基于LCC-MMC的混合三端直流输电系统启动方法研究

钟 诚， 吴星昭

(东北电力大学 电气工程学院, 吉林 吉林 132012)

0 引言

近年来，华北地区及两广地区都相继开展了有关混合直流输电技术(Hybrid based high voltage direct current，Hybrid-HVDC)的示范工程，使常规直流输电(LCC-HVDC)和柔性直流输电(VSC-HVDC)的结合成为可能，混合直流输电系统发展正在不断扩大[1]。在众多柔性直流输电拓扑结构中，模块化多电平换流器高压直流输电(MMC-HVDC)因其具有开关频率低、损耗小、无需交流滤波及无功补偿装置等优点，具有深入研究与应用的可行性。基于LCC-MMC的混合直流输电技术正是综合了以上两种直流输电技术的优点，使直流系统控制灵活，并降低了投资建设成本，在远距离大容量的输电要求下不断完善与发展[2]。多端直流输电系统是指由交流系统引出，在直流输电线路端口处由3个或3个以上换流站所组成的系统，其换流器可采用LCC或MMC[3]。在Hybrid-HVDC系统中融入多端输电技术，构成混合多端直流输电系统(Hybrid-MTDC)。

混合多端直流输电系统的顺利启动过程是该系统维持正常运行的前提条件，当混合三端系统启动运行时，若不采用相应的控制策略，将产生严重的启动过电压和启动过电流，对整个换流装置造成损坏，从而危及直流线路的安全[4]。文献[5]对MMC-MTDC的启动控制进行研究，揭示了MMC在多端系统启动过程产生过电流的原因。文献[6，7]给出了常规直流输电系统LCC-HVDC的启动特点及运行特性。文献[8]对双极结构下LCC-MMC混合直流输电系统的启动过程进行了详细分析。文献[9]介绍了伪双极结构下的VSC-LCC混合直流系统的平滑启动控制方案。文献[10]给出了送端连接风电场情况下混合高压直流输电系统的启动控制特性研究。

本文首先给出了LCC-MMC混合三端直流输电系统的拓扑结构和数学模型。同时，设计了LCC和MMC各自的系统控制方式，保证三站之间功率传输平衡、直流线路电压稳定。在结合传统直流系统和柔性直流系统启动控制特点的基础上，提出了一种适合混合三端直流输电系统的阶段式启动方案，实现了从各站停机运行状态平稳过渡到正常运行状态的过程。在PSCAD/EMTDC仿真软件下建立LCC-MMC混合三端直流输电系统模型，验证该启动方案是可行的。LCC-MMC型混合多端直流输电系统的出现，能够缓解国内复杂电网中单电源供电、多落点受电的实际问题，提高电力系统的经济性和稳定性，具有广泛的应用前景[11]。

1 LCC-MMC混合直流输电系统数学模型及控制策略

1.1 拓扑结构

LCC-MMC混合三端直流输电系统拓扑结构如图1所示。12脉动LCC换流器经由两个6脉动整流桥组成，再通过变压器T1、T2接入交流系统1，送端LCC在直流线路出口处串联平波电抗器，系统侧并联接入滤波器；受端均为MMC换流器，分别通过变压器T3、T4连接交流系统2、交流系统3，变压器网侧接入限流电阻R1、R2以及交流断路器S1、S2、S3，在MMC1、MMC2直流线路出口处设置直流断路器DCBrk1、DCBrk2。

图1 混合三端直流输电系统拓扑

1.2 数学模型

基于LCC-MMC的三端混合直流输电系统的数学模型可分别由LCC、MMC两侧进行推导。送端为晶闸管换流器LCC，对地直流电压UdLCC为[12]：

(1)

MMC结构的数学模型为[13]：

(2)

受端MMC的直流电压UdMMC：

(3)

在各换流器直流线路出口处的直流电流为：

(4)

式中：uk表示交流换相电压的k相电压(k=a、b、c)；ik表示k相交流换相电流；upk、unk分别表示k相上下桥臂子模块电容电压；uk、ik、upk、unk为关于时间t的函数；Ls表示每桥臂电抗值，Rs表示每桥臂等效电阻值；vm表示换流变压器阀侧交流相电压峰值；m表示调制比，取决于子模块电容电压充电控制方式。

1.3 系统控制策略

为了能够实现本文所研究系统的稳定工作，需在送端和受端之间进行协调控制[14]。送端LCC通过控制α角实现定直流电流控制，为受端MMC提供了功率传输所需的稳定的直流电流；两个受端MMC采用定直流电压控制和定有功功率控制，在启动过程中均通过设定直流电压指令值对子模块的电容均衡充电，使整个系统的直流线路电压快速达到稳定状态，并在三端系统稳态运行时切换至各自控制模式，从而实现受端系统功率的灵活控制。

