专题4多端柔性直流输电控制和保护策略研究阅读批注

用MMC的拓扑结构，目前，基于MMC结构的多端直流系统应用经验很少，设计方法尚不输电系统相对两端系统运行方式，更灵活；各站的控制保护系统需要的协调配特性和保护配置等内容对后续的工程设计，现场调试及运行都具有重要意义。前 南澳多端柔性直流工程简 研究目的和意 多端柔性直流系统的控制策 换流站级控制策 单点直流电压控制策 基于直流电压偏差控制的多点直流电压控制策 对站间通讯的要 换流器级控制策 外环控制策 内环控制策 运行控制方 阀级控制策 控制功能原 电容电压优化平衡控制策 正常起 多端柔性直流输电系统启动策 多端柔性直流输电系统正常停运策 紧急停 多端柔性直流系统的保护策 交流故障保护策 交流出线故 换流站内交流母线故 直流故障保护策 直流单极对地短路故 双极短路故 换流阀故障保护策 换流器功率模块故 桥臂开路故 多端柔性直流输电保护和测点配 多端柔性直流输电典型保护分 多端柔性直流输电测点配 风电场单独接入柔性直流系统的分 风电机组的数学模 控制器设 仿真与分 风电接入柔性直流输电的仿真分 换流站控制和保护系统的配置与接 换流站控制和保护系统的配 换流站控制和保护系统的接 结 南澳多端柔性直流工程（53.98（29.25M均通过用户升压站接至110kV金牛站。在金牛站及青澳风电场近区分别新建一个换流站。其中牛头岭~金牛线路在金牛站T澳换流站新建一回柔性直流线路至金牛换流站，塔屿风电近区新建柔性直流输电换流站，出线接至金牛换流站，最终经金牛换流站汇流后集中送出至塑城换流站。研究MMCMMC结构的多端直流系统应用经验很少，设计方法尚流输电系统相对两端系统运行方式，更灵活；各站的控制保护系统需要的协调障特性和保护配置等内容对后续的工程设计，现场调试及运行都具有重要意义。换流站级控制 故障后的快速恢复策略以保证系统的可用率是多端柔性直流输电协调控制策略的重中之重。（主站2.1.1-1所示。作为多点直流电压控制的主导站与后备站必须有足够的容量补偿系统功率的不平站为定直流电压控制方式，金牛换流站采用基于直流电压偏差控制的电压控制方式，但在正常运行情况下和青澳换流站一样处于定有功功率控制方式。系统正常运行时，各站工作于下图中的工作点A。塑城换流站充当逆变站，接受金B点。为确保系统在新工作点下仍能保持有功功率平udcref_换流器级控制 直流输电控制中的主流方案,外环控制器根据直流系统不同的控制目标来设计,生成内f交流电压控制利用交流电压参考值与实际值之间的差值控制注入到交流系统的无目标的不同可分为定有功功率控制和定直流电压控制还有频率控制等。针对风电场侧系统容量小，功率波动频繁的情况，频率控制是十分有必要的，塑城站和主网架相连，有功功率外环采用定直流电压控制策略。外环控制器至少包括三个环节分别是比较环节、比例积分环节、电流限幅环节，如下图所示。具体参数的整定还要参照响应时间，暂态稳定性等要求。skp skp使柔性直流输电系统能够阻尼系统振荡，提高交流系统的静态稳定性uconv_uconv_u1_uconv_uconv_u1_u1_u1_u_auu_adu_u_uu_ d RidLi q RiqLi d RidLi q RiqLi dtdtidid1qLLRiLid1usd1ucdqLu Lusq cqdqd、uu(kkips i)Li (kkips i)Li 制，idiqPI调节器提高了系统的动态性能，可以方便当故障发生在如下图所示的PCC联接点或之前线时，柔性直流系统应当具最重要因素是能够最快的，最准确的检测到PCC处的负序电压分量及负序相角PLLPLL环控制功能如下图所示。图中：k1为反馈比例系数；KPKI分别为比例和积分系数。控制器将到的三相交流同步电压实时值经Clark变换为uα和uβ，通过计算得uq。uq经比例积分（PI）Δω，Δωω0相加后运行方2为各换流站间均交直流并联运行，送端换流站有功类控制器选择有功功率控制，无功类控制器选择交流电压控制或无功功率控制；受端换流站有功类控运行方式3为 阀级实现对站级控制器发送的参考电压的调制并驱动电力电子开关器件进行相应的开关动与站级控制器的通讯等功能。用直流电压在交流侧产生恰当的电压波形来近调制波。较好的调制波近能力；其输出的电压波中的基波分量尽可能的近调制波目前常用的多电平换流器调制方式可以分为两大类：1.脉宽调制(PulseWidth )方式；2.阶梯波方式(StaircaseModulation)。阶梯波调制与脉宽调制相模块化多电平换流器（MMC）6n个作为开关元件的半桥以及一个直流储能电容并联组成。①闭锁：上、下两个（T1、T2）都处于关断状态，由反并联二极管（D1、D2）的正向导通性决定功率模块的状态。当电流经过二极管D1时，电容C串联在桥臂中并充电；当电流经过二极管D2时，电容C被旁路。T1关断，T2T2D2，功率模块的电容总是被旁路，因此模块输出电压为0。块相当于一个受控的两电平电压源。每个桥臂由多个相互独立控制的功率模块串联而nn量并不大。另一方面，方式在电平数如此多的情况下，实现起来很复杂，开关频阶梯波调制的具体实现方式有：消谐波调制(SelectiveHarmonicEliminationStaircase电压近调制策略可以分为空间矢量控制（SpaceVectorControl，SVC）和最近电平近调制或最近电平近控制（NearestLevelModulation，NLM或NearestControl，NLC，其基本原理就是使用最近的电压矢量或电平瞬时近正弦调制波，适计划采用最近电平近调制（NLM。NLMMMC中的实现：用us(t表示调制波的瞬时值，Uc表示功率模块的直流电压平均值。n（通常是偶数）为上桥臂含有的功率模块数，也等于下桥臂含有的功率模块数，这样每个相单元总是只投入n个功率模块。如果这n个功率模块由上、下桥臂平均分担，则该相单元输出电压为0。见下图随着调制波瞬时值从0开始升高，该相单要相应地减少，使该相单元输出的电压跟随调制波升高。理论上，NLM将MMC输出的电压与调制波电压之差控制在（Uc/2）以内。2.3.1-4MMCNLC nround(uS round C，其 表示取与最接近的整数

