降低三端直流系统入地电流与功率损失的换流站电流调整策略

黄曼茜，刘 航，许建中

（1. 新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学），北京市 102206；2. 南方电网超高压输电公司检修试验中心，广东省 广州市 510663）

0 引言

多端直流输电系统可以实现多个电源区域向多个负荷中心供电，在远距离、大容量电力传输中发挥着重要的作用［1-4］。发展多端直流输电能够促进水电、风电等清洁能源的消纳，提升清洁能源发电量占比，有助于中国实现“双碳”目标［5-7］。

为了提升输电容量，提高运行可靠性，多端直流输电系统一般采用双极结构［8-10］。接地极系统常用于双极直流，连接在两极换流器的中性母线上，对称运行方式下流经接地极电流近似为零；接地极能够承载双极间不平衡电流，并允许直流系统运行在不对称运行方式［11-13］。一般地，接地极址及其连接线称为接地极系统（以下简称接地极）。对于含接地极的双极直流，当一极因故障停运，非故障极自动以大地构成回路，单极大地回路运行存在直流偏磁问题［14］，通常进一步转为单极金属回路运行，将入地电流从接地极倒换至故障极输电线路上［15-17］。

对于双极多端直流，因隔离故障需要，系统具备退出受端单极的功能。若受端单极因故障退出运行，此时流经故障站接地极的电流为非故障极换流器直流电流。在不转变运行方式的条件下，只能通过降低非故障极功率以减小流经故障站接地极电流，如此将进一步增大故障站功率缺额。因此，当单极退出时，如何在恢复对称运行方式前降低入地电流并减少功率损失，是一个亟待解决的问题。

文献［18-20］提出并联型多端直流电流/功率协调控制器，通过整定各站电流/功率参考值保证系统直流功率平衡与稳定，所提控制器旨在平衡功率，难以兼顾降低入地电流。文献［21-22］提出了多端直流功率转带策略，当单极换流器退出时，将退出极的部分甚至全部功率转带到正常极，以减少功率损失并最小化非停极受端的接地极电流，但无法兼顾降低停极受端的入地电流。文献［23］提出对于并联型多端直流，单极退出时，另一极可以借助直流线路或备用金属回线（连接两换流站接地极的备用线路）与相邻站共用接地极，再调整各换流站两极电流来降低入地电流，但未提出具体的电流调整策略。

目前，中国已投运的“双极+接地极”结构多端直流工程有禄高肇三端常规直流［24］以及昆柳龙三端混合直流［25］。针对三端直流系统受端故障单极退出工况，需要研究一种换流站电流调节策略，既保证故障站功率不进一步损失，又能使三端直流系统入地电流降至安全水平并长时间运行。

本文基于并联三端直流输电系统，提出一种受端单极退出工况下，通过与相邻站建立金属支路，再协调相邻站功率以弥补故障受端功率损失的换流站电流调整策略。本文提出的调整策略不仅可以避免故障站功率进一步损失，还可以减少非故障站的功率损失，有助于减小故障处理过程对受端电网断面的影响。

1 受端单极退出工况下建立转移入地电流金属支路的必要性分析

本文以三端直流系统为例，针对受端单极退出工况，展开降低换流站入地电流与功率损失的换流站电流调整策略研究。本章分析现有工程中进入受端单极退出工况后的转换处置原则，明确建立用于转移换流站入地电流金属支路的必要性。

以图1 所示的三端直流系统为例进行分析，但以下分析结果与换流站型式无关。图1 所示三端直流采用并联型、“双极+接地极”拓扑结构，送端为电网换相换流器（line commutated converter，LCC），两个受端均为模块化多电平换流器（modular multilevel converter，MMC）。送端LCC 额定电流为5 kA，受端MMC1额定电流为1.875 kA，受端MMC2额定电流为3.125 kA。

图1 三端直流系统拓Fig.1 Topology of three-terminal DC system

因隔离故障需要，三端直流系统可以将受端换流站单极退出，待故障清除后再重新投入该极。受端MMC1、MMC2单极退出工况示意图如图2所示。

图2 三端直流系统运行方式示意图Fig.2 Schematic diagrams of operation modes of three-terminal DC system

实际工程中，在受端单极退出工况下，运行方式转换处置原则如下：

1）维持当前工况不变，在30 min 内通过调整直流功率将三端入地电流降低至1.2 kA（接地极承载电流的安全水平）以下，入地电流降至1.2 kA 后，直流系统可以运行一段时间，直至故障极恢复；

