混合型MMC降压运行特征及控制策略.pdf

第 17 卷 第 7 期2023 年 7 月南方电网技术SOUTHERN POWER SYSTEM TECHNOLOGYVol.17，No.7Jul.2023混合型MMC降压运行特征及控制策略郑星星1，刘航2，徐攀腾1，罗宇航1，朱博1（1.中国南方电网有限责任公司超高压输电公司广州局，广州 510663；2.中国南方电网有限责任公司超高压输电公司检修试验中心，广州 510663）摘要：针对由全桥子模块和半桥子模块构成的混合型换流器，重点分析了降压运行情况下可能出现的半桥子模块无法均压问题，提出了一种混合型换流器降压运行控制策略。首先建立了混合型换流器的桥臂电流数学模型并分析了其特征；针对混合型换流器在降压运行时可能出现的桥臂电流仅为正或仅为负的情况，利用柔性直流模块化多电平换流器（modular multilevel converter，MMC）无功控制灵活的特性提出了采用无功补偿的控制策略，实现了桥臂电流的有正有负。最后在PSCAD/EMTDC中建立了柔性直流混合型换流器的模型，仿真结果表明，所提控制策略在直流系统大幅降压运行情况下可保证子模块均压要求，避免直流降压运行过程中出现子模块无法均压的情况。关键词：柔性直流；降压运行；桥臂电流；子模块均压Voltage Reduction Operation Characteristics and Control Strategy for Hybrid Modular Multilevel ConverterZHENG Xingxing1,LIU Hang2,XU Panteng1,LUO Yuhang1,ZHU Bo1（1.Guangzhou Bureau，EHV Power Transmission Company,CSG,Guangzhou 510663,China；2.Maintenance&Test Center of EHV Power Transmission Company,CSG,Guangzhou 510663,China）Abstract：For a hybrid converter composed of full bridge sub-modules and half bridge sub-modules,the possible problem of half bridge sub-modules being unable to equalize voltage during voltage reduction operation is analyzed,and a control strategy for voltage reduction of the hybrid converter is proposed.Firstly,a mathematical model of the bridge arm current of the hybrid converter is established and its characteristics are analyzed.In response to the possibility that the bridge arm current of a hybrid converter may only be positive or negative during voltage reduction operation,a control strategy of reactive power compensation is proposed to achieve positive and negative bridge arm current by utilizing the flexible reactive power control characteristics of the modular multilevel converter（MMC).Finally,a hybrid converter model of voltage source converter-high voltage direct current（VSC-HVDC)is established in PSCAD/EMTDC.The simulation results show that the proposed control strategy can meet the voltage equalization requirements of the sub-modules under the condition of significant voltage reduction operation in the DC system,avoiding the situation where the sub-modules cannot be equalized during the DC voltage reduction operation.Key words：VSC-HVDC；voltage reduction operation；bridge current；voltage equalization of sub-modules0引言与常规高压直流相比，柔性高压直流（voltage source converter-high voltage direct current，VSC-HVDC）输电具有无换相失败问题，无需无功补偿，谐波水平低，有功无功可独立灵活调节控制，易于拓展为多端输电结构等优点1，同时可改善多直流馈入电网所带来的电网失稳风险，增强电网抵御严重故障的能力2-5。