MMC柔性直流换流站无功级联控制策略

王炳辉，黄天啸，吴 涛，谢 欢，刘海涛，李善颖

（1.国网冀北电力有限公司电力科学研究院,北京市100045；2.国网冀北电力有限公司电力调度控制中心,北京市100053）

0 引言

模块化多电平换流器（MMC）作为一种电力电子化的电源,具有开关损耗小、波形质量高、故障处理能力强、可快速调节有功和无功功率的特点,兼具可靠性和灵活性,在高电压大功率的柔性直流输电场景中得到了广泛应用［1-5］。MMC柔性直流换流站与有源交流电网连接时,在交流电网电压发生跌落或升高的工况下,若能发挥MMC快速调节无功功率的优势,像接入电网运行的发电厂、变电站一样按电网调度机构确定的电压运行范围进行调节,将有利于电力系统无功功率的分层分区和就地平衡,提高电网的稳定运行水平。文献［6］指出在轻/重负荷工况下柔性直流与传统无功源协调控制能够有效提高受端城市电网的无功电压质量。MMC柔性直流换流站电路拓扑主要由联接变压器、桥臂电抗器、MMC等一次设备构成［7］,换流站的无功输出受MMC内部电动势、当前有功负荷、调制比、自身耐过流能力等因素的制约,且与MMC的无功控制方式直接相关［8-10］。如何在保证MMC柔性直流换流站稳定运行的前提下充分发挥其对系统无功电压的支撑能力,设计灵活平滑的无功控制策略成为实现柔性直流输电场景网源协调的题中之义。

稳态工况下,MMC常常采用内外环解耦的分层无功控制方式［7,11］,其中外环为定交流电压（Uac）控制或定无功功率（Q）控制响应自动电压控制（AVC）指令,内环则采用定电流（Iq）控制生成MMC调制波。暂态工况下,针对MMC无功控制的研究主要从系统运行状态或从换流器内部元器件能力角度对稳态工况下的控制方式进行改良。文献［10,12］分别提出了根据交流系统电压跌落程度线性补偿MMC无功电流的思路；文献［13］研究了三端柔性直流输电场景下交流侧故障情形,受端换流器采用定无功功率控制并根据交流系统电压变化及时计算调整无功功率；文献［14］研究了受端电网故障时的柔性直流换流器穿越策略,指出在定交流电压控制基础上优化故障期间的无功控制目标、无功电流限值、进入低电压穿越及恢复的电压阈值能够提高系统的暂态特性。

值得注意的是,MMC定无功控制和定交流电压控制虽然能在稳态工况下实现换流站无功功率的平稳调节,但暂态工况下却无法满足无功输出的灵活性、平滑性和安全性要求。这是因为当采用定Q控制时,暂态工况下不能发挥柔性直流换流站暂态无功能力,从提高交流系统暂态稳定性的角度出发,无功控制目标一般应选择交流电压［14］。但当采用定Uac控制且其比例-积分（PI）环节的比例系数和积分系数设定时,若暂态工况下电压跌落程度过大,则其经PI环节累积后会产生较大的冲击控制信号,即电压瞬变场景抗扰动能力差,而且在故障清除后,积分环节状态变量须经历过渡过程才能达到稳态,可能导致发生暂态过电压。虽然可通过调节PI环节参数降低定Uac控制的暂态冲击响应,却无法消除暂态后过电压。

此外,当交流系统发生故障时,系统产生的故障电流或MMC提供的无功电流都可能导致MMC出现过电流［10,14］,而MMC由绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、二极管和电容器构成的子模块组成［15］,不具备过流能力［16］,因此MMC不过流是柔性直流换流站在提供暂态无功支撑时的重要约束。文献［10,12-14］在系统故障过程中通过d q解耦独立控制内环有功电流、无功电流的参考值,尽可能提供无功电流为系统提供支撑,有功电流则受制于MMC允许的最大电流容量。但该最大电流一般以系统交流电流为参考,而工程上MMC发出的无功功率要受到IGBT允许电流、直流电压和直流电流的限制［10］,于是在处理暂态无功支撑MMC过电流问题时须将交流电流和直流电流综合考虑。

基于定无功控制不能发挥暂态无功能力、定交流电压控制瞬变抗扰动能力不足且可能产生暂态过电压、MMC过电流约束须将交流电流和直流电流综合考虑等问题,本文设计了兼具灵活性、平滑性和安全性的MMC柔性直流换流站无功控制策略,并以中国张北±500 kV四端柔性直流电网工程为例仿真验证所设计策略的可行性。

