受端混联LCC-VSC特高压直流输电系统故障穿越方法

王冰倩，赵文强，侍乔明，田杰，常昊添

(南京南瑞继保电气有限公司，江苏 南京 211102)

0 引言

随着直流输电技术的快速发展，基于电网换相换流器的高压直流输电(line commutated converter based high voltage direct current，LCC-HVDC)技术日趋成熟，常规高压直流输电系统具有远距离、大容量、低成本等优点[1—4]。但逆变侧交流电压受到扰动时，电网换相换流器容易发生换相失败，给交直流系统稳定运行带来严重影响[5—6]。基于电压源换流器的高压直流输电(voltage source converter based high voltage direct current，VSC-HVDC)技术具有无换相失败、无需无功补偿等优点[7]。基于LCC-VSC的混合直流输电技术结合常规直流输电和柔性直流输电的优点，可提供更灵活的输电方式，但其复杂的拓扑结构和灵活的运行方式，给直流系统的控制策略、交直流故障穿越策略等带来了新的挑战。混合直流输电系统的拓扑结构、运行特性及控制策略等成为了国内外学者的研究热点[8—10]。

文中以整流站采用LCC，逆变站采用LCC和多个VSC级联的受端混联型LCC-VSC直流输电系统为研究对象，该混联型结构具有可以改善逆变侧交流电压稳定性、降低换相失败发生概率等优点。该拓扑可利用LCC的单向导电特性阻断直流线路故障时VSC的反向馈入电流，同时结合VSC功率指令控制可实现直流故障快速穿越和恢复[11]，但VSC所连交流系统发生严重故障时，输电系统可能无法实现故障穿越。

针对柔性直流输电系统的交直流故障穿越问题已有较多研究，例如在风电场直流侧安装耗能装置[12—14]，从整流侧、逆变侧分别调整控制策略[15—21]。文献[15]通过在风电场模块化多电平换流器(modular multilevel converter，MMC)直流侧安装耗散电阻和斩波电阻来耗散过剩功率，实现交直流故障穿越，但该方案对特高压工程而言成本过高。文献[17]提出在受端VSC发生交流故障时，VSC投入交流低压限流环节、正负序电流控制环节等控制策略来实现故障穿越，但该方法需站间通信，控制策略较为复杂。目前，针对受端混联型LCC-VSC直流输电系统的交流故障穿越策略研究较少，已有的混合直流系统交流故障穿越方法并不完全适用。

文中介绍了受端混联型LCC-VSC直流输电系统的拓扑结构和控制策略，分析了VSC换流器交流故障导致子模块电容过压机制，为实现受端VSC交流故障穿越，提出在受端VSC直流侧安装耗能设备以抑制VSC子模块过压。对VSC直流侧分别安装直流斩波耗能电阻(DC Chopper)、泄流晶闸管、可控避雷器(controllable metal oxide surge arrester,CMOA)的子模块电容过压抑制原理及效果进行研究和对比，从兼顾拓扑性能需求和经济效益方面指出了各方案的优缺点，并搭建了PSCAD/EMTDC仿真模型进行仿真验证。

1 受端混联型LCC-VSC直流输电系统

1.1 受端混联型LCC-VSC直流系统拓扑结构

受端混联型LCC-VSC直流输电系统受端采用LCC与多个VSC级联的方式，其单极拓扑结构如图1所示，送端高、低压阀组及受端高压阀组均采用LCC换流器，受端低压阀组采用3个VSC换流器并联，其中BPS为旁通开关。该拓扑具有灵活多变的运行方式，例如全压LCC-(LCC+1VSC)、LCC-(LCC+2VSC)、LCC-(LCC+3VSC)，半压LCC-LCC、LCC-1VSC、LCC-2VSC、LCC-3VSC等。正常全压运行条件下，逆变侧高、低压阀组平分直流功率，VSC极母线电压为400 kV，低端VSC通过协调控制平均分配直流电流，高、低端之间能够实现一定程度的功率转带。

图1 受端混联直流输电系统拓扑Fig.1 Topology of hybrid cascade HVDC transmission system

1.2 受端混联型LCC-VSC直流系统控制策略

整流站LCC控制策略与常规特高压直流输电系统基本相同，通过控制触发角来实现定直流功率/直流电流控制，通过低压限流、交流暂态控制等环节来改善交直流动态运行性能。逆变站高端LCC采用定直流电压控制，低端3个VSC中1个控制直流电压，另2个控制功率，若控制直流电压的VSC因故退出，则控制功率的VSC按照预先设定的优先级接管直流电压控制。

