基于LCC-MMC的混合直流输电系统优化控制方法

吴芳柱

(国网南京供电公司，江苏 南京 210012)

0 引 言

国内能源和电力呈分布式布局，一些地区需要以“西电东送”的方式优化能源和电力配置，混合直流输电系统被应用在能源和电力配置工作当中。近年来，随着科技水平的不断提升，混合直流输电系统多次优化升级，如特高压并联型三端混合直流输电系统。该系统通过闭锁前3站的功率参数，实现对系统故障极功率的转换，降低了功率损失[1]。

针对各类故障问题，文献[2]基于脉宽调制型电流源换流器(PWM-CSC)优化了系统运行，通过PWM-CSC，优化系统故障响应功能，通过特定谐波消除法，控制调制和切换脉宽，在依托两相静止坐标系构建数学模型的基础上，实现对电网运行的控制。但系统运行当中存在一些小因素扰动的问题。文献[3]利用换相换流器(LCC)和模块化多电平换流器(MMC)，优化控制系统中存在的各项干扰问题，由此诞生了全新的、具有LCC-MMC共同作用的混合直流输电系统。为了进一步优化系统的获取、识别和维护处理工作，文献[4]基于双树复小波变换方法，优化系统控制策略，该方法根据混合直流输电线路中常见的故障特征，利用电磁暂态仿真模型优化管理参数。文献[5]考虑到计算可处理性和测试输电网扩展规划(TEP)模型性能的能力，详细描述了网络拓扑、发电组合和负荷特性，分析间歇性可再生能源(VRE)(风电和光伏)输出和负荷曲线的全年时间序列。文献[6]比较了2种串并联混合动力电动汽车，使用经验证的电气变量变速器模型，不仅可用于优化内燃机的工作点，还可用于寻找最佳直流母线电压，以优化系统级效率。

基于以上研究成果，本文提出了新的基于LCC-MMC的混合直流输电系统优化控制方法，根据MMC和LCC各自的优缺点，对其进行优化，降低发生故障的可能性，然后将优化后的2个模型应用到混合直流输电系统中，均衡系统的电压，进一步解决更多的系统运行故障问题，保障系统的稳定运行。

1 混合直流输电系统拓扑结构

设该系统的整流站为12脉动LCC，每间安装6脉动换流器，通过YD接线MMC逆变站换流变压器，经高电阻运行,监测故障问题，以并联的方式相互连接，此时的拓扑结构能够传送大容量电荷，同时满足弱交流传送的基本要求[5]。混合直流输电系统的拓扑结构，如图1所示。

图1 系统拓扑结构图

图1中，参数V表示空载线电压；X表示换相电抗；D表示交流电抗器；α表示触发角；I表示运行过程中的直流电流，根据图1设置的拓扑结构，构建数学模型。

2 基于LCC-MMC的换流器数学模型

2.1 LCC数学模型

设置双极间输出直流电压为U。默认整流侧直流电压为U1，已知此次需要安装的整流器为6脉动，计算LCC正常运行状态下的LCC数学模型，为

(1)

假设触发延迟角和触发重叠角分别为α1和α2，根据图1和式(1)，得到LCC整流站数学模型：

(2)

式中：P1、P2分别表示电流I下的有功功率和无功功率；cosθ表示在固定触发角度θ下的功率因数[6]。根据LCC结构特征，完成对LCC数学模型的设计。

2.2 MMC数学模型

结合图1所示的系统逆变站结构，设置j相的桥臂为u和v。已知系统利用M个电路SM子模块串联控制两桥臂，设置2个桥臂的电压和输出电压分别为Uuj、Uvj、Uj，电流和交流侧电流分别为Iuj、Ivj和Ij。根据基尔霍夫电压定律基本计算原理，通过下列方程组计算不同桥臂中经过的电压和电流：

(3)

(4)

式中：auj(t)、avj(t)表示桥臂的常数参数；D0、D表示交流电抗；F表示电阻。

默认桥臂电流与环流方向均为正方向，确定时域范围内的交流侧电流与环流，发现桥臂电压影响上述设置的参数，因此假设导通状态下的桥臂电流与电容电压相关，则存在：

(5)

式中：Ujr(t)表示桥臂r的电容器电压。

根据上述计算过程发现，上、下桥臂可作为2个独立存在的可控电压源，则根据三相静止坐标系的组成，通过下列计算公式描述构建的MMC数学模型：

(6)

