柔性直流输电系统孤岛运行方式下的故障电流抑制方法

王　庆， 卢　宇, 胡兆庆, 王　柯, 李海英， 刘海彬,3

(1. 武汉大学电气工程学院， 湖北省武汉市 430072； 2. 南京南瑞继保电气有限公司， 江苏省南京市 211102； 3. 南瑞集团(国网电力科学研究院)有限公司， 江苏省南京市 211106)

0　引言

柔性直流输电技术因其灵活的控制调节能力，近年来受到了国内外学术界和工程界广泛的关注和研究。截至2016年，中国已经建成了上海南汇柔性直流工程、南澳三端柔性直流工程、舟山五端柔性直流工程、厦门对称双极柔性直流工程和罗平背靠背柔性直流工程[1-4]。

柔性直流输电系统无功控制模式包括交流电压控制和无功功率控制[5-7]，有功控制模式包括有功功率控制、频率控制及定直流电压控制[8]。但当柔性直流输电系统从交直流并列运行转为孤岛或者与较弱系统连接运行时，如果采用上述常规控制方式，存在控制系统稳定性和动态性能差的缺点[9-11]，所以孤岛系统的交流侧频率必须依靠柔性直流来维持。柔性直流输电采用交流电压和频率的控制方式，这种控制方式往往是开环控制方式，在孤岛运行方式下发生交流系统故障时，柔性直流换流站由于过流导致跳闸[12]。可见，有必要研究柔性直流输电系统在孤岛运行方式下的闭环控制。

目前闭环控制设计方式分为以下几种：幅相控制、直接电压控制、直接电流控制和非线性控制[13]等。幅相控制器是满足孤岛稳态运行的一种控制方式[14]，文献[15-18]设计了电压源换流器型高压直流(VSC-HVDC)向无源网络供电的直接电压控制器，但不具备交流故障穿越能力。文献[19]研究了孤岛运行情况下与联网状态运行的相互转换方法，特点是模块化多电平换流器(MMC)在联网状态和孤岛状态间转换时无需切换控制器，转换过程中系统的响应特性较为平滑，缺点是MMC联网时无法精准控制有功和无功功率，并且由于使用了有功—频率下垂控制，向无源孤岛供电时，网侧交流电压频率会随孤岛负荷的波动而波动。文献[20-22]设计了向无源网络供电的类似有源控制下的双环控制器，该控制器设计虽然考虑了较快的电流响应速度及稳态电流控制，适合于稳态运行，但实际存在故障后电压降低短时间内电流瞬间升高导致过流跳闸的缺点。文献[23-25]采用在换流站出口处装配无功补偿设备的方法，用于提高故障时交流母线的电压支撑能力，但缺点是需要增加额外设备。

本文针对无源孤岛方式下交流故障导致换流器过流跳闸的缺陷，提出一种柔性直流输电系统在孤岛运行方式下的故障电流抑制和启动控制方法，实现了孤岛运行下各类故障的穿越要求及孤岛方式下的正常升压启动。采用实际舟山工程五端控制保护样机和RTLAB数字仿真模型，证实了所述方案的可行性和有效性。

1　柔性直流控制策略

无论是基于两电平、三电平拓扑结构，还是基于模块化多电平拓扑结构的柔性直流输电系统，其基本控制策略都可采用基于直接电流控制的矢量控制方法[26]。矢量控制方法中的内环电流控制实现了电流的快速控制，能够保证在联网方式下的交流系统故障成功穿越。但当交流电网为无源网络时,需要直接给定矢量变换的电压同步相位，由换流器来控制恒定频率及交流侧阀侧电压恒定，在这种控制方式下发生交流故障易导致过流跳闸[12]。

以舟山五端柔性直流工程为例，舟山群岛包含了五个较大的主要海岛：舟山岛、岱山岛、衢山岛、嵊礁岛、洋山岛，其电网是一个典型的海岛电网。舟山五端柔性直流输电工程实现五个海岛间交直流输电互联，但洋山岛与外界连接薄弱，仅通过110 kV交流线路连接到岱山岛，电网结构如附录A图A1所示，一旦该线路发生交流故障，洋山岛立即转为孤岛运行[27]。

图1　交流负荷侧变流器L-VSC的相位控制策略Fig.1　Phase control strategy for AC load side converter L-VSC

图1中的频率微增量判据为：

|Δω|>Δ1

(2)

Δω′=f(Δω)

(3)

式中：Δ1和Δ2为微增量判据门槛值，可据实际取值；Δω为角频率变化量；f(Δω)为角速率偏差函数。

采用以上判据可以在有源电网运行切换到孤岛运行相位突变时，根据Δω变化大小决定实际输出。当Δω发生急剧变化后，该函数按照一定速率缓降至0，可以保证切换平滑性。图1中：

ω0=2πf0

(4)

式中：f0为频率额定值。

在孤岛方式下，交流负荷是经DC/AC变流器L-VSC并入直流网络，结构如附录A图A2所示。数学模型的推导过程如下，其在dq坐标系下的电压方程为[29]：

ucd=ULd-RLiLd+ωLiLq

(5)

ucq=ULq-RLiLq-ωLiLd

(6)

式中：ULd和ULq分别为网侧电压的dq轴分量；ucd和ucq分别为控制输出电压的dq轴分量；RL和L分别为等效电阻和电感；iLd和iLq分别为电流实测值的dq轴分量。

2　故障电流抑制策略

图2　改进控制方案Fig.2　Improved control scheme

(7)

Imax为测量电压的线性分段组合方程，可以表示为：

(8)

式中：ULd和ULq分别为测量网侧交流电压的dq轴分量；f1和f2为电压ULd和ULq的线性组合表达式；Uset1和Uset2为根据实际确定的门槛数值。

最终控制输出参考电压表达式如下[30]：

(9)

