混合直流异步联网系统建模与仿真分析

段锐敏，闫 涵，文 俊，崔康生，李 蓉

(1．云南电网有限责任公司电力科学研究院，云南 昆明 650217；2.华北电力大学电气与电子工程学院，北京 昌平 102206)

混合直流异步联网系统建模与仿真分析

段锐敏1，闫 涵2，文 俊2，崔康生2，李 蓉2

(1．云南电网有限责任公司电力科学研究院，云南 昆明 650217；2.华北电力大学电气与电子工程学院，北京 昌平 102206)

2016年南方电网建成投运了世界首个并联混合直流输电工程——鲁西背靠背直流工程，为了分析其稳态运行及故障恢复特性，基于PSCAD/EMTDC仿真平台，搭建了包含常规直流单元和柔性直流单元的混合直流异步联网系统仿真模型。依托鲁西背靠背工程，分别建立常规直流单元和柔性直流单元的主回路和控制系统模型，并联形成混合直流异步联网系统并对所搭建模型系统的稳态运行特性进行了仿真分析，研究了暂态情况下柔性直流单元对常规直流单元故障恢复的影响。研究结果表明：混合直流异步联网系统额定工况下运行波形稳定，参数符合工程实际，稳态性能符合要求；当逆变侧发生交流系统故障时将引起常规直流单元逆变器出现换相失败现象；柔性直流单元能够起到动态无功补偿的作用，有助于常规直流单元的故障恢复。

混合直流异步联网；常规直流单元；柔性直流单元；背靠背；建模

0 引言

南方电网具有“交直流并列运行、强直弱交、远距离大容量输电、多回直流集中馈入”的特征，存在着复杂的安全稳定问题[1]。因此，通过鲁西背靠背直流工程实现云南电网与南方电网异步联网，不仅可优化电网结构，消除直流故障时功角失稳风险，还可将快速功角稳定问题转化为送端的频率稳定和受端的电压稳定问题，降低南方电网大面积停电的危险[2]。然而，混合直流异步联网系统的受端广西电网网架结构较为薄弱，强度较低，导致了常规直流系统抵御故障的能力较弱，易发生换相失败，电压稳定问题突出[3]。因此，研究混合直流异步联网系统控制策略，分析其稳态及暂态运行特性对其稳定运行的影响具有十分重要的意义。

本文基于PSCAD/EMTDC仿真平台，以鲁西背靠背直流工程为背景，建立混合直流异步联网系统仿真模型。该模型分为基于电网换相换流器的高压直流输电系统(以下简称“常规直流单元”)和基于电压源换流器的高压直流输电系统(以下简称“柔性直流单元”)2个部分。其中常规直流单元换流器的控制系统模型为直流工程的控制系统，柔性直流单元换流器为模块化多电平换流器(modular multilevel converter，MMC)，其控制系统采用内环定电流、外环定直流电压/定有功结合定交流电压/定无功的控制方式。最后，对所搭建的混合直流异步联网系统的稳态特性及暂态特性进行仿真分析。仿真结果表明本文所建仿真系统准确有效，柔性直流单元对常规直流单元的故障恢复特性具有改善作用。

1 鲁西背靠背直流工程简介

鲁西背靠背直流工程包含1 000 MW常规直流和1 000 MW柔性直流单元2部分。其中，常规直流单元云南侧与广西侧均采用1个12脉动换流器，在广西侧12脉动换流器中点(2个6脉动换流器6p之间)接地；由于背靠背直流系统发生直流故障的概率极低，因此柔性直流单元采用不具备直流侧故障自清除能力的半桥子模块级联组成的MMC。鲁西背靠背直流工程结构如图1所示，其额定参数见表1。

比较项目技术参数额定值常规直流单元额定直流功率/MW1000额定直流电压/kV±160额定直流电流/kA3．125换流变压器额定变比/kV525/135．2/135．2平波电抗器/mH150柔性直流单元额定直流功率/MW1000额定直流电压/kV±350额定直流电流/kA1．429联接变压器额定变比/kV525/375