1 兼顾暂稳态工况的无功级联控制策略

一般地,MMC定交流电压控制和定无功控制为一组互不兼容的控制目标。为兼顾稳态工况可采用定无功控制方式,同时避免采用定Uac控制时可能产生的瞬间冲击响应,将MMC无功控制方式设计成外环由定Uac控制和定Q控制级联的方式（以下简称无功级联控制）,即将外环定Uac控制环的输出作为定Q控制环的参考信号,定Q控制环的输出再为内环定Iq控制提供参考信号。该种控制方式下,稳态工况时可由AVC给定电压指令实现无功调整,暂态时可根据系统电压跌落程度自主响应提供无功支撑,并且无功级联控制与常规的定Uac控制相比,该种控制结构相当于增加了一个PI环节,第2个PI的积分环节有利于延缓可能产生的暂态冲击响应,同时把实时无功功率加入反馈控制,有利于结合柔性直流换流站的无功能力限值进行限幅调节,提高系统稳定运行能力。控制框图如图1所示。

图1中,Uac,ref、Qref、Iq,ref分别为定Uac控制环、定Q控制环和定Iq控制环的参考信号；Uac、Q、Iq分别为实际的交流电压、无功功率和交流电流；Qref,min和Qref,max分别为柔性直流换流站的无功能力范围下限和上限。

图1 无功级联控制内外环框图Fig.1 Block diagram of internal and external loops of reactive cascaded control

对一个额定直流电压为500 k V的MMC换流器通过额定运行工况下的交流电压阶跃测试验证上述控制策略的合理性,结果如图2所示。

图2 无功级联控制方式下的U ac阶跃测试Fig.2 U ac step test under reactive cascaded control

由图2可知,无功级联控制方式下Uac阶跃响应时间为百毫秒级,Q和Iq的响应时间为毫秒级,且各控制环均未产生瞬间冲击信号。由此表明,所设计的控制策略既能快速调节无功输出,又能抑制交流电压瞬间突变引起的冲击响应,能够兼具灵活性和平滑性。

2 带桥臂电流辅助控制和故障后瞬间积分清零重置的定U ac控制

对于MMC而言,其桥臂由多个相同的子模块串联构成,各子模块由IGBT和电容器构成半桥型、全桥型、钳位双子模块型结构等形式［17］,其中半桥型MMC拓扑如图3所示。

由图3可知,与MMC有关的电流包括流过各子模块的电流（即桥臂电流iarm）、MMC交流侧电流（即换流变阀侧电流iv）和直流母线电流Idc。理想情况下,三者关系可表示为［18］（正负号分别对应上桥臂、下桥臂）:

三者有效值Iarm、Iv、Idc的关系可表示为:

图3 半桥型MMC示意图Fig.3 Schematic diagram of half-bridge MMC

由图3及式（1）、式（2）可知,桥臂电流包含了iv和Idc在内的电流信息,其有效值Iarm的大小直观反映了MMC自身电力电子器件是否正常运行,反映了MMC交流侧、直流侧及自身桥臂的过电流水平。因此,可依据桥臂电流评估柔性直流换流站提供无功支撑时的MMC设备耐受能力。

借鉴发电机组励磁控制系统的过励限制器设计思路,在定Uac控制环节中附加MMC桥臂电流辅助控制环节,以限制提供无功支撑时可能导致的MMC过电流。MMC桥臂电流辅助控制环节通过低通竞比门介入定Uac控制主环,即比较主环输出与辅助环节输出,取其中较小者作为级联定Q控制环参考信号。正常工况下,辅助环节因桥臂电流小于整定值（一般为额定值1.0（标幺值）左右）而输出大的正数,对柔性直流换流站无功输出无影响；只有当桥臂电流增加到接近或大于整定值时,辅助环节输出较小的正数甚至负数小于主环输出时,通过低通竞比门切换主辅控制,限制MMC桥臂电流到允许范围以内。为避免暂态过程中主辅控制环频繁切换,辅助控制环节应设置一定的动作死区。

为抑制故障清除后系统恢复过程中可能出现的交流系统过电压,为定Uac主环控制的PI环节设置故障后依据Uac有效值变化率大小判断的瞬间积分清零重置控制。该瞬间积分清零重置控制只在故障清除瞬间发生作用,将定Uac主环提供的无功支撑由(Uac,ref−Uac)(KpU+∫KiUd u)瞬 间 减 小 为(Uac,ref−Uac)KpU,其中KpU和KiU分别为定Uac控制环PI环节的比例系数和积分系数,即在故障清除瞬间消除积分环节的过渡过程,因此有利于暂态后Q和Uac尽快恢复至稳态运行值。该带桥臂电流辅助控制和故障后瞬间积分清零重置的定Uac控制框图如图4所示。