(10)

3　闭环控制仿真验证

根据舟山五端柔性直流工程参数，搭建了基于控制保护样机的RTLAB实时仿真系统。采用两台RTLAB的主机模拟舟山定海、岱山、衢山、洋山、泗礁等五站的交流网络和直流网络，包括舟山本岛的交流220 kV线路、主要的110 kV线路和直流线路，另外五台OP7020负责模拟五站的柔性直流换流阀，实现换流阀子模块微秒级控制。仿真系统如附录A图A3所示。

控制保护样机包括交流站控、直流控制保护、阀控和I/O装置，其中阀控通过千兆以太网和RTLAB通信，负责下发子模块导通个数和解闭锁命令，以及换流阀子模块电压、故障个数等信息交互；I/O装置通过硬接线和RTLAB通信，负责交直流场电压互感器(TV)、电流互感器(TA)信息采集和开关刀闸的状态，以及分合命令等信息交互。控制保护闭环仿真系统如附录A图A4所示[6]。利用上述仿真平台，模拟孤岛运行方式下的交流系统故障，对孤岛运行方式下采用改进闭环电流控制环节后的控制效果进行仿真验证。

3.1　孤岛闭环控制下的单相故障

附录A图A5中首先给出没有采用图2所示改进控制环节时的结果。初始条件为：柔性直流侧送出有功功率30 MW,发出无功功率4.5 Mvar，额定容量100 MW。

单相故障下，网侧电流A相电流增大，其他两相 变化不大，电流指令没有达到限制数值。由于功率保持正常输送，直流电压变化不大，其故障恢复后在直流电压控制站调节作用下，有一个直流电压正常调节至初始电压过程，超调最大在0.95%。不采用改进控制环节且发生交流单相故障时，网侧电流达到过负荷水平，而采用了改进电流闭环控制后的故障波形如图3所示。可见，最大电流被限制在额定范围以内，故障后直流电压和电流在240 ms后完全恢复初始值，这在工程中能够接受。

图3　故障电流抑制控制下的交流单相故障波形Fig.3　Waveforms of AC single phase to earth fault with fault current suppression control

3.2　孤岛闭环控制下的三相故障

在网侧触发三相金属性接地短路故障，附录A图A6给出了没有采用图2所示改进控制环节时的结果。采用改进控制环节后，同样故障下的仿真结果如图4所示。

图4　改进电流闭环控制下的交流三相故障波形Fig.4　Waveforms of AC three-phase to earth fault with improved current closed-loop control

对比上述结果，附录A图A6在没有改进电流限制环节作用下，网侧电流迅速上升至最大值3 497 A，直流电压升高到450 kV，过流保护动作闭锁跳闸。图4同样条件下，在电流限制控制作用下，孤岛运行发生瞬时故障情况下，网侧电流被限制在稳态情况下(0.5(标幺值))，直流侧电压达到最大值407 kV，具备限流故障穿越能力。主要原因在于，采用了基于故障电压测量的电流限制环节，将故障运行下的输出电流限制到0.5(标幺值)，使得输出电流被限制在换流器过流保护动作值范围之内，保证了换流器的持续运行，等待交流侧故障切除后，系统恢复正常运行，从而极大地提高了孤岛方式下电网的可靠性。另外直流电压有所增加属于正常，这是因为此时功率无法送出，导致直流侧电压上升，但仍在可接受范围内，不会引起直流过电压保护动作。

总结图3、图4和附录A图A5、图A6结果，将孤岛运行下改进故障限流方案后与改进前的运行参数进行比较。表1所示为相同工况下，采用改进策略前后发生故障期间关键电气量的对比。

表1　改进前后的关键电气量对比Table 1　Comparison of key electrical values before and after improvement

从以上结果明显看出，采用改进策略后，提高了换流器孤岛运行下的故障穿越能力，减小了穿越期间网侧电流及直流侧电流，从而减小了冲击，提高了换流器孤岛运行的可靠性。

3.3　孤岛闭环控制下的启动控制

由图5可见，启动时刻虽然加快了上升速率，导致电压略有超调，但在绝缘允许范围内，在工程上可以接受，也没有启动瞬间高频引入，启动过程性能良好。另外，由于换流器在直流侧充电期间采用了优化的主动充电策略，使得换流阀模块在正式解锁之前已经充电至额定电压，因此实际解锁时的直流电压波动较小，在0.25%范围以内，达到较好效果。

4　结语

图5　改进电流闭环控制下的启动波形Fig.5　Starting-up waveforms with improved current closed-loop control

通过分析柔性直流无源孤岛控制方式下存在交流故障无法穿越的问题，结合柔性直流换流器输出电压控制原理，提出了一种具备故障电流抑制的孤岛运行方式下的改进控制方式，以及该方式下的解锁启动方案。该方案通过电流闭环和限制环节的引入，以及解锁启动过程中不同阶段控制策略的调整，弥补了传统无源孤岛运行方式下交流故障导致换流器过流跳闸的缺陷，实现起来简单可靠，并且已在实际工程中得到了应用。

虽然采用该改进限制故障电流的方法可以在孤岛运行工况下限制短路电流，但该电流大小与交流系统保护的配合仍有待进一步深入研究。

附录见本刊网络版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

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王庆(1980—)，男，硕士，高级工程师，主要研究方向：特高压直流输电及柔性直流输电。E-mail： wangke@nrec.com

卢宇(1977—)，男，硕士，高级工程师，主要研究方向：特高压直流输电及柔性直流输电。E-mail： Luy@nrec.com

胡兆庆(1976—)，男，通信作者，博士，工程师，主要研究方向：电力电子在电力系统中的应用及柔性直流输电。E-mail： huzq@nrec.com