一种典型混联直流输电系统的运行特性分析

徐 鹏， 赵成勇， 曹雅榕

(1. 国网江苏省电力有限公司检修分公司，江苏 南京 211102；2. 新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学)，北京 102206；3. 国网南京供电公司，江苏 南京 210012)

0 引言

电网换相高压直流输电(line commutated converter based high voltage direct current，LCC-HVDC)具有输送容量大、距离远、可实现非同步联网等优点，在电网中发挥着十分重要的作用[1-5]。20世纪90年代后，以全控型器件为基础的电压源换流器高压直流输电(voltage source converter based high voltage direct current，VSC-HVDC)凭借其电流自关断能力良好、可向无源系统供电等优点[6-8]，在电力系统中得到了广泛应用，成为直流电网的重要组成部分[9-10]。

混合型高压直流输电(hybrid-HVDC)能够实现LCC-HVDC与VSC-HVDC之间的优势互补，成为目前的研究热点[11-14]。文献[15]提出一种整流侧采用LCC结构，逆变侧采用VSC结构的混合型输电拓扑。文献[16]研究了整流侧为VSC结构，逆变侧为LCC结构的混合直流输电系统工作原理，提出抑制LCC结构发生换相失败的控制策略。文献[17]针对一种正极为LCC结构、负极为VSC结构的混合双极系统展开研究，并提出了极间协调控制策略。文献[18]建立了一种混联直流输电系统的通用模型，探讨了该模型的多种运行方式及相应的适用范围。

上述文献提出的创新性论点，为混合直流输电的发展提供了宝贵的参考意见。由于目前已投运的工程大部分采用晶闸管换流阀进行换流，而以全控型器件为基础的电压源型换流器高压直流输电近几年快速发展，在此基础上建设的直流电网必然会涉及到LCC与VSC结构的混联问题[19-21]。本文针对一种整流侧采用模块化多电平换流器(modular multilevel converter，MMC)、逆变侧采用LCC换流器的四端双极混联式直流电网模型展开研究，该模型可模拟风电场经VSC换流站并联后向远方LCC换流站送电的情况。我国西部和沿海地区风力资源丰富，在实现大规模远距离风电输送时，VSC换流器可以控制风电场侧交流电压，克服了LCC换流器连接风电场时须外加换相电压的缺点。当受端电网较强时，该模型优势更加明显。

1 建立模型

建立如图1所示的四端双极式混联式直流电网模型。该模型包括两回直流输电线路，线路1连接交流系统S1和S3，线路2连接交流系统S2和S4，其中交流系统采用理想电压源加等值阻抗模型。线路1和线路2的两端分别由MMC换流器和LCC换流器组成，其中MMC换流器每个桥臂采用10个子模块，可输出11电平电压波形，LCC换流器采用2个6脉动换流器串联。每端换流器由2个同种类型的换流器组成双极结构，并通过直流线路连接。其中线路1的额定直流电压为±500 kV，额定直流电流为1.2 kA，系统正常运行时额定输送功率为1200 MW；线路2的额定直流电压为±500 kV，额定直流电流为3.0 kA，系统正常运行时额定输送功率为3000 MW。

稳态时，线路1整流侧MMC采用定有功功率控制，定功率 1200 MW，逆变侧LCC采用附加低压限流环节的定直流电流控制[1]，定电流1.2 kA；线路2整流侧MMC采用定直流电压控制，定直流电压±500 kV，逆变侧LCC采用附加低压限流环节的定直流电流控制，定电流3.0 kA。模型主要运行参数如表1、表2所示。

图1 整流侧为MMC、逆变侧为LCC的四端混联直流电网Fig.1 Four-terminal hybrid DC grid with MMC rectifier and LCC inverter

整流侧逆变侧参数数值参数数值交流系统电压/kV247.58交流系统电压/kV215.05交流系统等值阻抗/Ω8.48∠75°交流系统等值阻抗/Ω17.66∠75°子模块电容值/μF500单个换流器无功补偿容量/Mvar375桥臂电阻值/Ω2直流线路阻抗/Ω3.388 1+j3.863 1桥臂电感值/H0.09平波电抗/H0.596 8单个换流变容量/ (MV·A)700单个换流变容量/ (MV·A)355.07

表2 线路2模型主要参数Tab.2 Main model parameter of line 2

整流侧MMC的传输有功功率主要由交流电压基频分量U与换流器交流侧输出电压基频分量Uc的移相角度δ决定，无功功率主要由交流侧输出电压的基波幅值决定，如式(1—4)所示。

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：PS1，PS2，QS1，QS2分别为线路1和线路2上MMC的有功和无功功率；U1，U2为整流侧交流系统电压基频分量；Uc1，Uc2为线路1和线路2上MMC交流侧输出电压基频分量；X1，X2分别为线路1和线路2上整流侧换流变压器和换流电抗器的等值电抗；δ1，δ2为移相角度。

采用SPWM调制方式时，整流侧直流电压如式(5—6)所示：

(5)

