柔性直流輸電系統(tǒng)控制策略及動模試驗

趙倩，張群，嚴(yán)兵，郝俊芳，陳朋

(許繼電氣股份有限公司，河南省許昌市461000)

0 引言

柔性直流輸電技術(shù)自20世紀(jì)90年代后得到了迅猛發(fā)展，世界范圍內(nèi)已投運和在建的柔性直流輸電工程超過20個［1］。目前，柔性直流輸電工程實現(xiàn)方式有2種:基于功率器件串聯(lián)的兩三電平技術(shù)［2］和基于功率模塊串聯(lián)的模塊化多電平［3］(modular multilevel converter，MMC)技術(shù)。

實際工程證明，柔性直流輸電技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)有功功率和無功功率解耦控制，向無源負(fù)荷供電，易于構(gòu)成多端直流輸電系統(tǒng)及向電網(wǎng)提供無功功率緊急支援，提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性［4-5］。而模塊化多電平技術(shù)相較于兩三電平技術(shù)大幅降低了功率器件的開關(guān)頻率，提高了換流站效率［6］;輸出電壓波形品質(zhì)好，降低了對濾波器的要求［7］，更符合市場需求。

柔性直流輸電控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)直流輸電控制系統(tǒng)相比，在功能和性能上都有了更高的要求。傳統(tǒng)直流輸電控制系統(tǒng)性能能夠達(dá)到ms級，而柔性直流輸電控制系統(tǒng)性能要求達(dá)到μs級［8］。雖然柔性直流輸電控制策略理論方面的研究已經(jīng)取得了不少成果［9］，但針對工程控制策略及實現(xiàn)的相關(guān)文獻(xiàn)較少。

本文在分析柔性直流輸電系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提出了工程控制策略實現(xiàn)方案，并在我公司動模試驗系統(tǒng)上進(jìn)行了暫穩(wěn)態(tài)功能及性能驗證，結(jié)果表明控制系統(tǒng)的功能及性能滿足工程需求。

1 數(shù)學(xué)模型及控制策略

1.1 MMC數(shù)學(xué)模型

由于MMC的工作原理已經(jīng)有諸多文章進(jìn)行研究［10-11］，在此不再贅述。根據(jù)三相MMC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(圖1)對單個相單元中的上、下橋臂分別應(yīng)用基爾霍夫電壓定律，可得:

圖1 三相MMC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.1 Topology of three-phase MMC

式中:ua、ub、uc為閥側(cè)三相交流電壓;Udc為直流母線電壓;upa、upb、upc為三相上橋臂子模塊電壓和;una、unb、unc為三相下橋臂子模塊電壓和;ipa、ipb、ipc為流過三相上橋臂的電流;ina、inb、inc為流過三相下橋臂的電流;2L為橋臂電感;2R為橋臂等效電阻。

由公式(1)、(2)消去 Udc，并進(jìn)行 dq變換可得MMC在dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型:

式中:L為橋臂電感值的1/2;R為橋臂等效電阻值的1/2;id、iq為閥側(cè)電流的 dq軸分量;ud、uq為閥側(cè)電壓的dq軸分量;ω為角頻率;vd、vq為換流器輸出交流電壓的dq軸分量。

由公式(3)進(jìn)行拉普拉斯變換，可得MMC頻域下的數(shù)學(xué)模型:

公式(4)中相關(guān)量的含義與公式(3)中的相同，以上為正序MMC數(shù)學(xué)模型的推導(dǎo)過程，同理也可推出負(fù)序MMC數(shù)學(xué)模型，此處不再贅述。

1.2控制策略

控制系統(tǒng)具有有功類控制目標(biāo)(有功功率、直流電壓、交流系統(tǒng)頻率等)和無功類控制目標(biāo)(無功功率、交流系統(tǒng)電壓等)任意組合方式的控制能力［12］。各種控制方式在功率正送和反送條件下均可以實現(xiàn)，且可以在運行中進(jìn)行切換。

根據(jù)完成的功能和控制目標(biāo)，可分為4層控制策略:換流站級控制、換流器級控制、閥級控制和子模塊級控制，受限于篇幅，本文只針對換流站級控制和換流器級控制。

