柔性直流輸電換流閥型式實(shí)驗(yàn)平臺諧波注入方法

付志超，陳奧博，朱勁磊，歐嘉俊，王國強(qiáng)

(1. 廣東電網(wǎng)公司廣州供電局，廣州510620；2. 榮信匯科電氣股份有限公司，遼寧 鞍山114051)

0 引言

近年來國內(nèi)外柔性直流輸電技術(shù)快速發(fā)展，主要應(yīng)用于異步電網(wǎng)互聯(lián)、風(fēng)電場并網(wǎng)、西電東送等領(lǐng)域。例如國內(nèi)的云南魯西背靠背工程、渝鄂背靠背工程應(yīng)用于我國電力系統(tǒng)主干網(wǎng)互聯(lián)[1]。南澳多端柔直系統(tǒng)[2 - 3]和如東柔直工程等用于島嶼和海上風(fēng)電場并網(wǎng)。以及烏東德工程應(yīng)用于西電東送電力通道，實(shí)現(xiàn)電能的遠(yuǎn)距離傳輸，電壓等級達(dá)到±800 kV，總?cè)萘? 000 MW[4 - 6]。柔直系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于我國電力系統(tǒng)，并且國家提出“雙碳”目標(biāo)，大力發(fā)展基于可再生能源和基于電力電子設(shè)備的新型電力系統(tǒng)，柔直系統(tǒng)將會得到更廣泛的應(yīng)用，其電壓等級和容量也將不斷擴(kuò)大，柔直系統(tǒng)可靠性對電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的影響逐漸增大，目前已投運(yùn)和建設(shè)中的柔直工程均采用模塊化多電平換流閥(MMC)實(shí)現(xiàn)交-直流的電能轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)運(yùn)行過程中會面臨多種復(fù)雜工況，如交流系統(tǒng)或直流長線路的短時故障、送端和受端功率的暫態(tài)功率不平衡，以及短時的過電壓、過負(fù)荷等。對此已有大量文獻(xiàn)針對不同工況提出多種故障穿越策略[7 - 8]，能夠在一定程度上減小換流閥的暫態(tài)電壓、電流應(yīng)力。此外，為應(yīng)對大規(guī)模新能源接入，現(xiàn)代電力系統(tǒng)需要柔直參與交流系統(tǒng)的電壓和頻率調(diào)節(jié)，并能夠?yàn)橄到y(tǒng)提供暫態(tài)的慣量支撐，目前國內(nèi)外主要采用構(gòu)網(wǎng)類控制[9 - 10]，包括虛擬同步機(jī)控制[11 - 13]、下垂控制[14 - 16]和功率同步控制[17 - 18]等。除了控制策略的優(yōu)化之外，換流閥本身的過載能力也是柔直系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵指標(biāo)，同時換流閥的運(yùn)行參數(shù)邊界也是故障穿越控制和保護(hù)等策略優(yōu)化的基礎(chǔ)。

為考核柔直換流閥主回路對電壓、電流應(yīng)力的耐受能力，IEC標(biāo)準(zhǔn)對柔直換流閥提出了運(yùn)行實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，包括解鎖狀態(tài)下的電壓、電流過載實(shí)驗(yàn)、閉鎖狀態(tài)下的短路電流注入和過電流關(guān)斷實(shí)驗(yàn)等[19]。而且，通過對已投運(yùn)柔直換流閥波形分析，受交流系統(tǒng)連接方式的柔直運(yùn)行工況的影響，橋臂電流中會存在一定的諧波分量，且諧波頻率分布范圍較寬，而換流閥控制中通常只配置二次環(huán)流抑制[20 - 21]，因此近期工程中通常要求換流閥型式實(shí)驗(yàn)包含諧波注入實(shí)驗(yàn)，例如要求至少注入3、5、7次諧波等，以更接近實(shí)際運(yùn)行工況的條件考核換流閥的電流、電壓耐受能力，而對柔直實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)控制方法的研究成果較少，大都研究實(shí)驗(yàn)回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[22 - 23]，所采用的控制策略通常僅針對基頻電流控制和二倍頻電流注入方法[24 - 25]。而在諧波控制方面近期有較多研究成果大都分析柔直系統(tǒng)諧波阻抗特性[26 - 27]，以及諧波諧振抑制等[28 - 29]，但對柔直實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)多組諧波注入方法的論述較少。

本文首先分析工程中柔直換流閥橋臂電流存在諧波分量，介紹常用的換流閥型式實(shí)驗(yàn)回路，其次針對典型實(shí)驗(yàn)回路，在常規(guī)電壓、電流控制方法的基礎(chǔ)上設(shè)計諧波注入控制方法，提出基于二階低通濾波器作為諧波分量控制器，優(yōu)化諧波跟蹤性能，并分析諧波調(diào)節(jié)器的穩(wěn)定性，最后仿真驗(yàn)證所提出諧波注入控制方法的有效性。

