柔性直流输电换流阀型式实验平台谐波注入方法

付志超，陈奥博，朱劲磊，欧嘉俊，王国强

(1. 广东电网公司广州供电局，广州510620；2. 荣信汇科电气股份有限公司，辽宁 鞍山114051)

0 引言

近年来国内外柔性直流输电技术快速发展，主要应用于异步电网互联、风电场并网、西电东送等领域。例如国内的云南鲁西背靠背工程、渝鄂背靠背工程应用于我国电力系统主干网互联[1]。南澳多端柔直系统[2 - 3]和如东柔直工程等用于岛屿和海上风电场并网。以及乌东德工程应用于西电东送电力通道，实现电能的远距离传输，电压等级达到±800 kV，总容量8 000 MW[4 - 6]。柔直系统已广泛应用于我国电力系统，并且国家提出“双碳”目标，大力发展基于可再生能源和基于电力电子设备的新型电力系统，柔直系统将会得到更广泛的应用，其电压等级和容量也将不断扩大，柔直系统可靠性对电力系统安全稳定运行的影响逐渐增大，目前已投运和建设中的柔直工程均采用模块化多电平换流阀(MMC)实现交-直流的电能转换，系统运行过程中会面临多种复杂工况，如交流系统或直流长线路的短时故障、送端和受端功率的暂态功率不平衡，以及短时的过电压、过负荷等。对此已有大量文献针对不同工况提出多种故障穿越策略[7 - 8]，能够在一定程度上减小换流阀的暂态电压、电流应力。此外，为应对大规模新能源接入，现代电力系统需要柔直参与交流系统的电压和频率调节，并能够为系统提供暂态的惯量支撑，目前国内外主要采用构网类控制[9 - 10]，包括虚拟同步机控制[11 - 13]、下垂控制[14 - 16]和功率同步控制[17 - 18]等。除了控制策略的优化之外，换流阀本身的过载能力也是柔直系统可靠性的关键指标，同时换流阀的运行参数边界也是故障穿越控制和保护等策略优化的基础。

为考核柔直换流阀主回路对电压、电流应力的耐受能力，IEC标准对柔直换流阀提出了运行实验项目，包括解锁状态下的电压、电流过载实验、闭锁状态下的短路电流注入和过电流关断实验等[19]。而且，通过对已投运柔直换流阀波形分析，受交流系统连接方式的柔直运行工况的影响，桥臂电流中会存在一定的谐波分量，且谐波频率分布范围较宽，而换流阀控制中通常只配置二次环流抑制[20 - 21]，因此近期工程中通常要求换流阀型式实验包含谐波注入实验，例如要求至少注入3、5、7次谐波等，以更接近实际运行工况的条件考核换流阀的电流、电压耐受能力，而对柔直实验系统控制方法的研究成果较少，大都研究实验回路拓扑结构[22 - 23]，所采用的控制策略通常仅针对基频电流控制和二倍频电流注入方法[24 - 25]。而在谐波控制方面近期有较多研究成果大都分析柔直系统谐波阻抗特性[26 - 27]，以及谐波谐振抑制等[28 - 29]，但对柔直实验系统多组谐波注入方法的论述较少。

本文首先分析工程中柔直换流阀桥臂电流存在谐波分量，介绍常用的换流阀型式实验回路，其次针对典型实验回路，在常规电压、电流控制方法的基础上设计谐波注入控制方法，提出基于二阶低通滤波器作为谐波分量控制器，优化谐波跟踪性能，并分析谐波调节器的稳定性，最后仿真验证所提出谐波注入控制方法的有效性。

1 柔直工程换流阀谐波特性

柔直工程中MMC一相结构如图1所示，图中SM为半桥结构功率单元；电网交流侧电压和电流分别为usj和isj(j=a, b, c)；L为桥臂串联电抗的电感值；udc为直流电压；idc为直流电流；ipj和inj分别为上、下桥臂电流；upj和unj分别为上、下桥臂两端输出电压；izj为桥臂环流；Uc为功率模块平均电压。

图1 柔直换流阀一相桥臂拓扑结构Fig.1 One-phase bridge topology of MMC

由MMC拓扑可知上下桥臂输出电压可由式(1)表示。

(1)

式中：m为功率模块序号，m=1,…,N，每个桥臂由N个功率模块串联组成；S(t)代表功率模块开关函数，下标p、n分别表示上下桥臂；Δucjpm、Δucjnm分别为j相上下桥臂第m个功率模块电压波动量。则换流阀j相电压波动Δucj可表示为：

(2)

三相电压波动的相位相互错开120 °，会在三相桥臂中产生对应频率的电流波动，主要为二倍频分量[30]，因此桥臂电流可由式(3)表示。

(3)

