基于混合直流的受端电网黑启动方法及协调恢复策略

苟洪霖，江 琴*，张英敏，李保宏，吴谨轶，王腾鑫，张 敏

(1.四川大学 电气工程学院，四川 成都 610065；2.国网山西省电力科学研究院，山西 太原 030002)

中国电力系统规模庞大，电网结构复杂，呈现交直流混联、新能源比例持续攀升的特征[1–2]。在此背景下，当前电网受极端天气、人为破坏等各类非常规事件影响愈加严重，电网面临的安全运行风险急剧增加，大规模停电事故后导致电网黑启动场景的概率也将不断上升。特别是近来各类大规模停电事故，如2015年12月乌克兰由于网络攻击导致大停电[3]，2019年3月与2020年5月委内瑞拉最大水电站遭受攻击导致大停电、2021年2月美国德州因极寒天气大停电[4]，给相关国家造成了巨大的经济损失和社会影响。因此，电力部门需面对新形势下的复杂外部环境，考虑已有黑启动方案失效后新型电网恢复技术，将事故损失控制在最小范围内。所谓黑启动，是指系统因故障停电后，不依赖别的网络帮助，通过具有自启动能力的发电机组启动，带动无自启动能力的发电机组，逐渐扩大系统恢复范围，最终实现整个系统的恢复[5–6]。

对于黑启动的研究目前主要集中在交流系统、传统直流系统（line commutated converter based high voltage direct current，LCC–HVDC）、柔性直流系统（voltage source converter based high voltage direct current，VSC–HVDC）。随着中国电网的快速发展，电力公司基于燃气机组[7]、柴油发电机[8]、水电机组[9]（含抽水蓄能电站）等常规黑启动电源进行了大量研究工作。相关研究对于常规电源黑启动的一般规则和策略、黑启动阶段的恢复控制、电网恢复路径的优化[10]、负荷的恢复优化[11]做了细致深入的分析，为黑启动的工程应用奠定了坚实的理论基础。总体来看，常规交流系统黑启动是一个多目标、多约束、多阶段的过程，且由于常规机组启动时间长、功率提升速率慢，导致黑启动初始阶段系统电源少，影响电网负荷恢复，容易受到黑启动电源的选择及恢复路径的制约。

当LCC–HVDC直流输电参与黑启动时，换流站的启动会对电网产生功率冲击，因此需要交流系统满足一定技术要求，包括短路容量、有效惯性时间常数等[12]；由于无法直接对无源网络进行供电，无源网络需要同交流系统一起协调恢复。因此，直流输电参与黑启动研究主要集中于VSC–HVDC领域。VSC–HVDC由于其自身功率可独立控制、可直接向无源网络供电等特点，拥有比传统LCC–HVDC参与黑启动更加突出的优势，其对受端交流系统几乎没有技术要求，是良好的黑启动电源[13]。Sun等[14]以VSC–HVDC作为黑启动电源进行试验，体现出较好的电压和频率特性。方是文等[15]介绍了一端工作于孤岛方式下的两端模块化多电平直流系统（modular multilevel converter–high voltage direct current，MMC–HVDC）的无源启动方式，详细分析了两端换流站的充电过程。邓丽君等[16]以鲁西背靠背柔性直流单元为黑启动电源搭建实时数字仿真模型并进行试验，实现了系统黑启动带目标网架的零起升压。李胜等[17]对整个VSC–HVD参与的黑启动过程进行了较详细仿真，但恢复阶段的控制未计交流系统的变化情况，控制方式考虑不全。曾丹等[18]提出黑启动后电源并网协调优化策略，前期采用的频率控制方式未考虑弱交流系统情况，且后续恢复阶段描述不够完善。叶永健等[19]提出将黑启动后网架恢复过程按交流系统短路比划分为不同阶段，并提出了相应的恢复策略，但其注重对机组的恢复次序及恢复路径的研究，对不同阶段的控制方式描述不全面。