图4 无功级联控制中定U ac控制环框图Fig.4 Block diagram of constant U ac control loop in reactive cascaded control

图4中,SReset为定Uac控制主环故障后瞬间积分清零重置信号,根据故障后Uac有效值的变化率d Uac/d t进行判断,若d Uac/d t大于阈值d Uac/d tmin（一般结合工程运行要求设定）,则将SReset由0设置为1触发积分清零,并设置采样保持环节防止清零信号反复跳变；Iarm,max为MMC桥臂最大允许过流值；Iarm,h和Iarm,l分别为桥臂电流控制死区上、下限值（此范围内Iarm将处于保持状态,否则采样）；KpI为桥臂电流辅助控制的比例增益；Sout,U和Sout,I分别为定Uac主环和桥臂电流辅环产生的参考信号,二者竞比输出级联定Q控制环参考信号Qref；Sout,U,max和Sout,U,min为定Uac主环输出限幅。

3 无功级联控制策略

将带桥臂电流辅助控制和故障后瞬间积分清零重置的定Uac控制和定Q控制级联,得到MMC柔性直流换流站无功控制策略总框图如图5所示。

图5 MMC柔性直流换流站无功级联控制总框图Fig.5 Overall block diagram of reactive cascaded control in MMC flexible DC converter station

由图5可知,该种控制策略将交流电压、无功功率均引入反馈控制,稳态工况下可按照AVC下发的定电压指令调整无功功率,暂态工况下级联的控制结构有利于延缓可能产生的暂态冲击响应,可结合MMC设备耐受能力根据系统电压跌落程度自主响应提供无功支撑,并且故障后瞬间积分清零重置控制将加快系统电压和无功功率恢复至稳态值。

4 仿真验证

4.1 仿真模型

张北±500 k V四端柔性直流电网工程（以下简称张北柔性直流工程）是世界上首个500 k V级网络化柔性直流电网工程,包含构成环网的张北、康保、丰宁、北京共4个换流站,各换流站均采用对称真双极MMC结构［19］,本文以该工程为例验证无功级联控制策略的有效性。工程示意图如附录A图A1所示。

如附录A图A1所示,送端张北换流站、康保换流站为新能源汇集站,可孤岛或联网运行,上送本地区的风电、光伏等新能源出力；丰宁换流站为柔性直流电网的调节站,负责维持整个柔性直流电网的有功平衡和直流电压稳定；受端北京换流站为负荷消纳中心,对供电质量要求高,且通过双回线路与华北地区的昌平500 k V交流站连接,当其中一回线路检修、另一回线路发生三相永久性故障时,可能存在一定的电压稳定问题,因此在北京换流站交流侧模拟线路故障研究柔性直流换流站的无功支撑能力。仿真中Uac和Q均以柔性直流换流站与交流电网的公共连接点为测量点。

在实时数字仿真系统（RTDS）上搭建张北柔性直流工程模型,四站参数、控制方式和北京换流站无功级联控制环相关参数分别如附录A表A1和表A2所示。

4.2 仿真工况

4.2.1 无功级联控制方式与定无功控制方式的对比

在北京换流站额定有功工况下模拟交流电网侧发生持续时间为300 ms的公共连接点电压Upcc最低跌落至0.9（标幺值）的三相短路故障,得到无功级联控制方式下（其定Uac控制环暂不设置故障后瞬间积分清零重置控制）和定无功控制方式下（稳态时无功控制为0）的仿真波形如附录A图A2所示。

由附录A图A2可知,Upcc跌落至0.9后,定无功控制方式下换流站不自主提供动态无功支撑,故障过程中Upcc保持不变。当采用无功级联控制方式时,柔性直流换流站能够提供无功支撑逐步抬升Upcc。由此表明,相对于定无功控制方式,柔性直流换流站采用的无功级联控制方式具备灵活的无功支撑能力,能提高系统暂态特性。

但无功级联控制方式下柔性直流换流站在故障清除后无功恢复较慢,使得交流系统出现了一定程度的过电压,因此将验证定Uac控制环中故障后瞬间积分清零重置控制设计在消除故障后交流系统过电压方面的作用。

4.2.2 无功级联控制定Uac控制环中故障后瞬间积分清零重置与否的对比

仍然在北京换流站额定有功工况下模拟交流电网侧发生持续时间为300 ms的Upcc最低跌落至0.9时的三相短路故障,得到定Uac控制环中故障后瞬间积分清零重置与否2种工况下的仿真波形如附录A图A3所示。