2）若短时间内故障极无法恢复，则根据实际情况退出故障站另一极或退出非故障站同一极后转为金属回线；

3）故障清除后，可通过在线投极/站操作恢复三端双极对称运行方式。

如图2（a）所示，三端双极对称运行方式下，三站入地电流为零。如图2（b）所示，假设MMC2极2因故障退出，MMC2入地电流等于本站极1 换流器额定电流3.125 kA；因双极电流平衡，MMC1入地电流为零；由三端入地电流之和为零可知，LCC 入地电流大小为3.125 kA，方向与MMC2入地电流相反。根据原则1），应在30 min 内通过调整直流功率将三端入地电流降低至1.2 kA 以下。由于MMC2入地电流为极1 换流器运行电流，若通过降低MMC2极1功率以降低入地电流，将导致MMC2功率损失进一步增大。

因此，在受端单极退出工况下，为了化解降低入地电流与减少功率损失这对矛盾，需要为故障站建立一条用于转移入地电流的金属支路［23］，并提出对应换流站电流调整策略。

2 受端单极退出工况下金属支路建立方法与换流站电流调整策略

2.1 MMC2极2 退出的运行方式

如图3（a）所示，在MMC2极2退出工况下，通过降低MMC2极1 电流，可以将入地电流降低至1.2 kA，此时MMC2直流功率损失在极2 退出后进一步增大。金属支路建立方法如图3（b）所示，通过闭合转换开关Q1、Q2（如图3（b）中橙色线所示），将MMC1、MMC2的中性母线经线路2 相连，即可建立一条转移MMC2入地电流的金属支路，然后分开MMC2接地极开关，MMC2入地电流全部转移至MMC1接地极。金属支路建立后，换流站各极电流与金属支路建立前相同，仅MMC1和MMC2互换入地电流。

图3 MMC2极2 退出工况下金属支路建立与电流调整方法示意图Fig.3 Schematic diagrams of metallic branch establishment and current adjustment methods under condition of exit of pole 2 in MMC2

换 流 站 电 流 调 整 策 略 如 图3（c）所 示，IMMC1，1、IMMC1，2分 别 为MMC1极1、极2 电 流，IMMC2，1为MMC2极1 电流。在图3（c）中，IMMC2，1可表示为：

式中：ΔI为MMC2极1 电流增加量。

通过列写MMC1两极中性点的基尔霍夫电流方程可得下式：

通过调整ΔI、IMMC1，1与IMMC1，2，可以在保证LCC、MMC1入地电流为安全水平1.2 kA 的基础上减少MMC2直流功率损失。为了避免过流，IMMC1，1、IMMC1，2不应超过额定值1.875 kA，因此保持IMMC1，2为1.875 kA 不 变，减 小IMMC1，1，减 小 量 为ΔI。考 虑 到IMMC1，1不可反向，因此ΔI最大值为1.875 kA，ΔI的大小根据实际情况进行选择。若ΔI=1.875 kA，MMC1极1 电流全部转移至MMC2极1，MMC1极1退出运行，有IMMC1，1=0 kA，IMMC2，1=3.075 kA。

取ΔI=0.3 kA，调整电流后的结果如图3（d）所示，此时IMMC2，1=1.5 kA，IMMC1，1=1.575 kA，IMMC1，2=1.875 kA，入地电流大小为1.2 kA 不变。经过调整，系统可在MMC2单极退出工况运行一段时间，等待MMC2极2 恢复。图3（d）与图3（a）相比，入地电流大小不变，但MMC2直流功率得到提升。

由图3（d）可知，建立金属支路的本质是将MMC2极1 与MMC1极1 并联接入MMC1接地极，调整ΔI的本质是调整MMC1极1 与MMC2极1 之间的电流分配，达到转移MMC1部分功率以支援MMC2，弥补MMC2部分功率缺额的目的。

若要使得所有换流站入地电流均为零，仅依靠调整ΔI不能实现，应调整换流站电流至系统两极电流相等。一种调整方案如图3（e）所示，降低LCC极1 电流至1.875 kA（减小1.2 kA），同时降低MMC1极1 电流至0.375 kA（减小1.2 kA），则MMC1极1 与MMC2极1 并联总电流降至1.875 kA，实现三站入地电流均为零。