1 柔直工程換流閥諧波特性

柔直工程中MMC一相結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中SM為半橋結(jié)構(gòu)功率單元；電網(wǎng)交流側(cè)電壓和電流分別為usj和isj(j=a, b, c)；L為橋臂串聯(lián)電抗的電感值；udc為直流電壓；idc為直流電流；ipj和inj分別為上、下橋臂電流；upj和unj分別為上、下橋臂兩端輸出電壓；izj為橋臂環(huán)流；Uc為功率模塊平均電壓。

圖1 柔直換流閥一相橋臂拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 One-phase bridge topology of MMC

由MMC拓?fù)淇芍舷聵虮圯敵鲭妷嚎捎墒?1)表示。

(1)

式中：m為功率模塊序號，m=1,…,N，每個橋臂由N個功率模塊串聯(lián)組成；S(t)代表功率模塊開關(guān)函數(shù)，下標(biāo)p、n分別表示上下橋臂；Δucjpm、Δucjnm分別為j相上下橋臂第m個功率模塊電壓波動量。則換流閥j相電壓波動Δucj可表示為：

(2)

三相電壓波動的相位相互錯開120 °，會在三相橋臂中產(chǎn)生對應(yīng)頻率的電流波動，主要為二倍頻分量[30]，因此橋臂電流可由式(3)表示。

(3)

式中：Ij為換流閥j相交流側(cè)電流峰值；Izj為二倍頻環(huán)流幅值；φ為基頻電流相位；θ為二倍頻電流相位。

忽略功率模塊電壓波動，穩(wěn)態(tài)時MMC橋臂電壓平均值包含直流和交流分量，如式(4)所示。

(4)

式中：M為換流閥交流調(diào)制信號幅值，最大值1為滿調(diào)制。由式(2)和式(4)中橋臂電壓和電流表達(dá)式可以計算橋臂功率表達(dá)式，根據(jù)式(2)和式(4)中各頻率分量的乘積關(guān)系，可知橋臂功率中含有直流、基頻、二倍頻和三倍頻分量，因此橋臂中必然存在對應(yīng)次諧波電流，依次類推可知，橋臂電流中含有各次諧波分量。

為使型式實(shí)驗(yàn)中試品閥段電流更準(zhǔn)確地等效現(xiàn)場實(shí)際工況，根據(jù)上述橋臂電流諧波分量的分析結(jié)果，綜合考慮橋臂電抗的濾波作用，可以在型式試驗(yàn)電流中注入2、3、5、7次諧波，考核試品閥段對諧波電流的耐受能力。

2 實(shí)驗(yàn)回路

柔直工程換流閥電壓等級高、容量大，無法對設(shè)備整體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，IEC標(biāo)準(zhǔn)對此提出以閥段為實(shí)驗(yàn)對象進(jìn)行功率循環(huán)實(shí)驗(yàn)，對于MMC拓?fù)鋮⑴c實(shí)驗(yàn)的閥段由不少于5個功率模塊串聯(lián)組成。對此通常采用兩個閥段直接并聯(lián)組成對拖實(shí)驗(yàn)回路，如圖2所示，圖中兩個閥段分別為試品閥段和陪試閥段，兩閥段經(jīng)負(fù)載電抗器L連接，Uc為低壓直流電源，與陪試閥段接地端功率模塊的直流電容并聯(lián)，通過閥段間的平衡控制和閥段內(nèi)電容電壓平衡控制為所有單元提供運(yùn)行實(shí)驗(yàn)的功率損耗，Us為預(yù)充電電源，經(jīng)充電電阻R將所有功率模塊充電至能夠穩(wěn)定工作的初始電壓，充電完成后斷開隔離開關(guān)K01，切除預(yù)充電電源，功率模塊根據(jù)控制系統(tǒng)調(diào)制信號進(jìn)入解鎖運(yùn)行狀態(tài)，由直流電源Uc對實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)供電。

此外常用的型式實(shí)驗(yàn)回路也可以采用多個閥段組成完成的背靠背結(jié)構(gòu)換流閥，通常每個橋臂包含1或2個閥段，將兩個換流閥的直流側(cè)和交流側(cè)分別連接，組成功率循環(huán)回路，并經(jīng)交流變壓器與電網(wǎng)連接，為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)提供實(shí)驗(yàn)所需的能量損耗。該種背靠背結(jié)構(gòu)的對拖實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能夠一次測試多個試品閥段，且控制方法與工程中柔直換流閥控制系統(tǒng)類似。但對直流電源容量和電壓等級的要求較高，而圖1所示的閥段對拖類實(shí)驗(yàn)平臺對電源容量要求較低，但控制方法與常規(guī)柔直系統(tǒng)控制方法存在一定區(qū)別。本文后續(xù)將基于閥段對拖實(shí)驗(yàn)回路介紹所提出運(yùn)行實(shí)驗(yàn)方法和諧波控制策略。

