基于模塊化多電平換流器的直流融冰裝置饋線潮流控制仿真

班國(guó)邦 牛 唯 楊文勇 李建文 李 戎

基于模塊化多電平換流器的直流融冰裝置饋線潮流控制仿真

班國(guó)邦1,2牛 唯1,2楊文勇1,2李建文3李 戎3

（1. 貴州電網(wǎng)有限公司電力科學(xué)研究院，貴陽(yáng) 550002； 2. 南方電網(wǎng)公司防冰減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴陽(yáng) 550002； 3. 華北電力大學(xué)新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 保定 071003）

本文對(duì)基于模塊化多電平換流器（MMC）的直流融冰裝置進(jìn)行功能拓展，利用其整流側(cè)對(duì)稱的拓?fù)鋵⑵溲诱篂殡p端柔性互聯(lián)裝置，接入配電網(wǎng)對(duì)饋線潮流進(jìn)行控制，靈活改變交流系統(tǒng)電壓、電流使其滿足上層功率指令變化，并在其中一側(cè)交流系統(tǒng)發(fā)生短時(shí)電壓波動(dòng)時(shí)由對(duì)側(cè)方向交流系統(tǒng)提供一定的無(wú)功支撐，在提高配電網(wǎng)供電可靠性的同時(shí)也提高了設(shè)備的利用率。首先對(duì)基于模塊化多電平換流器的直流融冰裝置拓?fù)浼爸绷鱾?cè)整流系統(tǒng)的控制方式進(jìn)行設(shè)計(jì)并加以說(shuō)明，進(jìn)而在仿真平臺(tái)搭建實(shí)際雙端柔性互聯(lián)裝置模型，通過(guò)改變功率參考值及暫時(shí)電壓波動(dòng)得到過(guò)渡過(guò)程的電壓、電流波形，驗(yàn)證直流融冰裝置在融冰期外作為柔性互聯(lián)裝置實(shí)現(xiàn)饋線潮流控制的有效性。

潮流控制；直流融冰；柔性互聯(lián)裝置；模塊化多電平換流器（MMC）

0 引言

冬季輸電線路覆冰嚴(yán)重危害到了供電可靠性，處理不及時(shí)會(huì)造成大面積停電事故，給國(guó)民經(jīng)濟(jì)造成巨大損失[1]。常見(jiàn)的除冰方法有機(jī)械除冰和電流除冰兩種，后者通過(guò)電流產(chǎn)生的熱效應(yīng)除冰，憑借反應(yīng)速度更快且相對(duì)更安全的優(yōu)勢(shì)得到了廣泛應(yīng)用，其中直流融冰相較交流融冰因無(wú)需提供更多的無(wú)功電源而受到更多的青睞[2]。

直流融冰裝置通過(guò)整流電路并入三相交流系統(tǒng)，工作時(shí)通過(guò)短接兩相導(dǎo)線實(shí)現(xiàn)導(dǎo)線發(fā)熱融冰。傳統(tǒng)的整流電路多為基于全控型器件的橋式整流電路，其輸出電流諧波含量較高，功率因數(shù)較低，大多需額外添加功率補(bǔ)償裝置以改善波形。模塊化多電平換流器（modular multilevel converter, MMC）裝置的提出顯著改善了波形質(zhì)量，這種拓?fù)渫ㄟ^(guò)串聯(lián)子模塊提升換流器電壓等級(jí)和容量，降低整流電路對(duì)濾波裝置的需求[3-4]。較傳統(tǒng)的橋式整流電路，MMC多采用雙閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)對(duì)功率的連續(xù)調(diào)節(jié)，其拓?fù)湟子谘诱箻?gòu)成多端網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)柔性直流輸電，使其不僅能在冬季融冰時(shí)使用，在其余時(shí)間還可作為柔性互聯(lián)裝置（flexible interconnection device, FID）實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)交流系統(tǒng)的潮流控制[5]，提供緊急無(wú)功支撐，解決電壓閃變、驟降問(wèn)題，均衡潮流分布以保證配電網(wǎng)的供電可靠性[6-10]，提高裝置的利用率[11]。

