茍洪霖，江 琴*，張英敏，李保宏，吳謹軼，王騰鑫，張 敏

(1.四川大學 電氣工程學院，四川 成都 610065；2.國網(wǎng)山西省電力科學研究院，山西 太原 030002)

中國電力系統(tǒng)規(guī)模龐大，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復雜，呈現(xiàn)交直流混聯(lián)、新能源比例持續(xù)攀升的特征[1–2]。在此背景下，當前電網(wǎng)受極端天氣、人為破壞等各類非常規(guī)事件影響愈加嚴重，電網(wǎng)面臨的安全運行風險急劇增加，大規(guī)模停電事故后導致電網(wǎng)黑啟動場景的概率也將不斷上升。特別是近來各類大規(guī)模停電事故，如2015年12月烏克蘭由于網(wǎng)絡攻擊導致大停電[3]，2019年3月與2020年5月委內(nèi)瑞拉最大水電站遭受攻擊導致大停電、2021年2月美國德州因極寒天氣大停電[4]，給相關(guān)國家造成了巨大的經(jīng)濟損失和社會影響。因此，電力部門需面對新形勢下的復雜外部環(huán)境，考慮已有黑啟動方案失效后新型電網(wǎng)恢復技術(shù)，將事故損失控制在最小范圍內(nèi)。所謂黑啟動，是指系統(tǒng)因故障停電后，不依賴別的網(wǎng)絡幫助，通過具有自啟動能力的發(fā)電機組啟動，帶動無自啟動能力的發(fā)電機組，逐漸擴大系統(tǒng)恢復范圍，最終實現(xiàn)整個系統(tǒng)的恢復[5–6]。

對于黑啟動的研究目前主要集中在交流系統(tǒng)、傳統(tǒng)直流系統(tǒng)（line commutated converter based high voltage direct current，LCC–HVDC）、柔性直流系統(tǒng)（voltage source converter based high voltage direct current，VSC–HVDC）。隨著中國電網(wǎng)的快速發(fā)展，電力公司基于燃氣機組[7]、柴油發(fā)電機[8]、水電機組[9]（含抽水蓄能電站）等常規(guī)黑啟動電源進行了大量研究工作。相關(guān)研究對于常規(guī)電源黑啟動的一般規(guī)則和策略、黑啟動階段的恢復控制、電網(wǎng)恢復路徑的優(yōu)化[10]、負荷的恢復優(yōu)化[11]做了細致深入的分析，為黑啟動的工程應用奠定了堅實的理論基礎(chǔ)?？傮w來看，常規(guī)交流系統(tǒng)黑啟動是一個多目標、多約束、多階段的過程，且由于常規(guī)機組啟動時間長、功率提升速率慢，導致黑啟動初始階段系統(tǒng)電源少，影響電網(wǎng)負荷恢復，容易受到黑啟動電源的選擇及恢復路徑的制約。

當LCC–HVDC直流輸電參與黑啟動時，換流站的啟動會對電網(wǎng)產(chǎn)生功率沖擊，因此需要交流系統(tǒng)滿足一定技術(shù)要求，包括短路容量、有效慣性時間常數(shù)等[12]；由于無法直接對無源網(wǎng)絡進行供電，無源網(wǎng)絡需要同交流系統(tǒng)一起協(xié)調(diào)恢復。因此，直流輸電參與黑啟動研究主要集中于VSC–HVDC領(lǐng)域。VSC–HVDC由于其自身功率可獨立控制、可直接向無源網(wǎng)絡供電等特點，擁有比傳統(tǒng)LCC–HVDC參與黑啟動更加突出的優(yōu)勢，其對受端交流系統(tǒng)幾乎沒有技術(shù)要求，是良好的黑啟動電源[13]。Sun等[14]以VSC–HVDC作為黑啟動電源進行試驗，體現(xiàn)出較好的電壓和頻率特性。方是文等[15]介紹了一端工作于孤島方式下的兩端模塊化多電平直流系統(tǒng)（modular multilevel converter–high voltage direct current，MMC–HVDC）的無源啟動方式，詳細分析了兩端換流站的充電過程。鄧麗君等[16]以魯西背靠背柔性直流單元為黑啟動電源搭建實時數(shù)字仿真模型并進行試驗，實現(xiàn)了系統(tǒng)黑啟動帶目標網(wǎng)架的零起升壓。李勝等[17]對整個VSC–HVD參與的黑啟動過程進行了較詳細仿真，但恢復階段的控制未計交流系統(tǒng)的變化情況，控制方式考慮不全。曾丹等[18]提出黑啟動后電源并網(wǎng)協(xié)調(diào)優(yōu)化策略，前期采用的頻率控制方式未考慮弱交流系統(tǒng)情況，且后續(xù)恢復階段描述不夠完善。葉永健等[19]提出將黑啟動后網(wǎng)架恢復過程按交流系統(tǒng)短路比劃分為不同階段，并提出了相應的恢復策略，但其注重對機組的恢復次序及恢復路徑的研究，對不同階段的控制方式描述不全面。

