LCC-MMC特高压混合直流输电系统高低压阀组均压控制策略

周保荣，李选平，黎寿涛，洪潮，黄东启，姚文峰，夏成军

(1.南方电网科学研究院，广州510663；2.广东省新能源电力系统智能运行与控制企业重点实验室，广州510640)

0 引言

基于电网换相换流器的高压直流输电系统(line commutated converter based on high voltage direct current，LCC-HVDC)容易发生换相失败的问题，基于模块化多电平换流器的柔性直流输电系统(multiple module converter based on high voltage direct current，MMC-HVDC)可从根本上避免换相失败，但存在建设成本高、运行损耗大等问题[1]。综合两者经济和技术优势的LCC-MMC混合直流输电系统[2-7]，既能避免换相失败，又能降低建设成本，具有广阔的应用前景。

LCC-MMC混合直流输电系统控制保护策略来源于LCC-HVDC和MMC-HVDC[8-11]，可以采用“LCC定电流控制/MMC定电压控制”和“LCC定电压控制/MMC定功率控制”两种控制策略[12-13]。由于特高压直流输电系统容量大、电压等级高，采用单阀组方案会使换流变压器(简称换流变)等设备制造和运输不易实现[14]；采用高低压阀组串联时，设备制造和运输容易实现，因此目前特高压直流电中一般采用高低压阀组串联的方案[15]。同时，为实现阀组之间控制的独立性，每极高低压阀组间分别配置独立的阀控系统[16]。然而与单阀组不同，高低压阀组串联的换流站存在阀组间直流电压不平衡的现象，严重时会导致阀组过电压保护动作，发生跳闸事件[17]。

对于LCC-HVDC，文献[17]认为阀组间电压不平衡的原因主要是阀组触发角控制异常、换流变的分接头档位和控制模式不同等。对于逆变站分层接入不同电网的特高压直流输电工程，文献[18]认为高低压阀组受到不同电网电压波动，导致阀组间的电压不平衡；对此，文献[19]提出逆变侧采用最大触发延迟角控制和换流变分接头控制相结合的办法来实现电压平衡。以上文献并不能解释为何高低压阀组接入同一受端电网且换流变分接头档位完全相同时也同样会出现电压不平衡。在LCC-MMC混合直流输电系统中，对于采用定有功功率控制的MMC换流站也会出现阀组间直流电压和功率不均衡的现象[20-21]。文献[21]把电压不平衡的原因归结为测量误差等偶然因素，提出基于阀组间电压偏差的直流电压平衡控制策略，但该策略需要对高低压阀组分别配置。文献[22-23]针对变压器35 kV出线三相对地电压不平衡的原因进行了分析，认为变压器三相绕组对地的杂散电容导致了三相对地电压不平衡，引起中性点偏移，从而产生不平衡电流。

现有研究对换流站阀组间电压不平衡的原因简单归结为换流变分接头控制故障和测量误差等，没有发掘更深层次的原因，没有对不平衡的机理过程深入分析。本文认为，换流变阀侧三相绕组对地和联接区的杂散电容在偏置电压的作用下产生不平衡电流，使得流经高低压阀组的直流电流存在差异，而且高低压阀组直流电压没有受到直接控制，因此在不平衡电流的扰动下，高低压阀组控制器发生竞争而出现饱和，导致阀组电压不平衡。不平衡电流的存在统一解释了串联的LCC和MMC高低压阀组电压不平衡的原因。在此基础上，本文分别针对整流站和逆变站的高低压阀组设计了基于阀组电压偏差量动态修正控制目标的均压控制器，实现对同一换流站控制器进行简单有效的统一配置。最后在PSCAD/EMTDC平台上对提出的均压控制策略的有效性进行仿真验证。

1 系统拓扑结构与基本控制策略

LCC-MMC特高压混合直流输电系统拓扑结构如图1所示，整流站由两个12脉冲换流单元串联，逆变站由两个MMC换流阀串联。其中，靠近直流极线的阀组称为高压阀组，靠近接地极的阀组称为低压阀组。在高低压阀组串联运行时，为了保证某一阀组因故障退出时另一阀组能继续运行，串联的阀组之间配置相同且独立的控制系统[12]。

图1 LCC-MMC特高压混合直流输电拓扑图(以正极为例)

在直流输电系统中，必须有一个换流站为定直流电压控制，进行系统功率平衡，其他站采用定电流或定功率控制。LCC-MMC特高压混合直流输电可采用两种控制策略：策略一“LCC定电流/MMC定电压”和策略二“LCC定电压/MMC定功率”。当采用策略一时，MMC采用定直流电压控制，高低压阀组电压直接受控，电压均衡；LCC高低压阀组均采用定电流控制，此时LCC串联的高低压阀组之间会出现电压不均衡的现象，具体表现为高压阀组电压大于额定电压，低压阀组电压低于额定电压，使得高压阀组传输的功率与低压阀组传输的功率之间存在较大的偏差。当采用策略二时，LCC采用定直流电压控制，高低压阀组电压直接受控，电压均衡；逆变站高低压阀组均采用定有功功率控制，同样，串联的高低压阀组会出现直流电压和有功功率不平衡。阀组电压不均衡状况严重时，会导致高压阀组电压过高使得过电压保护动作跳闸，因此有必要探究其背后存在的原因并提出解决方案。