圖2 閥段型式實(shí)驗(yàn)回路Fig.2 Type test circuit of valve section

3 實(shí)驗(yàn)回路控制和諧波注入方法

3.1 實(shí)驗(yàn)回路控制策略

IEC標(biāo)準(zhǔn)要求穩(wěn)態(tài)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)中試品閥段功率模塊電壓平均值為1.05倍額定，試品閥段電流的直流和交流分量比例與實(shí)際工程一致，幅值通常為工程額定值的1.05～1.3倍。對此通常將試品閥段和陪試閥段間的調(diào)制信號錯開一定相位，使兩閥段經(jīng)負(fù)載電抗產(chǎn)生功率循環(huán)，具體控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 閥段對拖實(shí)驗(yàn)平臺控制結(jié)構(gòu)Fig.3 Control structure of valve section back-to-back experimental platform

圖3中閥段平均電壓和閥段電流組成電壓-電流雙閉環(huán)的控制結(jié)構(gòu)，保持兩閥段間輸入和輸出功率平衡。試品閥段調(diào)制信號為標(biāo)準(zhǔn)50 Hz正弦調(diào)制信號，相位角θ在[0, 2π]間變化，試品閥段和陪試閥段的相位差為α， 穩(wěn)態(tài)基頻交流電流分量的相位為0.5α， 電壓電流相位關(guān)系如圖4所示。圖中ωLIL為閥段間負(fù)載電抗器的穩(wěn)態(tài)壓降。

圖4 閥段電流、電壓相位關(guān)系Fig.4 Phase relationship between valve section current and voltage

3.2 電流調(diào)節(jié)器設(shè)計

由上述控制原理可知試品閥段電流包含直流分量、基頻分量和諧波分量，因此可以采用比例-諧振(proportional-resonance，PR)調(diào)節(jié)器跟蹤給定，即根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求分別設(shè)置基頻諧振調(diào)節(jié)器和各次諧波調(diào)節(jié)器，實(shí)現(xiàn)基頻和諧波電流指令信號的跟蹤。以注入2、3、5、7次諧波為例，電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)如圖5所示，圖中ω0為基波角頻率，Kp為PR調(diào)節(jié)器比例系數(shù)，針對交流基頻和各次諧波分量分別設(shè)置諧振調(diào)節(jié)器，k1為基頻諧振調(diào)節(jié)器系數(shù)，kn(n=2, 3, 5, 7)為各次對應(yīng)諧波調(diào)節(jié)器系數(shù)。

圖5 基于PR調(diào)節(jié)器的電流控制器Fig.5 Current controller based on PR regulator

圖6 電流控制回路等效傳遞函數(shù)Fig.6 Equivalent transfer function of current control loop

由圖6可得電流控制回路的根軌跡，如圖7所示?？梢钥闯?，采用諧振調(diào)節(jié)器控制諧波電流產(chǎn)生了一系列閉環(huán)極點(diǎn)，隨著反饋控制增益從0開始增加，與5、7次諧波電流控制相關(guān)的極點(diǎn)出現(xiàn)了向右半平面移動的趨勢，因此5、7次諧波電流控制會出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。與3次諧波電流控制相關(guān)極點(diǎn)受到影響相對較小。與基波、2次諧波電流控制相關(guān)極點(diǎn)保持在左半平面，能夠保持穩(wěn)定。

圖7 基于PR調(diào)節(jié)器的根軌跡圖Fig.7 Root locus based on PR regulator

針對上述問題，將3、5、7次諧波控制器改為2階低通濾波，改進(jìn)后控制器結(jié)構(gòu)如圖8所示，對應(yīng)根軌跡如圖9所示。圖9中隨著反饋增益從0開始增加，與各次諧波控制相關(guān)的閉環(huán)極點(diǎn)均向左半平面移動，只有當(dāng)反饋增益很大時，3、5、7次諧波電流控制相關(guān)極點(diǎn)才會進(jìn)入右半平面，因此試驗(yàn)系統(tǒng)在進(jìn)行控制參數(shù)調(diào)試時可以保持穩(wěn)定，不會出現(xiàn)振蕩發(fā)散現(xiàn)象。由于替換的低通控制環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)在3、5、7次諧波點(diǎn)依然保持開環(huán)增益無窮大，因此可以實(shí)現(xiàn)3、5、7次諧波電流的無靜差調(diào)節(jié)。

圖8 基于二階低通濾波環(huán)節(jié)的電流控制器Fig.8 Current controller based on second-order low-pass filter

