基于模块化多电平换流器的直流融冰装置馈线潮流控制仿真

班国邦 牛 唯 杨文勇 李建文 李 戎

基于模块化多电平换流器的直流融冰装置馈线潮流控制仿真

班国邦1,2牛 唯1,2杨文勇1,2李建文3李 戎3

（1. 贵州电网有限公司电力科学研究院，贵阳 550002； 2. 南方电网公司防冰减灾重点实验室，贵阳 550002； 3. 华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室，河北 保定 071003）

本文对基于模块化多电平换流器（MMC）的直流融冰装置进行功能拓展，利用其整流侧对称的拓扑将其延展为双端柔性互联装置，接入配电网对馈线潮流进行控制，灵活改变交流系统电压、电流使其满足上层功率指令变化，并在其中一侧交流系统发生短时电压波动时由对侧方向交流系统提供一定的无功支撑，在提高配电网供电可靠性的同时也提高了设备的利用率。首先对基于模块化多电平换流器的直流融冰装置拓扑及直流侧整流系统的控制方式进行设计并加以说明，进而在仿真平台搭建实际双端柔性互联装置模型，通过改变功率参考值及暂时电压波动得到过渡过程的电压、电流波形，验证直流融冰装置在融冰期外作为柔性互联装置实现馈线潮流控制的有效性。

潮流控制；直流融冰；柔性互联装置；模块化多电平换流器（MMC）

0 引言

冬季输电线路覆冰严重危害到了供电可靠性，处理不及时会造成大面积停电事故，给国民经济造成巨大损失[1]。常见的除冰方法有机械除冰和电流除冰两种，后者通过电流产生的热效应除冰，凭借反应速度更快且相对更安全的优势得到了广泛应用，其中直流融冰相较交流融冰因无需提供更多的无功电源而受到更多的青睐[2]。

直流融冰装置通过整流电路并入三相交流系统，工作时通过短接两相导线实现导线发热融冰。传统的整流电路多为基于全控型器件的桥式整流电路，其输出电流谐波含量较高，功率因数较低，大多需额外添加功率补偿装置以改善波形。模块化多电平换流器（modular multilevel converter, MMC）装置的提出显著改善了波形质量，这种拓扑通过串联子模块提升换流器电压等级和容量，降低整流电路对滤波装置的需求[3-4]。较传统的桥式整流电路，MMC多采用双闭环控制实现对功率的连续调节，其拓扑易于延展构成多端网络实现柔性直流输电，使其不仅能在冬季融冰时使用，在其余时间还可作为柔性互联装置（flexible interconnection device, FID）实现对多个交流系统的潮流控制[5]，提供紧急无功支撑，解决电压闪变、骤降问题，均衡潮流分布以保证配电网的供电可靠性[6-10]，提高装置的利用率[11]。

1 MMC直流融冰装置拓扑

MMC直流融冰装置拓扑如图1所示，每相分为上、下两个桥臂，每个桥臂由个级联的子模块及滤波电感组成，±·dc为直流母线电压（kV），三相结构完全对称，整流电路通过继电保护装置并入交流配电网。直流母线电压两侧的整流电路完全相同，构成双端FID。

图1 MMC直流融冰装置拓扑

2 基于直流融冰FID的基本控制策略

基于MMC拓扑的直流融冰装置采用直接电流控制的矢量控制方法，具有快速的电流响应特性和良好的限流能力。矢量控制由外环控制策略和内环控制策略组成。外环控制主要包括有功功率类控制和无功功率类控制[12]，内环控制采用电流控制[13-17]。基于MMC拓扑的直流融冰装置矢量控制结构如图2所示。

图2 基于MMC拓扑的直流融冰装置矢量控制结构

2.1 功率传输原理

柔性直流换流器功率传输原理如图3所示。将换流器看作一个相位和幅值可调的交流电压源。其中电抗为桥臂等效电抗。

图3 柔性直流换流器功率传输原理

由式（2）和式（3）可知，有功功率大小取决于电角度，为正表示换流器发出有功，为负表示换流器吸收有功；而无功功率大小取决于abccos，sabc-abccos为正表示换流器吸收感性无功，为负表示换流器发出无功。通过控制与abc便能实现对有功和无功的独立控制。

2.2 有功外环控制

有功类外环控制包括有功功率控制和直流电压控制[18]，前者通过上层传输指令实现一定范围内有功功率调节，后者控制直流母线正负极间电压，二者皆输出电流参考值d轴分量作为电流控制的输入。有功功率控制和直流电压控制框图如图4所示。

图4 有功外环控制框图

图4（a）中，ref为功率期望值，为经过一阶低通滤波器后的直流极有功功率值，二者的差值通过PI控制环节后限幅生成d轴电流参考值dref。图4（b）中，dc_ref为总直流电压期望值，dButter为正负极直流电压相减之后经二阶巴特沃斯低通滤波器的电压值，二者的差值通过PI控制环节后限幅生成d轴电流参考值dref。

2.3 无功外环控制

无功类外环控制包括定无功功率控制和定交流电压控制[18]，前者以网侧无功为控制目标，后者以网侧电压为控制目标，二者皆输出电流参考值q轴分量作为电流控制的输入。无功功率控制框图和交流电压下垂控制示意图如图5所示。