(6)

式中：Ud1和Ud2分别为线路1和线路2的近MMC侧直流电压幅值；M1和M2为调制比。

逆变侧LCC的可控量只有触发延迟角α，其直流电压如式(7—8)所示：

(7)

(8)

式中：Ud3，Ud4分别为线路1和线路2上近LCC侧的直流电压；U3，U4分别为逆变侧交流系统电压基频分量；Xr3，Xr4分别为LCC换流站等值换相电抗；β3，β4分别为逆变侧换流器超前触发角(β=π-α)；Idc3和Idc4分别为线路1和线路2上的直流电流。

逆变侧换相角μ如式(9—10)所示：

(9)

(10)

式中：μ3和μ4为逆变侧LCC换流站的换相角；γ3和γ4为关断角(γ=β-μ)。

2 控制策略

2.1 LCC控制

LCC的控制系统一般分为主控制、极控制和阀控制3级。在两端LCC直流输电的极控制中，整流侧一般采用带有最小触发角限制的定电流控制，逆变侧一般配备有定电压控制、定电流控制和定关断角控制器。除了上述控制之外，系统中还配置了一些其他控制，比如低压限流和电流偏差等。下面简述PSCAD仿真软件中CIGRE标准测试模型的控制方式：整流侧定直流电流控制并配备最小触发角控制；逆变侧定关断角控制并配备定直流电流控制。此外，还配备有低电压限流控制(voltage dependent current order limiter, VDCOL)，电流偏差控制(current error controller, CEC)。LCC的控制原理如图2所示。

图2 LCC的控制原理Fig.2 The control principle of LCC

2.2 VSC控制

VSC系统控制结构按功能从高到低依次可分为系统控制、换流站控制和换流器阀控制3级，其中系统级基本控制方式主要有3种：(1) 定直流电压控制，用以控制直流母线电压；(2) 定直流电流(或有功功率)控制，用以控制直流电流(或有功功率)；(3) 定交流电压(或无功功率)控制，用以控制交流母线电压(或无功功率)。以上3种控制方式均适用于直流系统与有源交流网络相连的情况；当交流系统是无源网络时，只能采用定交流电压控制。VSC的控制原理如图3所示。

图3 VSC的控制原理Fig.3 The control principle of VSC

2.3 启动控制

MMC换流站闭锁触发脉冲，由交流系统经限流电阻通过不控整流的方式给子模块电容充电，直流侧电压逐步升高；同时LCC解锁运行，在定直流电流控制器的作用下β从初始值90°开始减小，逐步建立直流电压，直流电流跟踪低压限流环节控制指令。

MMC换流站切除限流电阻，交流系统继续为子模块电容充电，直流电压进一步升高；随着MMC直流电压进一步升高，LCC低压限流环节的电流整定值升高，LCC换流站β角度继续减小，直流电流继续跟踪低压限流控制。

MMC换流站解锁运行，在定直流电压控制器的作用下直流电压逐渐升高至额定值；LCC换流站β角度继续减小，直流电压继续上升，在定直流电流控制器的作用下直流电流到达额定值。至此，单条线路进入额定运行状态。

闭合两条线路之间的断路器BRK1和BRK2，同时将线路1中MMC换流站的控制方式改为定有功功率控制；LCC的控制方式不变。至此，混联系统的启动过程完成。

3 运行特性分析

3.1 启动过程

该混合直流输电系统的启动过程如图4所示。由于线路正负极换流器的运行特性基本相似，在仿真的过程中只分析了线路1正极MMC换流站、线路2负极MMC换流站，其余MMC换流站特性与之类似。

图4 启动过程仿真结果Fig.4 The simulation result of starting process

图4(a)为MCC直流电压的上升过程，图4(b)为线路1正极LCC的运行特性。由图可知，在启动中，LCC交流母线电压逐渐上升至额定值1.0 p.u.，0.15 s前为MMC带限流电阻的不控整流充电阶段，LCC换流器的超前触发角β从90°开始减小，直流电压上升，直流电流上升至0.6 p.u.左右。0.15～0.25 s为MMC不带限流电阻的不控整流充电阶段，LCC的β角继续减小，直流电压和电流继续增大。0.25 s之后MMC解锁运行，直流电压逐渐上升到额定值500 kV，LCC的直流电压、直流电流也相应过渡到额定值1.0 p.u.。图4(c—d)为线路1正极MMC有功功率和线路2负极MMC有功功率，在充电阶段，MMC有功功率逐渐减小，直至0.25 s MMC解锁时刻，MMC有功功率在波动后逐渐向稳态过渡。其中0.5 s时的有功功率和无功功率较大波动是BRK1、BRK2动作造成的。0.6 s以后，系统基本进入额定运行状态，稳态运行情况良好。

