三端混合直流输电实验平台控制参考值变化斜率优化研究

秦嘉蔚，王顺亮，吴佳奇，刘天琪

(四川大学电气工程学院，四川 成都 610065)

0 引 言

为了充分发挥电网换相换流器高压直流输电系统(line commutated converter based on high voltage direct current，LCC-HVDC)和电压源型换流器高压直流输电系统(voltage source converter based on high voltage direct current，VSC-HVDC)两者的优势，混合型直流输电系统成为了新的研究热点。混合型直流输电系统的整流侧采用电网换相换流技术，逆变侧采用电压源型换流技术，既没有换相失败的风险，损耗也较低，运行技术较为成熟，有利于系统的安全稳定运行，是实现远距离大容量输电一种极具竞争力的方案[1-5]。

对于结合电网换相换流器(line comutated converter,LCC)和模块化多电平换流器(modular multilever converter,MMC)的LCC-MMC型混合双端直流输电系统，整流侧LCC换流站常采用定电压控制，为逆变侧提供稳定的直流电压，维持功率传输。逆变侧MMC则采用定有功和定无功控制，因此逆变侧能灵活地控制有功功率和无功功率。对于多端混合直流输电系统，由于LCC与MMC各换流站有多种控制策略，因此需要专门设计相应的控制策略，以达到协调控制的目的。文献[6]提出了4种LCC-MMC混合三端直流系统的控制策略及运行方式，并对4种控制策略进行对比，通过仿真验证了4种控制策略下系统的启动、稳态运行和停机等状态。文献[7]结合昆柳龙工程，分别给出了三端系统的启动和停运、两端系统启动和停运、三端系统中一端的停运、两端系统中增加一端的投入等情况操作过程，以及在稳态运行时协调各端功率的分配，在某一端退出运行时改变电流/功率参考指令，协调剩余两端的功率传输；最后，通过仿真验证了控制策略的可行性，能适用于多端直流输电系统复杂的运行环境。文献[8]为多端混合直流输电系统设计了两种控制模式，对比得出三台 MMC采用定直流电压控制具有有效的电流平衡能力，可以避免交流故障时MMC直流电流振荡。

虽然对混合直流输电系统的研究有接近20年的时间，但混合直流输电系统投入工程应用的实例并不多，目前还是以LCC-HVDC和MMC-HVDC为主[9-12]。除此之外，在已有文献中不能找到混合直流输电相关的实验研究，大多以仿真为主，但是实验是很重要的一个环节，能深入研究混合直流输电系统[13]。下面将通过在所搭建的混合直流输电实验平台上完成爬坡实验，找到实验设备控制器合适的斜率，使该混合直流输电系统既有较快的响应速度，又不会因直流电压/交流电流的冲击过大而发生跳闸。

1 系统工作原理

1.1 系统结构

在所设计的三端混合直流输电系统中，送端采用十二脉动LCC电网换相换流器，受端采用25电平MMC换流站和9电平MMC换流站并联。该三端混合直流输电系统拓扑图如图1所示，其中25电平MMC换流站采用最近电平逼近调制策略，9电平MMC换流站采用多种脉冲宽度调制策略。两MMC换流站均使用半桥式子模块(half bridge sub-module,HBSM)。

图1 三端混合直流输电系统拓扑

1.2 换流站控制

该三端混合直流输电系统整流侧LCC换流站采用定电流控制。将整流输出的直流电流Idc和设定直流电流参考值Idcre比较，得到的差值通过PI环节，最后对触发角α角进行修正，使得直流电流Idc越来越接近参考值，最终等于Idcre，从而达到了定电流控制的目的。其控制框图如图2所示。

图2 定电流控制

该三端混合直流输电系统逆变侧MMC采用的是传统双环控制。传统双环控制分为内环控制和外环控制。

图3 MMC双环控制

外环控制器根据不同的控制标准，可分为3种：定直流电压控制、定有功功率控制、定无功功率控制。因此只改变相应的外环控制器就可实现系统有功量(直流电压、频率、有功功率)与无功量(交流电压、无功功率)的不同控制。

d轴定有功功率控制参考电流表达式为

(1)

q轴定无功功率控制参考电流表达式为

(2)

d轴定直流电压控制参考电流表达式为

(3)

对内环控制来说，其目的主要是电流参考值和电流测量值经过内环的电流解耦控制得到d轴和q轴的参考电压信号。

d轴和q轴参考电压表达式为：

(4)

(5)