1 MMC直流融冰裝置拓?fù)?/h2>

MMC直流融冰裝置拓?fù)淙鐖D1所示，每相分為上、下兩個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂由個(gè)級(jí)聯(lián)的子模塊及濾波電感組成，±·dc為直流母線電壓（kV），三相結(jié)構(gòu)完全對(duì)稱，整流電路通過(guò)繼電保護(hù)裝置并入交流配電網(wǎng)。直流母線電壓兩側(cè)的整流電路完全相同，構(gòu)成雙端FID。

圖1 MMC直流融冰裝置拓?fù)?/p>

2 基于直流融冰FID的基本控制策略

基于MMC拓?fù)涞闹绷魅诒b置采用直接電流控制的矢量控制方法，具有快速的電流響應(yīng)特性和良好的限流能力。矢量控制由外環(huán)控制策略和內(nèi)環(huán)控制策略組成。外環(huán)控制主要包括有功功率類控制和無(wú)功功率類控制[12]，內(nèi)環(huán)控制采用電流控制[13-17]?；贛MC拓?fù)涞闹绷魅诒b置矢量控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 基于MMC拓?fù)涞闹绷魅诒b置矢量控制結(jié)構(gòu)

2.1 功率傳輸原理

柔性直流換流器功率傳輸原理如圖3所示。將換流器看作一個(gè)相位和幅值可調(diào)的交流電壓源。其中電抗為橋臂等效電抗。

圖3 柔性直流換流器功率傳輸原理

由式（2）和式（3）可知，有功功率大小取決于電角度，為正表示換流器發(fā)出有功，為負(fù)表示換流器吸收有功；而無(wú)功功率大小取決于abccos，sabc-abccos為正表示換流器吸收感性無(wú)功，為負(fù)表示換流器發(fā)出無(wú)功。通過(guò)控制與abc便能實(shí)現(xiàn)對(duì)有功和無(wú)功的獨(dú)立控制。

2.2 有功外環(huán)控制

有功類外環(huán)控制包括有功功率控制和直流電壓控制[18]，前者通過(guò)上層傳輸指令實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)有功功率調(diào)節(jié)，后者控制直流母線正負(fù)極間電壓，二者皆輸出電流參考值d軸分量作為電流控制的輸入。有功功率控制和直流電壓控制框圖如圖4所示。

圖4 有功外環(huán)控制框圖

圖4（a）中，ref為功率期望值，為經(jīng)過(guò)一階低通濾波器后的直流極有功功率值，二者的差值通過(guò)PI控制環(huán)節(jié)后限幅生成d軸電流參考值dref。圖4（b）中，dc_ref為總直流電壓期望值，dButter為正負(fù)極直流電壓相減之后經(jīng)二階巴特沃斯低通濾波器的電壓值，二者的差值通過(guò)PI控制環(huán)節(jié)后限幅生成d軸電流參考值dref。

2.3 無(wú)功外環(huán)控制

無(wú)功類外環(huán)控制包括定無(wú)功功率控制和定交流電壓控制[18]，前者以網(wǎng)側(cè)無(wú)功為控制目標(biāo)，后者以網(wǎng)側(cè)電壓為控制目標(biāo)，二者皆輸出電流參考值q軸分量作為電流控制的輸入。無(wú)功功率控制框圖和交流電壓下垂控制示意圖如圖5所示。

圖5（a）中，ref為功率期望值，為經(jīng)過(guò)一階低通濾波器后的網(wǎng)側(cè)無(wú)功功率值，二者的差值通過(guò)PI控制環(huán)節(jié)后限幅生成q軸電流參考值qref。圖5（b）以網(wǎng)側(cè)電壓為目標(biāo)為系統(tǒng)提供無(wú)功支撐，輸出q軸電流參考值qref，其中q∈[0, 1]為電壓幅值下垂系數(shù)，0為電壓下垂曲線電壓幅值初值，0為與其對(duì)應(yīng)的無(wú)功功率參考值。

2.4 電流內(nèi)環(huán)控制

電流內(nèi)環(huán)控制的輸入是功率外環(huán)控制的輸出，電流內(nèi)環(huán)控制的輸出是功率開(kāi)關(guān)管的調(diào)制電壓。電流內(nèi)環(huán)控制是實(shí)現(xiàn)輸出電流無(wú)差跟蹤目標(biāo)電流的環(huán)節(jié)，其邏輯控制框圖如圖6所示。

