MMC-STATCOM对传统多馈入高压直流输电子系统的影响

邱海峰， 杨思远， 刘中原

(1.中国石化西北油田分公司石油工程技术研究院，新疆 乌鲁木齐 830000；2. 新疆大学电气工程学院 可再生能源发电与并网技术教育部工程研究中心，新疆 乌鲁木齐 830047)

0 引 言

随着我国高压直流输电容量及距离的逐步增大，其输电损耗也随之提高，造成电网末端电压偏低，极大消弱了电力系统供电可靠性。加之，波动性、随机性风力发电的装机容量和发电量的不断增大，导致其并网侧电网电压出现波动和闪变，并且其换流器工作时产生大量谐波。为了保证电力系统的电能质量，必须对系统进行无功功率补偿，以确保系统电压稳定，避免新能源发电并网失败及因系统末端电压偏低造成切负荷甚至停电等事故的发生[1-5]。目前，电力系统无功补偿装置主要采用以电压源型变流器为主要电路的静止同步补偿器(Static Synchronous Compensator, STATCOM)，然而， STATCOM 内部的主要电路通常由两电平或者三电平的桥式整流电路构成，其工作时功率器件的开关损耗大，并且交流侧输出的电压畸变率高。随着全控型电力电子器件的快速发展，模块化多电平变流器(MMC)凭借开关损耗小、输出电压谐波含量低、易扩展到不同电压和功率等级等优点迅速成为工程应用研究的重点，同时MMC采用模块化拓扑结构，有效地避免了传统两电平或者三电平电压源型变流器内部桥臂功率器件均压问题，使之更有利于在高压、大功率场合中应用。因此，综合MMC和普通STATCOM两者优势的MMC-STATCOM应运而生，并得到快速发展[6-7]。

目前国内外学者对电力系统无功功率补偿的研究已足够深入，并取得丰硕的成果。文献[8]研究了STATCOM对单馈入和双馈入输电系统的影响，验证了在传统高压直流输电馈入弱交流系统时，STATCOM的接入提高了系统稳定运行特性。文献[9]针对MMC-STATCOM不同运行状态下的特性要求，提出了NLM和SPWM协同控制策略，实现了子模块电容电压平稳上升，改善了输出波形的质量。文献[10]和文献[11]研究了不平衡负载下，MMC-STATCOM对系统无功、负序的同时补偿控制策略，也取得了较好的补偿效果。文献[12]通过对各个子模块分别采用不同的取整修正量，有效地降低了各个桥臂输电波形的畸变率，并且一定程度上改善了子模块间的均压特性。综合国内外相关研究，鲜有文献专门谈论含MMC-STATCOM的多馈入高压直流输电系统的运行特性。随着发达地区用电需求的不断增大，多馈入高压直流输电规模也随之壮大，因此，对MMC-STATCOM应用在多馈入高压直流输电中的研究具有一定的工程实际意义。

文章针对以上研究不足，以传统双馈入高压直流输电子系统为例，建立了含MMC-STATCOM的双馈入高压直流输电子系统，研究了受端交流系统发生接地故障时，MMC-STATCOM的接入对传统双馈入高压直流输电子系统的影响。研究结果表明，MMC-STATCOM的接入起到了良好的补偿作用，改善了子系统的暂态运行特性，并且也得出，MMC-STATCOM与多馈入子系统的位置越近，对其运行特性的改善效果越明显，反之，对其运行特性的改善效果越弱。文章的研究结果可以为多馈入直流输电工程的建设及无功补偿装置落点的选择提供一定的理论基础。

1 系统的描述

1.1 含MMC-STATCOM的双馈入高压直流输电子系统

图1 含MMC-STATCOM的双馈入HVDC输电子系统

文章中提及的传统双馈入高压直流输电子系统是由两条传统高压直流输电(LCC-HVDC)线路组成，为改善双馈入系统的运行特性，在受端交流母线上并联接入MMC-STATCOM，含MMC-STATCOM的双馈入高压直流输电子系统如图1所示，其中HVDC1和HVDC2同时馈入受端交流母线B上形成传统双馈入高压直流输电子系统，QS为MMC-STATCOM向系统提供的无功补偿，系统运行时，功率交换满足式(1)，其中PHVDC1、QHVDC1、PHVDC2、QHVDC2分别为HVDC1和HVDC2的传送的有功功率、无功功率，PAC、QAC为受端交流系统的有功功率、无功功率。