近年來，混合直流作為直流輸電的新方向被提上日程并進行了工程應用[20–21]。但混合直流參與受端電網(wǎng)黑啟動的相關(guān)研究報道較少。鑒于混合直流輸電系統(tǒng)具有傳統(tǒng)直流輸電與柔性直流輸電的共同優(yōu)勢，且其實際工程應用前景良好，因此，有必要深入研究混合直流輸電系統(tǒng)參與受端電網(wǎng)，遭遇大停電后黑啟動恢復策略。本文基于兩端LCC–MMC混合直流輸電模型，對其MMC受端全黑時的黑啟動進行研究，提出了一種適合該條件的黑啟動方法及受端恢復的協(xié)調(diào)控制策略。首先，介紹LCC–MMC的基本運行特性；其次，對LCC整流站和MMC逆變站的啟動分別進行研究；之后，根據(jù)交流系統(tǒng)短路比對受端恢復進行3階段劃分，建立詳細的3階段恢復策略，明確不同階段下的恢復控制策略及平滑切換方式；最后，基于PSCAD/EMTDC搭建兩端LCC–MMC系統(tǒng)進行完整的黑啟動試驗，驗證了所提方案的正確性與優(yōu)越性。

1 兩端LCC–MMC混合直流結(jié)構(gòu)及基本特性

圖1為兩端LCC–MMC系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)。整流側(cè)采用12脈動換流閥的LCC，逆變側(cè)MMC采用半橋型子模塊。圖1中，Z1和Z2分別為送端和受端系統(tǒng)的等值阻抗，T1和T2分別為送端和受端的換流變壓器。

圖1 LCC–MMC拓撲結(jié)構(gòu)Fig. 1 Topological structure of LCC–MMC

正常穩(wěn)定運行時，整流側(cè)采用定電壓控制或者定直流電流和后備定最小觸發(fā)角控制，整流側(cè)LCC輸出的直流電壓Udr為：

式中，Us為整流側(cè)換流變閥側(cè)空載線電壓有效值，α為整流器的觸發(fā)角，Xr為整流側(cè)單相等值換相電抗，Idr為直流電流平均值。

逆變側(cè)MMC具體拓撲如圖2所示，圖2中，Larm和Rarm分別為橋臂的等效電感和電阻，RT和LT為交流側(cè)等值阻抗，Pdc為直流傳輸功率，SM表示子模塊MMC的數(shù)學模型。該數(shù)字模型可用微分方程表示：

圖2 MMC主電路拓撲結(jié)構(gòu)圖Fig. 2 MMC main circuit topology diagram

式中：unj為三相下橋臂電壓，包含una、unb、unc；upj為三相上橋臂電壓，包含upa、upb、upc；inj為三相下橋臂電流，包含ina、inb、inc；ipj為三相上橋臂電流，包含ipa、ipb、ipc；usj為三相電網(wǎng)電壓，包含usa、usb、usc；ij為三相電網(wǎng)電流，包含ia、ib、ic；Udc為直流側(cè)電壓；t為時間。