圖6 電流內(nèi)環(huán)邏輯控制框圖

3 仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證第2節(jié)基于直流融冰FID的控制策略的有效性，在Matlab/Simulink中搭建雙端口FID系統(tǒng)模型，令其在穩(wěn)態(tài)時(shí)交流系統(tǒng)三相電壓平衡，系統(tǒng)仿真參數(shù)及控制側(cè)參數(shù)分別見(jiàn)表1與表2。

表1 系統(tǒng)仿真參數(shù)

表2 系統(tǒng)控制側(cè)參數(shù)

（續(xù)表2）

3.1 有功功率支撐

設(shè)定MMC1外環(huán)為dc控制，MMC2外環(huán)為控制。MMC2的有功功率和無(wú)功功率的參考值分別為0.5p.u.和0.1p.u.，設(shè)置仿真時(shí)長(zhǎng)為2.5s，在=1.5s時(shí)令有功參考值變?yōu)?.8p.u.，圖7～圖9給出了此時(shí)交流與直流系統(tǒng)側(cè)電壓、電流波形，交流側(cè)三相電壓、電流對(duì)稱，以a相為例進(jìn)行分析。

圖7 功率指令變化后MMC1側(cè)交流系統(tǒng)

a相電壓、電流波形

圖8 功率指令變化后MMC2側(cè)交流系統(tǒng)

a相電壓、電流波形

圖9 功率指令變化后直流母線電壓、電流波形

由圖7可知，MMC1側(cè)交流系統(tǒng)電壓在=1.5s時(shí)未發(fā)生變化，MMC1側(cè)電流在=1.5s時(shí)出現(xiàn)波動(dòng)，幅值逐漸變大，在=1.7s時(shí)達(dá)到穩(wěn)定；由圖8可知，MMC2側(cè)交流系統(tǒng)電壓在=1.5s時(shí)未發(fā)生變化，MMC2側(cè)電流在=1.5s時(shí)出現(xiàn)波動(dòng)，幅值逐漸變大，在=1.7s時(shí)達(dá)到穩(wěn)定；由圖9可知，直流母線電壓在=1.5s出現(xiàn)波動(dòng)后迅速回歸穩(wěn)態(tài)電壓值，直流母線電流在=1.5s時(shí)出現(xiàn)波動(dòng)，幅值逐漸變大，在=1.9s時(shí)達(dá)到穩(wěn)定。說(shuō)明基于直流融冰的雙端FID采取合理的控制策略（一端為dc控制，另一端為控制），在有功功率指令發(fā)生變化時(shí)，控制側(cè)能快速將功率變化信號(hào)轉(zhuǎn)化為電流dq軸信號(hào)，進(jìn)而通過(guò)改變電流幅值跟蹤功率，實(shí)現(xiàn)對(duì)有功功率的支撐。

3.2 無(wú)功功率支撐

設(shè)定MMC1外環(huán)為dc控制，MMC2外環(huán)為ref控制。設(shè)置仿真時(shí)長(zhǎng)為8s，在=2.5s時(shí)令MMC2側(cè)交流系統(tǒng)電壓出現(xiàn)暫降，大小降為額定值的90%，持續(xù)時(shí)長(zhǎng)3s，圖10～圖13給出了此時(shí)交流與直流系統(tǒng)側(cè)電壓、電流波形。

圖10 發(fā)生電壓暫降后MMC1側(cè)交流系統(tǒng)

a相電壓、電流波形

圖11 發(fā)生電壓暫降后MMC2側(cè)交流系統(tǒng)

a相電壓波形

圖12 發(fā)生電壓暫降后MMC2側(cè)交流系統(tǒng)

