王炳輝，黃天嘯，吳 濤，謝 歡，劉海濤，李善穎

（1.國網(wǎng)冀北電力有限公司電力科學(xué)研究院,北京市100045；2.國網(wǎng)冀北電力有限公司電力調(diào)度控制中心,北京市100053）

0 引言

模塊化多電平換流器（MMC）作為一種電力電子化的電源,具有開關(guān)損耗小、波形質(zhì)量高、故障處理能力強(qiáng)、可快速調(diào)節(jié)有功和無功功率的特點(diǎn),兼具可靠性和靈活性,在高電壓大功率的柔性直流輸電場景中得到了廣泛應(yīng)用［1-5］。MMC柔性直流換流站與有源交流電網(wǎng)連接時(shí),在交流電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落或升高的工況下,若能發(fā)揮MMC快速調(diào)節(jié)無功功率的優(yōu)勢,像接入電網(wǎng)運(yùn)行的發(fā)電廠、變電站一樣按電網(wǎng)調(diào)度機(jī)構(gòu)確定的電壓運(yùn)行范圍進(jìn)行調(diào)節(jié),將有利于電力系統(tǒng)無功功率的分層分區(qū)和就地平衡,提高電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行水平。文獻(xiàn)［6］指出在輕/重負(fù)荷工況下柔性直流與傳統(tǒng)無功源協(xié)調(diào)控制能夠有效提高受端城市電網(wǎng)的無功電壓質(zhì)量。MMC柔性直流換流站電路拓?fù)渲饕陕?lián)接變壓器、橋臂電抗器、MMC等一次設(shè)備構(gòu)成［7］,換流站的無功輸出受MMC內(nèi)部電動勢、當(dāng)前有功負(fù)荷、調(diào)制比、自身耐過流能力等因素的制約,且與MMC的無功控制方式直接相關(guān)［8-10］。如何在保證MMC柔性直流換流站穩(wěn)定運(yùn)行的前提下充分發(fā)揮其對系統(tǒng)無功電壓的支撐能力,設(shè)計(jì)靈活平滑的無功控制策略成為實(shí)現(xiàn)柔性直流輸電場景網(wǎng)源協(xié)調(diào)的題中之義。

穩(wěn)態(tài)工況下,MMC常常采用內(nèi)外環(huán)解耦的分層無功控制方式［7,11］,其中外環(huán)為定交流電壓（Uac）控制或定無功功率（Q）控制響應(yīng)自動電壓控制（AVC）指令,內(nèi)環(huán)則采用定電流（Iq）控制生成MMC調(diào)制波。暫態(tài)工況下,針對MMC無功控制的研究主要從系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)或從換流器內(nèi)部元器件能力角度對穩(wěn)態(tài)工況下的控制方式進(jìn)行改良。文獻(xiàn)［10,12］分別提出了根據(jù)交流系統(tǒng)電壓跌落程度線性補(bǔ)償MMC無功電流的思路；文獻(xiàn)［13］研究了三端柔性直流輸電場景下交流側(cè)故障情形,受端換流器采用定無功功率控制并根據(jù)交流系統(tǒng)電壓變化及時(shí)計(jì)算調(diào)整無功功率；文獻(xiàn)［14］研究了受端電網(wǎng)故障時(shí)的柔性直流換流器穿越策略,指出在定交流電壓控制基礎(chǔ)上優(yōu)化故障期間的無功控制目標(biāo)、無功電流限值、進(jìn)入低電壓穿越及恢復(fù)的電壓閾值能夠提高系統(tǒng)的暫態(tài)特性。