混合直流輸電系統(tǒng)逆變側(cè)采用MMC完全解決了LCC–HVDC逆變站換相失敗問題。受端大停電的情況下，受端電網(wǎng)可等效為無源網(wǎng)絡，MMC可直接向無源網(wǎng)絡供電。

受端大停電時，整個直流網(wǎng)絡停止運行?？紤]送端LCC與可靠大容量電站相連，以受端電網(wǎng)黑啟動過程為研究重點，將送端機組簡化為等值電壓源，以送端作為有源端逐步啟動并恢復受端無源網(wǎng)絡。本文提出黑啟動方法分為3階段：LCC啟動建壓、 MMC啟動建壓、受端電網(wǎng)恢復，其示意圖如圖3所示，圖3中，T3為線路出口處的變壓器，Rx為限流電阻。本文將對這3個階段逐一闡述。

圖3 LCC–MMC黑啟動示意圖Fig. 3 Schematic diagram of LCC–MMC black start

2 送端LCC換流站啟動方法及控制策略

受端電網(wǎng)在停電時等同于無源網(wǎng)絡，在向無源網(wǎng)絡供電時，受端MMC必須采用定交流電壓/頻率的控制方式，因此送端的LCC應該承擔線路直流電壓的建立，即采取定直流電壓的控制方式，控制方式的實現(xiàn)如圖4所示，圖4中，Udcref為設置的直流電壓參考值，PI為比例環(huán)節(jié)。通過控制整流器的觸發(fā)角α實現(xiàn)直流電壓的穩(wěn)定。

圖4 LCC定電壓控制Fig. 4 LCC constant voltage control

此外，LCC參與黑啟動時有最小直流電流限制，通常選擇為額定直流電流的5%～10%[20]，因此，本文在直流線路中引入直流耗能電阻，使LCC啟動時帶一定負荷，避免線路上斷續(xù)電流的產(chǎn)生，其結(jié)構(gòu)拓撲如圖5所示。

圖5 LCC啟動建壓示意圖Fig. 5 Schematic diagram of LCC start-up establishment voltage

耗能電阻采用模塊化的結(jié)構(gòu)，由多個耗能電阻模塊串聯(lián)構(gòu)成，絕緣柵雙極型晶體管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）采用并聯(lián)均壓電阻Rp實現(xiàn)串聯(lián)均壓。LCC啟動即投入直流耗能電阻，后續(xù)負荷恢復且大于最小功率要求時，耗能電阻退出工作。耗能電阻阻值和模塊個數(shù)由式（3）決定：

式中，Rs為耗能電阻總阻值，Ri為子模塊電阻值，Pmin為最小功率限制值，Un為額定直流電壓，n為耗能電阻子模塊數(shù)，Uim為模塊的額定電壓。

IGBT導通和關(guān)斷時間通常為200～250 ns[22]，與耗能電阻動作時間相比非常小且動作次數(shù)少，因此，本文忽略了實際控制時多個IGBT開關(guān)動作速度不一致問題和動態(tài)均壓問題。選取合適的靜態(tài)均壓電阻之后，將n個子模塊和電阻等效成一個集中電路來分析。這個階段中，LCC的啟動主要是為了建立額定的直流電壓，為后續(xù)MMC的充電和啟動提供穩(wěn)定能量來源，在建立好直流電壓后即可對MMC進行充電啟動。

3 受端MMC換流站啟動方法及控制策略

送端LCC建立起直流電壓后，可等值為直流電壓源UdN，對MMC進行充電，MMC啟動建壓示意圖見圖6，圖6中，B1～B4為線路開關(guān)。MMC先通過限流電阻進行不控充電，子模塊電壓達到一定值后投入控制策略進行可控充電，并進行線路和變壓器的軟啟動，最后切除限流電阻。