a相電流波形

圖13 發(fā)生電壓暫降后直流母線電壓、電流波形

由圖10可知，MMC1側(cè)交流系統(tǒng)電壓在=2.5s時(shí)未發(fā)生變化，MMC1側(cè)電流在=2.5s時(shí)出現(xiàn)波動(dòng)，幅值先變小再變大，在=2.85s時(shí)達(dá)到穩(wěn)定；由圖11可知，MMC2側(cè)交流系統(tǒng)電壓在=2.5s時(shí)出現(xiàn)暫降，在=4s時(shí)幅值已恢復(fù)至?xí)航登暗姆€(wěn)態(tài)值；由圖12可知，MMC2側(cè)交流系統(tǒng)電流在=2.5s時(shí)出現(xiàn)暫降，在=4s時(shí)幅值已恢復(fù)至?xí)航登暗姆€(wěn)態(tài)值；由圖13可知，直流母線電壓在=2.5s出現(xiàn)微小波動(dòng)，電流在=2.5s增大，二者在=3s時(shí)回歸穩(wěn)態(tài)。說(shuō)明基于直流融冰的雙端FID采取合理的控制策略（一端為dc控制，另一端為ref控制），在交流系統(tǒng)電壓出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，控制側(cè)能快速將電壓變化信號(hào)轉(zhuǎn)化為電流dq軸信號(hào)，通過(guò)直流母線電壓波動(dòng)改變兩個(gè)子系統(tǒng)間的潮流輸送，令無(wú)電壓波動(dòng)的一方增大其電流為電壓暫降系統(tǒng)提供無(wú)功支撐。

4 結(jié)論

在仿真平臺(tái)搭建了基于直流融冰的雙端FID模型，通過(guò)改變有功功率信號(hào)、短時(shí)交流系統(tǒng)電壓波動(dòng)，觀察交流與直流側(cè)電壓、電流波形，得到如下結(jié)論：

1）雙端FID控制策略選取一端為dc控制，另一端為控制，在上層功率指令發(fā)生變化時(shí)，控制側(cè)能快速將功率變化信號(hào)轉(zhuǎn)化為電流dq軸信號(hào)，進(jìn)而通過(guò)改變電流幅值跟蹤功率，實(shí)現(xiàn)對(duì)有功功率的支撐。

2）雙端FID控制策略選取一端為dc控制，另一端為ref控制，在交流系統(tǒng)電壓出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，控制側(cè)能快速將電壓變化信號(hào)轉(zhuǎn)化為電流dq軸信號(hào)，通過(guò)直流母線電壓波動(dòng)改變兩個(gè)子系統(tǒng)間的潮流輸送，令無(wú)電壓波動(dòng)的一方增大其電流為電壓暫降系統(tǒng)提供無(wú)功支撐。

本文對(duì)基于直流融冰的FID采取合理的控制策略，將其與兩個(gè)（或多個(gè)）配電網(wǎng)相連即可實(shí)現(xiàn)功率潮流控制，解決因大量的電力電子裝置接入及用戶負(fù)荷的多樣化帶來(lái)的電壓波動(dòng)、饋線負(fù)荷不均衡等問(wèn)題，在不改變現(xiàn)有配電網(wǎng)架構(gòu)的同時(shí)提高了供電可靠性，也提高了裝置的利用率。

下一步研究與工程化工作：針對(duì)配電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，基于直流融冰FID的抵御能力與功能特性展開(kāi)研究，并盡快開(kāi)展后續(xù)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)工程應(yīng)用，測(cè)試設(shè)備各種性能參數(shù)和配網(wǎng)潮流控制情況。

[1] 許可, 鮮杏, 程杰, 等. 考慮分布式電源接入的中壓配網(wǎng)接線方式研究[J]. 電氣技術(shù), 2015, 16(11): 16-28.

[2] 敬華兵. 兼具多功能的直流融冰技術(shù)及應(yīng)用研究[D].長(zhǎng)沙: 中南大學(xué), 2013: 1-2.

[3] 楊曉峰. 模塊組合多電平換流器(MMC)研究[D]. 北京: 北京交通大學(xué), 2011: 15-17.

[4] 周樂(lè)園. 應(yīng)用于10kV配電網(wǎng)中的雙輸出MMC拓?fù)涞难芯縖D]. 杭州: 浙江大學(xué), 2019: 6-13.

[5] 楊曉峰, 鄭瓊林, 薛堯, 等. 模塊化多電平換流器的拓?fù)浜凸I(yè)應(yīng)用綜述[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2016, 40(1): 1-10.

[6] 王成山, 宋關(guān)羽, 李鵬, 等. 基于智能軟開(kāi)關(guān)的智能配電網(wǎng)柔性互聯(lián)技術(shù)及展望[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2016, 40(22): 168-175.

