特高壓多端混合直流輸電拓撲結(jié)構(gòu)和控制保護原理分析概述目錄TOC\o"1-3"\h\u21746特高壓多端混合直流輸電拓撲結(jié)構(gòu)和控制保護原理分析概述 1238861.1特高壓多端混合直流輸電的拓撲結(jié)構(gòu) 16071.1.1LCC換流器的拓撲結(jié)構(gòu) 1174551.1.2MMC換流器的拓撲結(jié)構(gòu) 2269801.1.3三端混合LCC-MMC直流輸電系統(tǒng) 41991.2特高壓多端混合直流輸電的控制保護原理 543001.2.1LCC-HVDC控制保護原理 5237181.2.2MMC-HVDC控制保護原理 6189561.2.3三端混合LCC-MCC控制保護系統(tǒng) 81.1特高壓多端混合直流輸電的拓撲結(jié)構(gòu)1.1.1LCC換流器的拓撲結(jié)構(gòu)LCC換流器采用半控型器件晶閘管，其半控性體現(xiàn)在必須在要有足夠的正向電壓和觸發(fā)電流才可以導通，且一旦導通就失去控制作用。以6脈動換流器[18]為例，每一個6脈動換流器有六個橋臂，也稱為閥，線路為三相橋式換流回路，其接線原理如圖1.1所示。圖1.1三相橋式換流器接線原理圖整流側(cè)的直流電壓可以表示為：(1.1)——直流電壓——換流變二次側(cè)相電壓有效值——換流器觸發(fā)角——等效換相電抗——直流電流n脈動換流器[18]會產(chǎn)生nk±1次交流特征諧波和nk次直流特征諧波，其中n為6的正整數(shù)倍，k為正整數(shù)。諧波是脈動換流器換流過程中必然存在的產(chǎn)物，為減小其在交流側(cè)的負面影響，需要加裝交流濾波器，濾波器除了具有濾波效果，還可以給換流器提供一定的無功支持；同時，為避免諧波電流大量消耗系統(tǒng)有功功率，在直流側(cè)還要設(shè)置直流濾波器。目前一般采取由兩個電壓相位差為30°的6脈動換流器用于特高壓直流輸電，這兩個換流器共同構(gòu)成12脈動換流器，其接線方式一般采用雙12脈波雙極接線[19]。LCC換流器可以實現(xiàn)交直流的轉(zhuǎn)換，是常規(guī)直流輸電系統(tǒng)中換流的核心，也是特高壓多端混合直流輸電系統(tǒng)中的重要器件。1.1.2MMC換流器的拓撲結(jié)構(gòu)如圖1.2所示，MMC換流器的特點是模塊化設(shè)計，一個橋臂電抗器和N個子模塊[20-22]串聯(lián)組成一個橋臂，每個橋臂所能承受的最大電壓等級取決于子模塊數(shù)量，因此通過改變子模塊數(shù)量可以改變電流的工作狀態(tài)；子模塊的電容電壓決定了每個開關(guān)器件能夠承受的電壓，有效地解決了電壓分配不均勻的問題，并能夠提高電壓等級。圖1.2MMC基本結(jié)構(gòu)圖MMC必須滿足一定的約束條件才可以正常運行，但直流側(cè)和交流側(cè)的約束是不同的。在直流側(cè)，為了保證直流電壓不變，必須對MMC子模塊數(shù)量進行限制，即保證每相的數(shù)量相等且不變，子模塊電壓應滿足如下的關(guān)系：(1.2)其中和為上、下橋臂子模塊電壓值，為恒定直流電壓。系統(tǒng)的電壓均衡控制，使子模塊的電壓被分配均勻。設(shè)其均衡電壓為,則(1.3)其中，M為上橋臂子模塊數(shù)量，L為下橋臂子模塊數(shù)量，N為上下橋臂子模塊數(shù)量之和，也就是每個相單元投入的子模塊的數(shù)量。在交流側(cè)，為了保證輸出的電壓是三相正弦波，需要通過調(diào)整投入運行的子模塊數(shù)量來調(diào)節(jié)交流側(cè)輸出電壓的幅值與相位。交流電壓應滿足如下關(guān)系：(1.4)MMC子模塊有不同拓撲類型，主要分半橋型、全橋型和混合型[23]三種，這里以混合型MMC為例，其拓撲圖如下，每個橋臂中有個半橋子模塊和個全橋子模塊，半橋型結(jié)構(gòu)簡單成本經(jīng)濟，全橋型具備直流線路故障自清除能力[23]以及穩(wěn)態(tài)降壓運行能力[23]，混合型綜合了二者的優(yōu)點，對于特高壓多端混合直流輸電中的柔直換流，可以考慮該拓撲的MMC換流器。