2.2 MMC1极2 退出的运行方式

如图4（a）所示，在MMC1极2 退出的运行方式下，通过降低MMC1极1 换流器电流，可以将入地电流降低至1.2 kA。此时，由于线路1、线路2 均担负着通过极2 电流的任务，没有空闲的直流线路作为金属支路，因此需要提供一条备用线路作为MMC1入地电流的金属支路。在MMC1极2 退出工况下，由于MMC1存在2 个相邻站，因此存在2 种金属支路建立方法。

图4 MMC1极2 退出工况下金属支路建立与电流调整方法示意图(方法1)Fig.4 Schematic diagrams of metallic branch establishment and current adjustment methods under condition of exit of pole 2 in MMC1 (method 1)

1）方法1

金属支路建立方法如图4（b）所示，通过闭合转换开关Q3、Q4（如图4（b）中橙色线所示），将MMC1、MMC2的中性母线经备用线路相连，然后分开MMC1接地极开关，将MMC1入地电流转移至MMC2接地极。换流站电流调整策略如图4（c）所示，IMMC2，2为MMC2极2 电流。在图4（c）中，IMMC1，1可表示为：

式中：ΔI′为方法1 下MMC1极1 电流增加量。

通过列写MMC2两极中性点的基尔霍夫电流方程可得下式：

为 了 避 免 过 流，IMMC2，1、IMMC2，2不 应 超 过 额 定 值3.125 kA，因此保持IMMC2，2不变，减小IMMC2，1，减小量为ΔI′。同理，IMMC1，1不应超过额定值1.875 kA，因此ΔI′的最大值为0.675 kA，ΔI′的大小根据实际情况进行选择。若ΔI′=0.675 kA，IMMC1，1达到额定值，由于MMC2额定电流大于MMC1，调整后MMC2极1 仍有剩余电流，有IMMC1，1=1.875 kA，IMMC2，1=2.45 kA。

取ΔI′=0.3 kA，调整电流后的结果如图4（d）所示，此时IMMC1，1=1.5 kA，IMMC2，1=2.825 kA，IMMC2，2=3.125 kA，入地电流大小为1.2 kA 不变。经过调整，系统可在MMC1单极退出工况运行一段时间，等待MMC1极2 恢复。图4（d）与图4（a）相比，入地电流大小不变，但MMC1直流功率得到提升。

类似2.1 节，由图4（d）可知，金属支路建立方法1 的 本 质 是 将MMC1极1 与MMC2极1 并 联 接 入MMC2接地极，调整ΔI′的本质是调整MMC1极1 与MMC2极1 之间的电流分配，达到转移MMC2部分功率以支援MMC1的目的。

仅依靠调整ΔI′不能实现所有换流站接地电流均为零，应调整换流站电流至系统两极电流相等。一种调整方案如图4（e）所示，降低LCC 极1 电流至3.125 kA（减小1.2 kA），同时降低MMC2极1 电流至1.625 kA（减小1.2 kA），则MMC1 极1 与MMC2极1 并联总电流降至3.125 kA，实现三站接地电流均为零。

2）方法2

金属支路建立方法如图5（a）所示，通过闭合转换开关Q5、Q6（如图5（a）中橙色线所示），将LCC、MMC1的中性点经备用线路相连，然后分开MMC1接地极开关，将MMC1入地电流转移至LCC 接地极。由图4（a）可知，LCC 与MMC1入地电流大小相等、方向相反，因此两站中性点相连后LCC 接地极电流为零。换流站电流调整策略如图5（b）所示，ILCC，1为LCC 极1 电 流。在 图5（b）中，IMMC1，1可 表示为：

图5 MMC1极2 退出工况下金属支路建立与电流调整方法示意图(方法2)Fig.5 Schematic diagrams of metallic branch establishment and current adjustment methods under condition of exit of pole 2 in MMC1 (method 2)

式中：ΔI″为方法2 下MMC1极1 电流增加量。

ILCC，1可表示为：

为 了 避 免 过 流，ILCC，1、IMMC1，1不 应 超 过 额 定 值5 kA、1.875 kA，因此ΔI″的最大值为0.675 kA，ΔI″的大小根据实际情况进行选择。若ΔI″=0.675 kA，则ILCC，1、IMMC1，1均 达 到 额 定 值，有ILCC，1=5 kA，IMMC1，1=1.875 kA。