換流站級控制主要從調(diào)度要求和直流系統(tǒng)穩(wěn)定運行角度確定系統(tǒng)的整體控制策略與換流站的控制目標(biāo)，完成運行方式的控制、控制指令的整定、站內(nèi)開關(guān)順控和聯(lián)鎖、分接頭控制(基于調(diào)制比限制控制策略)、系統(tǒng)啟動/停運順序控制等。換流器級控制實現(xiàn)有功功率、無功功率、交流電壓、直流電壓、頻率等控制目標(biāo)。

由MMC的正負(fù)序數(shù)學(xué)模型，可通過前饋解耦方法推導(dǎo)出MMC的換流器級控制策略，MMC換流器級控制策略分為內(nèi)環(huán)控制和外環(huán)控制，內(nèi)環(huán)控制器實現(xiàn)對閥側(cè)電流的控制，外環(huán)控制器實現(xiàn)對有功類以及無功類控制量的控制。為了抑制負(fù)序分量對于控制系統(tǒng)的影響，換流器級內(nèi)環(huán)控制策略采用基于正序和負(fù)序的獨立雙閉環(huán)電流解耦控制策略［13］，具體控制框圖見圖2、圖3，正負(fù)序電壓、電流分別作為各控制器的前饋和反饋量參與控制，削弱負(fù)序?qū)ο到y(tǒng)運行的影響，保證換流器的穩(wěn)定控制。

圖2 正序內(nèi)環(huán)電流控制器Fig.2 Positive sequence inner current controller

圖3 負(fù)序內(nèi)環(huán)電流控制器Fig.3 Negative sequence inner current controller

由于負(fù)序控制器的目的就是抑制負(fù)序分量，故其換流器級內(nèi)環(huán)控制參考值都設(shè)為0，不需要外環(huán)控制。對于正序控制器，根據(jù)瞬時功率理論，MMC與交流系統(tǒng)之間傳遞的有功與無功可以用公式(5)表示:

式中:ua、ub、uc是閥側(cè)三相交流電壓;ia、ib、ic是閥側(cè)三相交流電流。在dq坐標(biāo)系下，有功和無功功率可以用公式(6)表示:

式中:id、iq為閥側(cè)電流的 dq軸分量;ud、uq為閥側(cè)電壓的dq軸分量。根據(jù)公式(6)可得有功功率及無功功率控制器如圖4所示。

圖4 功率外環(huán)控制器Fig.4 Power outer loop controller

當(dāng)采用定直流電壓控制時，可根據(jù)直流電壓參考值得到正序d軸電流參考值，直流電壓控制框如圖5所示。

圖5 直流電壓外環(huán)控制器Fig.5 DC voltage outer loop controller

至此，針對柔性直流輸電系統(tǒng)的換流站級及換流器級控制策略及功能已經(jīng)介紹完畢，下一部分將介紹利用我公司已有的平臺HCM3000/F實現(xiàn)柔性直流控制系統(tǒng)。

2 HCM3000/F控制系統(tǒng)

2.1 硬件配置

柔性直流輸電工程化控制系統(tǒng)主要由運行人員工作站、系統(tǒng)控制屏、閥基電子控制屏組成，本文僅針對系統(tǒng)控制屏的實現(xiàn)展開研究。柔性直流輸電控制系統(tǒng)的核心是HCM3000/F控制裝置，針對柔性直流的應(yīng)用其典型配置如圖6所示，同時也可根據(jù)不同的工程要求選配不同的插件。

圖6 HCM3000/F典型配置Fig.6 Typical configuration of HCM3000/F

HCM3000/F裝置具備高速、高性能、高可靠的數(shù)據(jù)傳輸與交換通道，能夠滿足柔性直流輸電控制系統(tǒng)功能及性能要求，典型配置中主要板卡功能如下:

(1)EPU10A插件是HCM3000/F裝置中的主處理器插件，不僅具有運算和控制功能，還具有管理和配置機箱中其他各種插件，實現(xiàn)插件間數(shù)據(jù)交換的功能;