1.3 系统协调控制

对于该三端混合直流输电系统，整流站LCC采用定直流电流(功率)控制，逆变站25电平MMC采用定直流电压控制，逆变站9电平MMC采用定有功功率控制。

在该三端混合直流输电系统中，LCC换流站和9电平MMC换流站可以直接实现有功功率的控制，或者通过定直流电流间接实现用功功率的控制。定直流电压换流站25电平MMC作为整个系统功率平衡站，同时也能控制系统的直流电压。

1.3.1 调节系统定功率的值

系统处于稳态运行时，可以调节9电平MMC换流站控制器定功率的值。

1)当将9电平MMC换流站控制器定功率的值减小时，输送到功率平衡站25电平MMC的功率会增大。对直流系统来说，P=UI，因此直流电压会出现一个瞬时增大的冲击电压。紧接着25电平MMC换流站定电压控制器发挥作用，直流电压恢复到设定值，25电平MMC支路的直流电流增大。

2)当将9电平MMC换流站控制器定功率的值增大时，输送到功率平衡站25电平MMC的功率会减小，因此直流电压也会出现一个瞬时减小的冲击电压。紧接着25电平MMC换流站定电压控制器发挥作用，直流电压恢复到设定值，25电平MMC支路的直流电流减小。

以上是调节9电平MMC换流站控制器定功率的值的暂态过程，其流程框图如图4所示。

图4 调节MMC 9控制器定功率值的暂态过程

因此，对整个系统来说，调节9电平MMC换流站控制器定功率的值时，直流电压会出现一个瞬时增大或减小的值。当调节定功率换流器的值越快，即斜率k越大时，那么直流电压的瞬时值也将会越大。

1.3.2 调节系统定电压的值

系统处于稳态运行时，可以调节25电平MMC换流站控制器定电压的值。由于可调节的电压范围很小，因此可近似地把直流电压看作不变。

1)当将25电平MMC换流站控制器定电压的值减小时，由于输送到功率平衡站25电平MMC的功率不会变化，因此对直流系统来说，25电平MMC换流站支路的直流电流会出现一个瞬时增大的冲击电流，25电平MMC换流站支路的交流电流也会出现一个瞬时增大的冲击电流。

2)当将25电平MMC换流站控制器定电压的值增大时，同理，25电平MMC换流站支路的直流电流会出现一个瞬时减小的冲击电流，25电平MMC换流站支路的交流电流也会出现一个瞬时减小的冲击电流。

以上是调节25电平MMC换流站控制器定电压的值的暂态过程，其流程框图如图5所示。

图5 调节MMC 25控制器定电压值的暂态过程

因此，对整个系统来说，调节25电平MMC换流站控制器定电压的值时，25电平MMC换流站支路直流电流和交流电流会出现一个瞬时增大或减小的值。当调节定电压控制器的值越快，即斜率k越大时，那么直流电流和交流电流的瞬时值也将会越大。

2 直流输电系统仿真验证

在仿真中，LCC和MMC换流器主回路的额定电压和额定功率等参数如表1所示。实验中同样采用该参数。

表1 LCC和MMC换流器主回路参数

2.1 优化功率参考值斜率的仿真实验

实验使用的设备能承受的最大直流电压是900 V，当直流电压大于900 V时，设备将会发生跳闸。因此，接下来将会通过仿真和实验，减小9电平MMC换流站控制器定功率的值Pref，找到一个合适的斜率k，使系统既能在调节功率时较快达到设定值，又能不发生跳闸使实验中断。

9电平MMC的额定功率是12 kW，因此为了得到最大的冲击，9电平MMC的功率参考值Pref的初始值为-12 kW。仿真中,Pref从-12 kW变化到0。

当Pref在第4 s从-12 kW到0，变化时间为2 s时，k=6 kW/s。仿真波形如图6所示，图中是直流电压的波形，其峰值约为830 V。

图6 Pref的斜率为6 kW/s时仿真波形

当Pref在第4 s从-12 kW到0，变化时间为1 s时，k=12 kW/s。仿真波形如图7所示，图中是直流电压的波形，其峰值约为885 V。

图7 Pref的斜率为12 kW/s时仿真波形

当Pref在第4 s从-12 kW到0，变化时间为0.5 s时,k=24 kW/s。仿真波形如图8所示，图中是直流电压的波形，其峰值约为890 V。

图8 Pref的斜率为24 kW/s时仿真波形

2.2 优化电压参考值斜率的仿真实验

实验使用的设备能承受的最大交流电流是40 A，交流电流大于40 A时，设备将会发生跳闸。相比交流电流，直流电流有更大的裕量，不容易因直流电流冲击过大而使设备发生跳闸。因此，接下来将会通过仿真和实验，减小25电平MMC换流站控制器定电压的值Vref，找到一个最合适的斜率k，使系统既能在调节功率时较快达到设定值，又能不发生跳闸使实验中断。

