特高压混合直流输电系统整流侧交流故障控制策略

鲁 江，董云龙，卢 宇，张庆武，田 杰

（南京南瑞继保电气有限公司，江苏 南京211102）

0 引言

特高压直流输电（UHVDC）具有传输容量大、距离远、损耗低等优点，是实现能源优化配置的有效途径［1-4］。国内已投运的特高压直流输电工程普遍采用基于电网换相换流器（Line Commutated Converter，LCC）串联的方式，由于LCC固有的依赖交流电网换相的特性，多条直流馈入受端交流电网会带来多直流馈入问题，对交流电网的安全稳定运行构成较严重威胁［5-8］。

研究表明，通过在高压直流输电系统逆变站引入模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter，MMC），形成整流站LCC、逆变站MMC的混合直流输电系统（hybrid HVDC），可以逐步解决受端交流电网的多直流馈入问题［9-11］。

对于混合直流输电系统的技术方案，相关研究文献先后提出可在MMC 站采用基于半桥子模块（Half Bridge Sub-module，HBSM）的半桥MMC 加阻断二极管、基于全桥子模块（Full Bridge Sub-module，FBSM）的全桥MMC，以及基于全桥、半桥子模块的混合型MMC 等方案，其中混合型MMC 方案具备直流线路故障穿越、直流功率双向输送及大幅降压运行等能力，并可降低投资、减小损耗，具有良好的工程应用前景［12-20］。

对于LCC-MMC 混合直流输电系统，整流站LCC发生交流系统故障时会引起直流传输功率的快速下降，需研究必要的控制策略减少交流故障对功率传输的影响。文献［21］通过增大逆变站半桥MMC 调制比降低直流电压，来减小整流侧交流故障对直流传输功率的影响。文献［22］、文献［23］中逆变站采用全桥、半桥子模块混合型MMC，利用全桥子模块可输出负电平的特点，通过直流电压降压来维持整流侧交流故障时直流电流的稳定。

随着柔性直流输电技术的发展，单个MMC换流器的电压及容量已逐步接近LCC 的水平，通过换流器串联技术，整流站采用LCC 换流器串联、逆变站采用MMC 换流器串联的特高压混合直流输电系统已进入工程实施阶段［24-26］。对于特高压混合直流输电系统，由于逆变站引入了串联的MMC换流器，其运行控制特性与常规单换流器混合直流输电系统相比有较大差异，目前针对特高压混合直流输电系统交流故障的控制策略研究偏少。

本文首先结合特高压混合直流系统结构，阐述了其基本控制模式及整流站LCC交流故障引起的功率快速下降问题；然后，在分析混合型MMC 换流器串联控制特性的基础上，提出了基于直流调制度的交流故障控制策略，该策略通过在整流侧交流故障期间同步调整逆变站混合型MMC 高、低压换流器直流调制度，维持直流电流的稳定，减小直流传输功率下降幅度。最后，基于实际的特高压混合直流控制保护设备及RTDS实时数字仿真平台验证了所提控制策略的有效性。

1 特高压混合直流系统结构及控制模式

1.1 系统结构

本文以图1 所示±800 kV 双极特高压混合直流输电系统为研究对象，整流站每极由2 个十二脉动LCC换流器串联而成，逆变站每极由2个混合型MMC换流器串联而成，高、低压换流器通过独立的换流变压器连接至站内同一交流母线。

逆变站混合型MMC拓扑结构如图2所示，每个换流器由6 个桥臂构成，每个桥臂由若干个FBSMs、HBSMs 和一个桥臂电抗器串联而成，各桥臂中2 种子模块配置比例保持一致，其中HBSMs可输出正、零2种电平，FBSMs可输出正、负、零3种电平。

图1 ±800 kV双极特高压混合直流输电系统拓扑Fig.1 Topology structure of an±800 kV bipolar hybrid UHVDC transmission system