近年来，混合直流作为直流输电的新方向被提上日程并进行了工程应用[20–21]。但混合直流参与受端电网黑启动的相关研究报道较少。鉴于混合直流输电系统具有传统直流输电与柔性直流输电的共同优势，且其实际工程应用前景良好，因此，有必要深入研究混合直流输电系统参与受端电网，遭遇大停电后黑启动恢复策略。本文基于两端LCC–MMC混合直流输电模型，对其MMC受端全黑时的黑启动进行研究，提出了一种适合该条件的黑启动方法及受端恢复的协调控制策略。首先，介绍LCC–MMC的基本运行特性；其次，对LCC整流站和MMC逆变站的启动分别进行研究；之后，根据交流系统短路比对受端恢复进行3阶段划分，建立详细的3阶段恢复策略，明确不同阶段下的恢复控制策略及平滑切换方式；最后，基于PSCAD/EMTDC搭建两端LCC–MMC系统进行完整的黑启动试验，验证了所提方案的正确性与优越性。

1 两端LCC–MMC混合直流结构及基本特性

图1为两端LCC–MMC系统的拓扑结构。整流侧采用12脉动换流阀的LCC，逆变侧MMC采用半桥型子模块。图1中，Z1和Z2分别为送端和受端系统的等值阻抗，T1和T2分别为送端和受端的换流变压器。

图1 LCC–MMC拓扑结构Fig. 1 Topological structure of LCC–MMC

正常稳定运行时，整流侧采用定电压控制或者定直流电流和后备定最小触发角控制，整流侧LCC输出的直流电压Udr为：

式中，Us为整流侧换流变阀侧空载线电压有效值，α为整流器的触发角，Xr为整流侧单相等值换相电抗，Idr为直流电流平均值。

逆变侧MMC具体拓扑如图2所示，图2中，Larm和Rarm分别为桥臂的等效电感和电阻，RT和LT为交流侧等值阻抗，Pdc为直流传输功率，SM表示子模块MMC的数学模型。该数字模型可用微分方程表示：

图2 MMC主电路拓扑结构图Fig. 2 MMC main circuit topology diagram

式中：unj为三相下桥臂电压，包含una、unb、unc；upj为三相上桥臂电压，包含upa、upb、upc；inj为三相下桥臂电流，包含ina、inb、inc；ipj为三相上桥臂电流，包含ipa、ipb、ipc；usj为三相电网电压，包含usa、usb、usc；ij为三相电网电流，包含ia、ib、ic；Udc为直流侧电压；t为时间。

混合直流输电系统逆变侧采用MMC完全解决了LCC–HVDC逆变站换相失败问题。受端大停电的情况下，受端电网可等效为无源网络，MMC可直接向无源网络供电。

受端大停电时，整个直流网络停止运行。考虑送端LCC与可靠大容量电站相连，以受端电网黑启动过程为研究重点，将送端机组简化为等值电压源，以送端作为有源端逐步启动并恢复受端无源网络。本文提出黑启动方法分为3阶段：LCC启动建压、 MMC启动建压、受端电网恢复，其示意图如图3所示，图3中，T3为线路出口处的变压器，Rx为限流电阻。本文将对这3个阶段逐一阐述。

图3 LCC–MMC黑启动示意图Fig. 3 Schematic diagram of LCC–MMC black start

2 送端LCC换流站启动方法及控制策略

受端电网在停电时等同于无源网络，在向无源网络供电时，受端MMC必须采用定交流电压/频率的控制方式，因此送端的LCC应该承担线路直流电压的建立，即采取定直流电压的控制方式，控制方式的实现如图4所示，图4中，Udcref为设置的直流电压参考值，PI为比例环节。通过控制整流器的触发角α实现直流电压的稳定。

图4 LCC定电压控制Fig. 4 LCC constant voltage control

此外，LCC参与黑启动时有最小直流电流限制，通常选择为额定直流电流的5%～10%[20]，因此，本文在直流线路中引入直流耗能电阻，使LCC启动时带一定负荷，避免线路上断续电流的产生，其结构拓扑如图5所示。

图5 LCC启动建压示意图Fig. 5 Schematic diagram of LCC start-up establishment voltage

耗能电阻采用模块化的结构，由多个耗能电阻模块串联构成，绝缘栅双极型晶体管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）采用并联均压电阻Rp实现串联均压。LCC启动即投入直流耗能电阻，后续负荷恢复且大于最小功率要求时，耗能电阻退出工作。耗能电阻阻值和模块个数由式（3）决定：

