柔性直流輸電系統(tǒng)同極雙閥組直流電壓平衡控制方法

于華龍，黃偉煌，梅紅明，談竹奎，劉靜佳

（1.北京四方繼保自動(dòng)化股份有限公司，北京市 100085；2.南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，廣東省廣州市 510663；3.貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，貴州省貴陽(yáng)市 550002）

0 引言

隨著電力電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，基于模塊化多電平換流器（modular multilevel converter，MMC）拓?fù)涞娜嵝灾绷鬏旊娂夹g(shù)在世界范圍內(nèi)得到了長(zhǎng)足發(fā)展與廣泛應(yīng)用。柔性直流輸電技術(shù)可使當(dāng)前交直流輸電系統(tǒng)面臨的諸多問(wèn)題迎刃而解，為輸電方式變革和構(gòu)建未來(lái)電網(wǎng)提供了新的解決方案［1-4］。

在特高壓直流輸電系統(tǒng)中，送端采用常規(guī)直流換流站，受端采用柔性直流換流站，可以改善逆變側(cè)系統(tǒng)性能，有效降低換相失敗風(fēng)險(xiǎn)［5-6］。此外，每個(gè)換流站均采用雙極雙閥組串聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以有效提高直流電壓等級(jí)、系統(tǒng)輸送容量以及控制靈活性，但同時(shí)也帶來(lái)了一系列技術(shù)問(wèn)題，同極雙閥組直流電壓平衡控制就是其中之一。

處于定直流電壓控制模式的換流站，同極雙閥組均將直流電壓控制至參考值，無(wú)中點(diǎn)電壓不平衡問(wèn)題；處于定有功功率或定直流電流控制模式的換流站，當(dāng)存在同極雙閥組硬件參數(shù)不一致、電流測(cè)量單元采樣有差異等情況時(shí)，將會(huì)引起雙閥組電壓不平衡，若不采取有效措施加以控制，可能導(dǎo)致其中某個(gè)閥組過(guò)壓，出現(xiàn)直流過(guò)電壓保護(hù)動(dòng)作而跳閘的情況［7-8］。

文獻(xiàn)［9-10］分別對(duì)中國(guó)云廣±800 kV特高壓直流輸電工程和錫泰±800 kV特高壓直流輸電工程的常規(guī)直流換流站同極雙閥組的電壓平衡控制問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)描述，并提出了相應(yīng)的電壓平衡控制方法。但MMC換流站與常規(guī)直流換流站不同，常規(guī)直流閥組電壓由觸發(fā)角決定，MMC閥組電壓由子模塊電容電壓與直流調(diào)制系數(shù)共同決定，兩者從主電路拓?fù)涞娇刂品椒ǘ加泻艽髤^(qū)別，因此無(wú)法直接借鑒現(xiàn)有的常規(guī)直流同極雙閥組電壓平衡控制方法，需要研究適用于MMC閥組的同極雙閥組電壓平衡控制方法。文獻(xiàn)［11］針對(duì)MMC換流站內(nèi)串聯(lián)閥組間的直流電壓不平衡問(wèn)題進(jìn)行了分析，并提出了一種基于電壓-功率偏差量的電壓平衡控制策略，但對(duì)于功能投切邏輯和復(fù)雜運(yùn)行工況下的處理方式還需進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化與完善。

針對(duì)這一問(wèn)題與當(dāng)前研究現(xiàn)狀，本文提出了一種適用于柔性直流輸電系統(tǒng)的同極雙閥組電壓平衡控制方法。在柔性直流閥組基本控制策略的基礎(chǔ)上，增加了雙閥組電壓平衡控制環(huán)，對(duì)有功外環(huán)控制、直流側(cè)控制環(huán)進(jìn)行了相應(yīng)的修改與調(diào)整，對(duì)功能投切邏輯進(jìn)行了分析，對(duì)調(diào)整后的控制策略進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，并搭建了PSCAD/EMTDC仿真模型，對(duì)所提出的控制方法進(jìn)行了仿真分析。