圖6 MMC啟動建壓示意圖Fig. 6 Schematic diagram of MCC start-up establishment voltage

3.1 MMC不控充電

LCC建立額定直流電壓后，閉合開關(guān)B1，MMC子模塊經(jīng)限流電阻進行不控充電，等效電路如圖7所示。其中，C0為單個子模塊等效電容，N為單個橋臂子模塊數(shù)量。

由圖7可知，MMC的不控充電相當于一階零狀態(tài)響應電路，MMC等效電容充電電壓uceq和橋臂電流iarm的值可由式（4）求出：

圖7 MMC不控充電等效電路Fig. 7 Equivalent circuit of MMC uncontrolled charging

式中，RX的值可由允許最大的橋臂電流峰值來確定。由式（4）可知：在不控充電階段子模塊電容電壓最多充至額定值的一半，因此，需要解鎖換流器，使內(nèi)外環(huán)控制器投入運行；同時閥控層級的子模塊電容電壓平衡控制也投入運行，繼續(xù)對子模塊進行可控充電。實際工程中子模塊的電容達到其額定值的30%額定電壓時已能對子模塊觸發(fā)控制[23]。

3.2 MMC可控充電及軟啟動

當子模塊電壓達到能觸發(fā)控制的電壓值時，解鎖MMC，子模塊繼續(xù)通過限流電阻可控充電，MMC采用定交流電壓/頻率控制。由于受端電網(wǎng)為無源網(wǎng)絡，受端電網(wǎng)的頻率直接給定（f=50 Hz），即電角度θ給定，dq坐標系的旋轉(zhuǎn)角度固定，此時，通過保證交流電壓出口幅值Usm和電網(wǎng)電壓d軸分量Usd相同及電網(wǎng)電壓q軸分量Usq=0，即可實現(xiàn)對交流側(cè)出口處電壓幅值和頻率的控制[24]，控制框圖如圖8所示。圖8中，isd、isq分別為電網(wǎng)電流d、q軸分量，isdref、isqref分別為電網(wǎng)電流d、q軸分量的參考值，Udref、Uqref分別為換流器交流側(cè)電壓基波的d、q軸分量，ωL為等效感抗。

圖8 MMC無源網(wǎng)絡控制策略Fig. 8 MMC passive control strategy

在黑啟動初期，受端線路處于空載狀態(tài)，若直接用黑啟動電源對線路充電，即MMC交流側(cè)建立穩(wěn)定電壓后再閉合斷路器B3對線路進行充電，這樣會在斷路器合閘瞬間產(chǎn)生較大的暫態(tài)過電壓。本文采取的軟啟動方式為：在MMC解鎖的瞬間即閉合線路開關(guān)B3與B4，MMC解鎖后控制交流電壓的大小從0以一定斜率逐漸上升至額定值，從而實現(xiàn)對線路和變壓器的軟啟動。

4 電網(wǎng)恢復階段的協(xié)調(diào)控制策略

4.1 受端電網(wǎng)恢復的階段劃分

通過對MMC的充電解鎖及線路和變壓器的軟啟動，在受端電網(wǎng)建立一個穩(wěn)定的交流電壓，隨后便可對受端電網(wǎng)的機組和負荷逐步恢復。受端電網(wǎng)恢復的過程大致為：先接入待啟動發(fā)電機組的廠用負荷，啟動并同期并列發(fā)電機組；再恢復網(wǎng)架中的其他負荷及發(fā)電機組。

受端電網(wǎng)恢復階段，MMC相當于唯一的功率來源，且由于MMC的定頻率特性，恢復過程中的負荷均由MMC來承擔。第1發(fā)電機組并網(wǎng)后，受端電網(wǎng)由無源轉(zhuǎn)變?yōu)橛性?，若此時MMC仍然保持定交流電壓/頻率控制，其調(diào)制出的交流電壓頻率仍然是人為固定的頻率（f=50 Hz），此時系統(tǒng)中將存在兩個頻率標準：一是，由于MMC定頻率特性決定的頻率；二是，由于發(fā)電機組的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速決定的頻率。此外，發(fā)電機組中同步發(fā)電機對外表現(xiàn)為有差調(diào)頻特性，而MMC表現(xiàn)為定頻率特性，在之后的網(wǎng)架恢復過程中，負荷不斷變化，MMC將一直承擔功率變化，如果某一時刻超過了功率限制要求，MMC將失穩(wěn)。