2 常规直流单元建模

2.1 常规直流单元系统模型

常规直流单元包含12脉动换流器、换流变压器T1、平波电抗器Ld和交流滤波器等设备[4]，模型中分别采用PSCAD/EMTDC提供的换流阀模型、三相三绕组变压器元件、线性电抗器以及由电容器和电抗器组合成的交流滤波器模型予以等效[5]。

2.2 常规直流单元控制系统

常规直流单元控制系统一般采用分层结构，分为系统控制，极控制和阀组控制[5]。系统控制通过运算直流输电功率向极控制发送直流电流指令，极控制经过控制和运算发送触发角指令给各个阀组控制单元，如图2所示。

在极控制中，整流侧配有带最小触发角αmin限制的定电流控制；逆变侧配有定电压控制、定电流控制和最大触发角AMAX控制[6]。其中定电流控制器的电流整定值来自低压限流VDCOL控制。

常规直流单元控制系统的基本控制特性如图3所示，图中粗线和细线分别表示整流侧和逆变侧的控制特性。αmin限定了整流器最小触发角为5°；αmin限制的作用是防止逆变器进入整流状态[7]。整流站控制直流电流而逆变站控制直流电压从而保证了高压直流输电系统的功率近似恒定。AMAX控制有利于高压直流输电系统的稳定运行。

图2 常规直流单元控制系统框图Fig.2 Block diagram of LCC-HVDC control system

3 柔性直流单元建模

3.1 柔性直流单元系统模型

MMC每个桥臂上的子模块数分别为155或219，如此巨大的子模块数量，如果采用基于绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor, IGBT)和RLC元件详细的半桥电路，仿真规模将变得异常巨大，超出计算机的计算能力。因此，PSCAD/EMTDC提供了等效的MMC桥臂元件[8]。本模型采用MMC桥臂元件直接等效换流器中的每个桥臂。

3.2 柔性直流单元控制系统

图3 常规直流单元基本控制特性Fig.3 Basic control performances of LCC-HVDC

MMC采用内环定电流、外环定直流电压/定有功结合定交流电压/定无功的控制方式[9]。为了抑制环流，由电流内环得到的电压调制波还需叠加由环流控制输出的补偿波形。调制方式采用最近电平逼近调制。最近电平逼近调制的开关频率低，动态性能好，且实现简单，在高压直流输电这种电平数较多的场合具有明显的优势[10]。以下详细介绍柔性直流单元的内环定电流控制及外环控制。

3.2.1 MMC内环电流控制

MMC拓扑结构如图4所示。由MMC的拓扑结构结合基尔霍夫电压和电流定律推导MMC内环电流控制的数学模型。

图4 MMC拓扑结构示意图Fig.4 Topology structure diagram of MMC-HVDC

根据图4，对k(k=a，b，c)相相单元中的上、下桥臂分别应用基尔霍夫电压定律，可以得到

(1)

式中：R0表示桥臂等效内阻；ekp、ekn分别表示上下桥臂的等效电动势。

k相上、下桥臂的电流分别为

(2)

(3)

式中ek为k相单元的交流电动势。

式(3)即为MMC的控制系统数学模型[11]，描述了相单元的可控电动势ek与该相交流侧电压电流的关系。对式(3)施以派克变换和拉普拉斯变换，得

(4)

式中：id、iq为被控变量；ed、eq为控制变量；ud、uq为扰动变量。工频下，以上变量均为非时变变量，可以通过比例-积分(PI)环节进行无差跟踪以实现MMC的电流内环控制[12]。图5是按照上述数学模型搭建的MMC内环控制仿真模型。