图2 混合型MMC换流器拓扑结构Fig.2 Topology structure of the hybrid MMC

1.2 基本控制模式

结合相关研究成果［21，27］，本文研究的特高压混合直流输电系统采用的基本控制模式为：整流站LCC 控制直流电流、逆变站MMC 控制直流电压，该控制模式可以充分发挥LCC快速调节直流电流、MMC快速稳定直流电压的优势。

与基本控制模式对应，整流站LCC和逆变站MMC的高、低压换流器分别配置如图3 和图4 所示的控制器。

图3 整流站LCC换流器控制器结构Fig.3 Structure of rectifier converter controller

整流站LCC 各换流器配置定直流电流控制、直流电压裕度控制及最小触发角限制；逆变站MMC各换流器配置内外环控制，外环为直流电压环及无功功率环，内环为直接电流解耦控制。

1.3 整流侧交流故障控制模式

对于整流站LCC，其出口的本极直流电压Udc1可表示为：

式（1）中，N 为本极六脉动换流器个数，双十二脉动换流器运行时取4；Ul为换流变阀侧空载线电压有效值；α为LCC触发角；Rc为等效换相电阻；Idc为直流电流。

对于逆变站MMC，在高、低压换流器均压良好的情况下，其出口的本极直流电压Udc2可表示为：

式

（2）中，UdV为混合型MMC换流器直流电压。直流电流可表示为：

式（3）中，Rdc为直流回路电阻。

由式（1）～式（3）可见，由于整流站LCC 存在最小触发角限制（一般设定为5°），当整流侧发生交流故障，Ul下降引起LCC 进入最小触发角状态后，LCC 将失去直流电流控制能力，Udc1将随着Ul的降低而下降，如果逆变站Udc2维持不变，直流电流将随着Udc1的下降而减小，在严重交流故障下，直流电流可降至0。在此故障状态下，特高压混合直流系统的直流电压由整流站LCC决定，逆变站MMC需接管直流电流控制以维持直流功率传输。

2 基于直流调制度的交流故障控制策略

2.1 混合型MMC换流器串联控制特性分析

对图1所示特高压混合直流输电系统，维持高、低压换流器直流电压的均衡才能保持直流系统稳定运行。整流站LCC 换流器的控制量为触发角，采用触发角跟随策略可实现高、低压换流器的串联均压［28］；但逆变站MMC 的控制量为各桥臂参考电压，其无法在高、低压换流器间进行跟随，需要结合混合型MMC 的控制特性研究相应的串联均压控制策略。

对于混合型MMC，以A 相为例进行分析，不考虑环流影响并忽略电流在桥臂电感上的压降时，A 相的上、下桥臂电压upa、una可表示为［29］：

式（4）中，uao为A相交流电压。

根据混合型MMC的子模块连接特征，假设各工作子模块电容电压相同，A相的上、下桥臂电压也可以表示为：

式（5）中，Npa、Nna分别为A 相上、下桥臂投入的子模块个数；Uc为子模块电容电压平均值。

由式（4）、式（5）可得：

可见，在子模块电容电压维持稳定的情况下，混合型MMC换流器直流电压由各相上、下桥臂投入子模块的等效总电平数确定。

对于混合型MMC，全桥子模块的负电平输出能力使其具有过调制能力，可以直流降压运行，定义直流调制度为：

式（7）中，UdVN为混合型MMC换流器额定直流电压。

当mdV=1时，MMC按额定直流电压运行；当0＜mdV＜1时，MMC降直流电压运行。

引入直流调制度后，A 相的上、下桥臂电压可表示为：

在设定直流调制度mdV为控制目标后，直流电压目标值即为mdVUdVN，A相上、下桥臂需投入的子模块个数可按式（9）计算得出：

式（9）中，UCN为子模块电容电压额定值。

由式（6）、式（9）可得：

将图4 中直流电压外环参考值UdV-ref调整为mdVUdVN，由于直流电压外环的闭环控制特性，混合型MMC 通过实时调整有功输出可以使换流器直流电压跟踪于参考值，由式（10）可见，通过这种方式可以保持子模块电容电压平均值稳定在额定值水平。

