摘要：与传统的两端直流输电相比，多端混合直流输电系统可实现多电源供电、多落点受电，且总体损耗和造价相对较低，是一种更为灵活的输电方式。本文介绍了特高压多端混合直流输电系统基本特点,设计了该系统所能具有的控制模式及运行方式，详细设计了送受端的控制策略，实现了多端的协调。考虑柔性直流高低阀组串联的特点，设计了阀组的均衡控制。通过搭建PSCAD/EMTDC仿真模型，对系统的平稳启动、停运和稳态运行等工况进行了仿真，验证了所提策略的有效性。
关键词：特高压多端混合直流输电；高低阀组串联；裕度控制；特高压柔性直流；稳态控制
近年来，高压直流输电技术在我国“西电东送”战略中发挥了越来越重要的作用。多端直流输电技术可以实现多电源供电及多落点受电，提供了一种更为灵活的输电方式[1]。作为新一代的直流输电技术，柔性直流输电技术不存在换相失败的问题，能够提供动态无功功率，可以改善电压稳定问题，是提高多直流集中馈入受端电网安全稳定水平的有效手段之一[2 - 3]。因此，送端采用基于电网换相换流器(line commutated converter，LCC)的常规直流技术，受端采用多个基于电压源型换流器(voltage source converter，VSC)的柔性直流的混合直流输电技术具有不存在换相失败问题、总体损耗和造价相对较低的优点，已受到越来越多的关注[4]。
多端直流输电系统的运行控制相对两端直流输电系统更为复杂，特别是形成多端混合直流输电系统后，无论是国内还是国外，对其控制保护策略的研究还是一片空白，更无实际的工程实例。
本文首先介绍了所研究的特高压多端混合直流输电系统。然后设计了该系统所能具有的控制模式及运行方式。在此基础上，详细设计了送受端的控制策略，特别是柔性直流高低阀组的均衡控制和多端协调控制。最后利用PSCAD/EMTDC搭建了特高压多端混合直流的仿真模型，对所设计的控制策略进行了启动、停运的仿真验证。
本文所研究的特高压多端混合直流输电系统如图1所示。送端为1个8 000 MW LCC换流站，受端分别为1个5 000 MW VSC换流站(简称VSC1)和1个3 000 MW VSC换流站(简称VSC2)。3个换流站之间通过长距离的架空线连接。系统采用对称双极结构。受端柔性直流采用2个400 kV高低阀组串联的结构，以适应送端的串联结构。这种串联结构同时还能提高整个系统的灵活性和可靠性。
图1 特高压多端混合直流输电系统示意图
Fig.1 Structures of multi-terminal hybrid UHVDC
受端采用模块化多电平换流器[2](modular multilevel converter，MMC)。为了满足架空线接地故障的快速清除要求，MMC采用了全桥子模块拓扑[5]。同时，每个桥臂也包含一定数量的半桥子模块，以降低整个阀的造价和损耗，如图2所示。
图2 柔直换流阀的拓扑
Fig.2 Topology of converter valve of VSC
常规直流和柔性直流都能控制直流电压和直流电流。因此特高压多端混合直流输电系统有多种控制模式可以选择，具体如表1所示。
表1 特高压多端混合直流输电系统可选的控制模式
Tab.1 Available control modes of multi-terminal hybrid UHVDC
控制模式LCC侧VSC1侧VSC2侧1控制直流电压控制功率/直流电流控制功率/直流电流2控制功率/直流电流控制功率/直流电流控制直流电压3控制功率/直流电流控制直流电压控制直流电压4控制功率/直流电流控制直流电压控制功率/直流电流
对于模式1，LCC侧的常规直流换流站作为整流站控制直流电压，VSC1和VSC2侧的柔性直流换流站控制各自的直流电流和直流功率。由于在三端系统中常规直流换流站始终作为送端且容量最大，一旦常规直流闭锁，整个系统都要停运，在暂态工况下不需要对控制模式进行切换。因此该模式下可简化系统的控制保护策略并降低对站间通信的依赖。然而，常规直流的动态响应速度远小于柔性直流，会导致在故障工况下常规直流换流站难以跟随柔性直流换流站进行快速调节，直流电压会出现较大波动；同时由于柔性直流功率调节的响应速度远快于常规直流，会导致送受端功率不匹配，换流器子模块电容电压大幅波动。而且，常规直流在启动过程中，通过直流侧对MMC充电，常规直流会出现较长时间电流断续的现象，导致设备面临较大压力[6]。因此，建议模式1在特殊工况下如LCC侧发生交流系统故障时采用。此时常规直流的触发角会降低至最小(5 °)，直流电压由交流电压幅值决定，系统会自动进入控制模式1。
对于模式2，VSC2侧的容量比VSC1侧更小，按照通常的设计原则，不推荐采用容量更小的换流站控制直流电压。因此推荐该种模式仅在VSC1侧输电能力受限导致无法控制直流电压时使用。
对于模式3，VSC1、VSC2侧采用下垂控制策略同时控制直流电压。下垂控制能够提高系统的可靠性，降低对站间通信的依赖，在系统端数较多的情况下有一定的优势[7]。然而下垂特性设计复杂，安全工作区小，运行方式受限较多；且稳态工作点易受外部扰动影响，导致直流电压存在一定波动。因此不推荐采用。
对于模式4，VSC1侧控制直流电压，可以发挥柔性直流的性能优势；在故障工况下，采用电压裕度控制，将电压控制权切换到LCC侧或VSC2侧。