式中：a、b、c表示三相。

至此获得MMC数学模型[7]。利用上述两组数学模型，约束混合直流输电系统。

3 混合直流输电系统优化控制方法

3.1 整流侧LCC的优化控制

直流输电换流器多为晶闸管器件，通过控制触发角控制运行状态下的系统电压和功率。换流器按照三相桥式的方式设计电路，利用6个波头的换流器，实现对固定传输周期内，整流电压工作频率的实时控制。当多组换流器以串联、并联协同使用的方式建立工作连接后，换流器形成具有更强控制效果的12脉动[8]。当阳极电压为正时，晶闸管根据电压波动调整运行参数，切换到其他工作状态。由于晶闸管只能单向导通，所以不受触发脉冲直接控制，导通后则一直处于导通状态。在电流减小、阳极电压值小于等于零的情况下，晶闸管根据该电压值将状态切换为关断。要求桥臂的电压差为35°，分别利用“三角星型”接法和“星型”接法控制整流侧直流电压，通过上述接线方式，根据式(1)和式(2)设计的LCC数学模型，实现对整流侧LCC的优化控制。

3.2 逆变侧MMC的优化控制

对于系统自身来说，逆变侧MMC的优化控制工作更为复杂，作为一个非线性系统，其运行稳定性受到了极大干扰。已知MMC与稳定控制系统电压源逆变器(VSC)的拓扑结构一致，所以参考VSC双闭环控制器优化控制逆变侧MMC。根据图1的结构可知，逆变侧MMC由锁相环、坐标变换、瞬时功率计算、内环电流外环功率控制以及触发脉冲生成等模块组成，通过双环控制实时监管内环、外环功率和电流的大小，实现对系统运行参数的跟踪。对于内环电流的控制，依据电压前馈补偿和电流反馈，控制直流输电换流器的输出电压。前馈补偿条件下的输出阀侧电压为

(7)

式中：Vdord、Vqord表示不同端的参考电压；ω表示权重；I1、I2表示外环功率的电流输出控制指令；dpid、dpiq表示控制电流运行过程中，控制器的轴比例系数；Idord、Iqord表示实时电流；diid表示不同方向电流的积分[9]。通过上述函数解耦控制内环电流。

根据系统下发的实时工作指令， MMC会产生2种不同性质的电流(有功和无功)，当MMC连接到强电网时，由于功率变化不会直接影响强电网连接处电压，MMC适用于控制功率。在内环工作状态下，根据MMC的期望电流和控制器结构层，消除稳态误差，所以在稳态条件下，利用下列公式描述交流系统与功率：

(8)

式中：U11、U12表示不同坐标轴的交流母线基波电压；I11、I12表示交流母线基波电流分量。

根据上述公式得到控制器的运行电流给定值，实现逆变侧MMC的优化控制。

3.3 均衡电压

系统能量改变会影响MMC电压值，在增加大量MMC子模块后，会出现不同程度的损耗，使子模块之间的电压值频繁波动，不再以相等的数值出现，这些波动幅度极大的电压值影响系统稳定运行，为此，结合文献[10]提出的均衡控制策略，在监测子模块运行常态电压、各个单元运行电压等级、桥臂电流实时传输方向的前提下，设计一个能量均分控制器[11-13]。假设控制器实时获取MMC的a相子模块电容电压，结合构建的LCC数学模型输出平均电压值和环流值，通过该控制器进行能量均分，公式为

(9)

式中：Q表示电容电压能量均分调制量；Z1、Z2表示不同位置节点处与子模块对应的控制器；I′表示a相环流参考值。

Q′=Q+Q1+Q2

(10)

式中：Q1、Q2表示桥臂电压平衡均量和调制量。

利用MMC消除稳态误差，对混合直流输电系统进行强约束。通过LCC数学模型控制平均电压值和环流值，降低系统能量损耗，从而避免电压值频繁波动，保障系统的稳定运行，同时从直流侧直接充电，减少中间电流转接过程，有利于电压的稳定。利用MMC数学模型计算调制波，通过调制波调节供电量，实现最终的均衡电压[14-15]。

