适用于远距离大容量架空线路的LCC_MMC串联混合型直流输电系统_徐政

1 串联混合型直流输电系统拓扑结构
以单极系统为例，所述系统的基本拓扑结构如 图 1(a)所示。系统每一极均由 12 脉动 LCC 和模块 化多电平换流阀组(bank of MMCs，MMCB)串联构 成，其中 MMCB 为低端换流器组(直流侧电压较 低)，LCC 为高端换流器组(直流侧电压较高)。其中 URL、URM 和 UR 依次指整流侧 LCC、MMC 和整体
第 40 卷 第 1 期 2016 年 1 月 文章编号：1000-3673（2016）01-0055-09
电 网 技 术 Power System Technology 中图分类号：TM 72 文献标志码：A 学科代码：470·40
Vol. 40 No. 1 Jan. 2016
适用于远距离大容量架空线路的 LCC-MMC 串联混合型直流输电系统
(a) 系统拓扑结构
(b) MMCB
(c) MMC
(d) HBSM
Fig. 1
图 1 系统基本结构 Basic structure of the system
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的直流电压，UIL、UIM 和 UI 依次指逆变侧 LCC、 MMC 和整体的直流电压。 MMCB 的结构如图 1(b)所示，其由若干 MMC 并联构成， 以便克服现阶段 MMC 制造的容量限制。 为限制故障下的浪涌电流，换流站每一极出口处均 配置了平波电抗器。 如图 1(c)所示，MMC 由 6 个桥臂构成，每一 桥臂由桥臂电感和 N 个子模块(submodule module， SM)串联组成， 同一相的 2 个桥臂构成一个相单元。 子模块采用 HBSM，结构如图 1(d)所示，其由 2 个绝 缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor， IGBT)(T1、T2)、2 个二极管(D1、D2)和 1 个子模块 电容(C0)构成，USM 和 ISM 分别指子模块电压和电 流。通常，H-MMC 难以通过换流器自身动作处理 直流故障，原因在于闭锁后交流系统仍能通过反并 联二极管向故障点注入电流。本文所述的系统则可 以通过 LCC 和 MMC 的协同控制处理直流故障， 其 原理将在第 3 节介绍。
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输 电 系 统 (modular multilevel converter based HVDC，MMC-HVDC)因其可独立控制有功功率和 无功功率、不存在换相失败、开关频率低、无需交 流滤波器和可向无源系统供电等优点而愈发受到 学术界与工业界青睐 ，并已逐步具备应用在远距 离大容量输电场合的潜力。理论上，MMC-HVDC 可采用 3 种方法处理直流故障：1）配置直流断路 器；2）利用交流侧断路器；3）采用具有直流故障 穿越能力的换流器。方法 1）最为直接有效
XU Zheng1, WANG Shijia1, LI Ningcan1, XIAO Huangqing1, JIANG Wei2
(1. College of Electrical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, Zhejiang Province, China; 2. Fujian Electric Power Corporation Research Institute, Fuzhou 350007, Fujian Province, China) ABSTRACT: In this paper, a hybrid HVDC topology with line commutated converter (LCC) and modular multilevel converter (MMC) in series connection is proposed, suitable for bulk power overhead line transmission. This topoloቤተ መጻሕፍቲ ባይዱy is flexible in operation in terms of active and reactive power control, and able to withstand ac and dc faults with cooperative control of LCC and MMC. First, operation principle and mathematical model are presented. Then, strategies coping with ac faults at rectifier and inverter side are discussed respectively, preventing current cut-off under ac fault at rectifier side and maintaining part of active power if LCC commutation failure occurs under ac fault at inverter side. Feasibility dealing with dc fault is theoretically demonstrated by analyzing characteristic of MMC under block state. A detailed control strategy for dc fault is further proposed combined with a test system. Finally, effectiveness of the control strategy for ac and dc faults is verified with time-domain simulation with the test system. KEY WORDS: line commutated converter; modular 能力； 基于闭锁状态下 MMC 的输出电压特性分析， 提出了 直流故障下系统的控制策略。 