值得注意的是,MMC定無功控制和定交流電壓控制雖然能在穩(wěn)態(tài)工況下實(shí)現(xiàn)換流站無功功率的平穩(wěn)調(diào)節(jié),但暫態(tài)工況下卻無法滿足無功輸出的靈活性、平滑性和安全性要求。這是因?yàn)楫?dāng)采用定Q控制時(shí),暫態(tài)工況下不能發(fā)揮柔性直流換流站暫態(tài)無功能力,從提高交流系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的角度出發(fā),無功控制目標(biāo)一般應(yīng)選擇交流電壓［14］。但當(dāng)采用定Uac控制且其比例-積分（PI）環(huán)節(jié)的比例系數(shù)和積分系數(shù)設(shè)定時(shí),若暫態(tài)工況下電壓跌落程度過大,則其經(jīng)PI環(huán)節(jié)累積后會產(chǎn)生較大的沖擊控制信號,即電壓瞬變場景抗擾動能力差,而且在故障清除后,積分環(huán)節(jié)狀態(tài)變量須經(jīng)歷過渡過程才能達(dá)到穩(wěn)態(tài),可能導(dǎo)致發(fā)生暫態(tài)過電壓。雖然可通過調(diào)節(jié)PI環(huán)節(jié)參數(shù)降低定Uac控制的暫態(tài)沖擊響應(yīng),卻無法消除暫態(tài)后過電壓。

此外,當(dāng)交流系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí),系統(tǒng)產(chǎn)生的故障電流或MMC提供的無功電流都可能導(dǎo)致MMC出現(xiàn)過電流［10,14］,而MMC由絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）、二極管和電容器構(gòu)成的子模塊組成［15］,不具備過流能力［16］,因此MMC不過流是柔性直流換流站在提供暫態(tài)無功支撐時(shí)的重要約束。文獻(xiàn)［10,12-14］在系統(tǒng)故障過程中通過d q解耦獨(dú)立控制內(nèi)環(huán)有功電流、無功電流的參考值,盡可能提供無功電流為系統(tǒng)提供支撐,有功電流則受制于MMC允許的最大電流容量。但該最大電流一般以系統(tǒng)交流電流為參考,而工程上MMC發(fā)出的無功功率要受到IGBT允許電流、直流電壓和直流電流的限制［10］,于是在處理暫態(tài)無功支撐MMC過電流問題時(shí)須將交流電流和直流電流綜合考慮。

基于定無功控制不能發(fā)揮暫態(tài)無功能力、定交流電壓控制瞬變抗擾動能力不足且可能產(chǎn)生暫態(tài)過電壓、MMC過電流約束須將交流電流和直流電流綜合考慮等問題,本文設(shè)計(jì)了兼具靈活性、平滑性和安全性的MMC柔性直流換流站無功控制策略,并以中國張北±500 kV四端柔性直流電網(wǎng)工程為例仿真驗(yàn)證所設(shè)計(jì)策略的可行性。

1 兼顧暫穩(wěn)態(tài)工況的無功級聯(lián)控制策略

一般地,MMC定交流電壓控制和定無功控制為一組互不兼容的控制目標(biāo)。為兼顧穩(wěn)態(tài)工況可采用定無功控制方式,同時(shí)避免采用定Uac控制時(shí)可能產(chǎn)生的瞬間沖擊響應(yīng),將MMC無功控制方式設(shè)計(jì)成外環(huán)由定Uac控制和定Q控制級聯(lián)的方式（以下簡稱無功級聯(lián)控制）,即將外環(huán)定Uac控制環(huán)的輸出作為定Q控制環(huán)的參考信號,定Q控制環(huán)的輸出再為內(nèi)環(huán)定Iq控制提供參考信號。該種控制方式下,穩(wěn)態(tài)工況時(shí)可由AVC給定電壓指令實(shí)現(xiàn)無功調(diào)整,暫態(tài)時(shí)可根據(jù)系統(tǒng)電壓跌落程度自主響應(yīng)提供無功支撐,并且無功級聯(lián)控制與常規(guī)的定Uac控制相比,該種控制結(jié)構(gòu)相當(dāng)于增加了一個(gè)PI環(huán)節(jié),第2個(gè)PI的積分環(huán)節(jié)有利于延緩可能產(chǎn)生的暫態(tài)沖擊響應(yīng),同時(shí)把實(shí)時(shí)無功功率加入反饋控制,有利于結(jié)合柔性直流換流站的無功能力限值進(jìn)行限幅調(diào)節(jié),提高系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行能力?？刂瓶驁D如圖1所示。