4 应用测试

4.1 试验准备

通过表1所示的参数，搭建仿真测试模型。

表1 系统仿真参数

仿真试验共进行4轮，第1轮仿真整流站交流故障、第2轮仿真逆变站交流故障、第3轮和第4轮分别仿真直流线路单极故障、极间故障。将本文方法与常规方法(基于双树复小波变换的控制方法[4])进行对比，测试不同控制方法对不同系统故障的处理效果。

4.2 结果与分析

4.2.1 整流站交流故障控制效果

第1轮测试。在系统的整流站交流侧仿真a相发生接地故障，要求接地电阻和故障持续时间不小于9.5 Ω和1.5 s。分别利用本文方法和常规方法控制系统混合直流输电，得到的仿真波形如图2所示。

图2 不同方法对整流站交流故障的控制效果

已知从第2.5 s开始，LCC的a相电压开始跌落，触发角也随之改变，最小值仅为4.8°。图2中，曲线a代表本文方法、曲线b代表常规控制方法，比较2组方法控制下的LCC直流电压和MMC直流电压，发现本文方法控制后的电压在5 s内逐渐稳定，系统的直流功率在出现短暂的波动后明显提高，5 s过后恢复到故障之前的状态。常规控制方法，同样在第2.5 s时发现了故障，但在2.5～5 s之间，触发角没有被重新调整到初始值，所以LCC和MMC直流电压一直处于不稳定的状态，导致系统功率一直处于波动较大的状态当中，直至第6 s也没有恢复到稳定状态，说明常规方法的控制效果不够理想。

4.2.2 逆变站交流故障控制效果

第2轮测试。设置MMC-1的ab相间发生接地故障问题，要求电阻和故障持续时间不小于16 Ω和800 ms。分别利用2组方法控制系统输电，得到的测试结果如图3所示。

图3 不同方法对逆变站交流故障的控制效果

已知交流电压和直流电压均从第2 s开始剧烈波动，造成逆变站中的MMC-1传输功率持续降低。当系统输入能量和输出能量之间存在不均衡问题时，会出现电压异常的情况，此时需要将多余的能量传输到MMC-2当中，通过均衡控制系统电压，保证功率维持稳定状态。根据2种方法的控制测试效果可知，本文方法控制下的系统，其输入能量和输出能量实现了互补均衡，但常规控制方法没能在6 s之内均衡输入能量和输出能量。本文方法对于逆变站交流故障问题，有更可靠的控制效果，能够快速解决逆变站交流故障问题。

4.2.3 直流线路单极故障控制效果

第3轮测试。设置MMC-1和MMC-2之间的直流线路突发正极接地故障，要求电阻和故障持续时间不少于12 Ω和800 ms。分别利用2种方法控制系统运行，得到的结果如图4所示。

图4 不同方法对直流线路单极故障的控制效果

根据图4显示的测试结果可知，面对直流线路单极故障问题，本文方法在5 s内快速反应，将LCC和MMC的电流控制在稳定的区间内，而常规方法在同样的测试时间内，没能更有效地控制LCC和MMC的电流，继续下去会影响混合直流输电，最终影响电力负荷配置。

4.2.4 直流线路极间故障控制效果

第4轮测试。设置LCC和MMC-2之间的直流线路突发极间故障，要求电阻和故障持续时间不小于15 Ω和800 ms。测试结果如图5所示。

图5 不同方法对直流线路极间故障的控制效果

根据图5显示的测试结果可知，同样的测试条件下，本文方法对3组电流的控制均有较好的效果，常规控制方法对MMC-2直流电流的控制效果不佳，说明此次研究的方法更满足应用要求。

5 结 语

为了更快地解决混合直流输电系统故障问题，提出了基于LCC-MMC的混合直流输电系统优化控制方法。结合LCC和MMC两个换流器，应用正常运行状态下的LCC数学模型与MMC数学模型，结合逆变侧MMC的锁相环、坐标变换、瞬时功率计算、内环电流外环功率控制以及触发脉冲生成等模块，优化了混合直流输电系统的运行，试验结果表明，应用本文方法可以在较短时间内将LCC和MMC的电流控制在稳定的区间内，能够实现混合直流输电系统优化控制，快速解决输电系统故障。

但是本次研究尚未说明MMC相间环流抑制过程和效果，系统可能出现小干扰失稳现象，今后将针对MMC相间环流抑制的相关问题展开研究，设置合理的控制参数，为稳定系统运行态势，提供更加可靠的控制技术。