逆变站VSC采用矢量控制，即基于dq旋转坐标系的解耦控制，分为外环功率控制和内环电流控制[1,21—24]。其中外环控制包含直流电压控制、有功功率控制、无功功率控制、交流电压控制等，根据系统直流电压、直流电流等参数及系统电压、电流、功率等控制目标产生参考电流输送给内环控制。内环控制通过矢量控制生成三相电压参考值，最终计算得到上、下桥臂子模块的开通个数。VSC控制结构如图2所示。其中Udc，Idc分别为MMC直流侧电压和电流；Us,abc，Is,abc分别为换流器交流侧相电压和相电流；θ为Usa相位；Usd，Usq分别为交流侧相电压的d轴和q轴分量；Isd，Isq分别为交流侧相电流的d轴和q轴分量；Pref，Qref分别为有功功率和无功功率参考值；Udcref，Usref分别为直流电压和交流侧电压参考值；idref，iqref分别为d轴和q轴电流参考值；Ucdref，Ucqref分别为d轴和q轴电压参考值。

图2 VSC控制策略结构Fig.2 Structure of VSC control strategy

1.3 受端VSC交流故障过压机制

VSC子模块电容电压与交、直流侧的关系可简化如下[25]：

(1)

式中：Pdc为换流器直流侧功率；Pac为换流器交流侧功率；C为换流器投入子模块总电容；Udc为直流电压。

当VSC直流侧输入功率与交流侧输出功率不平衡时，会引起VSC子模块电容电压的变化[26—28]。例如逆变侧低端VSC交流系统发生三相接地故障，一方面高端LCC与低端VSC所连交流系统的强耦合作用可能导致LCC发生换相失败，相当于LCC旁通后对低阀VSC充电，另一方面交流电压严重跌落，交流低压限流环节作用降低输出电流，导致换流器交流系统功率输出通道严重受阻[21]。而整流侧依旧按照稳定运行时的功率设定参考值输送直流功率，导致VSC交流功率Pac远远小于直流功率Pdc，过剩的功率转移储存至VSC子模块电容上，最终导致子模块电压严重升高，引起直流闭锁，甚至威胁设备安全。

2 受端混联型LCC-VSC直流系统交流故障穿越策略

2.1 耗能设备

由VSC交流故障过压机制分析可知，实现VSC交流故障穿越的本质是消耗交流电压跌落后直流侧过剩的功率，减轻VSC子模块电容的储能负担，维持VSC交、直流侧功率平衡。因此考虑在VSC直流侧安装耗能设备，用以消耗交流故障期间直流侧过剩功率，限制子模块电压在安全范围内，保证系统可靠穿越交流故障。目前，耗能设备主要有DC Chopper、泄流晶闸管和CMOA，其结构如图3所示，性能对比如表1所示。

表1 3种耗能设备性能对比Table 1 Performance comparison of three energy-consuming equipments

DC Chopper由耗能电阻和控制开关组成[13]，其中电阻实现盈余功率转移耗散，电阻值RChopper由式(2)决定，Pdc一般选择额定容量[15]，控制开关一般采用高速全控型开关绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)，以实现精确投入和退出。当VSC子模块电容电压越限后开通开关器件来限制VSC端口电压，当故障消失后，断开Chopper回路实现系统快速恢复，其不足是IGBT技术成本及造价较高。

(2)

泄流晶闸管技术类似常规直流的投旁通对，故障时给VSC直流侧盈余的功率提供一个直流通路，以避免直流侧盈余的功率储存在VSC换流器的子模块电容上而引起过压。为防止晶闸管不能及时自动关断，考虑串联直流开关来保证其可靠关断。其缺点是晶闸管的关断需要整流侧移相，通过一次重启实现，会造成故障穿越过程中功率中断，且在实际工程应用中存在泄流晶闸管巡检及性能监控技术难度大等不足[29]。