取ΔI″=0.3 kA，调整电流后的结果如图5（c）所示，此时ILCC，1=4.625 kA，IMMC1，1=1.5 kA。经过调整，系统可在MMC1单极退出工况运行一段时间，等待MMC1极2 恢复。通过图5（c）、图4（a）对比可知，金属支路建立方法2 不仅能够提升MMC1的直流功率，金属支路建立后各换流站入地电流均为零。

由图5（c）可知，建立金属支路的本质是将LCC极1 与MMC1极1 并联接入LCC 接地极，调整ΔI″的本质是定向增大LCC 向MMC1的传输功率，弥补MMC1的功率缺额。

在MMC1单极退出工况下，金属支路建立方法2（连接送端）优于方法1（连接受端）。方法2 通过LCC 增发功率的方式弥补MMC1功率缺失，不会影响MMC2正常运行，而方法1 通过转移MMC2部分功率以支援MMC1，造成MMC2功率损失。在方法2中，LCC、MMC2入地电流相互抵消，建立金属支路后各站入地电流均为零，而方法1 为实现各站入地电流为零还需进一步降低换流站电流，造成功率进一步损失。

3 三端以上直流受端单极退出工况下电流调整策略

上文提出的受端单极退出工况下金属支路建立方法与换流站电流调整策略不仅适用于三端直流，可以拓展至三端以上直流系统。以图6 所示的并联四端直流拓扑为例进行简述，其中换流站1、2 为整流站，换流站3、4 为逆变站。

图6 四端直流系统受端单极退出工况下运行方式示意图Fig.6 Schematic diagrams for operation modes of unipolar exit at receiving end of four-terminal DC system

如图6 所示，在站4 单极退出工况下，金属支路建立方法为通过直流线路将站3 与站4 中性点相连，互换站3 与站4 的入地电流，然后通过调整站3 与站4 极1 电流实现站3 向站4 提供功率支援。

如图6 所示，在站3 单极退出工况下，有2 种金属支路建立方式。第1 种方法通过备用线路将站3与站4 中性点相连，互换站3 与站4 的入地电流，然后通过调整站3 与站4 极1 电流，实现站4 向站3 提供功率支援。第2 种方法通过备用线路将站2 与站3 中性点相连，由于站2 与站3 入地电流方向相反，相连后站2 入地电流绝对值减小；通过增大站2、站3 的极1 电流，可以定向增大站2 向站3 的传输功率，弥补站3 因单极退出产生的功率缺额，同时不引起站2 入地电流增大。

综上，对于并联多端直流，在受端换流站单极退出工况下，若故障站仅有一个相邻站，金属支路建立方法为通过空闲直流线路将故障站与相邻站中性点相连。若故障站有2 个相邻站，则需要通过备用线路将故障站与一个相邻站中性点相连，然后协调相邻站功率以支援故障站。此外，故障受端应优先选择与相邻送端建立金属支路，不仅能实现送端、受端入地电流相互抵消，送端换流站还能够通过增发功率的方式弥补故障站功率缺失，且不影响其余站正常运行。

4 仿真验证

利用PSCAD/EMTDC 搭建图1 所示三端直流工程仿真模型，对MMC2、MMC1极2 退出工况下入地电流转移金属支路建立与换流站电流调整过程进行仿真。记LCC 极1、极2 电流与传输直流功率分别 为ILCC，1、ILCC，2、PLCC，1、PLCC，2，MMC1极1、极2 电 流与 接 收 直 流 功 率 分 别 为IMMC1，1、IMMC1，2、PMMC1，1、PMMC1，2，MMC2极1、极2 电 流 与 接 收 直 流 功 率 分 别为IMMC2，1、IMMC2，2、PMMC2，1、PMMC2，2，三站接地极电流为ILCC，G、IMMC1，G、IMMC2，G。