综上所述，系统在正常工况下推荐采用模式4的控制模式：VSC1侧控制直流电压，LCC和VSC2侧控制直流电流或直流功率。在暂态下，系统自动切换到其他控制模式。例如，若VSC1侧发生交流系统故障导致VSC1侧的功率传输能力受限，则VSC2或LCC侧换流站将自动接管对直流电压的控制。
多端直流输电系统的运行方式将比传统的两端直流输电系统更加复杂，其主要运行方式如图3所示。
图 3 特高压多端混合直流输电系统主要的运行方式
Fig.3 Main operation modes of multi-terminal hybrid UHVDC
图3(a)、(b)、(c)所示的3种运行方式与传统的两端系统相同。
图3(d)为单极-双极混合运行方式，在该方式下，一旦某个受端的一个极因故障而闭锁时，另外两个换流站仍能维持双极运行。
图3(e)为两端运行方式，在该方式下，当其中一个受端换流站因故障而闭锁时，系统将自动进入两端运行方式。
图3(f)为单阀组运行方式，该运行方式与传统的特高压工程类似。当串联阀组中的一个阀组因故障闭锁时，故障阀组可以通过阀组并联的旁路开关与正常阀组实现隔离。与传统特高压工程所不同的是，如果故障阀组位于送端，则受端可以通过降压运行来适应该工况，而不需要三端都旁路一个阀组。
常规直流的控制策略包含3个控制器：电压控制器、电流控制器和Gamma角控制器。3个控制器的相互关系如图4所示。
图4 常规直流控制策略
Fig.4 Control schemes of LCC
3个控制器有独立的PI控制环节。Gamma角控制器的输出是电压控制器的最大限幅。电压控制器的输出是电流控制器的最小限幅。在不同的控制模式下，各个控制器之间通过限幅实现平稳的切换。这种控制策略可以使得最终输出的触发角在暂态工况及控制模式切换过程中更为平滑。在正常工况下，电流控制器使能。当直流电压超过一定阈值时，电压控制器将接管控制权。Gamma角控制器则在逆变模式下起作用。
由于本文所研究的柔性直流换流器包含大量的全桥子模块，因此控制策略与传统的柔直控制策略[9 - 12]不同。全桥子模块的电容电压可以独立于换流器直流电压进行控制，因此柔直换流器具有3个独立的控制变量：mac，mdc和θ。其中mac和mdc分别为交流和直流侧的调制比，θ为换流器输出电压与电网电压之间的相位差。本文所设计的柔直控制框图如图5所示。对于VSC1侧柔直换流器，直流电流参考值留有10%的裕度，因此直流电流控制器始终处于饱和状态，保证VSC1侧柔直换流器在正常工况下控制直流电压，在暂态工况下，如直流极线接地故障时自动切换为直流电流控制模式。
图5 柔性直流控制策略
Fig.5 Control schemes of VSC
结合图4—5，系统的外特性如图6所示。
图6 特高压多端混合直流输电系统外特性曲线
Fig.6 External characteristic of multi-terminal hybrid UHVDC
由图6可见，在正常工况下一直有两个换流站控制直流电流，因此系统需要多端协调控制器来计算和分配各个站的直流电流指令，以保证系统的直流电流指令之和始终为零[13]。直流电流的协调控制器如图7所示。将各个站的电流指令相加，并通过反馈控制对其进行调整。由于每端的电流限幅值不相同，因此限幅环节也需要包含在反馈环节中。对于控制直流电压的换流站，直流电流指令应减去10%的电流裕度。不同的分配系数k(k1, k2, k3)决定了系统内的不平衡电流如何在各个站之间进行重新分配。
图7 直流电流协调控制器
Fig.7 DC current coordination control
除了直流电流指令需要协调外，直流功率的变化率也需要协调，以保证在功率升降的过程中系统的功率也能一直保持平衡，而不会出现计划外的功率潮流。协调的原则是：各端的功率指令应该在相同的时间内达到新的设定值。该原则可用式(1)来表示：
(dPLCCdt)order=ΔPLCC_orderΔPVSC2_order(dPVSC2dt)order
(1)
式中：(dPLCC/dt)order、(dPVSC2/dt)order分别为LCC与VSC2的功率升降速率；ΔPLCC_order、ΔPVSC2_order分别为LCC与VSC2的功率指令变化。
受端的每个极由两个400 kV的阀组串联构成。对于控制直流电压的柔直换流站，每个阀组可以独立控制自己的直流侧电压；同时高低阀组流过的直流电流相同，因此高低阀组能够实现可靠的功率均衡。然而，对于控制直流电流/直流功率的柔直换流站，每个阀组的直流侧电压并不是直接受控的，因此需要为高低阀组设置平衡控制器，以实现高低阀组的功率均衡。平衡控制器的结构如图8所示。
图8 高低阀组平衡控制
Fig.8 Balance controller of high and low valve groups
在PSCAD/EMTDC环境下搭建了特高压多端混合系统的仿真模型，对本文所设计的控制策略进行验证。
图9给出了系统启动的仿真波形。VSC1侧换流站首先解锁，将直流电压上升至额定值。之后LCC和VSC2侧换流站解锁，将直流电流在相同时间内上升至给定值。
图9 系统启动仿真波形
Fig.9 Waveform of system start-up