因此，在受端電網(wǎng)從無源過渡到有源時，MMC的控制方式應該相應做出調(diào)整，最簡單的方式是并入第1發(fā)電機組時，MMC的控制策略由原來的定交流電壓/定頻率切換至定有功/無功功率控制。但如果考慮初始并入的機組容量較小，即受端交流系統(tǒng)強度?。ㄈ踅涣飨到y(tǒng)）時，MMC的矢量控制的解耦特性將不再滿足，鎖相環(huán)會受到影響而無法精確鎖定交流側(cè)的相位，動態(tài)特性將會惡化，定有功/無功控制將存在穩(wěn)定性問題[25]。

本文考慮受端電網(wǎng)恢復是一個由弱交流系統(tǒng)到強交流系統(tǒng)的過程，基于受端電網(wǎng)短路比（short circuit ratio，SCR）的大小，將恢復的過程分為3個階段：無源階段、弱交流系統(tǒng)，以及強交流系統(tǒng)階段。3個階段MMC的控制方式選擇及控制方式的切換是關(guān)鍵因素。

4.2 受端電網(wǎng)恢復各階段協(xié)調(diào)控制策略

在無源階段，MMC為保證在受端無源側(cè)建立一個穩(wěn)定的交流電壓，必須采取定交流電壓/頻率控制。在強交流系統(tǒng)階段，MMC相當于處于正常工作狀態(tài)，應采用定有功/無功控制方式。因此，在弱交流系統(tǒng)情況下，控制方式選擇及控制方式之間的平滑切換變得尤為重要。

在弱交流系統(tǒng)階段，本文采用虛擬同步控制（virtual synchronous generator，VSG），即在MMC中加入模擬發(fā)電機的控制環(huán)節(jié)，模擬同步電機的特性，表現(xiàn)出同步電機的慣性和阻尼特性，可使系統(tǒng)在恢復階段的有功響應和無功響應迅速，且增強了系統(tǒng)穩(wěn)定性。其控制主要分為3個部分：

1）模擬機械

該部分主要對同步發(fā)電機的二階模型進行模擬，實現(xiàn)MMC模擬同步發(fā)電機的阻尼特性和慣性，控制原理如式（5）所示：

式中：J、D分別為虛擬同步機的虛擬慣量和阻尼系數(shù)；ω、θ 分別為虛擬同步機的角速度和轉(zhuǎn)子角位；ωref為交流電網(wǎng)50 Hz時額定點角速度；Pm、Pe分別為虛擬同步機的機械功率和電磁功率。

2）有功頻率控制器

該部分模擬同步發(fā)電機的調(diào)頻特性，在VSG原有功頻控制中引入二次調(diào)頻系數(shù)以實現(xiàn)對頻率的無差調(diào)節(jié)[26]，頻率控制原理如式（6）所示：

式中，Pref為有功參考值，fref為頻率參考值，f為實際頻率。將式（6）代入式（5）得到式（7）：

由此，通過設定頻率參考值fref，即可得到同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子角位θ ，實現(xiàn)對頻率的同步控制。

3）無功電壓控制器

該部分通過控制器生成虛擬內(nèi)電勢幅值Ev，模擬同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)，對換流器輸出無功和端電壓進行控制?？刂圃砣缡剑?）所示：

式中，Kq為比例系數(shù)，Qref為無功參考值，Q為無功測量值，Uref為端電壓參考值。

由此便可得到在受端恢復階段整個過程的控制框圖，如圖9所示，其中，θN為無源階段的坐標變換角度，θV為虛擬同步控制得到的坐標變換角度，θPLL為鎖相環(huán)得到的坐標變換角度，Ed、Eq分別為電勢的d、q軸分量，U為機端電壓，Uref為外環(huán)參考電壓，Earef、Ebref、Ecref分別為a、b、c三相調(diào)制波，s為復頻率。