圖1中,Uac,ref、Qref、Iq,ref分別為定Uac控制環(huán)、定Q控制環(huán)和定Iq控制環(huán)的參考信號；Uac、Q、Iq分別為實(shí)際的交流電壓、無功功率和交流電流；Qref,min和Qref,max分別為柔性直流換流站的無功能力范圍下限和上限。

圖1 無功級聯(lián)控制內(nèi)外環(huán)框圖Fig.1 Block diagram of internal and external loops of reactive cascaded control

對一個(gè)額定直流電壓為500 k V的MMC換流器通過額定運(yùn)行工況下的交流電壓階躍測試驗(yàn)證上述控制策略的合理性,結(jié)果如圖2所示。

圖2 無功級聯(lián)控制方式下的U ac階躍測試Fig.2 U ac step test under reactive cascaded control

由圖2可知,無功級聯(lián)控制方式下Uac階躍響應(yīng)時(shí)間為百毫秒級,Q和Iq的響應(yīng)時(shí)間為毫秒級,且各控制環(huán)均未產(chǎn)生瞬間沖擊信號。由此表明,所設(shè)計(jì)的控制策略既能快速調(diào)節(jié)無功輸出,又能抑制交流電壓瞬間突變引起的沖擊響應(yīng),能夠兼具靈活性和平滑性。

2 帶橋臂電流輔助控制和故障后瞬間積分清零重置的定U ac控制

對于MMC而言,其橋臂由多個(gè)相同的子模塊串聯(lián)構(gòu)成,各子模塊由IGBT和電容器構(gòu)成半橋型、全橋型、鉗位雙子模塊型結(jié)構(gòu)等形式［17］,其中半橋型MMC拓?fù)淙鐖D3所示。

由圖3可知,與MMC有關(guān)的電流包括流過各子模塊的電流（即橋臂電流iarm）、MMC交流側(cè)電流（即換流變閥側(cè)電流iv）和直流母線電流Idc。理想情況下,三者關(guān)系可表示為［18］（正負(fù)號分別對應(yīng)上橋臂、下橋臂）:

三者有效值Iarm、Iv、Idc的關(guān)系可表示為:

圖3 半橋型MMC示意圖Fig.3 Schematic diagram of half-bridge MMC

由圖3及式（1）、式（2）可知,橋臂電流包含了iv和Idc在內(nèi)的電流信息,其有效值Iarm的大小直觀反映了MMC自身電力電子器件是否正常運(yùn)行,反映了MMC交流側(cè)、直流側(cè)及自身橋臂的過電流水平。因此,可依據(jù)橋臂電流評估柔性直流換流站提供無功支撐時(shí)的MMC設(shè)備耐受能力。

借鑒發(fā)電機(jī)組勵磁控制系統(tǒng)的過勵限制器設(shè)計(jì)思路,在定Uac控制環(huán)節(jié)中附加MMC橋臂電流輔助控制環(huán)節(jié),以限制提供無功支撐時(shí)可能導(dǎo)致的MMC過電流。MMC橋臂電流輔助控制環(huán)節(jié)通過低通競比門介入定Uac控制主環(huán),即比較主環(huán)輸出與輔助環(huán)節(jié)輸出,取其中較小者作為級聯(lián)定Q控制環(huán)參考信號。正常工況下,輔助環(huán)節(jié)因橋臂電流小于整定值（一般為額定值1.0（標(biāo)幺值）左右）而輸出大的正數(shù),對柔性直流換流站無功輸出無影響；只有當(dāng)橋臂電流增加到接近或大于整定值時(shí),輔助環(huán)節(jié)輸出較小的正數(shù)甚至負(fù)數(shù)小于主環(huán)輸出時(shí),通過低通競比門切換主輔控制,限制MMC橋臂電流到允許范圍以內(nèi)。為避免暫態(tài)過程中主輔控制環(huán)頻繁切換,輔助控制環(huán)節(jié)應(yīng)設(shè)置一定的動作死區(qū)。