1 柔性直流閥組基本控制策略

對(duì)于半橋模塊組成的MMC來(lái)說(shuō)，其額定直流電壓Udc可以表示為:

式中:Vc為子模塊電容電壓平均值；N為一個(gè)橋臂級(jí)聯(lián)的子模塊總數(shù)（不考慮冗余度）。

半橋子模塊無(wú)法輸出負(fù)電平，故要求MMC正常運(yùn)行時(shí)各橋臂調(diào)制波始終大于等于零，以a相上橋臂調(diào)制波upa為例，可以用式（2）［12］表示:

式中:Udiffm為橋臂差模電壓基波峰值；ω為角頻率。

這一約束導(dǎo)致半橋子模塊組成的MMC直流電壓調(diào)節(jié)范圍極小，不具備降壓運(yùn)行的條件。若采用全橋子模塊與半橋子模塊組成混合式MMC，由于全橋子模塊可以輸出負(fù)向電壓，故各橋臂調(diào)制波的取值范圍得以拓寬［13-17］。設(shè)全橋子模塊個(gè)數(shù)為NFB，以a相上橋臂調(diào)制波為例，其約束條件可表示為:

式中:kdc為直流調(diào)制系數(shù)。

定義全橋子模塊比例kFB=NFB/N，MMC輸出電壓調(diào)制比m=2Udiffm/Udc，代入式（3），整理可得:

可見(jiàn)，混合式MMC的直流調(diào)制系數(shù)kdc隨全橋子模塊比例增加，取值范圍逐漸擴(kuò)大。實(shí)際工程中MMC輸出電壓調(diào)制比m≤1，故當(dāng)全橋子模塊比例達(dá)到50%時(shí)（kFB=0.5），混合式MMC可實(shí)現(xiàn)零電壓運(yùn)行。

對(duì)于混合式MMC來(lái)說(shuō)，其額定直流電壓Udc可表示為:

通過(guò)在合適范圍內(nèi)調(diào)節(jié)直流調(diào)制系數(shù)kdc，可以在子模塊電容電壓不變的情況下對(duì)直流電壓進(jìn)行控制。因此，混合式MMC的控制可分為交流側(cè)控制器和直流側(cè)控制器2個(gè)部分，如附錄A圖A1所示。

交流側(cè)控制器由交流外環(huán)與交流內(nèi)環(huán)組成［18］。交流外環(huán)分為有功類控制環(huán)與無(wú)功類控制環(huán)，有功類外環(huán)根據(jù)控制模式閉環(huán)控制直流電流或直流電壓，無(wú)功類外環(huán)根據(jù)控制模式閉環(huán)控制無(wú)功功率或交流電壓；交流內(nèi)環(huán)包括鎖相環(huán)、坐標(biāo)變換、dq軸電流閉環(huán)控制等部分，根據(jù)交流外環(huán)計(jì)算得到的dq軸電流參考值，生成對(duì)應(yīng)的交流調(diào)制波。

直流側(cè)控制器采用了直流電流裕度控制［19-22］:在穩(wěn)態(tài)工況下，直流電流跟隨參考值變化，在直流電流裕度作用下，直流調(diào)制系數(shù)kdc的比例-積分（PI）控制器向上積分至1，直流電壓、直流電流由交流側(cè)控制接管；在暫態(tài)工況下，直流電流與參考值產(chǎn)生較大偏差，直流調(diào)制系數(shù)kdc迅速下降，從而降低直流電壓，穩(wěn)定直流電流。全橋MMC基本控制架構(gòu)如附錄A圖A2所示。

同極雙閥組電壓平衡控制主要與有功類控制和直流側(cè)控制有關(guān)，在此對(duì)上述兩控制環(huán)進(jìn)行進(jìn)一步說(shuō)明。