(1)

1.2 MMC-STATCOM的拓扑结构及工作原理

MMC-STATCOM是以模块化多电平换流器(MMC)为主要电路的无功补偿装置，由于MMC采用模块化拓扑结构，有效地避免了传统两电平或者三电平VSC内部桥臂功率器件均压问题，输出波形质量优，开关损耗小，其应用于STATCOM中具有稳定直流电压和接入端交流母线电压、降低输出电压畸变率等优势，其拓扑结构如图2所示。MMC有相互对称的3个上桥臂和三个下桥臂，每个桥臂都一个电抗器和n个结构相同的子模块(SM)组成，每个子模块(SM)都由两个IGBT和一个直流电容组成；ij1、ij2分别为上、下桥臂上流过的电流(j=a,b,c)，ua、ub、uc为电力系统的三相电压，o为直流侧假想中性点，Ud为直流电压。

图2 MMC-STATCOM的拓扑结构

图3 MMC-STATCOM的A相等效电路图

MMC-STATCOM正常工作时，为维持系统电压恒定，避免桥臂间出现环流，以造成系统功率损耗，必须保证任意时刻各相单元上下两个桥臂投入的子模块的个数固定为n，由MMC-STATCOM的拓扑结构可知，各相单元的上下两个桥臂相互对称，各相单元间互不影响且运行方式相同，文章以A相为例，阐述MMC-STATCOM的工作原理，其A相等效电路图如图3所示。稳定运行时，忽略各相单元间环流，根据潮流分布和功率传输方向可得A相上下两个桥臂所在网络满足的关系表达式如式(2)、式(3)所示。其中，Ua1、Ua2分别为A相上下两个桥臂所有子模块输出电压之和，ia1、ia2分别为流过A相上下两个桥臂的电流，Ua0为A相的输出电压。

(2)

(3)

联立式(2)、式(3)得A相输出电压ua0为式(4)，其中L=La1=La2，ia1=ia2=ia/2。

(4)

2 系统的控制策略

2.1 传统高压直流输电的控制策略

文章中传统双馈入高压直流输电子系统中的两条传统高压直流输电的控制策略均采用CIGRE HVDC国际标准测试模型的控制方式，整流侧采用最小触发角控制和定直流电流控制方式，逆变侧采用定熄弧角控制和定直流电压控制方式，目前，该控制策略在实际工程中得到广泛的应用，有效地改善了变流器过载、过电流特性[13-14]。其研究已经相当成熟，这里不再赘述，只给出具体控制框图。

2.2 MMC-STATCOM的控制策略

目前针对MMC-STATCOM的控制策略应用最广泛的主要为最近电平逼近调制(NLM)策略和消谐效果优的载波移相PWM(CSPWM)的分级控制策略。然而最近电平逼近调制依赖于子模块电容均压控制，容易造成某些子模块长时间充放电，以降低开关器件寿命甚至因过热而烧坏器件，并且工作在电平数少的场合时，其输出波形畸变率高。相比最近电平调制，载波移相PWM控制工作范围广，其输出电压、功率和开关频率不受调制比的影响，调制波不发生变化时，通过将三角载波移动不同的相位，就能改变输出的电平数，控制简单，消谐效果好，更适合高电压、大功率场合中的应用[15]。

MMC-STATCOM的控制策略采用直流电压控制和载波移相PWM分级控制，电压外环采用直流电压控制和无功功率控制，通过内环电流解耦控制策略，实现对无功功率及有功功率的独立、快速控制，电源电压经过PARK反变换得到脉宽调制信号。然后采用载波移相PWM分级控制，实现相单元均压控制、各相单元上下桥臂均压衡控制和子模块电容均压控制，确保各相单元之间、上下桥臂之间和各子模块之间平衡运行[16]。其控制框图如图4所示。