4.1 MMC2极2 退出工况仿真

MMC2极2 退出工况仿真结果如图7（a）所示。t=2.0 s 前，系统运行工况见图3（a），LCC、MMC2两站入地电流为1.2 kA。

t=2.0 s，如 图3（b）所 示 的 转 换 开 关Q1、Q2闭合，MMC1、MMC2两站接地极之间建立金属支路，MMC2部分入地电流经金属支路转移至MMC1。t=5.0 s，分 开MMC2接 地 极 开 关，MMC2入 地 电 流全部经金属支路转移至MMC1。t=7.0～9.0 s，调整IMMC2，1从1.2 kA 上升至1.5 kA，IMMC1，1从1.875 kA 下降至1.575 kA，则PMMC2，1从470 MW 上升至588 MW，PMMC1，1从743 MW 下降至626 MW。电流调整结果如图3（d）所示，相对于调整前图3（a）所示的情况，调整后MMC1和MMC2入地电流互换，MMC1向MMC2支援功率118 MW，弥补了MMC2因换流器退出产生的功率缺额。

4.2 MMC1极2 退出工况仿真

1）方法1（与MMC2建立金属支路）

MMC1极2 退出工况下方法1 的仿真结果如图7（b）所示。t=2 s 前，系统运行工况见图4（a），LCC、MMC1两站入地电流均为1.2 kA。

图7 受端单极退出工况下换流站电流调整策略仿真结果Fig.7 Simulation results of current adjustment strategy of converter station under condition of unipolar exit at receiving end

t=2 s，如图4（b）所示的转换开关Q3、Q4闭合，MMC1、MMC2两站接地极之间建立金属支路，MMC1部分入地电流经金属支路转移至MMC2。t=5 s，分开MMC1接地极开关，MMC1入地电 流经金属支路全部转移至MMC2。t=7～9 s，调整IMMC1，1从1.2 kA 上 升 至1.5 kA，IMMC2，1从3.125 kA 下 降 至2.825 kA，则PMMC1，1从464 MW 上 升 至580 MW，PMMC2，1从1 173 MW 下 降 至1 063 MW。电 流 调 整结果见图4（d），相对调整前图4（a）所示的情况，调整 后MMC1和MMC2入 地 电 流 互 换，MMC2向MMC1支援功率116 MW，弥补了MMC1的功率缺失。

2）方法2（与LCC 建立金属支路）

MMC1极2 退出工况下方法2 的仿真结果如图7（c）所示。t=2 s 前，系统运行工况见图4（a）。t=2 s，如图5（a）所示的转换开关Q5、Q6闭合，LCC、MMC1两站接地极之间建立金属支路，使MMC1部分入地电流经金属支路转移至LCC，由于MMC1入地电流的分流与LCC 入地电流方向相反，互相抵消后使LCC 入地电流减小。t=5 s，分开MMC1接地极开关，MMC1入地电流经金属支路全部转移至LCC，两站入地电流大小相等、方向相反，互相抵消后 使ILCC，G=0。t=7～9 s，调 整ILCC，1从4.325 kA 上升 至4.625 kA，IMMC1，1从1.2 kA 上 升 至1.5 kA，则PMMC2，1从1 730 MW 上 升 至1 850 MW，PMMC1，1从460 MW 上升至574 MW。电流调整结果如图5（c）所示，相对于调整前图4（a）所示的情况，调整后三站入地电流为零，MMC2向MMC1支援功率114 MW，弥补了MMC1的功率缺失，且不影响MMC2的正常运行。

5 结语

本文针对并联型三端直流系统受端故障单极退出工况下降低入地电流与减少功率损失存在矛盾的问题，提出了金属支路建立方法与换流站电流调整策略并进行了仿真验证，得到如下结论：

1）利用直流线路/备用线路作为金属支路将故障站中性点与非故障相邻站接地极相连，可在保证故障站功率不进一步损失的前提下，通过协调另一站功率，使三端直流系统入地电流降至1.2 kA 以下长时间运行。本文提出的调整策略相较于“故障站退极”方案，可避免故障站功率进一步损失，相较于“非故障站退极”方案，可减少非故障站的功率损失，有助于减小故障处理过程对受端交流电网断面的影响。

2）当故障站仅有一个相邻站时，采用直流线路与相邻站建立金属支路；当故障站有2 个相邻站时，采用备用线路与相邻站建立金属支路，故障站应该优先选择与送端换流站建立金属支路。

3）三端直流系统在受端单极退出工况下，若含空闲直流线路，所提电流调整策略能够在已有设备的基础上执行；若不含空闲直流线路，为执行所提策略，需要架设备用线路，经济性较差。

对于三端以上直流系统，受端单极退出工况下，或采用所提电流调整策略进行站间功率支援，或将系统解列为“对称双极”和“单极金属回线”子系统，两类处理方案的优劣有待进一步分析研究。