1.1 有功外環(huán)控制

對(duì)于定直流電壓控制模式的雙閥組串聯(lián)換流站，高低閥組均直接控制直流電壓至額定值，無(wú)直流電壓不平衡問(wèn)題，因此，同極雙閥組電壓平衡控制功能僅需要配置在定直流電流控制模式的雙閥組串聯(lián)換流站。在此，針對(duì)有功外環(huán)控制進(jìn)行進(jìn)一步說(shuō)明。

有功外環(huán)控制器采用標(biāo)幺化控制，d軸電流參考 值Id，ref由2個(gè) 部 分 組 成:①d軸 電 流 前 饋，由 直 流電流參考標(biāo)幺值Idc，ref，pu、直流調(diào)制系數(shù)kdc和網(wǎng)側(cè)交流電壓d軸正序分量標(biāo)幺值Vs，d，P計(jì)算得出；②直流電流閉環(huán)PI控制器輸出。這種控制方式可以同時(shí)保證直流電流外環(huán)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度與穩(wěn)態(tài)控制精度。有功外環(huán)控制框圖詳見(jiàn)附錄A圖A3。

1.2 直流側(cè)控制

直流側(cè)控制器采用直流電流裕度控制，直流電流裕度Idc，mar一般設(shè)置為0.1 p.u.。在穩(wěn)態(tài)工況下，直流電流實(shí)際值跟隨參考值，在電流裕度作用下，PI控制器輸入Idc，diff與直流電流裕度基本相等，約為0.1 p.u.，始終為正值，PI控制器輸出達(dá)到上限，使直流調(diào)制系數(shù)kdc為1，直流電壓達(dá)到額定值；在暫態(tài)工況下，例如直流線路故障時(shí)，直流電流涌入故障點(diǎn)，實(shí)際值與參考值產(chǎn)生較大偏離，超出電流裕度范圍時(shí)，直流調(diào)制系數(shù)在PI控制器作用下迅速減小，達(dá)到快速降低直流電壓、減小故障電流的目的。直流側(cè)控制框圖詳見(jiàn)附錄A圖A4。

2 同極雙閥組電壓平衡控制方法

2.1 設(shè)計(jì)思想

導(dǎo)致柔性直流定功率（電流）控制的換流站串聯(lián)雙閥組直流電壓不平衡的原因較多，如一次設(shè)備參數(shù)不一致、測(cè)量誤差、計(jì)算誤差等［11］，即便保證了控制系統(tǒng)計(jì)算精度與控制參數(shù)一致性，一次設(shè)備參數(shù)的差異以及測(cè)量單元的誤差仍將客觀存在且無(wú)法徹底消除。而根據(jù)式（1）可知，閥組直流電壓由子模塊電容電壓與直流調(diào)制系數(shù)決定，將兩閥組直流電壓差引入控制系統(tǒng)中，通過(guò)有功外環(huán)與直流側(cè)控制環(huán)對(duì)子模塊電容電壓與直流調(diào)制系數(shù)進(jìn)行調(diào)整，可以實(shí)現(xiàn)兩串聯(lián)閥組的直流電壓平衡控制。據(jù)此提出同極雙閥組電壓平衡控制的設(shè)計(jì)思想如下:

1）根據(jù)運(yùn)行模式、解閉鎖狀態(tài)、旁路開(kāi)關(guān)合分位等信號(hào)生成閥組均壓使能信號(hào)，實(shí)現(xiàn)該功能在不同工況下的自動(dòng)投退；

2）增加直流電壓平衡控制環(huán)，通過(guò)兩閥組直流電壓差計(jì)算d軸電流調(diào)整量與直流調(diào)制系數(shù)調(diào)整量；

3）修改有功外環(huán)，引入d軸電流均壓調(diào)整量，從而對(duì)子模塊電容電壓進(jìn)行調(diào)整；

4）修改直流側(cè)控制環(huán)，引入直流調(diào)制系數(shù)均壓調(diào)整量，從而對(duì)直流調(diào)制系數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

2.2 使能信號(hào)