為抑制故障清除后系統(tǒng)恢復(fù)過程中可能出現(xiàn)的交流系統(tǒng)過電壓,為定Uac主環(huán)控制的PI環(huán)節(jié)設(shè)置故障后依據(jù)Uac有效值變化率大小判斷的瞬間積分清零重置控制。該瞬間積分清零重置控制只在故障清除瞬間發(fā)生作用,將定Uac主環(huán)提供的無功支撐由(Uac,ref?Uac)(KpU+∫KiUd u)瞬 間 減 小 為(Uac,ref?Uac)KpU,其中KpU和KiU分別為定Uac控制環(huán)PI環(huán)節(jié)的比例系數(shù)和積分系數(shù),即在故障清除瞬間消除積分環(huán)節(jié)的過渡過程,因此有利于暫態(tài)后Q和Uac盡快恢復(fù)至穩(wěn)態(tài)運(yùn)行值。該帶橋臂電流輔助控制和故障后瞬間積分清零重置的定Uac控制框圖如圖4所示。

圖4 無功級聯(lián)控制中定U ac控制環(huán)框圖Fig.4 Block diagram of constant U ac control loop in reactive cascaded control

圖4中,SReset為定Uac控制主環(huán)故障后瞬間積分清零重置信號,根據(jù)故障后Uac有效值的變化率d Uac/d t進(jìn)行判斷,若d Uac/d t大于閾值d Uac/d tmin（一般結(jié)合工程運(yùn)行要求設(shè)定）,則將SReset由0設(shè)置為1觸發(fā)積分清零,并設(shè)置采樣保持環(huán)節(jié)防止清零信號反復(fù)跳變；Iarm,max為MMC橋臂最大允許過流值；Iarm,h和Iarm,l分別為橋臂電流控制死區(qū)上、下限值（此范圍內(nèi)Iarm將處于保持狀態(tài),否則采樣）；KpI為橋臂電流輔助控制的比例增益；Sout,U和Sout,I分別為定Uac主環(huán)和橋臂電流輔環(huán)產(chǎn)生的參考信號,二者競比輸出級聯(lián)定Q控制環(huán)參考信號Qref；Sout,U,max和Sout,U,min為定Uac主環(huán)輸出限幅。

3 無功級聯(lián)控制策略

將帶橋臂電流輔助控制和故障后瞬間積分清零重置的定Uac控制和定Q控制級聯(lián),得到MMC柔性直流換流站無功控制策略總框圖如圖5所示。

圖5 MMC柔性直流換流站無功級聯(lián)控制總框圖Fig.5 Overall block diagram of reactive cascaded control in MMC flexible DC converter station

由圖5可知,該種控制策略將交流電壓、無功功率均引入反饋控制,穩(wěn)態(tài)工況下可按照AVC下發(fā)的定電壓指令調(diào)整無功功率,暫態(tài)工況下級聯(lián)的控制結(jié)構(gòu)有利于延緩可能產(chǎn)生的暫態(tài)沖擊響應(yīng),可結(jié)合MMC設(shè)備耐受能力根據(jù)系統(tǒng)電壓跌落程度自主響應(yīng)提供無功支撐,并且故障后瞬間積分清零重置控制將加快系統(tǒng)電壓和無功功率恢復(fù)至穩(wěn)態(tài)值。

4 仿真驗(yàn)證

4.1 仿真模型

張北±500 k V四端柔性直流電網(wǎng)工程（以下簡稱張北柔性直流工程）是世界上首個(gè)500 k V級網(wǎng)絡(luò)化柔性直流電網(wǎng)工程,包含構(gòu)成環(huán)網(wǎng)的張北、康保、豐寧、北京共4個(gè)換流站,各換流站均采用對稱真雙極MMC結(jié)構(gòu)［19］,本文以該工程為例驗(yàn)證無功級聯(lián)控制策略的有效性。工程示意圖如附錄A圖A1所示。

如附錄A圖A1所示,送端張北換流站、康保換流站為新能源匯集站,可孤島或聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行,上送本地區(qū)的風(fēng)電、光伏等新能源出力；豐寧換流站為柔性直流電網(wǎng)的調(diào)節(jié)站,負(fù)責(zé)維持整個(gè)柔性直流電網(wǎng)的有功平衡和直流電壓穩(wěn)定；受端北京換流站為負(fù)荷消納中心,對供電質(zhì)量要求高,且通過雙回線路與華北地區(qū)的昌平500 k V交流站連接,當(dāng)其中一回線路檢修、另一回線路發(fā)生三相永久性故障時(shí),可能存在一定的電壓穩(wěn)定問題,因此在北京換流站交流側(cè)模擬線路故障研究柔性直流換流站的無功支撐能力。仿真中Uac和Q均以柔性直流換流站與交流電網(wǎng)的公共連接點(diǎn)為測量點(diǎn)。