图5 混合型MMC高、低压换流器有功传递示意图Fig.5 Diagram of hybrid MMC high and low voltage converter active power transfer

图5为逆变站MMC高、低压换流器有功传递示意图，PdV为直流系统注入逆变站MMC 换流器的直流侧有功，Ps为MMC 换流器注入交流系统的交流侧有功，忽略损耗，为保持换流器直流电压稳定，高、低压换流器均需满足如下表达式：

对采用定直流电压控制的逆变站MMC换流器，可以有如下两个表达式［30］：

式（13）中，usd为MMC换流器交流网侧电压d轴分量；isd为换流器交流网侧电流d轴分量；G（s）为换流器内环传递函数；kp1、ki1分别为换流器直流电压外环的比例和积分参数。

将式（12）、式（13）代入式（11）得：

由于逆变站MMC高、低压换流器通过独立的换流变压器连接于同一交流母线，高、低压换流器的交流网侧usd相同，同时串联连接的高、低压换流器流过相同的直流电流Idc，由式（14）可见，为逆变站MMC高、低压换流器独立配置参数一致的直流电压外环和电流内环控制器并保持直流调制度mdV的同步变化，可实现高、低压换流器的串联均压。

2.2 适应整流侧交流故障的换流器控制器设计

为满足图1所示特高压混合直流输电系统在正常运行及整流侧交流故障下的不同控制需求，为逆变站MMC 换流器设计了图6所示的改进后控制器，除内外环控制器和桥臂电压控制单元，还包含直流调制度分配单元、直流电流裕度控制器及直流调制度同步单元；整流站LCC换流器仍采用图3所示控制器。

图6中的直流调制度分配单元依据逆变站出口的本极直流电压参考值Udc2-ref和实际运行换流器数量NV计算得到本换流器直流调制度为Udc2-ref/NVUdVN，在正常运行下，将该计算结果做为本换流器的直流调制度控制目标。

为实现整流站LCC 交流故障下逆变站MMC 对直流电流控制的接管，MMC 高、低压换流器均独立配置图6 中所示的直流电流裕度控制器，该控制器将来自整流站的直流电流指令值Idc-ord减去电流裕度ΔI（一般可取为0.1p.u.）后与直流电流实际值Idc进行闭环计算，得到逆变站控制直流电流所需的直流调制度；同时，为保证电流裕度范围内电流控制的稳定性，配置了直流电流偏差环节K*（Idc-ord-Idc），其根据直流电流偏差量产生正斜率的直流调制度下降量Δm，并将直流电流裕度控制器的输出上限限定为Udc2-ref/NVUdVN-Δm。

采用上述设计后，正常运行及整流侧交流故障下逆变站MMC换流器的直流调制度可以平滑转换，具体如表1所示。

表1中，kp2、ki2分别为直流电流裕度控制器的比例和积分参数。

通过上述方法得出的本换流器直流调制度被送入直流电压外环及桥臂电压控制单元，桥臂电压控制单元采用内环控制输出的交流参考电压Ujo-ref及直流调制度mdV计算产生各桥臂参考电压，完成对本换流器的控制。

图6 改进后逆变站MMC换流器控制器结构Fig.6 Structure of improved inverter converter controller

表1 混合型MMC高、低压换流器直流调制度值Table 1 Values of hybrid MMC high and low voltage converter DC modulation degree

考虑到逆变站高、低压换流器电流采样及控制运算会存在细微差异，为保证不同运行状态下逆变站均能维持高、低压换流器直流电压的均衡，配置了直流调制度同步单元，其选定一个换流器作为主控换流器，另一非主控换流器的直流调制度自动跟随主控换流器。