同極雙閥組電壓平衡控制功能并非在每一個(gè)閥組中均投入使用，也并非在閥組處于解鎖狀態(tài)時(shí)一直投入使用，否則可能造成控制系統(tǒng)的不正常運(yùn)行，偏離預(yù)期的控制效果。因此，需要根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行工況對(duì)電壓平衡控制功能是否使能進(jìn)行判斷。該功能投入使用需同時(shí)滿足如下條件:

1）電壓平衡控制僅在定有功功率（直流電流）模式的換流站中使能；

2）電壓平衡控制僅在同極雙閥組的某一個(gè)閥組（不妨設(shè)為高閥組）的控制中使能；

3）電壓平衡控制在同極雙閥組均處于解鎖狀態(tài)時(shí)使能；

4）電壓平衡控制在同極雙閥組旁路開(kāi)關(guān)均處于分位狀態(tài)時(shí)使能；

5）定義閥組從解鎖到直流電壓爬升至0.9 p.u.的過(guò)程為啟動(dòng)過(guò)程，電壓平衡控制在同極雙閥組均不處于啟動(dòng)過(guò)程時(shí)使能。

生成同極雙閥組電壓平衡控制使能信號(hào)的邏輯詳見(jiàn)附錄A圖A5。

2.3 電壓平衡控制

在穩(wěn)態(tài)工況下，直流調(diào)制系數(shù)kdc為1，直流電壓、直流電流由交流側(cè)控制接管，閥組均壓調(diào)整量需疊加在直流電流外環(huán)控制器中，對(duì)d軸電流參考值Id，ref進(jìn)行調(diào)整，改變子模塊電容電壓平均值Vc，實(shí)現(xiàn)對(duì)閥組直流電壓的修正；在暫態(tài)工況下，直流電流參考值與實(shí)際值產(chǎn)生偏差，直流側(cè)控制器調(diào)整kdc穩(wěn)定直流電流，此時(shí)閥組直流電壓由直流調(diào)制系數(shù)決定，閥組均壓調(diào)整量需疊加在直流側(cè)控制器中，通過(guò)直流調(diào)制系數(shù)kdc實(shí)現(xiàn)對(duì)閥組直流電壓的修正。因此，在閥組基本控制中增加閥組均壓調(diào)整量控制環(huán)，如圖1所示。

圖1 閥組均壓調(diào)整量計(jì)算Fig.1 Voltage balance adjustment calculation for valve group

設(shè)計(jì)比例系數(shù)Kr，當(dāng)直流側(cè)PI控制器輸入Idc，diff≥0.05時(shí)（直流電流裕度為0.1），認(rèn)為MMC處于穩(wěn)態(tài)工況，比例系數(shù)Kr由當(dāng)前值按設(shè)定速率爬升至1；當(dāng) 直 流 側(cè)PI控 制 器 輸 入Idc，diff＜0.05時(shí)，認(rèn) 為MMC處于暫態(tài)工況，比例系數(shù)Kr由當(dāng)前值按設(shè)定速率下降至0。取高閥組直流電壓標(biāo)幺值Udc，high，pu與 低 閥 組 直 流 電 壓 標(biāo) 幺 值Udc，low，pu之 差Udc，delta作 為輸入，經(jīng)過(guò)PI控制器后（其比例系數(shù)和積分系數(shù)分別為kp和ki）與比例系數(shù)Kr相乘得到d軸電流參考值調(diào)整量Id，ref，bal，與1?Kr相乘得到直流電流參考值調(diào)整量Idc，ref，bal。其中，比例系數(shù)Kr的作用在于:

1）當(dāng) 閥 組 處 于 穩(wěn) 態(tài) 工 況 時(shí)，Idc，ref，bal在 比 例 系 數(shù)作用下被清零，通過(guò)Id，ref，bal作用于交流側(cè)控制實(shí)現(xiàn)閥組電壓平衡；

2）當(dāng)閥組處于暫態(tài)工況時(shí)，Id，ref，bal在比例系數(shù)作用下被清零，通過(guò)Idc，ref，bal作用于直流側(cè)控制實(shí)現(xiàn)閥組電壓平衡；