图5 MMC内环控制仿真模型Fig.5 Internal loop controller simulation model of MMC-HVDC

3.2.2 MMC外环控制

内环电流控制通过坐标变换，将交流电源的频率特性和电压特性分解到dq轴下，并通过前馈环节实现了控制律在dq轴上的解耦[13]。内环电流控制向外环提供了id、iq这2个独立的被控变量，可以分别用于有功功率/直流电压和无功功率/交流电压的控制[14]。模型中采用id控制MMC的有功功率和直流电压，使用PI控制器实现整流侧定有功功率控制，逆变侧定直流电压控制。iq则用于MMC的无功功率控制，同样利用PI环节在两侧换流器分别实现定无功功率控制[15],图6为外环控制的仿真模型。

图6 MMC外环控制器仿真模型Fig.6 External loop controller simulation model of MMC-HVDC

图中，mode信号为指令信号，用于指定功率输送方向，由该信号可以确定MMC工作在整流状态还是逆变状态，从而决定对其采用定有功控制还是定直流电压控制。

4 混合直流输电系统运行特性分析

4.1 稳态特性分析

基于所建立的混合直流异步联网系统进行稳态特性分析。常规直流单元整流侧及逆变侧的直流电压Udr、Udi，直流电流Idr、Idi和触发角α或关断角γ，稳定运行仿真波形如图7所示；柔性直流单元两侧换流母线电压有效值Uac_R、Uac_I，换流器直流功率Pac_R、Pac_I，吸收无功Qv_R、Qv_I，稳定运行仿真波形如图8所示。表2为常规直流单元换流母线电压Uac、直流功率Pd、直流电压Ud、直流电流Id、触发角α或γ和柔性直流单元直流功率Pd、直流电压Ud、直流电流Id的仿真结果。

由图7、8和表2可以看出：混合直流异步联网系统在运行一定时间后直流电压电流、有功和无功、交流母线电压等电气量均达到额定值，波形稳定，运行参数符合预期，稳态性能满足要求，验证了本文所搭建的仿真模型的正确性。

4.2 暂态特性分析

图7 常规直流单元稳态运行曲线Fig.7 Steady-state operating curve of LCC-HVDC

常规直流单元换相失败故障十分常见，因此本文仅对逆变侧交流系统故障时混合直流异步联网系统的暂态特性进行分析。首先，分别研究柔性直流单元停运及投运的情况下，逆变侧单相接地故障时混合直流异步联网系统的暂态特性；其次，研究柔性直流单元对常规直流单元故障恢复特性的影响。

图8 柔性直流单元稳态运行曲线Fig.8 Steady-state operating curve of MMC-HVDC

比较项目运行参数整流站逆变站常规直流单元换流母线电压Uac/kV536．87527．59直流功率Pd/MW993．8直流电压Ud/kV±161．03直流电流Id/kA3．112α或γ/(°)15．4517．21柔性直流单元直流功率Pd/MW992．3直流电压Ud/kV±349．65直流电流Id/kA1．447

假设逆变侧换流母线A相接地，混合直流异步联网系统稳定运行至t=2.0 s故障发生，持续0.06 s后清除，该相电压降为0.85 pu。图9分别为柔性直流单元停运及投运时常规直流单元的直流电压Ud和直流电流Id仿真波形。

图9 逆变侧单相接地故障对常规直流单元的影响Fig.9 Influence of single phase grounding fault on LCC-HVDC in inverter

由图9可以看出：逆变侧发生单相接地故障时，无论柔性直流单元停运或投运，常规直流单元直流电压和电流分别出现骤降和骤增，逆变器均发生换相失败。然而柔性直流单元停运时，直流电压及电流在t=2.2 s时恢复正常；柔性直流单元投运时，恢复时间明显缩短，t=2.1 s时即基本恢复至正常水平，说明柔性直流单元有助于直流电压和电流的恢复。

为了更清晰地研究柔性直流单元对常规直流单元故障恢复特性的影响，需要对柔性直流单元停运及投运情况下的常规直流单元直流功率Pd的变化进行研究，如图10所示。

图10 柔性直流单元对常规直流单元故障恢复特性的影响Fig.10 Influence of MMC-HVDC on fault recovery characteristics of LCC-HVDC