圖1.3混合型MMC基本結(jié)構(gòu)圖1.1.3三端混合LCC-MMC直流輸電系統(tǒng)三端混合直流輸電系統(tǒng)可能存在多種組合方式[24]，一般來說，可行的方案如表1.1所示。表1.1三端混合LCC-MMC直流輸電系統(tǒng)組合方式組合方式送端受端1受端21常規(guī)直流柔性直流柔性直流2常規(guī)直流常規(guī)直流常規(guī)直流3常規(guī)直流柔性直流常規(guī)直流4常規(guī)直流常規(guī)直流柔性直流對于方式2、方式3和方式4來說，均有采用常規(guī)直流的逆變站，根據(jù)1.1.1小節(jié)，采用LCC換流器進行逆變可能發(fā)生換相失敗的問題，從而影響整個直流系統(tǒng)的有功功率傳輸，系統(tǒng)有功可能會出現(xiàn)大幅下降甚至短時中斷。方式1與其它三組的方式在于其兩個逆變站均采用柔性直流，根據(jù)1.1.2小節(jié)，這樣可以避免換相失敗的問題；此外，在柔直換流站側(cè)發(fā)生交流故障情況下，直流系統(tǒng)的輸送功率不僅不會中斷，還可以向交流系統(tǒng)提供動態(tài)無功支撐，具有顯著的優(yōu)越性。這里以方式1為例，送端采用常規(guī)直流，即整流站采用LCC換流器；受端均采用柔性直流，即逆變站采用MMC換流器，構(gòu)成三端混合LCC-MMC直流輸電系統(tǒng)。在1.1.1小節(jié)中介紹的實際工程就是采用這種三端混合輸電的拓撲結(jié)構(gòu)。圖1.4為系統(tǒng)的簡明拓撲圖。圖1.4三端混合LCC-MMC直流輸電系統(tǒng)常規(guī)直流輸電采用晶閘管進行換相，根據(jù)1.1.1小節(jié)，由于晶閘管是半控型器件，必須要有足夠的換相電壓才可以進行換流，也就是說在其逆變側(cè)要有強交流電壓的支持。這就會存在當逆變側(cè)發(fā)生短路故障時，換流母線電壓會大幅跌落，從而導致逆變站發(fā)生換相失敗的問題。對于柔性直流輸電，根據(jù)1.1.2小節(jié)，采用IGBT全控型器件，不需要依賴電網(wǎng)就可以獨立換相，即使逆變側(cè)發(fā)生短路故障，也不會造成換相失??；此外，當系統(tǒng)發(fā)生交流故障，柔直系統(tǒng)可持續(xù)給交流系統(tǒng)供應有功功率和無功功率的支持，對維持系統(tǒng)的穩(wěn)定性起到重要作用。因此，三端混合LCC-MCC直流輸電系統(tǒng)既具備常直輸電和柔直輸電的優(yōu)勢，又能避免換相失敗的問題。1.2特高壓多端混合直流輸電的控制保護原理1.2.1LCC-HVDC控制保護原理由公式(1.1)可知，整流側(cè)觸發(fā)角和交流線電壓的值是決定整流側(cè)直流電壓的關(guān)鍵因素，所以對于LCC-HVDC輸電系統(tǒng)的控制關(guān)鍵是對LCC換流器觸發(fā)角以及交流線電壓的控制。其中，前者分為等觸發(fā)角控制和等相位間隔控制[25-26]。等觸發(fā)角控制是指在各換流閥相同的觸發(fā)角度下，施加觸發(fā)脈沖，也把這種方法稱為分相控制。等相位間隔控制可以抑制非特征諧波，防止發(fā)生諧波不穩(wěn)定的現(xiàn)象，這種控制又稱等距離脈沖控制。此外，直流輸電系統(tǒng)的傳輸功率由直流電流和電壓決定，改變電壓極性可以改變功率傳輸?shù)姆较虻摹？傊?，對于LCC換流器，關(guān)鍵在于對直流電壓的控制，進而控制直流電流和功率。對于LCC-HVDC發(fā)生故障或處于非正常運行的狀態(tài)，保護應及時動作。對系統(tǒng)的保護方法為分區(qū)保護[27]，這種保護的特點是保護具有區(qū)域化專職化的優(yōu)勢，不同的區(qū)域?qū)τ诓煌谋Ｗo，關(guān)鍵在于合理分區(qū)。保護的重點應為換流站一次設(shè)備，特別要避免閥組受到過電流的危害；而保護的判據(jù)則為保護區(qū)域內(nèi)的電氣量。