图5（a）中，ref为功率期望值，为经过一阶低通滤波器后的网侧无功功率值，二者的差值通过PI控制环节后限幅生成q轴电流参考值qref。图5（b）以网侧电压为目标为系统提供无功支撑，输出q轴电流参考值qref，其中q∈[0, 1]为电压幅值下垂系数，0为电压下垂曲线电压幅值初值，0为与其对应的无功功率参考值。

2.4 电流内环控制

电流内环控制的输入是功率外环控制的输出，电流内环控制的输出是功率开关管的调制电压。电流内环控制是实现输出电流无差跟踪目标电流的环节，其逻辑控制框图如图6所示。

图6 电流内环逻辑控制框图

3 仿真验证

为验证第2节基于直流融冰FID的控制策略的有效性，在Matlab/Simulink中搭建双端口FID系统模型，令其在稳态时交流系统三相电压平衡，系统仿真参数及控制侧参数分别见表1与表2。

表1 系统仿真参数

表2 系统控制侧参数

（续表2）

3.1 有功功率支撑

设定MMC1外环为dc控制，MMC2外环为控制。MMC2的有功功率和无功功率的参考值分别为0.5p.u.和0.1p.u.，设置仿真时长为2.5s，在=1.5s时令有功参考值变为0.8p.u.，图7～图9给出了此时交流与直流系统侧电压、电流波形，交流侧三相电压、电流对称，以a相为例进行分析。

图7 功率指令变化后MMC1侧交流系统

a相电压、电流波形

图8 功率指令变化后MMC2侧交流系统

a相电压、电流波形

图9 功率指令变化后直流母线电压、电流波形

由图7可知，MMC1侧交流系统电压在=1.5s时未发生变化，MMC1侧电流在=1.5s时出现波动，幅值逐渐变大，在=1.7s时达到稳定；由图8可知，MMC2侧交流系统电压在=1.5s时未发生变化，MMC2侧电流在=1.5s时出现波动，幅值逐渐变大，在=1.7s时达到稳定；由图9可知，直流母线电压在=1.5s出现波动后迅速回归稳态电压值，直流母线电流在=1.5s时出现波动，幅值逐渐变大，在=1.9s时达到稳定。说明基于直流融冰的双端FID采取合理的控制策略（一端为dc控制，另一端为控制），在有功功率指令发生变化时，控制侧能快速将功率变化信号转化为电流dq轴信号，进而通过改变电流幅值跟踪功率，实现对有功功率的支撑。

3.2 无功功率支撑

设定MMC1外环为dc控制，MMC2外环为ref控制。设置仿真时长为8s，在=2.5s时令MMC2侧交流系统电压出现暂降，大小降为额定值的90%，持续时长3s，图10～图13给出了此时交流与直流系统侧电压、电流波形。

图10 发生电压暂降后MMC1侧交流系统

a相电压、电流波形

图11 发生电压暂降后MMC2侧交流系统

a相电压波形

图12 发生电压暂降后MMC2侧交流系统

a相电流波形

图13 发生电压暂降后直流母线电压、电流波形

由图10可知，MMC1侧交流系统电压在=2.5s时未发生变化，MMC1侧电流在=2.5s时出现波动，幅值先变小再变大，在=2.85s时达到稳定；由图11可知，MMC2侧交流系统电压在=2.5s时出现暂降，在=4s时幅值已恢复至暂降前的稳态值；由图12可知，MMC2侧交流系统电流在=2.5s时出现暂降，在=4s时幅值已恢复至暂降前的稳态值；由图13可知，直流母线电压在=2.5s出现微小波动，电流在=2.5s增大，二者在=3s时回归稳态。说明基于直流融冰的双端FID采取合理的控制策略（一端为dc控制，另一端为ref控制），在交流系统电压出现波动时，控制侧能快速将电压变化信号转化为电流dq轴信号，通过直流母线电压波动改变两个子系统间的潮流输送，令无电压波动的一方增大其电流为电压暂降系统提供无功支撑。

4 结论

在仿真平台搭建了基于直流融冰的双端FID模型，通过改变有功功率信号、短时交流系统电压波动，观察交流与直流侧电压、电流波形，得到如下结论：

1）双端FID控制策略选取一端为dc控制，另一端为控制，在上层功率指令发生变化时，控制侧能快速将功率变化信号转化为电流dq轴信号，进而通过改变电流幅值跟踪功率，实现对有功功率的支撑。

2）双端FID控制策略选取一端为dc控制，另一端为ref控制，在交流系统电压出现波动时，控制侧能快速将电压变化信号转化为电流dq轴信号，通过直流母线电压波动改变两个子系统间的潮流输送，令无电压波动的一方增大其电流为电压暂降系统提供无功支撑。

本文对基于直流融冰的FID采取合理的控制策略，将其与两个（或多个）配电网相连即可实现功率潮流控制，解决因大量的电力电子装置接入及用户负荷的多样化带来的电压波动、馈线负荷不均衡等问题，在不改变现有配电网架构的同时提高了供电可靠性，也提高了装置的利用率。

下一步研究与工程化工作：针对配电网系统发生故障时，基于直流融冰FID的抵御能力与功能特性展开研究，并尽快开展后续试验和现场工程应用，测试设备各种性能参数和配网潮流控制情况。

[1] 许可, 鲜杏, 程杰, 等. 考虑分布式电源接入的中压配网接线方式研究[J]. 电气技术, 2015, 16(11): 16-28.

