顺序分析研究及改进[J]. 电气技术, 2015, 16(8): 88-91, 94.

[18] 楚遵方, 李耀华, 王平, 等. 柔性直流输电系统中模块化多电平变流器的直流侧充电策略分析[J]. 电工技术学报, 2015, 30(12): 136-142.

[19] 梁海峰, 王鹏, 李光凯, 等. VSC-HVDC系统启动过程控制及仿真[J]. 华北电力大学学报, 2006, 33(2): 79-82.

[20] 张静, 徐政, 陈海荣. VSC-HVDC系统启动控制[J]. 电工技术学报, 2009, 24(9): 159-165.

[21] 郭春义, 赵成勇, Montanari A, 等. 混合双极高压直流输电系统的特性研究[J]. 中国电机工程学报, 2012, 32(10): 98-104.

[22] 郭小江, 马世英, 申洪, 等. 大规模风电直流外送方案与系统稳定控制策略[J]. 电力系统自动化, 2012, 36(15): 107-115.

Research and Simulation for the Basic Control Strategy of LCC-VSC Two-terminal Hybrid HVDC System

Cao Litan1Jia Xuantao1Gao Shilong2Yu Hai2Xie Sihan1

(1. Maintenance Company of State Grid Zhejiang Electric Power Company, Hangzhou 310018; 2. XJ Electric Co., Ltd, Xuchang, He’nan 461000)

In order to research the basic control strategy of LCC-VSC hybrid HVDC system, based on the simulation of real-time digital simulator (RTDS), a simulation model of two-terminal hybrid HVDC is established and interfced with a real control hardware system, the simulation model consists of one LCC terminal and one VSC terminal. The start control logic, stop control logic and switch-over of voltage controller’s terminal are studied and analyzed. The research results provide reference value for the real project application.

hybrid HVDC; LCC; VSC; start-up strategy; block strategy; online-switching; simulation

曹力潭（1985-），男，本科，研究方向为特高压换流站设备运维 检修。