式中，Rs为耗能电阻总阻值，Ri为子模块电阻值，Pmin为最小功率限制值，Un为额定直流电压，n为耗能电阻子模块数，Uim为模块的额定电压。

IGBT导通和关断时间通常为200～250 ns[22]，与耗能电阻动作时间相比非常小且动作次数少，因此，本文忽略了实际控制时多个IGBT开关动作速度不一致问题和动态均压问题。选取合适的静态均压电阻之后，将n个子模块和电阻等效成一个集中电路来分析。这个阶段中，LCC的启动主要是为了建立额定的直流电压，为后续MMC的充电和启动提供稳定能量来源，在建立好直流电压后即可对MMC进行充电启动。

3 受端MMC换流站启动方法及控制策略

送端LCC建立起直流电压后，可等值为直流电压源UdN，对MMC进行充电，MMC启动建压示意图见图6，图6中，B1～B4为线路开关。MMC先通过限流电阻进行不控充电，子模块电压达到一定值后投入控制策略进行可控充电，并进行线路和变压器的软启动，最后切除限流电阻。

图6 MMC启动建压示意图Fig. 6 Schematic diagram of MCC start-up establishment voltage

3.1 MMC不控充电

LCC建立额定直流电压后，闭合开关B1，MMC子模块经限流电阻进行不控充电，等效电路如图7所示。其中，C0为单个子模块等效电容，N为单个桥臂子模块数量。

由图7可知，MMC的不控充电相当于一阶零状态响应电路，MMC等效电容充电电压uceq和桥臂电流iarm的值可由式（4）求出：

图7 MMC不控充电等效电路Fig. 7 Equivalent circuit of MMC uncontrolled charging

式中，RX的值可由允许最大的桥臂电流峰值来确定。由式（4）可知：在不控充电阶段子模块电容电压最多充至额定值的一半，因此，需要解锁换流器，使内外环控制器投入运行；同时阀控层级的子模块电容电压平衡控制也投入运行，继续对子模块进行可控充电。实际工程中子模块的电容达到其额定值的30%额定电压时已能对子模块触发控制[23]。

3.2 MMC可控充电及软启动

当子模块电压达到能触发控制的电压值时，解锁MMC，子模块继续通过限流电阻可控充电，MMC采用定交流电压/频率控制。由于受端电网为无源网络，受端电网的频率直接给定（f=50 Hz），即电角度θ给定，dq坐标系的旋转角度固定，此时，通过保证交流电压出口幅值Usm和电网电压d轴分量Usd相同及电网电压q轴分量Usq=0，即可实现对交流侧出口处电压幅值和频率的控制[24]，控制框图如图8所示。图8中，isd、isq分别为电网电流d、q轴分量，isdref、isqref分别为电网电流d、q轴分量的参考值，Udref、Uqref分别为换流器交流侧电压基波的d、q轴分量，ωL为等效感抗。

图8 MMC无源网络控制策略Fig. 8 MMC passive control strategy

在黑启动初期，受端线路处于空载状态，若直接用黑启动电源对线路充电，即MMC交流侧建立稳定电压后再闭合断路器B3对线路进行充电，这样会在断路器合闸瞬间产生较大的暂态过电压。本文采取的软启动方式为：在MMC解锁的瞬间即闭合线路开关B3与B4，MMC解锁后控制交流电压的大小从0以一定斜率逐渐上升至额定值，从而实现对线路和变压器的软启动。

4 电网恢复阶段的协调控制策略

4.1 受端电网恢复的阶段划分

通过对MMC的充电解锁及线路和变压器的软启动，在受端电网建立一个稳定的交流电压，随后便可对受端电网的机组和负荷逐步恢复。受端电网恢复的过程大致为：先接入待启动发电机组的厂用负荷，启动并同期并列发电机组；再恢复网架中的其他负荷及发电机组。

受端电网恢复阶段，MMC相当于唯一的功率来源，且由于MMC的定频率特性，恢复过程中的负荷均由MMC来承担。第1发电机组并网后，受端电网由无源转变为有源，若此时MMC仍然保持定交流电压/频率控制，其调制出的交流电压频率仍然是人为固定的频率（f=50 Hz），此时系统中将存在两个频率标准：一是，由于MMC定频率特性决定的频率；二是，由于发电机组的转子转速决定的频率。此外，发电机组中同步发电机对外表现为有差调频特性，而MMC表现为定频率特性，在之后的网架恢复过程中，负荷不断变化，MMC将一直承担功率变化，如果某一时刻超过了功率限制要求，MMC将失稳。