一般來說，分區(qū)保護可以用圖1.5來表示：圖1.5LCC-HVDC系統(tǒng)分區(qū)保護1.2.2MMC-HVDC控制保護原理采用分層控制[28]是MMC-HVDC的主要控制方式，一般分三個層級，分別是換流器閥級控制、換流站級控制和直流系統(tǒng)級控制，三個層級協(xié)調(diào)控制以保證系統(tǒng)穩(wěn)定性。對于換流器閥級控制，是針對換流器的調(diào)制及控制方式。對于MMC，采用的是階梯波控制方式，該方式可以有效實現(xiàn)穩(wěn)定運行。該方式主要包括特定諧波消去階梯波調(diào)制和電壓逼近調(diào)制兩類方法。前者由于動態(tài)性能差，計算略繁瑣，在電平數(shù)不多的情況下可以使用這種方法；后者的控制方法中，應用最廣泛的方式為最近電平逼近調(diào)制[29-31]，下面對其進行介紹。由1.1.1小節(jié)可知，MMC換流站通過控制上下橋臂子模塊投入數(shù)量，從而達到電壓匹配的目的。以a相為例，由式(1.4)可得，投入a相橋臂的子模塊數(shù)：(1.5)其中子模塊的數(shù)量要滿足是整數(shù)的要求，所以實際的子模塊數(shù)目為：(1.6)——a相調(diào)制波的瞬時值——子模塊電容電壓的均值——a相單元中的子模塊數(shù)的一半——對的數(shù)值進行取整按照上述公示可以進行計算上下橋臂投入的子模塊數(shù)量，其必須滿足在[0,N]范圍之內(nèi)，此時才會正常工作。同時調(diào)制波幅值不能超過子模塊電流電容電壓的總和，否則子模塊將無法滿足調(diào)制要求，波形將發(fā)生畸變。因此，調(diào)制波幅值不能過大，要留有一定裕度。對于換流站級控制，控制量主要為換流站輸出的有功和無功功率。對于MMC，控制主要分為功率外環(huán)控制、電流內(nèi)環(huán)控制[32-34]，可以用下圖來表示，分別在3.3.1小節(jié)的各端穩(wěn)態(tài)控制和4.1.1小節(jié)的交流系統(tǒng)不間斷運行控制保護策略進行詳細闡述。圖1.6功率外環(huán)控制和電流內(nèi)環(huán)控制對于直流系統(tǒng)級控制，該控制處于控制層級的最高級，其控制方式有主從控制方式、直流電壓偏差控制和下垂控制方式[35-37]三種。第一種方式，也就是換流站功能的劃分，需要在三端換流站的站間通訊正常的條件下才可以使用；第二種方式不受站間通訊狀況的影響，可以有多種運行方式的選擇；第三種方式是多個換流站共同承擔控制直流電壓的任務(wù)，在站間無通訊的情況下可以用該策略讓各換流獨立運行至新的功率平衡點。在1.1.3小節(jié)給出了直流輸電組合方式分析，在3.1小節(jié)中會介紹控制模式的選擇。1.2.3三端混合LCC-MCC控制保護系統(tǒng)1.2.3介紹了三端混合LCC-MCC輸電系統(tǒng)，控制保護系統(tǒng)的合理配置是其平穩(wěn)運行的關(guān)鍵。根據(jù)1.1.2小節(jié)的分層控制，把該方式運用于此系統(tǒng)，同樣按照系統(tǒng)層、站控層、極層、換流器層進行分層，每層要分別配置相應的控制設(shè)備。對于上述三端混合LCC-MCC的控制系統(tǒng)[38]分層圖可以用圖1.7表示。圖1.7三端混合LCC-MCC控制系統(tǒng)功能分層圖其中，系統(tǒng)層應具備多端協(xié)調(diào)控制的能力，可以通過設(shè)置冗余多端控制器[39]并與各站之間設(shè)配置通訊來實現(xiàn)。根據(jù)主從控制方式，設(shè)置一個站為主站負責協(xié)調(diào)，另外兩個作為備用從站；站控層來實現(xiàn)對系統(tǒng)設(shè)備的監(jiān)控，分直流站控和交流站控；極層實現(xiàn)具體的控制，如解鎖、閉鎖的順序、外環(huán)功率的控制、極功率和電流的控制等；換流器控制層主要實現(xiàn)對閥組層的控制，通過接受上級指令，控制換流器觸發(fā)角或者調(diào)制波以控制系統(tǒng)平穩(wěn)運行。