整流侧LCC控制策略采用定直流电流控制方式，实现对α角的控制[15]，整流侧的控制框图如图2所示。

图2 LCC触发角α控制框图

受端均为MMC换流器，采用技术成熟的直流电流双闭环解耦控制(dq解耦控制方式，也称为“矢量控制”)。该控制系统主要包括内环电流控制器和外环电压、功率控制器[16]。其受端MMC内环比例积分控制如图3所示。

图3 MMC内环电流控制器结构框图

为了实现混合三端直流输电系统的传输功率水平恒定，受端MMC1采用定直流电压及无功功率控制，受端MMC2采用定有功功率及无功功率控制。其受端控制框图如图4所示。

图4 MMC外环控制器结构框图

2 LCC-MMC混合三端直流输电系统启动策略

2.1 子模块预充电控制

LCC在启动时只需对换流器晶闸管进行解锁，并通过控制触发角α调节系统控制量；MMC在启动时需考虑子模块电容的预充电环节，且两个受端MMC都从各自交流系统取电，因其控制相对复杂，需展开详细设计。

(1)限流电阻设计

当MMC子模块处于闭锁状态为电容充电时，需设计适当的限流电阻并投入充电回路中，降低最大充电电流峰值，起到保护换流器件的作用。

MMC闭锁充电回路如图5所示，通过建立回路微分方程，可得：

(5)

式中：Rst为限流电阻；up为相电压峰值；N为子模块个数；Rdiode为二极管通态等效电阻；Ls为桥臂电抗值。

图5 MMC相间充电回路

(2)可控充电控制设计

由于在闭锁充电阶段，电容电压只能被充至线电压峰值，因此在可控充电阶段通过PWM控制器实现对IGBT的控制，继续为MMC子模块中的电容充电，最终达到额定直流电压，则整体子模块预充电阶段结束[17，18]。可控充电阶段流程设计如图6所示。

图6 子模块可控预充电流程

2.2 启动控制策略

混合三端直流输电系统的启动控制应考虑送端LCC和受端MMC在启动过程中具有的各自不同特点。

LCC换流器的启动控制主要包括LCC从停运状态转变为运行状态，以及输送功率从零增加到给定值的过程。当解锁晶闸管开始调节电流控制器时，添加电流斜坡控制，使三端系统在启动过程中减小过电流和过电压，同时减小启动时对交流系统的冲击。

MMC换流器的启动前期需要在直流侧建立直流电压，针对子模块电容充电方式可以选择直流侧充电和交流侧充电两种，直流侧通过添加辅助电源为其充电，待充电结束后退出直流线路，这种方式既不经济，也不现实；从交流电源处取电，完成MMC子模块电容充电的方式能够满足同时为两个MMC站充电。本文启动方案中选择在闭锁充电阶段投入限流电阻，MMC侧通过子模块中反并联二极管实现子模块电容不控预充电，待不控预充电阶段结束，退出限流电阻以减小损耗。

混合三端系统的启动过程可以先完成LCC-MMC两端系统的启动过程，再通过直流断路器，投入受端MMC2，同时切换MMC2运行的控制策略，实现MMC1维持直流电压稳定，MMC2灵活调节直流功率分配的混合三端直流系统稳态运行。

本文提出的启动控制方法如图7所示，混合三端直流输电系统启动控制策略可分为以下3个阶段：

图7 阶段启动流程图

(1)MMC子模块不控充电阶段

使子模块IGBT工作的前提是从子模块直流电容中取电从而产生驱动信号，但是在启动开始瞬间，子模块电容初始电压为零，所以必须先对子模块电容进行预充电才可满足子模块IGBT工作电压。系统初始化完成后，通过受端交流系统分别为两个MMC逆变站子模块进行不控预充电，此阶段LCC站的晶闸管、MMC1和MMC2的子模块均处于闭锁状态，直流断路器断开，直流线路没有电流通路。

(2)各换流站解锁阶段

首先解锁MMC1和MMC2，均采用定电压控制方式且电压指令值相同，建立直流线路电压。待直流电压稳定建立，闭合MMC1直流线路出口处直流断路器，系统发出LCC解锁指令，开始提升电流并建立功率传输，进入LCC-MMC1双端系统运行状态，此时MMC2直流线路出口处直流断路器仍处于断开状态。

(3)系统协调控制阶段

等待LCC-MMC双端系统稳定，闭合直流断路器，接入第三端，此时LCC换流站收到直流断路器闭合指令后，减小触发角提升电流，增大直流功率。闭合直流断路器同时切换MMC2的控制模式，回到定功率控制模式，开始吸收直流线路功率，待三端系统稳定，启动过程完成。