式中：Ij为换流阀j相交流侧电流峰值；Izj为二倍频环流幅值；φ为基频电流相位；θ为二倍频电流相位。

忽略功率模块电压波动，稳态时MMC桥臂电压平均值包含直流和交流分量，如式(4)所示。

(4)

式中：M为换流阀交流调制信号幅值，最大值1为满调制。由式(2)和式(4)中桥臂电压和电流表达式可以计算桥臂功率表达式，根据式(2)和式(4)中各频率分量的乘积关系，可知桥臂功率中含有直流、基频、二倍频和三倍频分量，因此桥臂中必然存在对应次谐波电流，依次类推可知，桥臂电流中含有各次谐波分量。

为使型式实验中试品阀段电流更准确地等效现场实际工况，根据上述桥臂电流谐波分量的分析结果，综合考虑桥臂电抗的滤波作用，可以在型式试验电流中注入2、3、5、7次谐波，考核试品阀段对谐波电流的耐受能力。

2 实验回路

柔直工程换流阀电压等级高、容量大，无法对设备整体进行实验，IEC标准对此提出以阀段为实验对象进行功率循环实验，对于MMC拓扑参与实验的阀段由不少于5个功率模块串联组成。对此通常采用两个阀段直接并联组成对拖实验回路，如图2所示，图中两个阀段分别为试品阀段和陪试阀段，两阀段经负载电抗器L连接，Uc为低压直流电源，与陪试阀段接地端功率模块的直流电容并联，通过阀段间的平衡控制和阀段内电容电压平衡控制为所有单元提供运行实验的功率损耗，Us为预充电电源，经充电电阻R将所有功率模块充电至能够稳定工作的初始电压，充电完成后断开隔离开关K01，切除预充电电源，功率模块根据控制系统调制信号进入解锁运行状态，由直流电源Uc对实验系统供电。

此外常用的型式实验回路也可以采用多个阀段组成完成的背靠背结构换流阀，通常每个桥臂包含1或2个阀段，将两个换流阀的直流侧和交流侧分别连接，组成功率循环回路，并经交流变压器与电网连接，为实验系统提供实验所需的能量损耗。该种背靠背结构的对拖实验系统能够一次测试多个试品阀段，且控制方法与工程中柔直换流阀控制系统类似。但对直流电源容量和电压等级的要求较高，而图1所示的阀段对拖类实验平台对电源容量要求较低，但控制方法与常规柔直系统控制方法存在一定区别。本文后续将基于阀段对拖实验回路介绍所提出运行实验方法和谐波控制策略。

图2 阀段型式实验回路Fig.2 Type test circuit of valve section

3 实验回路控制和谐波注入方法

3.1 实验回路控制策略

IEC标准要求稳态运行实验中试品阀段功率模块电压平均值为1.05倍额定，试品阀段电流的直流和交流分量比例与实际工程一致，幅值通常为工程额定值的1.05～1.3倍。对此通常将试品阀段和陪试阀段间的调制信号错开一定相位，使两阀段经负载电抗产生功率循环，具体控制结构如图3所示。

图3 阀段对拖实验平台控制结构Fig.3 Control structure of valve section back-to-back experimental platform

图3中阀段平均电压和阀段电流组成电压-电流双闭环的控制结构，保持两阀段间输入和输出功率平衡。试品阀段调制信号为标准50 Hz正弦调制信号，相位角θ在[0, 2π]间变化，试品阀段和陪试阀段的相位差为α， 稳态基频交流电流分量的相位为0.5α， 电压电流相位关系如图4所示。图中ωLIL为阀段间负载电抗器的稳态压降。

图4 阀段电流、电压相位关系Fig.4 Phase relationship between valve section current and voltage

3.2 电流调节器设计

由上述控制原理可知试品阀段电流包含直流分量、基频分量和谐波分量，因此可以采用比例-谐振(proportional-resonance，PR)调节器跟踪给定，即根据实验要求分别设置基频谐振调节器和各次谐波调节器，实现基频和谐波电流指令信号的跟踪。以注入2、3、5、7次谐波为例，电流调节器结构如图5所示，图中ω0为基波角频率，Kp为PR调节器比例系数，针对交流基频和各次谐波分量分别设置谐振调节器，k1为基频谐振调节器系数，kn(n=2, 3, 5, 7)为各次对应谐波调节器系数。

图5 基于PR调节器的电流控制器Fig.5 Current controller based on PR regulator

图6 电流控制回路等效传递函数Fig.6 Equivalent transfer function of current control loop

由图6可得电流控制回路的根轨迹，如图7所示。可以看出，采用谐振调节器控制谐波电流产生了一系列闭环极点，随着反馈控制增益从0开始增加，与5、7次谐波电流控制相关的极点出现了向右半平面移动的趋势，因此5、7次谐波电流控制会出现不稳定现象。与3次谐波电流控制相关极点受到影响相对较小。与基波、2次谐波电流控制相关极点保持在左半平面，能够保持稳定。