通过时域仿真验证了所述交直 流故障下控制策略的有效性。 关键词：电网换相换流器；模块化多电平换流器；混合直流 输电系统；直流故障清除；架空线路；大容量输电 DOI：10.13335/j.1000-3673.pst.2016.01.008
徐政 1，王世佳 1，李宁璨 1，肖晃庆 1，江伟 2
（1．浙江大学 电气工程学院，浙江省 杭州市 310027； 2．国网福建省电力有限公司电力科学研究院，福建省 福州市 350007）
A LCC and MMC Series Hybrid HVDC Topology Suitable for Bulk Power Overhead Line Transmission
，但
其目前仍缺乏工程中的实际运行经验。方式 2）最 为经济，目前国内已投运的柔性直流输电工程均采 用该方法。然而，由于机械开关动作速度慢，系统 在直流故障下过电流严重，换流站需要采用具备较 高通流能力的功率器件；此外，机械开关动作慢将 导致系统恢复时间长，这也不利于交直流系统的暂 态稳定。方式 3）实质上是利用具有故障穿越能力 的换流器替代直流断路器，这类换流器包括基于全 桥 子 模 块 的 模 块 化 多 电 平 换 流 器 (full bridge submodule based MMC，F-MMC)[9-10]、基于箝位双 子 模 块 的 模 块 化 多 电 平 换 流 器 (clamped double submodule based MMC， C-MMC)[11-14]等。 然而相比 采用半桥子模块的模块化多电平换流器(half bridge submodule based MMC，H-MMC)，此类换流器需 要采用更多的功率器件，因而具有更高的制造成本 和运行损耗，经济性相对较差[15]。 除以上 3 种直流故障处理方法，整流侧采用 LCC、逆变侧采用 MMC 的混合拓扑结构亦能够有 效处理直流故障，例如整流侧采用 LCC、逆变侧采 用 F-MMC 的 LCC-F-MMC[16]、整流侧采用 LCC、 逆变侧采用 C-MMC 的 LCC-C-MMC[6]和整流侧采 用 LCC、 逆变侧采用 H-MMC 并在逆变侧出口装设 二极管的 LCC-Diode-MMC[17]。此类拓扑结构的主 要缺点在于，由于逆变侧 MMC 的直流电压响应速 度慢，整流侧交流故障下很可能导致直流电流断 流。此外，文献[18]曾提出一种 LCC 和 2 电平电压 源型控制器(voltage sourced converter，VSC)串联的 混合拓扑结构，然而在该拓扑中 VSC 主要被用于 动态滤波和无功补偿。 为综合 LCC 和 MMC 的优势， 同时降低制造成 本和运行损耗，本文提出了一种适用于远距离大容 量架空线路的 LCC-MMC 串联混合型直流输电系 统。 该系统换流站的正极和负极均由 LCC 和 MMC 串联构成，其中 MMC 采用半桥子模块(half bridge submodule，HBSM)。该系统具有如下 5 个主要优 点：1）能够独立控制有功功率和无功功率，具有运
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行灵活性；2）能够依靠 LCC 的强制移相和 MMC 的 闭锁清除直流故障，系统自身具有直流故障穿越能 力；3）逆变侧由于 LCC 的存在直流电压响应迅速， 整流侧交流故障下不会发生断流；4 ）逆变侧由于 MMC 的存在即使发生换相失败，系统仍能保持一定 的功率输送能力； 5） MMC 的容量问题可以通过换流 器并联加以解决，这与现有的制造能力相适应。 本文提出了该串联混合型直流输电系统稳态 和故障下运行的控制方式，在 PSCAD/EMTDC 中 搭建了所述系统并验证了其在交直流故障下控制 策略的有效性。
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引言
直流输电在我国西电东送工程中应用广泛，这
是由于相对于交流输电，直流输电在输电距离大于 600 km 时已具有明显的经济优势[1]。此类直流输电 通常具有如下 3 个特点： 1）潮流方向固定。潮流通常由能源集中区域流 向负荷集中区域，潮流反转问题通常不需要考虑。 2）系统容量通常在 GW 级。系统具有较高的 额定电压与额定电流，例如±800 kV/4 kA。 3）传输途径广泛采用架空线路。架空线路相 对于电缆故障率较高，换流器的故障穿越能力需要 着重考虑。 基于电网换相换流器的高压直流输电系统(line commutated converter based HVDC，LCC-HVDC)的 技术已经非常成熟，其已被广泛应用在远距离大容 量输电场合。 然而， LCC-HVDC 存在逆变站换相失 败、消耗大量无功以及滤波器和无功补偿设备占地 面积大等缺点[2]。我国华东和珠三角地区直流落点 密集，交流故障可能引发多回直流同时换相失败， 其进一步导致的功率缺失将对受端系统稳定性造 成严重的不利影响[3-5]。 近年来，基于模块化多电平换流器的高压直流