近年来柔性直流输电技术发展迅猛，以基于模块化多电平换流器（modular multilevel converter，MMC）的柔性直流输电技术最具代表性，其中混合型MMC因其扩展性强、具备直流侧故障清除能力和造价相对较低等优势以及具备降压运行能力等特点，较符合高压柔性直流输电工程应用场景6-11。特高压直流对系统绝缘水平要求更文章编号：1674-0629（2023）07-0001-07 中图分类号：TM721文献标志码：ADOI：10.13648/ki.issn1674-0629.2023.07.001基金项目：国家重点研发计划资助项目（2016YFB0900903）。Foundation item：Supported by the National Key Research and Development Program of China（2016YFB0900903）.南方电网技术第 17 卷高，在恶劣的气候条件、严重污秽等环境条件下，继续保持额定直流电压运行可能会产生较高的故障率，为提高直流输电系统可靠性和可用率，需采用降压运行方式12-13。此外在直流线路故障等强制直流电压降低的情况下，确保MMC稳定可控对直流系统故障穿越意义重大。本文对基于混合型MMC的降压运行特性进行全面分析，提出了一种新的控制策略，并进行了仿真验证。1混合型MMC的拓扑结构及运行特点文献 14-17 研究了不同类型混合 MMC 运行特性，相关控制策略和直流故障穿越能力等内容。基于全桥子模块（full bridge sub-modules，FBSM）和半桥子模块（half bridge sub-modules，HBSM）构成的混合型MMC，因FBSM子模块具有负电平输出能力，直流电压调节更为灵活，能够在不闭锁状态下进行直流故障穿越，能够实现故障穿越过程中功率传输不中断，快速重启，减小故障对交流系统冲击等运行特点18-20，本文所称混合型MMC均指此类型。如图1所示，混合型MMC换流器由3个相单元构成，每个相单元由完全对称的上、下桥臂组成，每个桥臂由 N 个子模块（按一定比例配置全、半桥子模块）和桥臂电抗器L0构成。正常情况下，混合型MMC运行原理与纯半桥式MMC一致。子模块的工作状态为：对于HBSM，T1导通，T2关断，子模块为正投入状态，桥臂电流为正时，子模块充电，电压升高，桥臂电流为负时，子模块放电，电压降低；T1关断，T2导通时，子模块为切除状态，子模块通过内部并联电阻等负载自然放电，电压降低。对于 FBSM 的工作状态，T1、T4导通，T2、T3关断，子模块处于正投入状态，桥臂电流为正时，子模块充电，电压升高，桥臂电流为负时，子模块放电，电压降低；T1、T4 关断，T2、T3导通，子模块处于负投入状态，子模块电压变化与桥臂电流方向关系和子模块正投入时相反；T1、T2 导通，T3、T4 关断或 T1、T2 关断，T3、T4导通，子模块处于切除状态。切除状态下的FBSM与HBSM电容电压变化相同，通过内部并联电阻等负载自然放电，电压降低。2混合型MMC降压运行特性分析柔性直流输电系统降压运行的原因主要有两种：系统主动进入的稳态降压运行和直流故障情况下采取的穿越控制策略。2.1混合型MMC桥臂电压运行范围由图1可知，混合型MMC拓扑结构三相对称，图1混合型MMC拓扑结构及全半桥子模块结构图Fig.1Structure of the hybrid MMC and full&half-bridge sub-modules2第 7 期郑星星，等：混合型MMC降压运行特征及控制策略3个相单元具有相同的运行特性。因桥臂中桥臂电抗器的压降相比于子模块电压总和较小，分析过程中可忽略桥臂电抗器的压降影响。以 A 相为例：上、下桥臂电压表达式为：upa=Udc2-uvauna=Udc2+uva（1）式中：upa为A相上桥臂电压；Udc为换流器直流侧端口电压；uva为A相交流电压；una为A相下桥臂电压。文献 1 将额定运行工况下MMC换流器的调制度定义为：mn=UMn0.5Udcn（2）式中：mn为额定运行工况下MMC的调制度；UMn、Udcn分别为额定运行工况下MMC交流侧相电压幅值、直流侧额定电压值。对于混合型MMC其调制度m0，且FBSM具备负压输出能力，调制度m可以大于1。