另外，为保证正常运行及交流故障下混合型MMC换流器全桥、半桥子模块电容电压的均衡，需采取必要的均压控制策略。经研究，采用如图7 所示的基于全桥、半桥子模块电容电压统一排序均压控制策略可以取得良好的均压效果。

为简化子模块投切策略，规定桥臂内不允许同时存在正投入模块和负投入模块。当桥臂输出电平数为正值时，全桥及半桥子模块均可参与正投入，具体投入的子模块依据统一排序结果确定；当桥臂输出电平数为负值时，只有全桥子模块参与负投入。

4 仿真验证

为验证本文所提出的特高压混合直流输电系统整流侧交流故障控制策略的有效性，在基于实际控制保护设备及RTDS仿真器的实时仿真平台上开展整流侧交流故障试验来进行验证，一次系统结构如图1所示，直流系统额定直流电压为±800 kV、每极额定直流功率为2 500 MW，整流站LCC 和逆变站MMC 的一次参数如表2所示。

图7 子模块电容电压均压策略Fig.7 Voltage balancing strategy for the sub-module capacitors

在极1双换流器全压额定运行工况下进行整流侧交流故障的响应特性测试：

1）模拟整流侧交流系统三相接地故障，故障持续时间500 ms，三相电压幅值跌落10%，仿真结果如图8所示。

在基本控制模式下，整流站直流电流大幅下降；而基于直流调制度的交流故障控制策略则在检测到直流电流下降量达到电流裕度后，通过同步调整逆变站高、低压换流器直流调制度接管直流电流控制，随着逆变站直流电压的降低，故障期间直流系统仍维持较高的功率传输水平，在整流侧交流故障消除后，逆变站直流调制度平滑恢复，特高压混合直流系统快速恢复至故障前状态。

表2 特高压混合直流输电系统一次参数Table 2 Hybrid UHVDC system primary parameters

图8 整流侧交流系统三相接地故障响应特性Fig.8 Response characteristics of rectifier AC three-phase ground fault

2）模拟整流侧交流系统A相接地故障，故障持续时间500 ms，A 相电压幅值跌落50%，仿真结果如图9所示。

图9 整流侧交流系统单相接地故障响应特性Fig.9 Response characteristics of rectifier AC single-phase ground fault

在基本控制模式下，整流站直流电流快速下降至0；而在基于直流调制度的交流故障控制策略下，逆变站通过同步调整高、低压换流器直流调制度，提高了故障期间传输的直流功率，由于故障期间整流侧交流三相电压不对称，LCC向直流侧引入了100 Hz波动，在故障消除后功率快速恢复至故障前水平。

表3中对交流故障消除前的直流运行工况进行了对比，可以看到，基于直流调制度的交流故障控制策略可以有效提升整流侧交流故障期间传输的直流功率，降低故障对交流系统的影响。由仿真结果也可以看到，采用上述控制策略后，在正常运行及整流侧交流故障期间，逆变站高、低压混合型MMC 换流器的直流电压始终能保持同步变化、串联均压特性良好，同时全桥及半桥子模块电容电压也均压良好且被控制于安全水平。

表3 整流侧交流故障工况对比Table 3 Comparison of rectifier AC ground fault

3 结语

本文提出了一种基于直流调制度的交流故障控制策略，用于解决特高压混合直流输电系统整流站LCC发生交流故障后直流功率快速下降问题。基于实际控制保护设备的RTDS 实时数字仿真试验结果表明，相比基本控制策略，基于直流调制度的交流故障控制策略有如下效果：

1）在整流站LCC交流故障期间，可实现逆变站混合型MMC 对直流电流控制权的快速、平滑接管，直流传输功率得到明显提升，减小了故障对交流系统的影响，并能加快故障后的恢复速度。

2）通过直流调制度同步调整，正常运行及整流站LCC 交流故障期间，逆变站高、低压混合型MMC 换流器可实现良好均压，保证了特高压混合直流系统的稳定运行。

上述策略对于特高压混合直流输电实际工程具有一定的应用参考价值。