因此，在受端电网从无源过渡到有源时，MMC的控制方式应该相应做出调整，最简单的方式是并入第1发电机组时，MMC的控制策略由原来的定交流电压/定频率切换至定有功/无功功率控制。但如果考虑初始并入的机组容量较小，即受端交流系统强度小（弱交流系统）时，MMC的矢量控制的解耦特性将不再满足，锁相环会受到影响而无法精确锁定交流侧的相位，动态特性将会恶化，定有功/无功控制将存在稳定性问题[25]。

本文考虑受端电网恢复是一个由弱交流系统到强交流系统的过程，基于受端电网短路比（short circuit ratio，SCR）的大小，将恢复的过程分为3个阶段：无源阶段、弱交流系统，以及强交流系统阶段。3个阶段MMC的控制方式选择及控制方式的切换是关键因素。

4.2 受端电网恢复各阶段协调控制策略

在无源阶段，MMC为保证在受端无源侧建立一个稳定的交流电压，必须采取定交流电压/频率控制。在强交流系统阶段，MMC相当于处于正常工作状态，应采用定有功/无功控制方式。因此，在弱交流系统情况下，控制方式选择及控制方式之间的平滑切换变得尤为重要。

在弱交流系统阶段，本文采用虚拟同步控制（virtual synchronous generator，VSG），即在MMC中加入模拟发电机的控制环节，模拟同步电机的特性，表现出同步电机的惯性和阻尼特性，可使系统在恢复阶段的有功响应和无功响应迅速，且增强了系统稳定性。其控制主要分为3个部分：

1）模拟机械

该部分主要对同步发电机的二阶模型进行模拟，实现MMC模拟同步发电机的阻尼特性和惯性，控制原理如式（5）所示：

式中：J、D分别为虚拟同步机的虚拟惯量和阻尼系数；ω、θ 分别为虚拟同步机的角速度和转子角位；ωref为交流电网50 Hz时额定点角速度；Pm、Pe分别为虚拟同步机的机械功率和电磁功率。

2）有功频率控制器

该部分模拟同步发电机的调频特性，在VSG原有功频控制中引入二次调频系数以实现对频率的无差调节[26]，频率控制原理如式（6）所示：

式中，Pref为有功参考值，fref为频率参考值，f为实际频率。将式（6）代入式（5）得到式（7）：

由此，通过设定频率参考值fref，即可得到同步发电机的转子角位θ ，实现对频率的同步控制。

3）无功电压控制器

该部分通过控制器生成虚拟内电势幅值Ev，模拟同步发电机励磁系统，对换流器输出无功和端电压进行控制。控制原理如式（8）所示：

式中，Kq为比例系数，Qref为无功参考值，Q为无功测量值，Uref为端电压参考值。

由此便可得到在受端恢复阶段整个过程的控制框图，如图9所示，其中，θN为无源阶段的坐标变换角度，θV为虚拟同步控制得到的坐标变换角度，θPLL为锁相环得到的坐标变换角度，Ed、Eq分别为电势的d、q轴分量，U为机端电压，Uref为外环参考电压，Earef、Ebref、Ecref分别为a、b、c三相调制波，s为复频率。

从图9可知，各个阶段的控制方式不同点是：①坐标变换角度θ 不同。无源阶段的θN人为直接给定；弱交流系统阶段，θV由虚拟同步控制中功频控制器得到；强交流系统阶段，θPLL由投入的电网锁相环得到。②参与调制的电压幅值E不同。无源阶段与强交流系统阶段共用电流内环，区别在于外环参数的不同，导致输出的电压幅值来源不同；弱交流系统阶段，电压幅值来源于无功电压控制器。

