劉鑫磊

(國網內蒙古東部電力有限公司喀喇沁旗供電分公司  內蒙古赤峰市  024400)

摘要: 針對模塊化多電平變流器多端直流配電系統，提出了一種改進協調控制策略。該控制策略是對下垂控制改進，改進的策略避免了直流網絡在功率發生較大程度變化時出現過電壓。在此背景下，設計了基于半橋型模塊化多電平換流器(Half-bridge ModularMultilevel Converter-HBMMC)的四端柔性柔性多端直流配電系統。本文研究分析了柔性直流輸配電系統控制措施，以供參考。

關鍵詞: 多端柔性直流系統;換流站級控制器;改進下垂控制

1前言

世界上第一條多端柔性直流輸電工程于2013年底在廣東省汕頭市某縣投入運行(簡稱某多端柔性直流輸電系統)，系統通過110kV塑山換線、110kV金換線，110kV青金T換線接入到油頭市110kV交流電網中。目前110kV交流線路的保護是按照遠后備的原則配置(單重化)和整定，因此，就涉及交流線路保護與柔性直流輸電系統的直流保護在一些定值方面的配合問題。目前針對柔性直流輸電系統保護方面的研究大多數集中在提高保護原理的有效性方面，如直流保護的動作原理與策略、交直流系統的相互作用對直流保護的影響等。而交直流保護的配合整定則研究很少，則有必要對交、直流保護的配合整定計算展開深入研究。

2某多端柔性直流輸電系統的交、直流保護配合

2.1交流側故障時交、直流保護的配合

1)受端換流站110kV交流線路故障

以某柔性直流輸電系統為例，若110kV塑換線故障，故障位置K1。則由110kV塑換線的線路保護感受故障動作跳閘隔離故障，同時因110kV塑換線是受端換流站功率輸送的唯一通道，因功率無法繼續送出，直流系統會因過壓閉鎖，故需閉鎖換流器，停運換流站。若跟110kV塑換線同掛一條110kV母線的其他110kV線路故障。柔性直流輸電系統具有很強的故障穿越能力，其可以等待至交流系統故障清除。對于故障位置的兩相和三相故障，如果交流故障不能快速清除，直流系統為保護自身將閉鎖。對于三相金屬性或兩相金屬性接地故障，直流系統的故障穿越能力有限，主要的限制因素為換流器的過電壓耐受能力110kV線路保護為單重化配置，出于可靠切除故障、保障設備安全角度，如果110kV線路保護未能及時切除故障，直流保護的橋臂過流保護Ⅱ段可作為110kV線路保護的遠后備保護，定值按照換流器的額定橋臂電流的1.3倍整定，時限應大于110V交流線路保護的最長動作時間長。

2.2直流側故障時交、直流保護的配合

若換流站發生故障，以塑城換流站為例，直流保護的動作速度很快，主保護的動作時間通常小于15ms，因此交流保護僅作為直流側嚴重故障(如相間短路、直流極間短路)時直流保護的后備保護166kV聯接變壓器的過流保護應考慮作為直流保護中閥過流保護或啟動回路差動保護的后備保護。其中過流保護的低定值段應躲開直流系統的短時過負荷;而高定值段則應在變壓器二次側發生相間或三相短路時可靠動作，動作延時在變壓器的耐受能力范圍內可適當取大一些。對于聯接變進線的阻抗保護，其保護范圍應考慮延伸至變壓器二次側。其動作時間應考慮與變壓器過流保護的高定值段配合。

2.3柔性直流輸電工程對交流線路保護的影響

目前110kV交流線路保護功能主要有光纖電流差動保護、接地距離保護、相間距離保護、零序電流保護和PT斷線過流保護。本文將分析柔性直流工程對交流線路保護的影響。

1)光纖電流差動保護。

光纖電流差動保護是高靈敏度的保護，目前光纖電流差動的高值整定為600A，低值為480A;零序差動的定值不大于480A。當在交流線路上發生故障時，根據直流工程負荷的大小和方向的不同，交流線路兩端的差流有較大的變化，且在金屬性接地時其差值遠大于整定值，因此柔性直流工程不影響交流線路差動保護。