從圖9可知，各個階段的控制方式不同點是：①坐標變換角度θ 不同。無源階段的θN人為直接給定；弱交流系統(tǒng)階段，θV由虛擬同步控制中功頻控制器得到；強交流系統(tǒng)階段，θPLL由投入的電網(wǎng)鎖相環(huán)得到。②參與調(diào)制的電壓幅值E不同。無源階段與強交流系統(tǒng)階段共用電流內(nèi)環(huán)，區(qū)別在于外環(huán)參數(shù)的不同，導致輸出的電壓幅值來源不同；弱交流系統(tǒng)階段，電壓幅值來源于無功電壓控制器。

圖9 受端恢復協(xié)調(diào)控制框圖Fig. 9 Receiving end’s recovery coordination control diagram

考慮各個恢復階段不同的特點，對各個階段所對應的控制方式進行協(xié)調(diào)控制，不同時刻不同控制方式間通過相互協(xié)調(diào)配合，從而保證在受端電網(wǎng)恢復階段系統(tǒng)的穩(wěn)定運行及控制方式的平滑切換，本文提出在受端電網(wǎng)恢復階段的協(xié)調(diào)控制策略：在無源階段，調(diào)制開關(guān)在1，其余開關(guān)位置在2（圖9），θN人為給定（f=50 Hz ）。當?shù)?發(fā)電機組準同期并列進入弱交流系統(tǒng)階段后，通過調(diào)定虛擬同步控制中的參數(shù)以保證切換前后參與調(diào)制的電壓幅值及坐標變換角度一致，調(diào)制開關(guān)切換至2，其余開關(guān)位置切換至1，完成控制方式的切換。后續(xù)負荷的投入及發(fā)電機并網(wǎng)直至電網(wǎng)短路比SCR大于3時，測定MMC交流側(cè)的功率并調(diào)定有功/無功控制的參考值，將調(diào)制開關(guān)切換至1，即可完成控制方式的切換，具體流程如圖10所示。

圖10 受端恢復協(xié)調(diào)控制流程圖Fig. 10 Flow chart of receiving end recovery coordination control

5 仿真驗證

為驗證文中理論及所提出的黑啟動策略，本文基于PSCAD/EMTDC搭建兩端LCC–MMC系統(tǒng)，系統(tǒng)拓撲如圖11所示，其中B5～B8為線路開關(guān)。主要仿真參數(shù)如表1所示，其中j表示虛數(shù)單位。在受端網(wǎng)架恢復階段，本文不考慮路徑及非黑啟動機組的選擇，假設路徑已經(jīng)選定，機組分別并網(wǎng)主要體現(xiàn)了交流系統(tǒng)的系統(tǒng)強度改變。

圖11 兩端LCC–MMC黑啟動結(jié)構(gòu)拓撲Fig. 11 LCC–MMC black start structure topology

表1 兩端LCC–MMC黑啟動主要參數(shù)Tab. 1 Black start main parameters of LCC–MMC

5.1 LCC與MMC啟動建壓

首先，LCC啟動并投入耗能電阻，取線路上最小限制電流為額定電流的10%。在0.04 s時LCC定電壓啟動，耗能電阻投入，電流電壓隨時間變化的具體波形如圖12所示，Vdc為直流電壓，Idc為直流電流，兩者均用標幺值表示。

圖12 LCC啟動波形圖Fig. 12 LCC start-up waveform

送端LCC建立電壓后，閉合開關(guān)B1投入限流電阻RX對受端MMC換流器進行不控充電，待子模塊電壓充至額定值的50%時解鎖MMC進行可控充電以及線路和變壓器的軟啟動，隨后切除線路上的限流電阻，具體波形如圖13所示。

