浅谈柔性直流输配电系统控制措施

刘鑫磊

(国网内蒙古东部电力有限公司喀喇沁旗供电分公司  内蒙古赤峰市  024400)

摘要: 针对模块化多电平变流器多端直流配电系统，提出了一种改进协调控制策略。该控制策略是对下垂控制改进，改进的策略避免了直流网络在功率发生较大程度变化时出现过电压。在此背景下，设计了基于半桥型模块化多电平换流器(Half-bridge ModularMultilevel Converter-HBMMC)的四端柔性柔性多端直流配电系统。本文研究分析了柔性直流输配电系统控制措施，以供参考。

关键词: 多端柔性直流系统;换流站级控制器;改进下垂控制

1前言

世界上第一条多端柔性直流输电工程于2013年底在广东省汕头市某县投入运行(简称某多端柔性直流输电系统)，系统通过110kV塑山换线、110kV金换线，110kV青金T换线接入到油头市110kV交流电网中。目前110kV交流线路的保护是按照远后备的原则配置(单重化)和整定，因此，就涉及交流线路保护与柔性直流输电系统的直流保护在一些定值方面的配合问题。目前针对柔性直流输电系统保护方面的研究大多数集中在提高保护原理的有效性方面，如直流保护的动作原理与策略、交直流系统的相互作用对直流保护的影响等。而交直流保护的配合整定则研究很少，则有必要对交、直流保护的配合整定计算展开深入研究。

2某多端柔性直流输电系统的交、直流保护配合

2.1交流侧故障时交、直流保护的配合

1)受端换流站110kV交流线路故障

以某柔性直流输电系统为例，若110kV塑换线故障，故障位置K1。则由110kV塑换线的线路保护感受故障动作跳闸隔离故障，同时因110kV塑换线是受端换流站功率输送的唯一通道，因功率无法继续送出，直流系统会因过压闭锁，故需闭锁换流器，停运换流站。若跟110kV塑换线同挂一条110kV母线的其他110kV线路故障。柔性直流输电系统具有很强的故障穿越能力，其可以等待至交流系统故障清除。对于故障位置的两相和三相故障，如果交流故障不能快速清除，直流系统为保护自身将闭锁。对于三相金属性或两相金属性接地故障，直流系统的故障穿越能力有限，主要的限制因素为换流器的过电压耐受能力110kV线路保护为单重化配置，出于可靠切除故障、保障设备安全角度，如果110kV线路保护未能及时切除故障，直流保护的桥臂过流保护Ⅱ段可作为110kV线路保护的远后备保护，定值按照换流器的额定桥臂电流的1.3倍整定，时限应大于110V交流线路保护的最长动作时间长。

2.2直流侧故障时交、直流保护的配合

若换流站发生故障，以塑城换流站为例，直流保护的动作速度很快，主保护的动作时间通常小于15ms，因此交流保护仅作为直流侧严重故障(如相间短路、直流极间短路)时直流保护的后备保护166kV联接变压器的过流保护应考虑作为直流保护中阀过流保护或启动回路差动保护的后备保护。其中过流保护的低定值段应躲开直流系统的短时过负荷;而高定值段则应在变压器二次侧发生相间或三相短路时可靠动作，动作延时在变压器的耐受能力范围内可适当取大一些。对于联接变进线的阻抗保护，其保护范围应考虑延伸至变压器二次侧。其动作时间应考虑与变压器过流保护的高定值段配合。

2.3柔性直流输电工程对交流线路保护的影响

目前110kV交流线路保护功能主要有光纤电流差动保护、接地距离保护、相间距离保护、零序电流保护和PT断线过流保护。本文将分析柔性直流工程对交流线路保护的影响。

1)光纤电流差动保护。

光纤电流差动保护是高灵敏度的保护，目前光纤电流差动的高值整定为600A，低值为480A;零序差动的定值不大于480A。当在交流线路上发生故障时，根据直流工程负荷的大小和方向的不同，交流线路两端的差流有较大的变化，且在金属性接地时其差值远大于整定值，因此柔性直流工程不影响交流线路差动保护。

2)接地距离和相间距离保护。

本工程联接变压器的容量较大，阻抗较小，因此在整定距离保护Ⅱ段的时候应按照躲相邻变压器其他侧故障整定。距离保护I段按照保线路全长85%整定;距离保护Ⅲ段按照保相邻变压器其他侧故障有灵敏度整定。

3)零序电流保护。

某柔性直流输电系统因联接变接线方式，不增加电网的零序回路，因此对110kV线路保护的零序保护无影响。

3 MMC-MTDC系统控制设计

控制系统是柔性多端直流配电系统的核心组成部分，直接关系柔性多端直流配电系统运行的性能、安全、效益。相比于两端柔性直流系统，MMC-MTDC的协调控制策略更为复杂，需要考虑多端系统之间的直流电压协调稳定。本文以4端柔性直流配电系统为例。

3.1 MMC-MTDC换流器阀组调制策略

MMC-MTDC换流器阀组调制策略为了选用合适的调制方式生成MMC子模块SM的触发脉冲，使得换流器的输出波形逼近参考波形。为了满足在高压大功率领域的需求，使用最近电平控制(NLC策略，该策略的优点是随着电平数目增加，可以有效减少电力电子器件的开关频率和损耗，并且MMC的输出谐波少且动态响应快。最近电平控制策略基本原理是使用最接近的电平瞬时地逼近参考调制波。模块化多电平换流器的调制策略最终结果是给出上、下的导通子模块数目。

3.2 MMC-MTDC换流站控制策略

柔性多端直流配电系统中MMC和MMC采用下垂控制，它的功率可在俩个换流器间自动分配。采用下垂方式的柔性多端直流配电系统中同样有内环电流控制器、外环控制器、锁相同步环节和触发脉冲生成四个部分构成。所不同在于外环控制器，采用下垂控制，根据根据其有功瞬时值和直流电压变化来改变最大功率裕度，从而调节下垂系数 kDrop，有利于多个MMC换流站并联运行，增加系统稳定性。采用下垂控制策略时，出现负荷扰动，俩个MMC换流站都可参与功率平衡控制系统运行平稳，难以出现越限情况。

3.3改进协调控制策略

当系统功率产生较大范围波动时，传统电压下垂控制响应速度较慢，采用电压下垂控制容易导致短时过电压出现，本节针对该问题提出一种改进方法，旨在系统出现功率波动较大，引起直流母线出现过电压的情况下，能够降低甚至消除过电压的出现，更加快速平缓地过渡至新的运行电压水平，并维持在设定的稳定范围内，更有利于直流配电网的电压稳定。其基本思想是在传统电压下垂控制的基础上通过增加一个直流电压参考比较环节，与直流电压进行比较，并参与功率调节，来消除过电压以及维持直流电压值。若当前直流电压在设定范围内时，改进方法与传统电压下垂控制方法效果相同;当直流电压超出设定范围时，则新增的比较环节参与功率调节，来增加或者减少换流器功率传输。改进策略实质是监测直流母线电压值，与设定值比较，当符合动作条件时，通过参与功率调节，间接改变电压下垂比例系数，从而更好的控制直流电压，消除系统过电压。

3.4 MMC-MTDC换流站控制策略MMC的内部环流是由于各桥臂的上、下桥臂电压不均引起的，它的出现不利于系统的稳定运行。

4结束语

柔性直流输电技术越来越成熟，柔性直流输电工程也越来越多的接入到实际的交流电网中，交直流保护的配合成为日益关注和研究的内容。

参考文献

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