图9 受端恢复协调控制框图Fig. 9 Receiving end’s recovery coordination control diagram

考虑各个恢复阶段不同的特点，对各个阶段所对应的控制方式进行协调控制，不同时刻不同控制方式间通过相互协调配合，从而保证在受端电网恢复阶段系统的稳定运行及控制方式的平滑切换，本文提出在受端电网恢复阶段的协调控制策略：在无源阶段，调制开关在1，其余开关位置在2（图9），θN人为给定（f=50 Hz ）。当第1发电机组准同期并列进入弱交流系统阶段后，通过调定虚拟同步控制中的参数以保证切换前后参与调制的电压幅值及坐标变换角度一致，调制开关切换至2，其余开关位置切换至1，完成控制方式的切换。后续负荷的投入及发电机并网直至电网短路比SCR大于3时，测定MMC交流侧的功率并调定有功/无功控制的参考值，将调制开关切换至1，即可完成控制方式的切换，具体流程如图10所示。

图10 受端恢复协调控制流程图Fig. 10 Flow chart of receiving end recovery coordination control

5 仿真验证

为验证文中理论及所提出的黑启动策略，本文基于PSCAD/EMTDC搭建两端LCC–MMC系统，系统拓扑如图11所示，其中B5～B8为线路开关。主要仿真参数如表1所示，其中j表示虚数单位。在受端网架恢复阶段，本文不考虑路径及非黑启动机组的选择，假设路径已经选定，机组分别并网主要体现了交流系统的系统强度改变。

图11 两端LCC–MMC黑启动结构拓扑Fig. 11 LCC–MMC black start structure topology

表1 两端LCC–MMC黑启动主要参数Tab. 1 Black start main parameters of LCC–MMC

5.1 LCC与MMC启动建压

首先，LCC启动并投入耗能电阻，取线路上最小限制电流为额定电流的10%。在0.04 s时LCC定电压启动，耗能电阻投入，电流电压随时间变化的具体波形如图12所示，Vdc为直流电压，Idc为直流电流，两者均用标幺值表示。

图12 LCC启动波形图Fig. 12 LCC start-up waveform

送端LCC建立电压后，闭合开关B1投入限流电阻RX对受端MMC换流器进行不控充电，待子模块电压充至额定值的50%时解锁MMC进行可控充电以及线路和变压器的软启动，随后切除线路上的限流电阻，具体波形如图13所示。

由图13中可知，5 s投入限流电阻后，不控充电阶段子模块电压Uc上升平缓；由图13（b）可知，投入限流电阻可以有效减小暂态过电流。10 s时MMC解锁，线路和变压器开关B3和B4闭合，桥臂电流变化在正常范围内，由于投入控制策略，有一半的子模块瞬间被切除，直流侧电压Edc将降至原来的一半，随后平缓上升。在可控充电阶段，子模块电压继续上升，交流侧变压器出口处电压Uac以按设定一定斜率上升，没有出现暂态过电压。16 s时闭合开关B2，限流电阻退出，引起变压器出口电压、子模块的电压和桥臂电流的波动，但暂态过程持续时间短，暂态幅值小。出口处频率在MMC解锁瞬间有一个跃变，在后续阶段能够稳定维持在50 Hz。

图13 MMC启动波形图Fig. 13 MCC start-up waveform

5.2 受端电网恢复协调控制

LCC和MMC的启动和建压，在受端电网形成一个稳定的交流电压，随后对受端电网进行恢复，这个阶段主要步骤如下：

1）闭合开关B5，投入厂用负荷1。

2）启动发电机组1，检测开关B6两侧电压的幅值和相角，满足准同期并列条件后并网，系统进入弱交流阶段，MMC切换为虚拟同步控制。

3）闭合开关B7，投入厂用负荷2。

4）启动发电机组2，检测开关B8两侧电压的幅值和相角，发电机组2准同期并网，系统进入强交流阶段，MMC切换为定有功/无功控制。具体波形如图14所示，其中，P为有功功率，Q为无功功率。