n

nrounduS (C(受功率模块数的限制，有0nup,ndownn。如果计算得到的nup,ndown 内，称NLM工作在正常工作区。一旦算得的某个nup,ndown超出了边界值，则这时只能取相应的边界值。这意味着当调制波升高到一定程度，由于电平数有限，NLM已经无法将MMC输出的电压与调制波电压之差控制在（Uc/2）以内。只要出现这种情况，称NLM工作在过调制区。MMC而言，由于直流侧储能是由多个功率模块直流电容电压串联维持的，因此MMC的直流电压控制不仅是控制总直流电压，而且还必须进行各功率模块直流电容电压的平衡控制。NLM只提供了需要开通或关断的功率模块数目，但不提供需要开通或T1来构成所期望施加的半桥T1来构成所期望施加的半的跳变、导致个别功率模块电压过高或者过低，从而影响功率模块。因此需要正常和过电流现象。启动控制的目标是通过控制方式和辅助措施使柔性直流系统的直流电压快速上升到接近正常工作时的电压，但又不能产生过大的充电电流和电压过冲现象。通常在中低压应用领域可考虑采用辅助充电电源的它励启动方式来实现，即选取与功率模块额定电压大致相当的直流电压源，将其跨接于换流器直流侧正负极然这种方式在柔性直流输电系统中既不现实也不经济。一种可行的方案是启动时在充电回路中串接启动电阻，通过交流侧系统电压对直流电容充电，启动结束时切除启动电阻以减少损耗。6当柔性直流输电系统的直流线路断开，仅作为单站运行时，其起动策略各 站柔性直流输电系统起动与普通两端直流工程起动无大的差别。首先设定一站控制范工程和常规直流输电一样，首先使得处于直流电压控制的逆变站先建立直流电压，其余各站可分别控制有功功率传输。紧急换流器故障区（包括正极和负极交流故障保护为了保护换流阀的安全，首先应保证流过换流站的电流尽可能在其电流限制值之C充放电的平衡性。故障期间保证可靠的对称电流，对减小谐波、短路过电流和保110kV交流系统为中性点接地系统。根据电力系统运行经验，90%以上交流故障为交流系统故障后，MMC-HVDC系统传输功率受阻，输入、输出能量的不平衡会导 2-22-22-200t/00000DPgenPoutU③在检测到直流电压上升超过允许值后，测量输电系统输入功率PgenDPgenPoutU2-4。不同故障一、相间短路故障障端换流站输出的交流电压在调节过程中存在一定的惯性，不能迅速跟随系统电压下降，因此交流侧会发生过流。直流电压和功率模块电容电压上。若故障端为功率受端，非故障端系统不断向MMC-HVDC系统内注入能量，导致直流电压持续上升；与此相对，若故障端为功率送压一旦不能维持在设定值，将会影响非故障端的工作特性，故障从一端换流站到另压和功率模块电容电压的异常；⑥直流系统电压的异常会导致故障的。②桥臂过流会过流保护动作，闭锁故障换流器二、单相接地故障00图故障特征：运整个MMC-HVDC系统，拉开交流断路器，进行检修。直流故障保护永久性故障，因此保护方法可以按照永久性的线单极对地短路故障处理。器将通过逐步调整有功电流使直流电压恢复到Vd，这个过程可能引起直流线路电流振极电压一直为0，非故障极电压一直为+Vd（或-Vd。