特别要注意的是，在柔直换流器解锁之前，子模块需要先进行预充电。由于柔直换流器同时包含有全桥和半桥子模块，因此其预充电过程分为两个阶段。第一个阶段，全桥和半桥子模块通过交流系统充电。由于全桥子模块在桥臂电流的两个方向都能实现充电，而半桥子模块只能由单方向电流充电，因此全桥子模块电容电压是半桥的2倍。如果半桥子模块电容电压过低，其控制电源将不能正常工作，因此需要进入第二个充电阶段。在第二阶段中，全桥子模块导通其中一个功率器件，全桥子模块便退化为半桥子模块，因此子模块电容将会再一次充电。预充电过程如图10所示。在预充电结束后，还可以通过进一步主动充电，将子模块电容电压提升至额定值。
时间/s
图10 全桥与半桥子模块预充电仿真波形
Fig.10 Simulation of FBSMs and HBSMs precharging
对于系统的停运，则将LCC和VSC2侧换流站的直流电流在相同时间内降低至最小值，然后闭锁换流器。之后VSC1换流站将直流电压降低至零，然后闭锁换流器。整个过程如图11所示。
图11 系统停运仿真波形
Fig.11 Waveform of system shutdown
从仿真结果可以看到，采用本文所设计的控制策略，特高多端混合直流输电系统各个站的直流电压/电流之间相互协调，可以实现平稳的启动、停运和稳态运行。
本文针对特高压多端混合直流输电系统设计了稳态控制策略。通过对4种控制模式进行对比，在正常工况下，推荐容量较大的柔直换流站控制直流电压，另外两个换流站控制直流电流/功率。由于柔直换流站采用全桥和半桥混联的拓扑结构，具有3个独立的控制变量，在不同的工况下可以呈现出电压源或电流源的特性。通过设计电压电流裕度控制，在不同工况下可以实现控制模式的平稳切换。对于高低阀组串联的接线形式，通过设计平衡控制器可实现高低阀组的功率均衡。在PSCAD/EMTDC 仿真模型中对设计的控制策略进行了验证，实现了系统的平稳启动、停运和稳态运行。
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Foundation item: Supported by the Science and Technology Project of China Southern Power Grid (ZBKJXM20170070).
Steady-State Control Strategy of Multi-Terminal Hybrid UHVDC
HUANG Weihuang, XU Shukai, HUANG Ying, LI Ming, LIU Tao
(State Key Laboratory of HVDC, Electric Power Research Institute, CSG, Guangzhou 510663, China)
Abstract： Comparing with the traditional two-terminal HVDC, multi-terminal hybrid HVDC can realize multi-source supply and multi-receiving end, and the loss and cost are relatively low, which offers a more flexible transmission method. In this paper, the characteristics of multi-terminal hybrid HVDC are introduced. Different control modes and operation modes are design. Steady-state control strategy is also designed to coordinate LCC and VSCs at each sides. Moreover, considering the characteristic of series connection of high/low voltage valve groups of UHVDC, the valve group balancing control is designed. A simulation model is established in PSCAD/EMTDC, smooth start-up, shut-down and steady-state operation are achieved, and the validity of the proposed strategy is verified.
Key words： multi-terminal hybrid UHVDC; series connection of high/low voltage valve groups; margin control; VSC-UHVDC; steady-state control
基金项目：南方电网公司科技项目(ZBKJXM20170070)。
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