从图14中可以看出：在21 s闭合开关B5，接入厂用负荷1，MMC传输的功率相应增加，频率正常波动后维持50 Hz，变压器出口处线路电压有小幅度的下降。功率传输稳定后，启动发电机组1，通过检测开关B6两端的电压和相位，满足准同期并列条件后并入发电机组1（t=22.44 s），发电机组1的并入只引起有功和无功小幅振荡，频率仍维持50 Hz稳定。随着发电机组1的并网，交流系统短路比变为1.61，标志着交流系统由无源变为弱交流系统，在23 s将MMC的控制模式由定交流电压/频率控制切换至虚拟同步控制，由图14可见，控制模式能够实现平滑切换，只会引起频率的小幅波动。24 s闭合开关B7，投入厂用负荷2后MMC传输的功率相应增加，在虚拟同步控制下，负荷的增加导致频率正常波动，最后稳定在50 Hz，能够实现频率的无差调节，此外交流电压有小幅度的下降。接着准同期并入发电机组2（t=25.055 s），同样也只引起有功和无功小幅振荡。发电机组2的并网使交流系统短路比变为3.22，标志着交流系统变为强交流系统，在26 s时，MMC由虚拟同步控制切换至定有功/无功功率控制，因为有功和无功功率的设定值为在线测得的有功和无功，可发现几乎没有振荡过程，频率经短时间波动后稳定在50 Hz。

图14 受端恢复阶段波形Fig. 14 Waveform of receiving end recovery phase

从记录的波形可以看出，受端电网恢复阶段，各个阶段的控制方式能够使系统稳定运行，控制方式间能够实现平滑转换，频率和电压波动均在黑启动标准范围内。

5.3 两阶段恢复策略对比

受端恢复过程中，不考虑弱交流系统阶段，在并入第1发电机组后，MMC直接由定交流电压/频率控制切换至定有功/无功控制，将这种恢复策略称为两阶段恢复策略，其与上文所提出的3阶段恢复策略仿真波形对比如图15所示，其中，P为有功功率，Q为无功功率，f为频率，Edc为MMC直流侧电压，Uac为变压器出口处交流电压，数字2表示两阶段的恢复策略，数字3表示3阶段的恢复策略。

图15 受端恢复阶段波形Fig. 15 Waveform of two recovery strategies

从图15可以看出：采用两阶段恢复策略在23 s切换控制方式时，即使设定切换后有功和无功参考值与切换之前的有功和无功实际值一致，但由于受端交流系统强度较弱，系统出现较大的暂态过程；其中，频率最大暂态值为53.5 Hz，MMC直流侧电压出现小幅波动，受端变压器出口处交流电压在切换控制方式瞬间有较长的暂态过程。

为体现弱交流系统阶段采用虚拟同步控制的优势，25 s时在变压器出口处设置单相短路接地故障（持续0.1 s），故障结果对比如图16所示，其中，P为有功功率，Q为无功功率，vsg表示弱交流系统阶段采用虚拟同步控制，pq表示采用定有功/无功控制。

由图16可以看出，采用虚拟同步控制可明显降低功率、电压和频率的波动幅值。通过对比发现，MMC参与黑启动与受端恢复时，考虑受端电网恢复存在弱交流系统的情况，采用3阶段控制协调策略能够实现各阶段的平滑过渡，能够保证恢复阶段系统的稳定运行。

图16 弱交流阶段故障示意图Fig. 16 Fault diagram of weak AC phase

6 结 论

本文针对LCC–MMC两端混合直流输电系统提出了受端大停电下的黑启动方法及受端网络恢复的协调控制策略，在PSCAD/EMDTC平台上搭建了仿真模型，验证了所提出的黑启动方法及受端恢复策略的有效性，并得出以下结论：

1）针对LCC参与黑启动时的最小传输功率限制，本文采用模块化耗能电阻的启动策略，并给出阻值设计和投切方法，可顺利启动LCC换流站。

2）对于MMC的充电启动，设计送端LCC采用定直流电压控制，为MMC提供直流充电电源。明确了MMC不控充电阶段限流电阻的阻值选取及投切方法，MMC可控充电阶段采用定交流电压/频率控制及线路变压器软启动方案。

3）针对受端网络的恢复，本文依据交流系统短路比将受端恢复阶段分为无源—弱交流系统—强交流系统3个阶段，提出不同阶段下的控制策略及不同控制间的平滑切换方法。无源阶段采用定交流电压/频率控制；弱交流系统阶段采用虚拟同步控制；强交流系统阶段采用定有功/无功控制。对比两阶段的恢复方案，明确了3阶段协调恢复策略的优越性。

由于实际工程较为复杂且本文未考虑其他结构形式下混合直流输电参与黑启动，因此，下一步研究将考虑多端混合直流或级联型混合直流参与黑启动的技术方案及控制策略。