(2)ESP20A插件是HCM3000/F裝置中的內(nèi)環(huán)控制器插件，具有電流內(nèi)環(huán)和功率外環(huán)控制功能，還具有模擬量輸入接口、IEC60044－8光纖接口及快速總線通信接口，實現(xiàn)與閥控系統(tǒng)、HCM3000/F其他插件的數(shù)據(jù)交換功能;

(3)ESP插件是HCM3000/F裝置中的數(shù)字信號處理插件，一般用于測量系統(tǒng)，完成一次系統(tǒng)模擬量的采集，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理;

(4)EDI插件完成開關(guān)量的輸入輸出，具體配置由EPU10A插件實現(xiàn)，實現(xiàn)開關(guān)控制及開關(guān)狀態(tài)檢測功能;

(5)ENT插件是一種以太網(wǎng)總線通信插件，實現(xiàn)速率為10/100 Mbps的以太網(wǎng)通信，完成站間通信及后臺通信的功能。

2.2 軟件配置

根據(jù)硬件配置的不同，控制程序可分為EPU主控制程序和板卡控制程序。EPU主控制程序完成順控聯(lián)鎖、外環(huán)參考值的生成及系統(tǒng)監(jiān)測功能，程序執(zhí)行步長可達(dá)ms級，其程序組成如圖7所示。

板卡程序包含ESP20A及ESP板卡，主要完成外環(huán)控制、內(nèi)環(huán)控制及數(shù)字信號的快速處理，程序執(zhí)行步長可達(dá)μs級，其程序組成如圖8所示。

圖7 EPU主控制程序Fig.7 Main control program of EPU

圖8 板卡控制程序Fig.8 Board control program of EPU

3 動模系統(tǒng)

柔性直流輸電控制系統(tǒng)開發(fā)完成后與我公司已有的閥控系統(tǒng)、換流閥及一次設(shè)備組成動模系統(tǒng)進(jìn)行控制系統(tǒng)功能及性能的驗證?；诖藙幽Ｔ囼炏到y(tǒng)開展控制策略的試驗研究，在驗證公司柔性直流控制設(shè)備產(chǎn)品功能的正確性和可靠性方面更有說服力。

我公司搭建的柔性直流輸電動模試驗系統(tǒng)如圖9所示?？傮w上由2個對等的換流器端組成，每端分別由一次回路部分、閥控設(shè)備部分、系統(tǒng)控制部分和運行人員工作站組成，運行人員工作站進(jìn)行試驗系統(tǒng)的總體控制和監(jiān)視。

圖9 動模系統(tǒng)Fig.9 Dynamic simulation system

動模系統(tǒng)與數(shù)字仿真系統(tǒng)區(qū)別之一在于通信的穩(wěn)定可靠對控制系統(tǒng)功能及性能具有直接的影響。HCM3000/F控制系統(tǒng)作為二次系統(tǒng)的核心設(shè)備需要與多個部分進(jìn)行穩(wěn)定可靠的通信，通過分析公司特高壓直流輸電工程現(xiàn)有的接口方案，提出了能夠直接應(yīng)用于未來柔直工程的接口方案，具體方案如下。

(1)閥控系統(tǒng)與控制系統(tǒng)接口:本接口主要由兩發(fā)兩收4路光纖通道構(gòu)成。一路是控制系統(tǒng)通過IEC60044－8協(xié)議向閥控系統(tǒng)下發(fā)調(diào)制波、觸發(fā)晶閘管、解鎖及閉鎖等命令，一路是控制系統(tǒng)通過IEC60044－8協(xié)議接收閥控系統(tǒng)橋臂子模塊電壓和、閥控設(shè)備自檢正常及請求系統(tǒng)切換等信號。另外還有2路獨立光纖通道實現(xiàn)控制系統(tǒng)下發(fā)主被動信號和閥控系統(tǒng)上傳請求跳閘信號，1 MHz表示主動信號或跳閘有效，10 kHz表示被動信號或跳閘無效。

(2)監(jiān)控系統(tǒng)與控制系統(tǒng)接口:監(jiān)控系統(tǒng)通過104規(guī)約與控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。這種數(shù)據(jù)交互方式已經(jīng)應(yīng)用于多個特高壓直流輸電工程，具備實現(xiàn)簡單、通信可靠的優(yōu)點。