图7 基于PR调节器的根轨迹图Fig.7 Root locus based on PR regulator

针对上述问题，将3、5、7次谐波控制器改为2阶低通滤波，改进后控制器结构如图8所示，对应根轨迹如图9所示。图9中随着反馈增益从0开始增加，与各次谐波控制相关的闭环极点均向左半平面移动，只有当反馈增益很大时，3、5、7次谐波电流控制相关极点才会进入右半平面，因此试验系统在进行控制参数调试时可以保持稳定，不会出现振荡发散现象。由于替换的低通控制环节传递函数在3、5、7次谐波点依然保持开环增益无穷大，因此可以实现3、5、7次谐波电流的无静差调节。

图8 基于二阶低通滤波环节的电流控制器Fig.8 Current controller based on second-order low-pass filter

图9 基于二阶低通滤波环节的根轨迹图Fig.9 Root locus based on second-order low-pass filter

4 仿真和分析

基于上述电流控制方法在PSCAD下搭建阀段对拖实验系统仿真模型，对改进后的电流控制方法进行仿真验证，参数见表1。

表1 仿真模型参数Tab.1 Simulation model parameters

基于常规PR调节器对阀段实验系统进行仿真，结果如图10所示。其中图10(a)为2、3、5、7次谐波有效值波形，图10(b)为试品阀段和陪试阀段间的总负载电流波形。经仿真调整后3、5、7次谐振系数分别为0.03、0.02、0.015，电流控制器中比例环节系数Kp= 0.25。仿真中虽然尽量减小7次谐波谐振调节器系数，但稳态时仍存在较大波动，且3、5次谐波稳态值与设定值也存在较大偏差，总阀段间总负载电流幅值稳态时也明显存在低频波动。

图10 基于PR调节器的电流控制器仿真结果Fig.10 Simulation results of current controller based on PR regulator

基于本文提出的3、5、7次谐波采用二阶低通滤波环节再次对上述阀段实验系统仿真，结果如图11所示。图中分别为注入谐波电流有效值和阀段间负载电流波形，其中电流调节器中3、5、7次二阶低通滤波环节放大倍数在上述参数附近微调，比例系数Kp仍然设置为0.25。由仿真结果可以看出，改进后的电流控制器消除了7次谐波的稳态波动，3、5、7次谐波有效值的稳态精度明显优于传统PR调节器。

图11 基于二阶低通滤波的电流控制器仿真结果Fig.11 Simulation results of current controller based on second-order low-pass filter

对比上述仿真结果可以知道，本文所提出的谐波电流控制方法能够提高谐波注入电流的稳态精度，消除注入谐波的稳态振荡，改善电流控制器的幅频特性。

5 实验验证

实验回路现场布局如图12所示。图中主要包括试品阀段、陪试阀段、负载电抗器和阀控系统4个部分。为降低系统实验电压等级，实验平台阀段为6级功率模块串联，功率模块额定电压2.4 kV。阀控系统电流控制采用本文提出的基于二阶低通滤波环节控制3、5、7次谐波电流。稳态运行的实验结果如图13所示。图中三组波形由上至下依次为阀段电流Ib、试品阀段端间电压U1和陪试阀段端间电压U2。实验中设置2次谐波给定为0，抑制2倍频环流，3、5、7谐波根据实验要求分别设定为基频的5%、3%、1%的基波分量。

图12 实验回路布局Fig.12 Experimental loop layout

图13 阀段电流、试品和陪试阀段端间电压Fig.13 Valve section current, test object and voltage between terminals of accompanying valve section

稳态谐波电流分量能够跟踪给定，波形数据FFT分析结果如表2所示，验证了本文所采用谐波注入方法正确性和有效性。

表2 实验电流谐波分析结果Tab.2 Harmonic analysis results of experimental current

6 结语

本文研究了柔直换流阀型式实验系统中谐波电流控制方法。常规PR调节器用于控制多组谐波同时注入试品阀段时存在稳态振荡，谐波分量控制偏差较大等问题，严重影响试品阀段的测试精度，实验中试品阀段稳态电流波动对实验设备安全运行也存在一定威胁。

在柔直阀段型式试验中， 采用二阶低通滤波环节控制试品阀段谐波分量注入能够提高谐波电流的控制精度，明显减弱谐波间的相互影响。所提出的高频谐波注入的方法能够模拟更真实的现场运行工况，从而提高换流阀试验应力，提高试验等效性。