3 PSCAD仿真分析

本文在PSCAD仿真软件下搭建了混合三端直流输电系统模型，用以验证上述有关系统启动控制策略的正确性。系统仿真中基本参数见表1和表2。

表1 混合三端直流输电系统换流站主要参数

表2 混合三端直流输电系统直流线路主要参数

启动过程仿真波形如图8～图13所示。

图8 子模块预充电阶段A相上桥臂电流

图8表示在MMC子模块预充电阶段桥臂电流的变化曲线。在t=0 s时在MMC1、MMC2换流变压器网侧投入限流电阻；在0～0.25 s为不控预充电阶段，最大充电电流为1.02 kA，满足式(5)中最大充电电流与限流电阻的关系；当t=0.25 s时将限流电阻旁路；当0.25 s～0.45 s为解锁IGBT可控充电阶段，桥臂充电电流逐渐稳定。

图9 子模块预充电阶段A相上桥臂电压

图9表示在MMC子模块预充电阶段桥臂电压的变化曲线。在0～0.25 s不控充电阶段逐渐上升到180 kV，t=0.25 s后解锁MMC子模块的IGBT，进入可控充电阶段，使桥臂电压值跟随直流电压指令值上升，并维持在电压指令值250 kV附近。

图10为启动过程中直流电压变化曲线。0～0.25 s时逆变侧交流系统通过MMC反并联二极管作不控整流对子模块电容充电；t=0.25 s 时MMC直流电压达到线电压峰值367 kV，此时解锁MMC子模块IGBT，将限流电阻退出并进入定电压控制模式，使直流电压在可控均衡策略下上升至指令值500 kV；t=0.42 s时刻闭合DCBrk1，连接成LCC-MMC1两端直流系统；t=0.45 s时解锁LCC，两端系统暂稳态运行；待t=1.0 s时闭合DCBrk2并提升LCC输出功率，t=1.05 s切换MMC2控制为定有功功率控制，直流电压逐渐平稳至指令值，不再发生波动。

图10 三端系统各站直流线路出口处电压

图11为启动过程中LCC触发角变化曲线。t=0～0.45 s时，系统处于MMC预充电阶段，LCC处于待命状态；当t=0.45 s时，解锁LCC，触发角由90°(1.57 rad)逐渐变至28°(0.5 rad)；当t=1.0 s时增大直流电流指令值，减小触发角至22°(0.4 rad)；t=1.5 s后触发角一直控制在22°附近并保持稳定。

图11 触发角α仿真波形

图12为启动过程中各站直流电流变化曲线。t=0～0.42 s时直流线路处于断开状态；t=0.45 s时解锁LCC提升电流至1.0 kA，构成LCC-MMC1两端直流系统；t=1.0 s减小触发角，增大电流至 2.0 kA，使LCC-MMC1-MMC2三端直流系统运行；在t=1.0 s闭合MMC2侧直流断路器瞬间，MMC1直流电流出现暂时跌落，于t=1.5 s后，LCC直流线路电流稳定在2.0 kA，MMC1、MMC2直流线路电流均稳定在1.0 kA。从图12可以看出，在启动过程中未出现过电流现象，系统控制器控制效果良好，响应速度快。

图12 三端系统各站直流线路出口处电流

图13为启动过程中三端换流站有功功率、无功功率变化曲线。t=1.5 s后，送端LCC的交流系统输出有功功率为1 000 MW，吸收无功功率为 100 Mvar；受端MMC1交流系统吸收有功功率为500 MW，发出无功功率为250 Mvar；受端MMC2交流系统吸收有功功率500 MW，发出无功功率 250 Mvar。

图13 启动过程中各换流站功率变化波形

由以上仿真结果可知，在采用本文所设计的启动控制策略后，各换流站可以较平稳地从无电状态过渡到稳态运行状态，在整个启动过程中，各换流站未出现过电压过电流现象。

4 结论

(1)LCC-MMC三端混合直流输电系统可以综合两种换流器的优势，在启动过程中能够快速达到稳定，适用于当前环境下多落点受电的情况。送端采用LCC，降低了整流器件的开关损耗，降低了实际工程建设中的整体投资费用，系统运行控制简单且技术成熟；受端MMC1能精确地控制输电线路直流电压的大小，受端MMC2也可以通过控制有功功率灵活调节LCC所发出有功功率的功率分配。该混合直流系统能更好的适应三端换流站的复杂环境，具有广泛的应用前景。

(2)由上述讨论的仿真结果可知，整个启动过程平滑稳定，本文所提出的三段式启动控制方案是合理的。启动完成后，系统各参数能够准确围绕指令值稳定运行。

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