[2] 敬华兵. 兼具多功能的直流融冰技术及应用研究[D].长沙: 中南大学, 2013: 1-2.

[3] 杨晓峰. 模块组合多电平换流器(MMC)研究[D]. 北京: 北京交通大学, 2011: 15-17.

[4] 周乐园. 应用于10kV配电网中的双输出MMC拓扑的研究[D]. 杭州: 浙江大学, 2019: 6-13.

[5] 杨晓峰, 郑琼林, 薛尧, 等. 模块化多电平换流器的拓扑和工业应用综述[J]. 电网技术, 2016, 40(1): 1-10.

[6] 王成山, 宋关羽, 李鹏, 等. 基于智能软开关的智能配电网柔性互联技术及展望[J]. 电力系统自动化, 2016, 40(22): 168-175.

[7] 汪宝, 匡洪海, 郑丽平, 等. 分布式发电与配电网的协调发展与技术展望[J]. 电气技术, 2017, 18(3): 5-9.

[8] 王成山, 李鹏, 于浩. 智能配电网的新形态及其灵活性特征分析与应用[J]. 电力系统自动化, 2018, 42(10): 13-21.

[9] 周剑桥, 张建文, 施刚, 等. 应用于配电网柔性互联的变换器拓扑[J]. 中国电机工程学报, 2019, 39(1): 277-288.

[10] 祁琪, 姜齐荣, 许彦平. 智能配电网柔性互联研究现状及发展趋势[J]. 电网技术, 2020, 44(12): 4665- 4672.

[11] 班国邦, 谈竹奎, 郝正航, 等. 多能互补柔性互联配电网在线融冰方法[J]. 南方电网技术, 2019, 13(9): 43-48.

[12] 刘钟淇, 宋强, 刘文华. 新型模块化多电平变流器的控制策略研究[J]. 电力电子技术, 2009, 43(10): 5-7, 18.

[13] 沈阳武, 彭晓涛, 孙元章. 背靠背双PWM变流器的协调控制策略[J]. 电网技术, 2012, 36(1): 146-152.

[14] 李智诚, 吴建中, 和敬涵, 等. 软常开点的双闭环控制及其在配电网中的应用[J]. 智能电网, 2013, 1(1): 49-55.

[15] 叶天华. 用于馈线互联的模块化多电平交-交变换器拓扑选型与控制策略研究[D]. 杭州: 浙江大学, 2018: 17-20.

[16] 王天昊, 李鹏, 于浩, 等. 变结构条件下智能配电软开关暂态快速仿真方法[J]. 电网技术, 2018, 42(7): 2279-2285.

[17] 侯立凯. 基于MMC的柔性多状态开关控制策略研究[D]. 合肥: 合肥工业大学, 2020: 18-20.

[18] 贺悝, 李勇, 曹一家, 等. 考虑分布式储能参与的直流配电网电压柔性控制策略[J]. 电工技术学报, 2017, 32(10): 101-110.

Feeder power flow control simulation of direct current ice melting device based on modular multilevel converter

BAN Guobang1,2NIU Wei1,2YANG Wenyong1,2LI Jianwen3LI Rong3

(1. Electric Power Research Insitute of Guizhou Power Grid Co., Ltd, Guiyang 550002; 2. Key Laboratory of Anti-icing and Disaster Reduction of China Southern Power Grid Corporation, Guiyang 550002; 3. State Key Lab of New Energy and Power Systems of North China Electric Power University, Baoding, Hebei 071003)

This paper expands the function of the DC ice melting device based on modular multilevel converter (MMC), uses the symmetrical topology of rectifier side to extend it into a double-ended flexible interconnection device, which is connected to the distribution network to control feeder power flow. The voltage and current of AC system is changed to meet upper-level power command changes. A certain amount of reactive power is provided from the opposite AC system when a short-term voltage fluctuation occurs in one of the AC systems. Thus the reliability of the distribution network’s power supply is improved while the utilization rate of the device is increased. First, topology of the DC ice melting device based on modular multilevel converter and control method of the rectifier side are designed and explained, then a double-ended flexible interconnection device model is built on simulation platform, and the voltage and current waveforms of transition process is obtained by changing power reference value and temporary voltage fluctuations. The results verifiy effectiveness of the DC ice melting as a flexible interconnection device to achieve feeder power flow control outside the ice melting period.

power flow control; direct current ice melting; flexible interconnection device; modular multilevel converter (MMC)

2021-04-09

2021-04-29

班国邦（1983—），男，贵州省毕节市人，硕士，高级工程师，主要从事高电压技术及柔性直流配电技术研究、测试等工作。

贵州电网公司科技项目（GZKJXM20182104）