该实验系统可设置的直流电压值最小为700 V，最大为750 V。因为25电平MMC的额定功率是20 kW，所以为了得到最大的冲击，25电平MMC的输出功率为20 kW，9电平MMC的输出功率为0。

当Vref的k=1000 V/s时，电压从750 V→700 V→750 V，各需要0.05 s。图9是25电平MMC的交流电流波形，其冲击的值较大，约为45 A。

图9 Vref的k=1000 V/s时仿真波形

当Vref的k=500 V/s时，电压从750 V→700 V→750 V，各需要0.1 s。图10是25电平MMC的交流电流波形。

图10 Vref的k=500 V/s时仿真波形

当Vref的k=250 V/s时，电压从750 V→700 V→750 V，各需要0.2 s。图11是25电平MMC的交流电流波形。

图11 Vref的k=250 V/s时仿真波形

综上可得，当25电平MMC输出功率最大为20 kW时，得到的冲击值最大，当Vref的斜率k=1000 V/s时，电压从750 V降低到700 V，得到交流电流的最大值约为45 A。

3 优化设备参考值的爬坡实验

爬坡实验使用的实验设备包括LCC换流器、25电平的MMC和9电平的MMC以及SCADA监测系统。SCADA监测系统可以对设备中电压电流量进行实时监测。

3.1 优化功率参考值斜率的运行实验

在Pref从-12 kW到0的基础上完成实验。

当Pref的斜率小于1.2 kW/s时，直流电压没有出现冲击，实验波形如图12所示。

图12 Pref的斜率为1.2 kW/s实验波形

当Pref的斜率从1.2 kW/s逐渐增大时，直流电压的冲击值也越来越大。图13是Pref斜率-冲击电压曲线图，随着斜率的增大，直流电压冲击值最大可达到900 V。如果直流电压继续增大，设备将会发生跳闸，此时Pref的极限斜率是k=24 kW/s，实验波形如图14所示。

图13 Pref斜率-冲击电压曲线

图14 Pref的斜率为24 kW/s实验波形

在Pref的几个特定的斜率值下，如k=6 kW/s、k=12 kW/s、k=24 kW/s时，将实验结果和仿真结果相对比，最大直流冲击电压值的误差较小，都低于5%。可以说明仿真的效果较好。

3.2 优化电压参考值斜率的运行实验

Vref从750 V下降至700 V:当k=1000 V/s时，需要0.05 s,如图15所示；当k=500 V/s时，需要0.1 ,如图16所示；当k=250 V/s时，需要0.2 s，如图17所示。图15至图17中，波形从上到下依次为直流电压波形、25电平MMC的直流电流波形、25电平MMC的交流电流波形。

图15 Vref的k=1000 V/s时实验波形

在完成实验时，发现Vref的k=1000 V/s时，25电平MMC交流电流的冲击电流接近设备的额定值40 A，如果Vref的斜率继续增大时将会跳闸。当斜率小于1000 V/s时，系统的响应较慢，功率控制没有很好的效果，改变功率参考值时，系统功率稳定到参考值的时间较长；当斜率大于1000 V/s时，系统会因为有功功率变化过快而发生跳闸，有较大的安全隐患。因此Vref的极限斜率是1000 V/s，Vref的斜率k取1000 V/s比较合适。

4 结 语

前面在混合直流输电系统上进行爬坡实验，找到9电平MMC功率参考值Pref合适的斜率以及25电平MMC电压参考值Vref合适的斜率，使系统既有较快的响应速度，又不会因直流电压/交流电流的冲击过大而发生跳闸。

在PSCAD里仿真改变功率参考值斜率，直流电压的冲击电压达到900 V时，Pref的极限斜率是k=24 kW/s。交流电流的冲击电流达到45 A时，Vref的斜率k=1000 V/s。

在实验平台上搭建LCC-MMC三端混合直流输电系统的仿真模型，改变功率参考值斜率，当Pref的斜率是k=24 kW/s时，直流电压的冲击电压达到905 V时，继续增大斜率，设备发生跳闸。改变电压参考值斜率，当Vref的斜率k=1000 V/s时，交流电流的冲击电流达到40 A，继续增大斜率，设备发生跳闸。因此可以得出结论，实验设备Pref的斜率选择k=24 kW/s较好，Vref的斜率选择k=1000 V/s较好，所得结论与仿真结果相同。