CMOA由固定元件、受控元件、控制开关组成[30]。固定部分一般位于高位端，受控部分与控制开关并联，通常位于低位端。主要是利用避雷器防止过压的特性，将VSC换流器的端口电压限制在安全范围内，从而避免VSC换流器过电压，其工作原理类似于DC Chopper，但其具有经济成本低、制造技术较成熟等优势。

2.2 基于耗能设备的交流故障穿越控制策略

设定投入耗能设备的子模块电容电压阈值，当交流故障导致VSC子模块电容电压大于阈值时，VSC控制系统将发出投入耗能设备指令，从而避免子模块电容电压进一步升高。子模块电容电压阈值需保证：在最严苛的故障情况下，耗能设备导通后子模块电容电压被限制在安全范围内，同时对耗能设备的储能要求尽可能低，以便在工程应用中实现。

对于图1所示的受端混联型LCC-VSC直流输电系统，VSC运行个数不同，VSC发生交流系统故障期间，采用的协调控制策略不同。

当受端低阀3个VSC均运行时，其中1个VSC交流系统发生故障，一方面可以利用非故障VSC转带故障VSC 的部分功率，另一方面当子模块电容电压超过阈值后导通耗能设备，将盈余功率转移至耗能设备，减轻子模块电容储能负担，从而抑制子模块电容电压升高。当故障清除后，子模块电容电压下降至阈值以下，退出耗能设备，实现交流系统故障穿越。

当受端低阀只有2个VSC运行时，系统输送功率可以设定为额定值，当其中1个VSC所连交流系统发生故障，非故障VSC功率转带能力有限，此时对耗能设备容量的要求较高，可以采取整流侧配合移相以减少直流侧流入耗能设备的功率，从而减小耗能设备容量需求。

当受端低阀只有1个VSC运行时，唯一的VSC发生故障后没有非故障VSC接管定电压控制及功率转带，故障后VSC承受电压应力大，为防止对设备造成损害，系统将降低输送功率，利用耗能设备可靠穿越VSC交流故障。

DC Chopper安装在图1所示VSC直流侧耗能设备处，当交流故障导致子模块电容电压大于阈值时，投入DC Chopper开关形成泄能回路，故障清除后，关断开关，退出DC Chopper。混合直流系统VSC交流故障后的控制策略如图4所示，其中红框部分为DC Chopper动作策略。

VSC直流侧安装有泄流晶闸管的结构如图5所示，晶闸管动作策略如图4中绿框部分所示。为保证晶闸管能够可靠关断，在晶闸管处串联直流开关，VSC直流出口处需要安装阻断二极管以防止VSC电流反向流进晶闸管形成短路回路。当故障导致VSC子模块电压越限后，触发导通泄流晶闸管，从而与高端LCC形成泄流回路，故障清除后，整流侧进行移相，晶闸管关断，系统进行一次重启，实现故障穿越。

图5 配置泄流晶闸管的受端混联直流输电系统拓扑Fig.5 Topology of hybrid cascade HVDC transmission system with thyristor

CMOA安装位置与DC Chopper一致，动作策略如图4中蓝框部分所示。当逆变侧VSC交流系统发生故障导致子模块电容电压升高并超过阈值时，控制开关K闭合，受控元件被旁路，降低CMOA残压，固定元件将高端LCC流入VSC的直流电流大量转移至CMOA，同时让VSC释放一部分能量，从而限制子模块电容过压。故障消失后，VSC正常输出功率，VSC直流电压降低，子模块电容电压降低至阈值后，打开CMOA开关K。

3 仿真分析

3.1 仿真系统

基于PSCAD平台搭建受端混联LCC-VSC特高压直流输电仿真系统，其中，主回路结构参照图1设计。送端高、低端配置LCC+BPS；受端高端配置LCC+BPS；受端低端配置3VSC+BPS+耗能设备；额定功率为8 000 MW；额定直流电压为±800 kV；额定直流为5 000 A；VSC子模块个数为200个；投入耗能设备的子模块电容电压阈值为2 600 V。

受端LCC+3VSC全压运行模式时，单极输送功率4 000 MW，高端LCC输送2 000 MW，低端单个VSC输送667 MW；LCC+2VSC全压运行模式时，单极输送功率4 000 MW，高端LCC输送2 000 MW，低端单个VSC需要输送1 000 MW；LCC+VSC全压运行模式时，因为低端单个VSC输送功率受限，系统降功率运行，单极输送功率为1 600 MW，高端LCC输送800 MW，低端单个VSC需要输送800 MW。系统全压LCC+2VSC运行方式下单个VSC换流器承受的功率更大，交流故障导致阀过压情况更严苛，因此文中研究全压LCC-(LCC+2VSC)运行方式下的三相交流故障穿越，其中VSC3为定电压控制，VSC2为定功率控制。