3.2 暂态运行特性

为了研究该系统的运行特性，下面基于3个算例进行相应的仿真分析。

3.2.1 线路1 MMC交流系统经大电感接地

线路1 MMC侧交流系统发生三相电感性接地故障，输送功率下降，由于接地电感较大，功率下降幅度较小，线路1的有功功率缺额由线路2补偿，控制策略同正常运行控制策略。

1.0 s时刻，系统达到稳态，线路1 MMC侧交流系统发生三相感性接地故障，接地电感值为0.08 H，仿真结果如图5所示。

图5 算例1仿真结果Fig.5 The simulation result of example 1

1.0 s时刻，交流电压下降，限制了有功功率的输出，由图5(d)，线路1正极MMC换流站输出有功功率由600 MW降为520 MW。由于线路2的MMC采用定直流电压控制，由图5(f)，线路2的正极MMC输出功率由1580 MW增加到1660 MW，即线路2补偿了线路1的功率缺额，由图5(c)可知系统直流电压维持在500 kV。LCC侧基本没有受到故障影响，直流电压、直流电流均保持在额定值。

3.2.2 线路1 MMC交流系统经小电感接地

线路1 MMC侧交流系统发生三相电感性接地故障，输送功率下降，由于接地电感较小，功率下降幅度较大，线路1的有功功率缺额无法由线路2完全补偿，上层控制减小线路1受端LCC的直流电流整定值。

1.0 s时刻，系统达到稳态，线路1 MMC侧交流系统发生三相感性接地故障，接地电感值为0.01 H，仿真结果如图6所示。

图6 算例2仿真结果Fig.6 The simulation result of example 2

1.0 s时刻，交流电压下降，限制了有功功率的输出。由图6(e)，线路1正极换流站输出有功功率由600 MW降低为190 MW，由于线路2 MMC侧采用定直流电压控制，由图6(g)，线路2的正极MMC输出功率由1580 MW增加到1680 MW，达到电流极限。由于线路1的有功功率缺额过大，线路2 MMC即使达到输出极限也无法完全补偿其功率缺额，造成了有功功率不平衡，进而引起直流电压下降。此时，上层控制根据2条线路MMC侧能够提供的最大有功功率，调整线路1逆变侧LCC的直流电流整定值，维持系统有功功率平衡。由图6(b)，直流电压先由于有功功率不足而有所下降，在上层控制将线路1逆变侧LCC直流电流整定值调节至0.4 p.u.后，功率恢复平衡，在线路2 MMC换流器定直流电压控制的作用下，系统直流电压逐渐恢复到额定值500 kV。由图6(c)，线路1逆变侧LCC直流电流最终稳定在0.4 p.u.。由图6(b)、6(d)，线路2的LCC运行相对稳定。

3.2.3 线路2 MMC交流系统经小电感接地

线路2 MMC侧交流系统发生三相电感性接地故障，输送功率下降，由于接地电感较小，功率下降幅度较大，线路2的有功功率缺额无法由线路1完全补偿，上层控制将线路1中MMC换流站的定有功功率控制切换为定电压控制，将线路2中MMC换流站的定直流电压控制切换为定有功功率控制，同时减小线路2受端LCC的直流电流整定值。

1.0 s时刻，系统达到稳态，线路2 MMC侧交流系统发生三相感性接地故障，接地电感值为0.01 H，仿真结果如图7所示。

图7 算例3仿真结果Fig.7 The simulation result of example 3

1.0 s时刻，交流电压下降，限制了有功功率的输出。由图7(g)，线路2正极换流站输出有功功率由1580 MW降低为880 MW，且电流到达了极限，失去直流电压的调节功能。此时上层控制将线路2中MMC的定直流电压控制切换为定有功功率控制，该有功功率整定值略小于故障情况下MMC能输出的有功功率极限，同时将线路1中MMC的定有功功率控制切换为定直流电压控制。由图7(e)，线路1的正极MMC输出功率由600 MW增加到670 MW，达到了电流运行极限，但由于线路2的有功功率缺额过大，线路1 MMC即使达到输出极限也无法完全补偿功率缺额，造成了功率不平衡，进而引起了直流电压的下降。此时，上层控制根据2条线路MMC侧能够提供的最大有功功率，调整线路2逆变侧LCC的直流电流整定值，保持系统有功功率平衡。由图7(d)，直流电压先由于有功功率不足而有所下降，在上层控制将线路2逆变侧LCC直流电流整定值调节至0.55 p.u.后，功率恢复平衡，在线路1 MMC换流器定直流电压控制器的作用下，系统直流电压逐渐恢复到额定值500 kV。由图7(b)、7(d)知，线路2的LCC运行相对稳定。

4 结语

混合高压直流输电能够综合利用电网换相高压直流输电和电压源换流器高压直流输电的优点，实现二者的优势互补。本文建立了一种整流侧采用模块化多电平换流器，逆变侧采用晶闸管换流器的四端双极混联式直流电网系统，该系统可以平稳启动，稳态运行情况良好，且在3种不同程度的故障后暂态过程中实现系统的平稳过渡。由于混联直流输电系统有着不同的适用场合，因此存在多种运行方式，接下来将针对其他方式下的运行特性继续展开研究。