(3)一次系統(tǒng)與控制系統(tǒng)接口:由于動模系統(tǒng)不具備光CT和光PT，故采用硬接線方式通過ESP插件進(jìn)行模擬量的采集。實際工程中若有光CT和光PT，可采用 IEC60044－8協(xié)議利用光纖通道進(jìn)行傳輸。

(4)GPS對時與控制系統(tǒng)接口:本接口傳輸時間同步信號，通信協(xié)議為IRIG－B編碼［14］，是時鐘通用協(xié)議。

4 控制系統(tǒng)功能及性能驗證

為了驗證控制系統(tǒng)功能及性能，分別做以下試驗:(1)順控解鎖試驗;(2)功率階躍試驗;(3)交流母線電壓跌落試驗。此次動模試驗主電路參數(shù)(兩站參數(shù)完全一致)見表1，整個過程中端1為定直流電壓控制和定無功功率控制，端2站為定有功功率控制和定無功功率控制，所有試驗波形均由HCM3000/F內(nèi)置錄波功能完成。各個試驗具體步驟見下文。

表1 主電路參數(shù)Table 1 Main circuit parameters

(1)順控解鎖試驗:由于兩端均為有源連接方式，故先閉合端1、端2交流側(cè)斷路器，使系統(tǒng)處于不控充電階段，即通過并聯(lián)二極管給子模塊電容進(jìn)行充電，待不控充電階段完成后，再閉合端1、端2與旁路電阻并聯(lián)的隔刀，由于端1為控直流電壓站，先解鎖換流器，待直流電壓穩(wěn)定后再解鎖端2換流器，從而實現(xiàn)系統(tǒng)解鎖運行，此試驗?zāi)軌蝌炞C控制系統(tǒng)的基本控制功能。端1順控解鎖試驗波形詳見圖10。從圖中可以看出順控解鎖功能正常且能夠滿足工程要求。

圖10 順控解鎖試驗Fig.10 Sequence control unlocking test

(2)功率階躍試驗:目前，柔性直流輸電系統(tǒng)要求能夠在設(shè)計功率的范圍內(nèi)任意功率水平下運行，有功功率、無功功率等的階躍響應(yīng)應(yīng)快速且不對交流系統(tǒng)造成沖擊，端2有功功率控制器的階躍響應(yīng)特性如圖11所示。此試驗?zāi)軌蝌炞C控制系統(tǒng)功能及性能，從圖11中可以看出控制系統(tǒng)功能及性能能夠滿足工程要求，響應(yīng)速度及時，對交流系統(tǒng)基本沒有沖擊。

圖11 功率階躍試驗Fig.11 Power step test

(3)交流母線電壓跌落試驗［15］:電網(wǎng)故障(包含交流母線電壓跌落)穿越控制已經(jīng)成為柔性直流輸電工程的基本功能。目前，工程招標(biāo)中要求整流側(cè)交流系統(tǒng)三相對地短路故障，即使電壓降至正常電壓的

，換流器也可長期運行，并向系統(tǒng)提供無功支撐;逆變側(cè)交流系統(tǒng)故障，即使電壓降至正常電壓的30%，換流器也可持續(xù)運行至少0.2 s，在此期間若故障消除，系統(tǒng)能夠恢復(fù)正常。端1(電壓站)試驗波形詳見圖12，從圖中可以看出電網(wǎng)故障穿越功能正常且能夠滿足工程要求。

圖12 交流母線電壓跌落試驗Fig.12 AC bus voltage drop test

5 結(jié)論

本文通過建立柔性直流輸電系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)出工程用控制策略，在通用控制平臺HCM3000/F上進(jìn)行了實現(xiàn)，并結(jié)合我公司已有的閥控系統(tǒng)、一次系統(tǒng)組成完整的柔性直流輸電動模系統(tǒng)，進(jìn)行控制系統(tǒng)功能和性能驗證。動模試驗結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)能夠完成柔性直流輸電系統(tǒng)的各種控制功能，在暫穩(wěn)態(tài)過程中具備優(yōu)良的調(diào)節(jié)性能。

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