3.2 仿真结果

3.2.1 无耗能设备仿真结果

VSC直流侧不安装耗能设备时，如果VSC3所连交流系统发生三相金属性接地故障，仿真结果如图6所示，故障发生于9.1 s，持续时间100 ms，子模块电容电压最大值持续上升，最后峰值达到3.46 kV，VSC直流侧端口电压达到1 228 kV，严重过压，VSC换流器闭锁，最后极闭锁，无法实现交流故障穿越。

图6 无耗能设备时VSC3三相交流接地故障仿真波形Fig.6 Simulation waveforms of three-phase AC fault in VSC3 without energy-consuming equipments

为了对比DC Chopper、泄流晶闸管、CMOA设备抑制子模块过压的性能，在VSC直流侧分别安装3种耗能设备，并进行VSC3交流系统三相金属性接地故障试验。

3.2.2 基于DC Chopper的技术方案

仿真波形如图7所示，结果显示VSC3三相接地故障时VSC子模块电容电压最大值降到2.73 kV，VSC直流侧端口电压最大值降为523 kV，故障消失后，系统恢复运行。同时可以看出DC Chopper转移效果快，也反映出对Chopper电阻的要求高，考虑到DC Chopper的经济成本较高，对于柔性直流输电系统可适当引入使用，对于特高压直流大容量传输系统而言，电阻要求大，其经济成本过高。

图7 配置DC Chopper时VSC3三相接地故障仿真波形Fig.7 Simulation waveforms of three-phase AC fault in VSC3 with DC Chopper

3.2.3 基于泄流晶闸管的技术方案

仿真波形如图8所示，结果显示VSC3三相接地故障后，VSC子模块的电容电压最大值降到2.74 kV，VSC直流侧的端口电压最大值降为521 kV，整流侧移相后直流线路电流和晶闸管电流降为零，实现晶闸管关断，系统通过一次重启实现交流故障穿越。

图8 配置泄流晶闸管时VSC3三相接地故障仿真波形Fig.8 Simulation waveforms of three-phase AC fault in VSC3 with thyristor

3.2.4 基于CMOA的技术方案

仿真波形如图9所示，结果显示子模块电容电压最大值降低至2.88 kV，VSC直流侧端口电压最大值降为543 kV，故障消失后可以快速恢复运行，可靠穿越交流三相短路故障，CMOA固定元件的能量达到了165 MJ，该能量可作为CMOA设计依据。

图9 配置CMOA时VSC3三相接地故障仿真波形Fig.9 Simulation waveforms of three-phase AC fault in VSC3 with CMOA

3种耗能设备的仿真结果如表2所示，结果表明3种方案均可实现VSC交流故障穿越。结合工程实际应用，综合考虑耗能设备对子模块电容过压抑制效果、工程应用的经济成本及工程实现难度，CMOA不仅能满足功率耗散性能要求，而且经济成本较其他方案低，工程实现技术难度也较低，更适用于受端混联LCC-VSC特高压直流输电系统。

表2 3种耗能设备仿真结果Table 2 Simulation results of three energy-consuming equipments

4 结语

文中提出利用DC Chopper、泄流晶闸管、CMOA来抑制VSC子模块电容电压的受端混联LCC-VSC直流输电系统交流故障穿越方法，搭建PSCAD模型进行仿真验证。结果表明，3种耗能设备均可有效降低交流故障穿越过程中的子模块电容电压。从工程应用及经济性角度出发，泄流晶闸管会导致故障穿越过程中功率中断且工程中性能检测及巡检难度大，DC Chopper在大容量输电系统工程背景下经济成本高，CMOA方案能够兼顾经济效益和性能需求，更适用于受端混联LCC-VSC特高压直流输电系统的工程应用。

本文得到国网电力科学研究院有限公司科技项目“±800 kV混合级联多端直流输电系统控制保护关键技术及应用研究”(JS1900544)资助，谨此致谢！