图4 MMC-STATCOM的控制框图

3 系统的仿真分析

基于CIGRE HVDC标准测试模型搭建了含MMC-STATCOM的双馈入高压直流输电子系统，其拓扑结构如图1所示，HVDC1和HVDC2为两条传统高压直流输电线路，并且HVDC1与MMC-STATCOM的电气距离较近，两条传统高压直流输电线路的参数均参考CIGRE HVDC标准测试模型的参数，额定容量均为1 000 MW，额定直流电压均为500 kV；MMC-STATCOM的容量为5 Mvar，每个桥臂含有10个串联子模块，子模块的电容电压为2 kV，其余参数参考文献[17]。设定系统在2 s时，发生接地故障，研究MMC-STATCOM的接入对传统高压直流输电运行特性的影响，进一步研究了两者之间的电气距离对MMC-STATCOM改善直流输电系统运行特性的影响。

3.1 无MMC-STATCOM时子系统的运行特性

设置系统2 s时在受端交流母线处发生接地故障，故障持续时间为0.1 s ，运行系统，研究双馈入直流输电子系统的运行特性，仿真结果如图5所示。由于HVDC1和HVDC2同为传统直流输电系统，其运行特性基本一致，考虑篇幅问题，这里只做HVDC1的运行分析，HVDC2的运行情况不再赘述。

图5 无MMC-STATCOM时HVDC1的运行特性

从图5可以看出，2 s时，系统发生接地故障，直流电压和有功功率迅速下降，并且过零，出现功率中断现象，直流电流波动较大，冲击电流的幅值达到2.5 pu，受端交流母线上的电压也迅速下降至0的附近，熄弧角γ从15°快速下降为0，系统出现严重的换相失败现象，并且故障恢复时间较长。

3.2 含MMC-STATCOM的双馈入HVDC子系统

系统拓扑结构如图1所示，设置系统2 s时在受端交流母线处发生接地故障，故障持续时间为0.1 s ，运行系统，研究HVDC1和HVDC2的运行特性，仿真结果如图6和图7所示，其中图6中为HVDC1的运行特性，图7为HVDC2的运行特性。

图6 含MMC-STATCOM时HVDC1的运行特性

图7 含MMC-STATCOM时HVDC2的运行特性

从图6和图7可以看出，MMC-STATCOM的接入对HVDC1和HVDC2的运行特性均起到了改善作用，2 s时系统发生接地故障，由于MMC-STATCOM对系统进行了无功补偿，HVDC1和HVDC2的直流电流、直流电压波动较小，直流输送功率没有出现中断现象，熄弧角γ均在5°以上，系统没有发生换相失败，MMC-STATCOM的接入起到了良好的补偿作用，故障恢复特性也有一些改善。

从图6和图7相比较可得，MMC-STATCOM的接入对HVDC1运行特性的改善效果更加显著，由此可见，MMC-STATCOM对传统高压直流输电系统运行特性的改善与两者之间的电气距离有关，直流输电系统离MMC-STATCOM越近，其改善效果越明显，反之，改善效果越弱。

4 结束语

以传统双馈入高压直流输电子系统为例，详细分析了MMC-STATCOM的拓扑结构及工作原理，基于PSCAD/EMTDC仿真软件建立了含MMC-STATCOM的传统双馈入高压直流输电子系统，通过在受端交流母线处设置接地故障，研究了MMC-STATCOM的接入对传统双馈入高压直流输电子系统运行特性的影响。研究结果表明，MMC-STATCOM起到了良好的补偿作用，改善了系统的暂态运行特性；并进一步得出，MMC-STATCOM对传统高压直流输电子系统运行特性的改善与两者之间的电气距离有关，直流输电系统距MMC-STATCOM越近，其改善效果越明显，反之，改善效果越弱。文章的研究结果可以为多馈入直流输电工程的建设及无功补偿装置落点的选择提供一定的理论基础。