由式（1）（2）可知uva最大、最小值分别为UMn、-UMn，据此可以得出上、下桥臂电压的取值范围为：Udcn(1-mn)2upa，unaUdcn(1+mn)2（3）当直流系统降压运行时，定义直流降压系数为：=UdcUdcn，min 1（4）式中：Udcn为额定直流电压；min为直流系统允许的最低稳态运行降压系数。混合型MMC换流器基本运行性能要求直流系统进入降压运行时MMC仍然可以输出完整的交流波形，不出现因过调制而产生的销顶波形。由式（1）（4）可得：Udcn(-mn)2upa，unaUdcn(+mn)2（5）由式（5）可知，当mn时，桥臂电压出现负值，此时桥臂内 HBSM 全部处于切除状态，部分FBSM处于负投入状态。特别地，在特高压双阀组串联结构中，零电压下投入第二个阀组时，上下桥臂的电压分别为：upa=-uvauna=uva（6）此时上下桥臂电压大小相等方向相反，需要投入数量相等但电压相反的子模块。2.2直流系统降压后MMC桥臂电流特征在3个相单元完全对称的情况下，电流在相单元中平均分配，即每个相单元中的直流电流为Idc/3，交流电流均分于上、下桥臂。实际运行时桥臂间还存在2倍频为主的环流，但通过控制策略可将其抑制为01，为简化分析不作考虑，根据图1标注的电流正方向，以A相单元为例上下桥臂电流表达式为：ipa=Idc3+iva2=Idc3+Ivm2sin(t+)ina=Idc3-iva2=Idc3-Ivm2sin(t+)（7）式中：ipa、ina分别为A相单元上下桥臂电流；Idc为直流侧电流；iva为交流侧电流；Ivm为交流侧相电流幅值；为交流电网旋转角；为初相角。混合型MMC正常运行时换流器损耗与传输功率相比占比较小，换流器传输的交、直流功率近似存在以下关系。IdcUdc=3UvaIvacosv=3UvM2Ivacosv IdcUdc=324mUdcIvacosv（8）式中：m为该工况下MMC的调制度；Uva、Iva、UvM分别为 MMC交流输出点相电压、相电流有效值、相电压幅值；cosv为MMC交流输出点功率因数。根据式（2）、式（7）（8）得：ipa=Idc31+2mncosvsin(t+)ina=Idc31-2mncosvsin(t+)（9）随着直流电压的降低，有：2mncosv 1 Q2v P2v(m2n42-1)（11）式中：Pv、Qv分别为MMC交流侧有功功率和无功功率，取值范围不超过MMC允许最大值。混合型MMC存在一定的过调制能力，额定运行工况下调制度mn通常取为1。令：k=142-1，当k0时，式（11）恒成立，此时桥臂电流满足子模块均压条件；当k0，即 0.5时，控制系统需进行一定的调整，以确保桥臂电流满足子模块均压要求。考虑一定裕度，由式（11）可得无功功率的最小值为：|Qv|Pv(K42-1)，Pv 0|Qv|K2 UdcnIdc，Pv=0（12）式中：K为取值大于1的可靠系数；Qv的正负表示MMC吸收或者发出无功功率，由系统运行电压决定，控制系统监测交流电网运行电压Us，并与设定值U（根据系统需要设定，500 kV交流系统通常取525 kV）比较：当 UsU 时，取正；当 UsU 时，取负。3.2无功补偿对交流系统的影响本文所提降压运行控制策略会向系统中注入/吸收无功功率，表1为某特高压柔性换流站在不同无功功率水平下交流场交流电压变化情况。试验表明换流器无功控制对交流系统的电压影响均在允许范围内。4仿真验证4.1传统降压控制策略仿真为了验证上述理论分析正确性，搭建如下仿真系统：基于混合型MMC的400 kV双阀组串联三端直流输电系统，其中交流系统为单机无穷大系统，其主要参数如表2所示，仿真过程着重观察子模块电容电压均压情况。表1无功输出与交流系统电压Tab.1Relationship between reactive power and AC system voltage试验步骤试验开始初态向交流系统输出无功功率向交流系统吸收无功功率换流器无功功率/Mvar07010515018522526529575125175225275325375交流系统电压/kV533.8536.2537.4538.0538.5538.9539.3540.6534.0533.2531.3530.4529.5528.2527.84第 7 期郑星星，等：混合型MMC降压运行特征及控制策略将上述算例参数代入式（2）得：mn=UMn0.5Udcn 0.996换流器无功功率输出为0时，将上述计算结果代入式（10）得：Pv(K42-1)0.445表2仿真模型参数表Tab.2Parameters of the test model系统参数柔直变额定电压/kV直流额定电流/kA阀组额定电压/kV桥臂电抗/mH桥臂全桥子模块占比/%子模块容值/mF子模块电压参考值/kV数值525/2443 125400407092.1图2传统降压控制策略运行波形Fig.2Waveforms for traditional control strategy during reduced voltage operating5南方电网技术第 17 卷接着开展仿真验证，根据式（12）采取无功输出的控制措施。