在實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)（RTDS）上搭建張北柔性直流工程模型,四站參數(shù)、控制方式和北京換流站無功級聯(lián)控制環(huán)相關(guān)參數(shù)分別如附錄A表A1和表A2所示。

4.2 仿真工況

4.2.1 無功級聯(lián)控制方式與定無功控制方式的對比

在北京換流站額定有功工況下模擬交流電網(wǎng)側(cè)發(fā)生持續(xù)時(shí)間為300 ms的公共連接點(diǎn)電壓Upcc最低跌落至0.9（標(biāo)幺值）的三相短路故障,得到無功級聯(lián)控制方式下（其定Uac控制環(huán)暫不設(shè)置故障后瞬間積分清零重置控制）和定無功控制方式下（穩(wěn)態(tài)時(shí)無功控制為0）的仿真波形如附錄A圖A2所示。

由附錄A圖A2可知,Upcc跌落至0.9后,定無功控制方式下?lián)Q流站不自主提供動態(tài)無功支撐,故障過程中Upcc保持不變。當(dāng)采用無功級聯(lián)控制方式時(shí),柔性直流換流站能夠提供無功支撐逐步抬升Upcc。由此表明,相對于定無功控制方式,柔性直流換流站采用的無功級聯(lián)控制方式具備靈活的無功支撐能力,能提高系統(tǒng)暫態(tài)特性。

但無功級聯(lián)控制方式下柔性直流換流站在故障清除后無功恢復(fù)較慢,使得交流系統(tǒng)出現(xiàn)了一定程度的過電壓,因此將驗(yàn)證定Uac控制環(huán)中故障后瞬間積分清零重置控制設(shè)計(jì)在消除故障后交流系統(tǒng)過電壓方面的作用。

4.2.2 無功級聯(lián)控制定Uac控制環(huán)中故障后瞬間積分清零重置與否的對比

仍然在北京換流站額定有功工況下模擬交流電網(wǎng)側(cè)發(fā)生持續(xù)時(shí)間為300 ms的Upcc最低跌落至0.9時(shí)的三相短路故障,得到定Uac控制環(huán)中故障后瞬間積分清零重置與否2種工況下的仿真波形如附錄A圖A3所示。

由附錄A圖A3可知,當(dāng)無功級聯(lián)控制中定Uac控制環(huán)設(shè)置故障后瞬間積分清零重置時(shí),故障過程柔性直流換流站的無功支撐能力不受影響。但故障后Upcc過電壓程度減弱,Upcc和Q恢復(fù)至穩(wěn)態(tài)值的時(shí)間由秒級縮短為毫秒級,系統(tǒng)恢復(fù)至穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)速度加快。

4.2.3 無功級聯(lián)控制方式下交流電網(wǎng)側(cè)不同故障程度工況對比

在北京換流站額定有功工況下模擬交流電網(wǎng)側(cè)發(fā)生持續(xù)時(shí)間為300 ms的Upcc最低跌落至0.75的三相短路故障,并與Upcc最低跌落至0.9的故障工況對比,如附錄A圖A4和圖A5所示。