由圖13中可知，5 s投入限流電阻后，不控充電階段子模塊電壓Uc上升平緩；由圖13（b）可知，投入限流電阻可以有效減小暫態(tài)過電流。10 s時MMC解鎖，線路和變壓器開關(guān)B3和B4閉合，橋臂電流變化在正常范圍內(nèi)，由于投入控制策略，有一半的子模塊瞬間被切除，直流側(cè)電壓Edc將降至原來的一半，隨后平緩上升。在可控充電階段，子模塊電壓繼續(xù)上升，交流側(cè)變壓器出口處電壓Uac以按設定一定斜率上升，沒有出現(xiàn)暫態(tài)過電壓。16 s時閉合開關(guān)B2，限流電阻退出，引起變壓器出口電壓、子模塊的電壓和橋臂電流的波動，但暫態(tài)過程持續(xù)時間短，暫態(tài)幅值小。出口處頻率在MMC解鎖瞬間有一個躍變，在后續(xù)階段能夠穩(wěn)定維持在50 Hz。

圖13 MMC啟動波形圖Fig. 13 MCC start-up waveform

5.2 受端電網(wǎng)恢復協(xié)調(diào)控制

LCC和MMC的啟動和建壓，在受端電網(wǎng)形成一個穩(wěn)定的交流電壓，隨后對受端電網(wǎng)進行恢復，這個階段主要步驟如下：

1）閉合開關(guān)B5，投入廠用負荷1。

2）啟動發(fā)電機組1，檢測開關(guān)B6兩側(cè)電壓的幅值和相角，滿足準同期并列條件后并網(wǎng)，系統(tǒng)進入弱交流階段，MMC切換為虛擬同步控制。

3）閉合開關(guān)B7，投入廠用負荷2。

4）啟動發(fā)電機組2，檢測開關(guān)B8兩側(cè)電壓的幅值和相角，發(fā)電機組2準同期并網(wǎng)，系統(tǒng)進入強交流階段，MMC切換為定有功/無功控制。具體波形如圖14所示，其中，P為有功功率，Q為無功功率。

從圖14中可以看出：在21 s閉合開關(guān)B5，接入廠用負荷1，MMC傳輸?shù)墓β氏鄳黾?，頻率正常波動后維持50 Hz，變壓器出口處線路電壓有小幅度的下降。功率傳輸穩(wěn)定后，啟動發(fā)電機組1，通過檢測開關(guān)B6兩端的電壓和相位，滿足準同期并列條件后并入發(fā)電機組1（t=22.44 s），發(fā)電機組1的并入只引起有功和無功小幅振蕩，頻率仍維持50 Hz穩(wěn)定。隨著發(fā)電機組1的并網(wǎng)，交流系統(tǒng)短路比變?yōu)?.61，標志著交流系統(tǒng)由無源變?yōu)槿踅涣飨到y(tǒng)，在23 s將MMC的控制模式由定交流電壓/頻率控制切換至虛擬同步控制，由圖14可見，控制模式能夠?qū)崿F(xiàn)平滑切換，只會引起頻率的小幅波動。24 s閉合開關(guān)B7，投入廠用負荷2后MMC傳輸?shù)墓β氏鄳黾?，在虛擬同步控制下，負荷的增加導致頻率正常波動，最后穩(wěn)定在50 Hz，能夠?qū)崿F(xiàn)頻率的無差調(diào)節(jié)，此外交流電壓有小幅度的下降。接著準同期并入發(fā)電機組2（t=25.055 s），同樣也只引起有功和無功小幅振蕩。發(fā)電機組2的并網(wǎng)使交流系統(tǒng)短路比變?yōu)?.22，標志著交流系統(tǒng)變?yōu)閺娊涣飨到y(tǒng)，在26 s時，MMC由虛擬同步控制切換至定有功/無功功率控制，因為有功和無功功率的設定值為在線測得的有功和無功，可發(fā)現(xiàn)幾乎沒有振蕩過程，頻率經(jīng)短時間波動后穩(wěn)定在50 Hz。

圖14 受端恢復階段波形Fig. 14 Waveform of receiving end recovery phase

從記錄的波形可以看出，受端電網(wǎng)恢復階段，各個階段的控制方式能夠使系統(tǒng)穩(wěn)定運行，控制方式間能夠?qū)崿F(xiàn)平滑轉(zhuǎn)換，頻率和電壓波動均在黑啟動標準范圍內(nèi)。