系统开始运行于额定工况下，LCC 站控制直流电流，MMC 站控制直流系统电压。t=0.5 s 时启动 0.55 p.u.降压运行指令（桥臂电流开始向恒为正时刻），并同步启动无功补偿运行命令。在整个实验过程中，直流有功电流参考值保持 1 p.u.不变，最终无功输出稳定约0.44 p.u.，运行波形如图3所示。由图3（a）、（b）、（c）可知，随着直流电压的降低，桥臂电流开始向上偏置，并且在桥臂电流即将仅为正时，换流器开始增加无功输出，维持桥臂电流有正有负。随着直流电压最低降低至0.55 p.u.，无功输出也最终稳定输出约 0.44 p.u.。图 3（d）、（e）表明，在直流降压运行过程中，全、半桥子模块电压均未出现发散现象，均压状况良好。同时注意到，在大幅降压运行期间全桥子模块的整体电压较全压运行期间偏低，半桥子模块整体电压整体波动减小。这也说明大幅降压运行期间，需要更多的全桥子模块参与运行，半桥模块的使用减少，造成全半桥子模块电压偏差。可见桥臂电流偏置缓解有利于不同类型子模块使用均衡，从而减小子模块电压的偏差。综上，本文所提的控制策略在诸如直流线路故障重启等直流电压大幅降低情况下，能够保持子模块电压均衡稳定，这对保持直流系统的稳定和重启恢复具有重要意义。5结论本文对混合型MMC降压运行特征进行了分析研究，提出了一种混合型MMC柔性直流输电系统降压运行控制方法以解决降压运行工况下半桥子模块无法均压问题，得到如下结论。1）混合型MMC桥臂电流出现恒为正或者恒为负后，半桥子模块将无法均压。尤其是在桥臂电流恒为负的情况下，半桥子模块不论在投入还是切除状态下均处于放电状态（切除后自身损耗），电容电压将因持续的放电而迅速降低，造成电容电压过低而无法正常工作。2）通过调节换流器的无功输出可保证桥臂电流的有正有负。实现在直流电压任意降压工况下全、半桥子模块均处于可控状态并均压状况良好。3）桥臂电流的偏置加剧将需要更多的全桥子模块来维持运行，造成全桥模块使用率高于半桥模图3基于无功补偿原理降压控制策略运行波形Fig.3Waveforms for control strategy operation based on reactive power compensation6第 7 期郑星星，等：混合型MMC降压运行特征及控制策略块，而桥臂电流偏置缓解将有利于减小全、半子模块电压偏差。参考文献1徐政，肖晃庆，张哲任.柔性直流输电系统 M.北京：机械工业出版社，2012.2张东辉.多直流集中馈入受端广东电网发展的思考 J.广东电力，2015，28（8）：33-37，100ZHANG Donghui.Reflect on development of centralized feed-in of multi direct current into receiving-end Guangdong Power Grid J Guangdong Electric Power，2015，28（8）：33-37，100.3周保荣，洪潮，饶宏，等.广东多直流输电换相失败对电网稳定运行的影响 J.南方电网技术，2017，11（3）：18-24.ZHOU Baorong，HONG Chao，RAO Hong，et al.Influence of simultaneous commutation failure of Guangdong multiple HVDC on power system secure operation J.Southern Power System Technology，2017，11（3）：18-24.4饶宏，洪潮，周保荣.乌东德特高压多端直流工程受端采用柔性直流对多直流集中馈入问题的改善作用研究 J.南方电网技术，2017，11（3）：1-5.RAO Hong，HONG Chao，ZHOU Baorong.Study on improvement of VSC-HVDC at inverter side of wudongde multi-terminal uhvdc for the problem of centralized multi-infeed HVDCJ.Southern Power System Technology，2017，11（3）：1-5.5徐攀腾，喻文翔，朱博，等.基于特性参数矩阵的混合多端直流系统可靠性分析 J.南方电网技术，2022，16（2）：111-120.XU Panteng，YU Wenxiang，ZHU Bo，et al.Reliability analysis of hybrid 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