2)接地距離和相間距離保護。

本工程聯接變壓器的容量較大，阻抗較小，因此在整定距離保護Ⅱ段的時候應按照躲相鄰變壓器其他側故障整定。距離保護I段按照保線路全長85%整定;距離保護Ⅲ段按照保相鄰變壓器其他側故障有靈敏度整定。

3)零序電流保護。

某柔性直流輸電系統因聯接變接線方式，不增加電網的零序回路，因此對110kV線路保護的零序保護無影響。

3 MMC-MTDC系統控制設計

控制系統是柔性多端直流配電系統的核心組成部分，直接關系柔性多端直流配電系統運行的性能、安全、效益。相比于兩端柔性直流系統，MMC-MTDC的協調控制策略更為復雜，需要考慮多端系統之間的直流電壓協調穩定。本文以4端柔性直流配電系統為例。

3.1 MMC-MTDC換流器閥組調制策略

MMC-MTDC換流器閥組調制策略為了選用合適的調制方式生成MMC子模塊SM的觸發脈沖，使得換流器的輸出波形逼近參考波形。為了滿足在高壓大功率領域的需求，使用最近電平控制(NLC策略，該策略的優點是隨著電平數目增加，可以有效減少電力電子器件的開關頻率和損耗，并且MMC的輸出諧波少且動態響應快。最近電平控制策略基本原理是使用最接近的電平瞬時地逼近參考調制波。模塊化多電平換流器的調制策略最終結果是給出上、下的導通子模塊數目。

3.2 MMC-MTDC換流站控制策略

柔性多端直流配電系統中MMC和MMC采用下垂控制，它的功率可在倆個換流器間自動分配。采用下垂方式的柔性多端直流配電系統中同樣有內環電流控制器、外環控制器、鎖相同步環節和觸發脈沖生成四個部分構成。所不同在于外環控制器，采用下垂控制，根據根據其有功瞬時值和直流電壓變化來改變最大功率裕度，從而調節下垂系數 kDrop，有利于多個MMC換流站并聯運行，增加系統穩定性。采用下垂控制策略時，出現負荷擾動，倆個MMC換流站都可參與功率平衡控制系統運行平穩，難以出現越限情況。

3.3改進協調控制策略

當系統功率產生較大范圍波動時，傳統電壓下垂控制響應速度較慢，采用電壓下垂控制容易導致短時過電壓出現，本節針對該問題提出一種改進方法，旨在系統出現功率波動較大，引起直流母線出現過電壓的情況下，能夠降低甚至消除過電壓的出現，更加快速平緩地過渡至新的運行電壓水平，并維持在設定的穩定范圍內，更有利于直流配電網的電壓穩定。其基本思想是在傳統電壓下垂控制的基礎上通過增加一個直流電壓參考比較環節，與直流電壓進行比較，并參與功率調節，來消除過電壓以及維持直流電壓值。若當前直流電壓在設定范圍內時，改進方法與傳統電壓下垂控制方法效果相同;當直流電壓超出設定范圍時，則新增的比較環節參與功率調節，來增加或者減少換流器功率傳輸。改進策略實質是監測直流母線電壓值，與設定值比較，當符合動作條件時，通過參與功率調節，間接改變電壓下垂比例系數，從而更好的控制直流電壓，消除系統過電壓。

3.4 MMC-MTDC換流站控制策略MMC的內部環流是由于各橋臂的上、下橋臂電壓不均引起的，它的出現不利于系統的穩定運行。

4結束語

柔性直流輸電技術越來越成熟，柔性直流輸電工程也越來越多的接入到實際的交流電網中，交直流保護的配合成為日益關注和研究的內容。

參考文獻

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