由附录A图A3可知,当无功级联控制中定Uac控制环设置故障后瞬间积分清零重置时,故障过程柔性直流换流站的无功支撑能力不受影响。但故障后Upcc过电压程度减弱,Upcc和Q恢复至稳态值的时间由秒级缩短为毫秒级,系统恢复至稳定运行状态速度加快。

4.2.3 无功级联控制方式下交流电网侧不同故障程度工况对比

在北京换流站额定有功工况下模拟交流电网侧发生持续时间为300 ms的Upcc最低跌落至0.75的三相短路故障,并与Upcc最低跌落至0.9的故障工况对比,如附录A图A4和图A5所示。

由附录A图A4可知,与Upcc最低跌落至0.9工况相比,Upcc最低跌落至0.75工况下柔性直流换流站在故障瞬间提供的无功支撑增加,但在故障过程中提供的无功支撑减少,即随着Upcc跌落程度的增加,柔性直流换流站提供的无功支撑先增加后被抑制。这是因为Upcc最低跌落至0.9工况下桥臂始终未过流,而Upcc最低跌落至0.75故障过程中桥臂电流增大达到了整定限值0.95,使得辅助控制动作。如附录A图A5所示,在Upcc最低跌落至0.9工况下,定Uac主环控制输出信号Sout,U始终小于桥臂电流辅助控制输出信号Sout,I,因此二者经低通竞比门比较后始终由定Uac主环控制换流站的无功指令。在Upcc最低跌落至0.75工况下,当故障初期桥臂电流未达限值0.95时,与Upcc最低跌落至0.9工况类似,仍然由定Uac主环控制Q的输出,因此电压跌落程度越大,Q输出也越大；但当桥臂电流大于限值时Sout,I小于Sout,U,二者竞比后使由桥臂电流辅助动作控制Q输出,将其抑制在0.2（标幺值）附近以限制MMC桥臂过电流,直至故障后桥臂电流恢复至限值之下时辅助控制再切换回定Uac主环控制。

4.2.4 无功级联控制方式下交流电网侧极端低电压工况

在北京换流站额定有功工况下模拟交流电网侧发生持续时间为300 ms的Upcc最低跌落至0.29的三相短路故障,并与Upcc最低跌落至0.75的故障工况对比,如附录A图A6所示。

由附录A图A6可知,当Upcc瞬间跌落至0.29时,与瞬间跌落至0.75工况相比,柔性直流换流站在故障瞬间提供无功支撑后转而从交流系统吸收无功功率,前者是因为电压跌落要求换流站提供无功支撑,后者则是由于该种交流系统极端低电压故障过程中桥臂电流最高达到了1.27（标幺值）,远超设定的过流限值,此时桥臂电流辅助控制动作,限制存在的MMC严重过电流。该种情形类似于常规发电机励磁控制中为降低励磁电流而越过了V曲线的拐点,发生了进相。即交流系统极端低电压故障工况下,桥臂过电流已超柔性直流换流站设备承受能力,依靠控制已不能将其限制在允许范围以内,涉网特性已发生了畸变,应以保本体设备（限制MMC桥臂电流）为首要目标,此时需要相关保护装置动作将MMC退出运行以维持系统安全稳定运行。

5 结语

本文围绕MMC柔性直流换流站无功控制策略展开研究,考虑无功输出的灵活平稳性,设计了外环由定Uac控制与定Q控制级联的控制方式,将交流电压、无功功率均引入反馈控制,以兼顾电网稳态无功调节和暂态无功支撑,提高稳定运行能力。其中定Uac控制借鉴常规机组励磁过流限制思路将MMC桥臂电流辅助控制环节通过低通竞比门方式介入,同时设置了故障后依据电压有效值变化率的大小实现的瞬间积分清零重置控制。最后以张北±500 k V四端柔性直流电网工程为例,通过模拟北京换流站交流电网侧不同程度的电压跌落故障工况对上述控制策略进行了仿真验证。结果表明,所设计的无功级联控制方式与常规的定Uac控制和定Q控制方式相比更有利于发挥柔性直流换流站的无功支撑能力,体现在以下几个方面。

1）能够抑制交流电压瞬间突变引起的瞬时冲击。

2）能使柔性直流换流站在暂态工况下提供无功支撑时兼顾柔性直流设备能力和系统无功需求。

3）针对故障清除后可能存在的交流系统暂态过电压,采用瞬间积分清零重置控制可进一步优化控制特性。