由图10可见：柔性直流单元停运时，直流功率有较大下降，常规直流单元恢复较慢，t=2.23 s时直流功率从0 pu恢复至0.9 pu；当柔性直流单元投运时，直流功率下跌水平较停运时稍小，在t=2.20 s时直流功率恢复至相同的功率水平，由此可见柔性直流单元投运情况下常规直流单元的恢复特性更优。

综合上述研究可知，由于柔性直流单元优越的控制特性，在交流系统出现故障时可以起到静止无功发生器的作用，提高换流母线的电压支撑能力，向常规直流单元提供无功支援，有助于馈入弱交流系统的常规直流输电系统的故障恢复，减少换相失败对交流系统的冲击，提高交直流系统的暂态稳定性。

5 结论

本文基于PSCAD/EMTDC仿真平台，依托鲁西背靠背直流工程，分别建立了常规直流单元和柔性直流单元模型，将二者并联构成混合直流异步联网系统模型，并对模型的稳态及暂态特性进行了仿真分析，得出以下主要结论：

(1) 对混合直流异步联网系统进行稳态特性分析可以看出，系统额定工况下运行波形稳定，参数符合工程实际，稳态性能符合要求。证明了所搭建仿真模型的有效性。

(2) 根据暂态特性仿真结果，可以得出逆变侧交流系统故障将引起直流系统电压及电流的突变，常规直流单元逆变器将出现换相失败现象。

(3) 柔性直流单元可以起到动态无功补偿的作用，向常规直流单元提供无功支援，对馈入弱交流系统的常规直流输电系统故障恢复特性具有改善作用，提高了交直流系统的暂态稳定性。

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ModelingandSimulationAnalysisofHybridDCAsynchronousInterconnectionSystem

DUAN Ruimin1, YAN Han2, WEN Jun2, CUI Kangsheng2, LI Rong2

(1. Electric Power Research Institute, Yunnan Power Grid Co., Ltd., Kunming 650217,Yunnan Province, China; 2. School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University,Changing District, Beijing 102206, China)

In 2016, Southern Power Grid built the first hybrid HVDC project of the world—Luxi BTB (back-to-back) HVDC project. In order to analyze its steady state operation and fault recovery characteristics, this paper establishes a hybrid DC asynchronous interconnection system model including LCC-HVDC and VSC-HVDC in PSCAD/EMTDC simulation platform. Based on Luxi BTB HVDC project, we construct the main circuit and control system mode of LCC-HVDC and VSC-HVDC respectively, which form the hybrid DC asynchronous interconnection system in parallel to simulate and analyze the steady-state operation characteristics of the proposed model system. Then, we investigate the influence of MMC-HVDC on the fault recovery of LCC-HVDC under transient conditions. The results show that the operating waveform of the hybrid DC asynchronous interconnection system is stable under the rated conditions. The parameters and the steady-state performance meet the requirements of the project. When the AC system fault occurs on the inverter side, the commutation failure occurs in LCC-HVDC. MMC-HVDC can play the role on dynamic reactive compensation, which is helpful to restore the faults in LCC-HVDC.

hybrid DC asynchronous interconnection; LCC-HVDC; MMC-HVDC; back-to-back; modeling

TM 72

A

2096-2185(2017)06-0052-07

10.16513/j.cnki.10-1427/tk.2017.06.009

段锐敏

段锐敏(1987—)，女，硕士，主要从事电能质量分析与控制方面的研究工作；

闫 涵(1994—)，女，硕士研究生，研究方向为高压直流输电技术的控制，运行分析与规划，532405146@qq.com；

文 俊(1963—)，女，硕士，研究方向为高压直流输电技术的控制，运行分析与规划；

李 蓉(1991—)，女，硕士研究生，主要从事高压直流输电运行、控制及系统谐波；

崔康生(1992—)，男，硕士研究生，主要从事高压直流输电的运行分析与仿真。

2017-09-08

(编辑 蒋毅恒)