3）當(dāng)閥組處于穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)工況之間的過(guò)渡過(guò)程中時(shí)，通過(guò)對(duì)Kr的變化速率限制避免了閥組電壓平衡控制模式切換對(duì)控制系統(tǒng)的階躍性沖擊，實(shí)現(xiàn)了閥組電壓平衡控制模式的平滑切換。

對(duì)于高閥組來(lái)說(shuō)，有功外環(huán)控制中直流電流閉環(huán)PI控制器輸出由d軸電流參考值調(diào)整量Id，ref，bal取代，與d軸電流前饋疊加后得到高閥組的d軸電流參考值Id，ref，如圖2所示。低閥組有功外環(huán)控制保持原控制方式不變。

圖2 修改后的有功外環(huán)控制器Fig.2 Modified outer loop controller of active power

同時(shí)，高閥組直流側(cè)控制器中疊加直流電流參考 值 調(diào) 整 量Idc，ref，bal，如 圖3所 示，其 中Idc，pu為 直 流 電流實(shí)際值的標(biāo)幺值。低閥組直流側(cè)控制器保持原控制方式不變。

圖3 修改后的直流側(cè)控制器Fig.3 Modified DC-side controller

通過(guò)上述控制策略的設(shè)計(jì)與調(diào)整，即可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)與暫態(tài)工況下柔性直流輸電系統(tǒng)同極雙閥組的直流電壓平衡。此控制方法將高閥組控制目標(biāo)由定電流控制調(diào)整為直流電壓平衡控制，與定電壓控制模式類似，僅對(duì)外環(huán)控制器進(jìn)行了修改與調(diào)整，不涉及內(nèi)環(huán)控制器，不會(huì)導(dǎo)致改進(jìn)后的控制系統(tǒng)穩(wěn)定性存在較大差異。

3 仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證控制策略的有效性，在PSCAD/EMTDC環(huán)境中搭建了單極雙閥組串聯(lián)三端混合直流輸電控制保護(hù)系統(tǒng)模型［23-25］，主電路拓?fù)淙鐖D4所示。

圖4 仿真模型主電路拓?fù)銯ig.4 Main circuit topology of simulation model

送端電網(wǎng)換相換流器（line commutated converter，LCC）站采用雙12脈動(dòng)常規(guī)直流閥組串聯(lián)結(jié)構(gòu)，受端MMC1站、MMC2站均為柔性直流閥組串聯(lián)結(jié)構(gòu)。其中，MMC2站為定直流電壓控制模式，因此，柔性直流閥組電壓平衡控制應(yīng)用在定有功功率控制模式的MMC1站中。

在PSCAD中模擬單極雙閥組滿功率運(yùn)行工況，LCC站直流電壓為800 kV，MMC1站同極雙閥組直流電壓如圖5所示。閥組電壓平衡控制未投入時(shí)，MMC1站高閥組電壓較高、低閥組電壓較低，相差約40 kV；仿真時(shí)間第8 s時(shí)，閥組電壓平衡控制投入，MMC1站高低閥組電壓差明顯減小，在1 s內(nèi)便達(dá)到穩(wěn)態(tài)，實(shí)現(xiàn)了雙閥組電壓平衡。

圖5 穩(wěn)態(tài)工況閥組電壓平衡控制仿真波形Fig.5 Simulation waveforms of voltage balance control of valve group under steady-state operation condition

在PSCAD中模擬LCC站高閥組退出、低閥組單獨(dú)運(yùn)行以及MMC1站和MMC2站雙閥組運(yùn)行工況，暫態(tài)工況主電路拓?fù)淙绺戒汚圖A6所示。

LCC站高閥組退出運(yùn)行后，低閥組直流電壓過(guò)高，進(jìn)入定直流電壓控制模式，將直流電壓控制在1.03 p.u.即412 kV左右；MMC1站、MMC2站 直流電流將迅速減小，超過(guò)電流裕度后，進(jìn)入定直流電流控制模式，通過(guò)調(diào)節(jié)直流調(diào)制系數(shù)將直流電流穩(wěn)定在0.9 p.u.。