[7] 汪寶, 匡洪海, 鄭麗平, 等. 分布式發(fā)電與配電網(wǎng)的協(xié)調(diào)發(fā)展與技術(shù)展望[J]. 電氣技術(shù), 2017, 18(3): 5-9.

[8] 王成山, 李鵬, 于浩. 智能配電網(wǎng)的新形態(tài)及其靈活性特征分析與應(yīng)用[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2018, 42(10): 13-21.

[9] 周劍橋, 張建文, 施剛, 等. 應(yīng)用于配電網(wǎng)柔性互聯(lián)的變換器拓?fù)鋄J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2019, 39(1): 277-288.

[10] 祁琪, 姜齊榮, 許彥平. 智能配電網(wǎng)柔性互聯(lián)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2020, 44(12): 4665- 4672.

[11] 班國(guó)邦, 談竹奎, 郝正航, 等. 多能互補(bǔ)柔性互聯(lián)配電網(wǎng)在線融冰方法[J]. 南方電網(wǎng)技術(shù), 2019, 13(9): 43-48.

[12] 劉鐘淇, 宋強(qiáng), 劉文華. 新型模塊化多電平變流器的控制策略研究[J]. 電力電子技術(shù), 2009, 43(10): 5-7, 18.

[13] 沈陽(yáng)武, 彭曉濤, 孫元章. 背靠背雙PWM變流器的協(xié)調(diào)控制策略[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2012, 36(1): 146-152.

[14] 李智誠(chéng), 吳建中, 和敬涵, 等. 軟常開(kāi)點(diǎn)的雙閉環(huán)控制及其在配電網(wǎng)中的應(yīng)用[J]. 智能電網(wǎng), 2013, 1(1): 49-55.

[15] 葉天華. 用于饋線互聯(lián)的模塊化多電平交-交變換器拓?fù)溥x型與控制策略研究[D]. 杭州: 浙江大學(xué), 2018: 17-20.

[16] 王天昊, 李鵬, 于浩, 等. 變結(jié)構(gòu)條件下智能配電軟開(kāi)關(guān)暫態(tài)快速仿真方法[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2018, 42(7): 2279-2285.

[17] 侯立凱. 基于MMC的柔性多狀態(tài)開(kāi)關(guān)控制策略研究[D]. 合肥: 合肥工業(yè)大學(xué), 2020: 18-20.

[18] 賀悝, 李勇, 曹一家, 等. 考慮分布式儲(chǔ)能參與的直流配電網(wǎng)電壓柔性控制策略[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2017, 32(10): 101-110.

Feeder power flow control simulation of direct current ice melting device based on modular multilevel converter

BAN Guobang1,2NIU Wei1,2YANG Wenyong1,2LI Jianwen3LI Rong3

(1. Electric Power Research Insitute of Guizhou Power Grid Co., Ltd, Guiyang 550002; 2. Key Laboratory of Anti-icing and Disaster Reduction of China Southern Power Grid Corporation, Guiyang 550002; 3. State Key Lab of New Energy and Power Systems of North China Electric Power University, Baoding, Hebei 071003)

This paper expands the function of the DC ice melting device based on modular multilevel converter (MMC), uses the symmetrical topology of rectifier side to extend it into a double-ended flexible interconnection device, which is connected to the distribution network to control feeder power flow. The voltage and current of AC system is changed to meet upper-level power command changes. A certain amount of reactive power is provided from the opposite AC system when a short-term voltage fluctuation occurs in one of the AC systems. Thus the reliability of the distribution network’s power supply is improved while the utilization rate of the device is increased. First, topology of the DC ice melting device based on modular multilevel converter and control method of the rectifier side are designed and explained, then a double-ended flexible interconnection device model is built on simulation platform, and the voltage and current waveforms of transition process is obtained by changing power reference value and temporary voltage fluctuations. The results verifiy effectiveness of the DC ice melting as a flexible interconnection device to achieve feeder power flow control outside the ice melting period.

power flow control; direct current ice melting; flexible interconnection device; modular multilevel converter (MMC)

2021-04-09

2021-04-29

班國(guó)邦（1983—），男，貴州省畢節(jié)市人，碩士，高級(jí)工程師，主要從事高電壓技術(shù)及柔性直流配電技術(shù)研究、測(cè)試等工作。

貴州電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目（GZKJXM20182104）