5.3 兩階段恢復策略對比

受端恢復過程中，不考慮弱交流系統(tǒng)階段，在并入第1發(fā)電機組后，MMC直接由定交流電壓/頻率控制切換至定有功/無功控制，將這種恢復策略稱為兩階段恢復策略，其與上文所提出的3階段恢復策略仿真波形對比如圖15所示，其中，P為有功功率，Q為無功功率，f為頻率，Edc為MMC直流側(cè)電壓，Uac為變壓器出口處交流電壓，數(shù)字2表示兩階段的恢復策略，數(shù)字3表示3階段的恢復策略。

圖15 受端恢復階段波形Fig. 15 Waveform of two recovery strategies

從圖15可以看出：采用兩階段恢復策略在23 s切換控制方式時，即使設定切換后有功和無功參考值與切換之前的有功和無功實際值一致，但由于受端交流系統(tǒng)強度較弱，系統(tǒng)出現(xiàn)較大的暫態(tài)過程；其中，頻率最大暫態(tài)值為53.5 Hz，MMC直流側(cè)電壓出現(xiàn)小幅波動，受端變壓器出口處交流電壓在切換控制方式瞬間有較長的暫態(tài)過程。

為體現(xiàn)弱交流系統(tǒng)階段采用虛擬同步控制的優(yōu)勢，25 s時在變壓器出口處設置單相短路接地故障（持續(xù)0.1 s），故障結(jié)果對比如圖16所示，其中，P為有功功率，Q為無功功率，vsg表示弱交流系統(tǒng)階段采用虛擬同步控制，pq表示采用定有功/無功控制。

由圖16可以看出，采用虛擬同步控制可明顯降低功率、電壓和頻率的波動幅值。通過對比發(fā)現(xiàn)，MMC參與黑啟動與受端恢復時，考慮受端電網(wǎng)恢復存在弱交流系統(tǒng)的情況，采用3階段控制協(xié)調(diào)策略能夠?qū)崿F(xiàn)各階段的平滑過渡，能夠保證恢復階段系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

圖16 弱交流階段故障示意圖Fig. 16 Fault diagram of weak AC phase

6 結(jié) 論

本文針對LCC–MMC兩端混合直流輸電系統(tǒng)提出了受端大停電下的黑啟動方法及受端網(wǎng)絡恢復的協(xié)調(diào)控制策略，在PSCAD/EMDTC平臺上搭建了仿真模型，驗證了所提出的黑啟動方法及受端恢復策略的有效性，并得出以下結(jié)論：

1）針對LCC參與黑啟動時的最小傳輸功率限制，本文采用模塊化耗能電阻的啟動策略，并給出阻值設計和投切方法，可順利啟動LCC換流站。

2）對于MMC的充電啟動，設計送端LCC采用定直流電壓控制，為MMC提供直流充電電源。明確了MMC不控充電階段限流電阻的阻值選取及投切方法，MMC可控充電階段采用定交流電壓/頻率控制及線路變壓器軟啟動方案。

3）針對受端網(wǎng)絡的恢復，本文依據(jù)交流系統(tǒng)短路比將受端恢復階段分為無源—弱交流系統(tǒng)—強交流系統(tǒng)3個階段，提出不同階段下的控制策略及不同控制間的平滑切換方法。無源階段采用定交流電壓/頻率控制；弱交流系統(tǒng)階段采用虛擬同步控制；強交流系統(tǒng)階段采用定有功/無功控制。對比兩階段的恢復方案，明確了3階段協(xié)調(diào)恢復策略的優(yōu)越性。

由于實際工程較為復雜且本文未考慮其他結(jié)構(gòu)形式下混合直流輸電參與黑啟動，因此，下一步研究將考慮多端混合直流或級聯(lián)型混合直流參與黑啟動的技術(shù)方案及控制策略。