在上述暫態(tài)工況下，無(wú)直流電壓平衡控制時(shí)，MMC1站同極雙閥組直流電壓如圖6（a）所示，7.5 s時(shí)LCC站高閥組退出運(yùn)行，同時(shí)均壓控制功能退出，MMC1站高、低閥組直流電壓開(kāi)始出現(xiàn)偏差，且偏差呈現(xiàn)增大趨勢(shì)；有直流電壓平衡控制時(shí)，MMC1站同極雙閥組直流電壓如圖6（b）所示，7.5 s時(shí)LCC站高閥組退出運(yùn)行，在直流調(diào)制系數(shù)下降及穩(wěn)定的過(guò)程中，MMC1站高、低閥組直流電壓始終保持平衡，說(shuō)明該控制方法在暫態(tài)工況下具有良好的控制效果。

通過(guò)仿真分析可見(jiàn)，本文提出的柔性直流輸電同極雙閥組電壓平衡控制方法在穩(wěn)態(tài)工況與暫態(tài)工況下均可實(shí)現(xiàn)閥組電壓平衡，證明了該控制方法的有效性。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)柔性直流輸電定有功功率模式換流站同極雙閥組電壓不平衡的問(wèn)題，本文基于柔性直流閥組的基本控制策略，提出了柔性直流輸電同極雙閥組電壓平衡控制方法，對(duì)控制環(huán)的設(shè)計(jì)與修改進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明。

圖6 暫態(tài)工況閥組電壓平衡控制仿真波形Fig.6 Simulation waveforms of voltage balance control of valve group under transient-state operation condition

此控制方法可應(yīng)用于全橋子模塊或混合子模塊構(gòu)成的柔性直流輸電系統(tǒng)同極雙閥組的電壓平衡控制，若閥組由半橋子模塊構(gòu)成，由于不存在直流側(cè)控制，則僅對(duì)其中的交流側(cè)有功外環(huán)進(jìn)行修改即可實(shí)現(xiàn)電壓平衡控制。此方法對(duì)其他換流站拓?fù)錄](méi)有要求，可應(yīng)用于采用雙閥組串聯(lián)的柔性直流輸電系統(tǒng)或含常規(guī)直流換流站的混合直流輸電系統(tǒng)。通過(guò)在PSCAD/EMTDC環(huán)境下建模仿真，證明了此控制方法在穩(wěn)態(tài)工況與暫態(tài)工況下均具有良好的電壓平衡控制效果，為采用柔性直流雙閥組串聯(lián)拓?fù)涞奶馗邏褐绷鬏旊姽こ探ㄔO(shè)提供了理論基礎(chǔ)與技術(shù)支撐。

此控制方法與換流站極層控制策略有一定相關(guān)性，若采用裕度控制以外的其他控制方法，需對(duì)電壓平衡控制方法進(jìn)行有針對(duì)性的調(diào)整與完善。

作者貢獻(xiàn)聲明

于華龍主要負(fù)責(zé)論文研究背景的調(diào)查研究，提出了論文的研究目標(biāo)與思路，設(shè)計(jì)控制方法并進(jìn)行理論分析，搭建了仿真模型并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，撰寫(xiě)了論文初稿。黃偉煌負(fù)責(zé)論文背后的項(xiàng)目管理以及獲取資助等事宜，提供了論文研究所需的資源，并參與了結(jié)果驗(yàn)證的相關(guān)工作。梅紅明主要負(fù)責(zé)論文背后的項(xiàng)目管理工作，監(jiān)督和指導(dǎo)了論文的撰寫(xiě)，并對(duì)論文進(jìn)行了審閱與修訂。談竹奎主要負(fù)責(zé)提供論文研究所需的資源以及論文終稿的審閱及修訂。劉靜佳主要負(fù)責(zé)論文研究背景的調(diào)查研究，以及使用仿真軟件為論文提供仿真數(shù)據(jù)，使得論文成果可以得到驗(yàn)證。

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