圖9 基于二階低通濾波環(huán)節(jié)的根軌跡圖Fig.9 Root locus based on second-order low-pass filter

4 仿真和分析

基于上述電流控制方法在PSCAD下搭建閥段對拖實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)仿真模型，對改進(jìn)后的電流控制方法進(jìn)行仿真驗(yàn)證，參數(shù)見表1。

表1 仿真模型參數(shù)Tab.1 Simulation model parameters

基于常規(guī)PR調(diào)節(jié)器對閥段實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖10所示。其中圖10(a)為2、3、5、7次諧波有效值波形，圖10(b)為試品閥段和陪試閥段間的總負(fù)載電流波形。經(jīng)仿真調(diào)整后3、5、7次諧振系數(shù)分別為0.03、0.02、0.015，電流控制器中比例環(huán)節(jié)系數(shù)Kp= 0.25。仿真中雖然盡量減小7次諧波諧振調(diào)節(jié)器系數(shù)，但穩(wěn)態(tài)時仍存在較大波動，且3、5次諧波穩(wěn)態(tài)值與設(shè)定值也存在較大偏差，總閥段間總負(fù)載電流幅值穩(wěn)態(tài)時也明顯存在低頻波動。

圖10 基于PR調(diào)節(jié)器的電流控制器仿真結(jié)果Fig.10 Simulation results of current controller based on PR regulator

基于本文提出的3、5、7次諧波采用二階低通濾波環(huán)節(jié)再次對上述閥段實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)仿真，結(jié)果如圖11所示。圖中分別為注入諧波電流有效值和閥段間負(fù)載電流波形，其中電流調(diào)節(jié)器中3、5、7次二階低通濾波環(huán)節(jié)放大倍數(shù)在上述參數(shù)附近微調(diào)，比例系數(shù)Kp仍然設(shè)置為0.25。由仿真結(jié)果可以看出，改進(jìn)后的電流控制器消除了7次諧波的穩(wěn)態(tài)波動，3、5、7次諧波有效值的穩(wěn)態(tài)精度明顯優(yōu)于傳統(tǒng)PR調(diào)節(jié)器。

圖11 基于二階低通濾波的電流控制器仿真結(jié)果Fig.11 Simulation results of current controller based on second-order low-pass filter

對比上述仿真結(jié)果可以知道，本文所提出的諧波電流控制方法能夠提高諧波注入電流的穩(wěn)態(tài)精度，消除注入諧波的穩(wěn)態(tài)振蕩，改善電流控制器的幅頻特性。

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)回路現(xiàn)場布局如圖12所示。圖中主要包括試品閥段、陪試閥段、負(fù)載電抗器和閥控系統(tǒng)4個部分。為降低系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)電壓等級，實(shí)驗(yàn)平臺閥段為6級功率模塊串聯(lián)，功率模塊額定電壓2.4 kV。閥控系統(tǒng)電流控制采用本文提出的基于二階低通濾波環(huán)節(jié)控制3、5、7次諧波電流。穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖13所示。圖中三組波形由上至下依次為閥段電流Ib、試品閥段端間電壓U1和陪試閥段端間電壓U2。實(shí)驗(yàn)中設(shè)置2次諧波給定為0，抑制2倍頻環(huán)流，3、5、7諧波根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求分別設(shè)定為基頻的5%、3%、1%的基波分量。

圖12 實(shí)驗(yàn)回路布局Fig.12 Experimental loop layout

圖13 閥段電流、試品和陪試閥段端間電壓Fig.13 Valve section current, test object and voltage between terminals of accompanying valve section

穩(wěn)態(tài)諧波電流分量能夠跟蹤給定，波形數(shù)據(jù)FFT分析結(jié)果如表2所示，驗(yàn)證了本文所采用諧波注入方法正確性和有效性。

表2 實(shí)驗(yàn)電流諧波分析結(jié)果Tab.2 Harmonic analysis results of experimental current

6 結(jié)語

本文研究了柔直換流閥型式實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中諧波電流控制方法。常規(guī)PR調(diào)節(jié)器用于控制多組諧波同時注入試品閥段時存在穩(wěn)態(tài)振蕩，諧波分量控制偏差較大等問題，嚴(yán)重影響試品閥段的測試精度，實(shí)驗(yàn)中試品閥段穩(wěn)態(tài)電流波動對實(shí)驗(yàn)設(shè)備安全運(yùn)行也存在一定威脅。

在柔直閥段型式試驗(yàn)中， 采用二階低通濾波環(huán)節(jié)控制試品閥段諧波分量注入能夠提高諧波電流的控制精度，明顯減弱諧波間的相互影響。所提出的高頻諧波注入的方法能夠模擬更真實(shí)的現(xiàn)場運(yùn)行工況，從而提高換流閥試驗(yàn)應(yīng)力，提高試驗(yàn)等效性。