2 高低压阀组电压不平衡原因分析

除了文献[17,20-21]提出的测量误差等原因之外，本文认为导致整流侧和逆变侧阀组电压不平衡的原因主要为同一换流站高低压阀组之间存在不平衡电流。在双极对称接线方案下，每一极的换流变压器阀侧与直流桥臂相连的交流连结区在正常运行时都要承受一个带直流偏置的交流电压[14]。由于换流变三相绕组对地和阀侧交流连结区对地的杂散电容，在直流偏置电压的作用下中性点电位发生偏移，产生对地的不平衡电流[22-23]，导致流经高低压阀组的电流大小并非完全相同。图2为整流侧和逆变侧的不平衡电流示意图。

图2 LCC整流站和MMC逆变站高低压阀组不平衡电流

由图2可得：

Idc1H=Idc1L-Iun1

(1)

Idc2H=Idc2L+Iun2

(2)

式中：Idc1H、Idc1L和Iun1分别为整流侧的高压、低压阀组电流和不平衡电流；Idc2H、Idc2L和Iun2分别为逆变侧的高压、低压阀组电流和不平衡电流。由式(1)和(2)可知，当整流侧高、低压阀组电压相等，即Udc1H=Udc1L时，有：

P1H>P1L

(3)

式中：P1H和P1L分别为整流侧高压、低压阀组输入功率。同样，当逆变侧高、低压阀组电压相等，即Udc2H=Udc2L时，有：

P2H

(4)

式中P2H和P2L分别为逆变侧高压、低压阀组输出功率。

由于高低压阀组直流电压没有受到直接控制，在不平衡电流的扰动下，阀组控制器为达到相同的电流(功率)目标而存在竞争，使得控制器发生饱和，导致串联阀组间出现电压不平衡。

3 高低压阀组电压不平衡机理过程分析

对于整流侧LCC，当采用控制策略一时，高低压阀组直流电压可以表示为：

(5)

式中：下标i为H或L，分别表示高、低压阀组；αi为换流器触发角；XT1i为阀组换相电抗；U1和τ分别为交流侧电压和换流变压器变比。

假设初始时刻高低压阀组直流电压相等，由于流经高低压阀组的电流Idc1H

对于逆变侧MMC，当采用控制策略二时，忽略换流器损耗，逆变站高低阀组的直流侧输入能量Wdc2i、高低阀组中子模块电容储能WSMi与阀组输出交流有功功率P2i之间满足式(6)关系。

Wdc2i=WSMi+P2i

(6)

假设初始时刻高低压阀组电压相等，由于存在Idc2H>Idc2L，使得高压阀组输出功率P2H达到目标值P2ref时，低压阀组输出功率P2L

4 高低压阀组均压控制策略

根据上述不平衡电流导致阀组电压不平衡的原理，可以通过阀组电压偏差生成修正量对初始控制目标进行修正，使得阀组电压跟随额定值，实现对阀组电压的间接控制，使得高低阀组电压平衡。

LCC整流站的阀组均压控制如图3(a)所示，该控制框图同时适用于整流侧的高低压阀组，图中下标i=H或L时分别表示高、低压阀组。首先对阀组直流电压Vdc1i与额定电压Vdc1ref作差得到电压偏差量，再通过比例环节K1得到直流电流修正量ΔIdc1i，阀组的电流初始指令Idc1refi减去修正量得到修正后电流指令，再与实际电流Idc1i作差后经积分环节得到超前触发角β。图中限幅环节可以减少目标电流修正量过大时对系统造成的冲击。对于定电流控制的LCC整流站，修正后的高压阀组电流指令小于初始指令，低压阀组电流指令大于初始指令。

图3 LCC-MMC系统高低压阀组直流电压均压控制框图

逆变站的均压控制如图3(b)所示，首先通过直流电流Idc2与线路电阻Rv相乘得到线路压降ΔVdcref，整流站电压Vdc1ref减去线路压降得到逆变站电压额定值Vdc2ref，然后分别得到高低压阀组电压Vdc2i与额定电压Vdc2ref的偏差量。通过比例环节K2得到功率指令修正量ΔP2i对高低压阀组的初始目标P2ref进行叠加修正，修正后功率指令值，再与阀组实际功率P2i作差后经积分环节得到d轴电流参考值Idrefi。同样均压控制器出口处的限幅环节可以减少目标功率修正量过大时对系统造成的冲击。对于定有功功率控制的逆变站，修正后的高压阀组功率指令大于初始指令，低压阀组功率指令小于初始指令。