由附錄A圖A4可知,與Upcc最低跌落至0.9工況相比,Upcc最低跌落至0.75工況下柔性直流換流站在故障瞬間提供的無功支撐增加,但在故障過程中提供的無功支撐減少,即隨著Upcc跌落程度的增加,柔性直流換流站提供的無功支撐先增加后被抑制。這是因?yàn)閁pcc最低跌落至0.9工況下橋臂始終未過流,而Upcc最低跌落至0.75故障過程中橋臂電流增大達(dá)到了整定限值0.95,使得輔助控制動作。如附錄A圖A5所示,在Upcc最低跌落至0.9工況下,定Uac主環(huán)控制輸出信號Sout,U始終小于橋臂電流輔助控制輸出信號Sout,I,因此二者經(jīng)低通競比門比較后始終由定Uac主環(huán)控制換流站的無功指令。在Upcc最低跌落至0.75工況下,當(dāng)故障初期橋臂電流未達(dá)限值0.95時(shí),與Upcc最低跌落至0.9工況類似,仍然由定Uac主環(huán)控制Q的輸出,因此電壓跌落程度越大,Q輸出也越大；但當(dāng)橋臂電流大于限值時(shí)Sout,I小于Sout,U,二者競比后使由橋臂電流輔助動作控制Q輸出,將其抑制在0.2（標(biāo)幺值）附近以限制MMC橋臂過電流,直至故障后橋臂電流恢復(fù)至限值之下時(shí)輔助控制再切換回定Uac主環(huán)控制。

4.2.4 無功級聯(lián)控制方式下交流電網(wǎng)側(cè)極端低電壓工況

在北京換流站額定有功工況下模擬交流電網(wǎng)側(cè)發(fā)生持續(xù)時(shí)間為300 ms的Upcc最低跌落至0.29的三相短路故障,并與Upcc最低跌落至0.75的故障工況對比,如附錄A圖A6所示。

由附錄A圖A6可知,當(dāng)Upcc瞬間跌落至0.29時(shí),與瞬間跌落至0.75工況相比,柔性直流換流站在故障瞬間提供無功支撐后轉(zhuǎn)而從交流系統(tǒng)吸收無功功率,前者是因?yàn)殡妷旱湟髶Q流站提供無功支撐,后者則是由于該種交流系統(tǒng)極端低電壓故障過程中橋臂電流最高達(dá)到了1.27（標(biāo)幺值）,遠(yuǎn)超設(shè)定的過流限值,此時(shí)橋臂電流輔助控制動作,限制存在的MMC嚴(yán)重過電流。該種情形類似于常規(guī)發(fā)電機(jī)勵磁控制中為降低勵磁電流而越過了V曲線的拐點(diǎn),發(fā)生了進(jìn)相。即交流系統(tǒng)極端低電壓故障工況下,橋臂過電流已超柔性直流換流站設(shè)備承受能力,依靠控制已不能將其限制在允許范圍以內(nèi),涉網(wǎng)特性已發(fā)生了畸變,應(yīng)以保本體設(shè)備（限制MMC橋臂電流）為首要目標(biāo),此時(shí)需要相關(guān)保護(hù)裝置動作將MMC退出運(yùn)行以維持系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

5 結(jié)語

本文圍繞MMC柔性直流換流站無功控制策略展開研究,考慮無功輸出的靈活平穩(wěn)性,設(shè)計(jì)了外環(huán)由定Uac控制與定Q控制級聯(lián)的控制方式,將交流電壓、無功功率均引入反饋控制,以兼顧電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)無功調(diào)節(jié)和暫態(tài)無功支撐,提高穩(wěn)定運(yùn)行能力。其中定Uac控制借鑒常規(guī)機(jī)組勵磁過流限制思路將MMC橋臂電流輔助控制環(huán)節(jié)通過低通競比門方式介入,同時(shí)設(shè)置了故障后依據(jù)電壓有效值變化率的大小實(shí)現(xiàn)的瞬間積分清零重置控制。最后以張北±500 k V四端柔性直流電網(wǎng)工程為例,通過模擬北京換流站交流電網(wǎng)側(cè)不同程度的電壓跌落故障工況對上述控制策略進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。結(jié)果表明,所設(shè)計(jì)的無功級聯(lián)控制方式與常規(guī)的定Uac控制和定Q控制方式相比更有利于發(fā)揮柔性直流換流站的無功支撐能力,體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1）能夠抑制交流電壓瞬間突變引起的瞬時(shí)沖擊。

2）能使柔性直流換流站在暫態(tài)工況下提供無功支撐時(shí)兼顧柔性直流設(shè)備能力和系統(tǒng)無功需求。

3）針對故障清除后可能存在的交流系統(tǒng)暫態(tài)過電壓,采用瞬間積分清零重置控制可進(jìn)一步優(yōu)化控制特性。