②非故障极电压逐渐变为+Vd（或-Vd 比，双极短路故障发生的概率虽然较小，但是故障要严重得多。针对双极短路故障，需要断开交流断路器，换流器进入彻底停运状态。待故障彻底排除后，经过人工启动重新投入MMC‐HVDC系统，恢复供电的过程比较慢。换流阀故障保效为功率模块的交流端口短路故障。其故障点对应图3-1中的6。身具备失效短路模式或者并联有旁路开关。针对功率模块故障的保护方法的设计目标直流平衡控制策略，实现从全功率模块运行模式到（x）运行模式的平滑过渡，其中x为故障功率模块的数目。一般地，x<x≥4时，应当停运。率模块数目变为（N-1），而同相非故障桥臂的功率模块数目仍为N。容电压上升为Vdc/（N-。点见图3-1中的7。A相上桥臂开路故障为例进行分析。开路故障发生后，A相交流电网电流全部转AAA相下桥臂电流A相交流电网电流。同时，A相下桥臂也丧失了向直流侧传递功率的能力，而交流A相下桥臂发出（或吸收）有功功率，桥臂的输入、输出功率的不均衡A相上桥臂开路后，直流线路电流为B、C相上桥臂电流之和，因此的交故障将引起所有的快速闭锁。多端柔性直流输电保护控制的换流站，另外它还采用定无功功率控制；换流站2和换流站3为整流站，采用定三端一、交流电网不对称故障流站MMC1的控制能力时，直流电压将会持续升高，各器件的绝缘。③直流电压若不稳定，会影响到风场侧换流站MMC2和MMC3的性能，故障通MMC1侧，也不需要保护动作，只需要设计专门的控制二、直流线路双极短路故障2点。由于直流电网采用并联组网方式，因此每条相连的路器来快速故障线路，则需要在每条直流线路两端都安装直流断路器。检测到和检修，故障后非故障线路仍可以正常运行。三、风电场交流线路短路故障故障特征与交流电网短路故障十分类似。区别在于，由直流电压控制换流站MMC1未发生故障，MMC3传输有功功率的下降并不会引起直流电压的不稳定，因MMC2。因此，针对此种故障的控制策略只需3.4.2-2风电机组的数PmR2V3CP/2 空气密度，V为风速。风电机组从风中捕获风能转化的机械转矩Tm为[4][5]TmR2V3CP/式中r为风力机角速度，对于给定风速，异步发电机的电磁转矩Te为 R2UN

pTe

2f1[(R1

R2)2(X1X2)2 异步发电机的电磁功率为

Pe

m1 R2

2fp2f1[(R1 )2(X1X2)2 X1X2R1与X1X2 m1pUN

2f1m1pUNe 22f12

Jdr(Tm m1pUN2 m1pUN PNPe

22

(1 器交流侧输出电压控制为UN不变时，由式（7）PN值不变时同步转速n1将相PN，实时调整输送功率大小并与风控制由它将得到受端内环q轴参考电流。受端定直流电压控制器得到内环d轴参考电流。仿真基于上述柔性直流输电系统的暂态数学模型与控制原理，用电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC对二极管箝位型三电平电压源换流器两端柔性直流输电系统进行仿真。送端风电场由40台定速笼型感应风力发电机组成，平均风速时每台风机输出功率为1.5MW60MW20s100MVA，平均风速为15