5 仿真验证

在PSCAD/EMTDC上搭建LCC-MMC特高压混合直流输电系统，系统额定功率为3 000 MW，极电压为±800 kV。以正极为例，分别研究LCC-MMC采用策略一和策略二时均压控制策略的有效性。

5.1 切除和投入均压控制器的系统响应

当采用策略一时，LCC定直流电流控制。3.0 s前系统稳定运行在额定工况，在3.0 s时切除LCC阀组均压控制器，4.0 s 时再重新投入，得到图4所示的切除/投入平衡控制时的LCC高低压阀组动态响应特性。3.0 s前阀组直流电压平衡，3.0 s时刻切除均压控制器，由于流经高压阀组的电流Idc1H较小，在高压阀组控制器的作用下，触发角αH减小，导致低压阀组电流Idc1L大于目标值Idcref1。在低压阀组控制器的作用下，αL增大，Idc1L减小；如此反复，αL不断增大，αH不断减小直至αH=5 °，进入最小触发角控制，失去对电流的控制，高低压阀组出现电压和有功不平衡的现象。要特别说明的是，此时系统并非处于不稳定状态，而是从初始的阀组电压平衡的稳态点进入到阀组电压不平衡的另一稳态点。在4.0 s时刻，重新投入均压控制器后，高低压阀组电流指令随着阀组电压变化而不断动态调整，使得阀组电压得到均衡控制，LCC高低阀组均压控制策略的有效性得到验证。

图4 整流侧LCC切除和投入均压控制器阀组动态特性

当系统采用控制策略二时，MMC定有功功率控制。3.0 s前系统稳定运行在额定工况，3.0 s时刻切除均压控制器，4.0 s时刻再重新投入，得到如图5所示的MMC切除/投入均压控制时的高低压阀组动态响应特性。图5分别为高低压阀组的直流电压、有功功率和直流电流。由图5可知，3.0 s前投入了均压控制器，此时阀组电压平衡。在3.0 s时刻切除均压控制器时，低压阀组在控制器的作用下跟随初始控制目标，输出功率升高至750 MW，同时高压阀组功率也降至750 MW。由于流经高低阀组的电流存在差异，低压阀组控制器使输出功率达到初始目标值的同时，子模块电容储能被释放，直流电压降低，高低压阀组电压开始出现分化。当分化到一定程度，低压阀组控制器饱和，失去对功率的控制，阀组出现电压和功率的不平衡。在4.0 s重新投入均压控制器后，功率随着高低压阀组电压变化而不断动态调整，最后使得阀组电压得到均衡控制，逆变侧MMC高低阀组均压控制策略的有效性得到验证。

图5 逆变侧切除和投入均压控制器时阀组动态特性

5.2 交流故障状态下均压控制的暂态响应特性

LCC-MMC采用控制策略一时，3.0 s时刻设置整流站换流母线发生持续0.2 s的单相短路故障，母线电压跌落至额定值的85%。图6分别为阀组的直流电压、有功功率、直流电流和触发角的暂态响应特性。当LCC交流侧发生单相短路故障时，交流电压降低，导致直流电压降低，系统输送功率受阻；故障清除后，LCC高低阀组的直流电压、有功功率能够得到恢复，均压控制能够在故障后帮助高低压阀组恢复电压均衡。

图6 整流站交流侧故障时LCC阀组暂态响应

LCC-MMC采用控制策略二时，3.0 s时刻设置逆变站换流母线发生持续0.2 s的单相短路故障，母线电压跌落至额定值的85%。图7分别为高低压阀组的直流电压、有功功率和直流电流。当交流侧发生单相短路故障时，交流电压降低，换流站输出功率受阻，高低阀组直流电压在故障期间升高；故障清除后，MMC高低阀组的电压、功率得到恢复。因此，高低压阀组均压控制能够在故障后使得高低阀组保持电压均衡，具有良好的暂态响应特性。

图7 逆变站交流侧故障时MMC阀组暂态响应特性

6 结语

本文针对LCC-MMC特高压直流输电系统中的采用定电流控制的LCC整流站和采用定有功功率控制的MMC逆变站存在高低压阀组直流电压不平衡现象，探究背后原因并进行机理分析。本文认为，换流变阀侧因杂散电容产生的不平衡电流，使得流经高低压阀组的直流电流存在差异，而且阀组电压未受到直接控制，因此在不平衡电流的扰动下，高低压阀组控制器发生竞争而出现饱和，导致阀组电压不平衡。不平衡电流的原因能够统一解释LCC和MMC高低压阀组的直流电压不平衡现象。然后分别针对LCC整流站和MMC逆变站设计了各自的高低压阀组均压控制器。最后在PSCAD/EMTDC平台上对均压控制策略的有效性进行仿真验证。