MMC-HVDC及相连弱交流系统的黑启动策略研究文献综述

 2023-08-10 16:05:33
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文献综述（或调研报告）：

1.引言

1.1发展背景

输电技术的发展经历了从直流到交流，再到交直流共存的技术演变。随着电为电子技术的进步，直流输电作为新一代输电技术，可有效解决当前交流输电技术面临的诸多问题，为输电方式变革和构建未来电网提供了一个崭新的解决方案直流输电系统[1]。柔性直流输电技术（VSC-HVDC）是近来发展出的直流输电技术，是当今用于新能源并网和直流电网的极具发展前景的输电方式，会成为构建未来智能化输电网络核心之一[2]。模块化多电平换流器(MMC)采用子模块级联形式，避免大量电力电子器件之间串联，具有开关频率低、运行损耗小、波形质量高、扩展性能好以及故障处理能力强等优势，使MMC成为VSC-HVDC工程的首选拓扑[3]。风能是一种十分有潜力的新能源，目前风电场一年提供的能量约为全世界每年燃煤获得能量的３倍。风力发电建设工期短、造价低，不需要耗费大量煤、石油或核材料等一些化石能源，除了常规维护保养外，没有任何其他消耗，风是洁净的自然能源，风力发电可以解决传统发电厂的环境污染问题。风力发电系统是由风力机、发电机、控制系统和变换器等电力电子装置组成的。直接发出的高频电能不稳定，不能直接接入电网中，需要经过变频器、滤波器环节整流、逆变、滤波，从而得到良好电能质量的交流电才可被电网接收，MMC-HVDC恰巧是风电接入电网的良好的应用装置[10]。

1.2应用实例

对MMC 的拓扑结构、数学模型、控制策略、损耗计算、故障保护等方面已经有比较充分的研究。目前，国际和国内已经有许多 MMC-HVDC 工程。凭借其广阔的应用领域，MMC-HVDC 在未来电力系统的构成中将成为不可或缺的组成部分。工程如表1所示。这些工程无不显示了MMC-HVDC在与弱交流系统连接方面的潜力。

表1 MMC-HVDC 工程的应用实例

工程名称

投运时间

容量

（MVA）

直流电压

（kV）

建设目的

BorWin2

2013

800

plusmn;300

风电并网

BorWin2

2013

800

plusmn;300

风电并网

SylWinl

2014

864

plusmn;320

风电并网

HelWinl

2015

690

plusmn;320

风电并网

上海南汇风电场柔直工程

2010

20

plusmn;30

风电并网

南澳多端柔直工程

2013

200

plusmn;160

风电并网

美国大西洋风电

2019

3000

plusmn;320

风电并网

2.MMC-HVDC工作原理与启动策略

  1. MMC拓扑结构

MMC拓扑构相同的子模块为基本功率单元，子模块的结构主要有半桥型、全桥型和错位双子模块型三种，Ｈ相六桥臂均由模块级联方式构成，这种结构设计巧妙地消除了两电平换流器器件串联均压、要求所有器件同时导通等的技术瓶颈，显著降低了换流器的制造难度。MMC每相由上下两个桥臂共 2n个子模块SM构成，每个桥臂由ｎ个子模块和一个桥臂电抗Ｌ串联而成。其子模块由一个IGBT半桥和一个直流储能电容构成直流电压是由换流器上桥臂和下桥臂的电压相加而得到的。为了保持直流电压的稳定，就必须保证每个相单元投入的子模块个数相等。通过调整上桥臂和下桥臂电压的幅值和相角，就可得到所期望的多电平电压输出[5]。

  1. 阀级控制原理

MMC-HVDC 采用分层控制以提高运行可靠性、可用率和安全性，由上至下依次为系统控制层、极控制层和阀组控制层。极控制层传送调制比 M 及移相角 delta; 指令至 MMC-HVDC 控制系统的最底层控制层——阀组控制层，阀组控制层包含相间环流抑制、调制以及电容电压平衡控制等环节 [28]。

2.2.1 MMC调制策略

MMC调制策略是多电平换流器实现传输功率的重要环节，其调制效果直接影响输出电压谐波特性与换流器损耗。MMC-HVDC 为提高直流电压通常采用上百个子模块级联方式，电平数巨大，基于阶梯波调制可获得优良输出特性，并大幅削弱谐波含量。空间矢量调制和最近电平逼近调制（Nearest Level Modulation，NLM），基本思想是各个控制时刻使用最接近电压矢量或最接近瞬时电平逼近调制正弦波，适用于多电平应用场合[31]。

2.2.2相间环流抑制

MMC 三相桥臂在直流侧并联，稳态运行时各桥臂直流电压严格一致。然而，分布式 MMC 电容使各相能量分配不均衡，引起了电容电压波动与不均衡，造成各桥臂间电压不均衡，使相间产生内部环流，桥臂电流波形畸变，器件额定电流提高。

常用的环流抑制策略抑制有硬件方法和软件方法。硬件方法一般通过增大桥臂电抗进行环流抑制。软件方法有基于二倍频负序坐标变换的方法、通用环流抑制方法、谐振控制方法、重复控制方法。

2.2.3电容电压均压策略

桥臂各子模块不同投入时刻、不同桥臂电流、不同电容损耗以及电容值偏差等因素，都会引起子模块电容电压不平衡，导致直流电压不稳定，并产生两倍频负序相间环流。因此，站级控制器必须具有实现换流器子模块均压功能，并选择能以合理开关频率实现的控制策略，为并联在直流侧的结构相同的三相单元提供稳恒直流电压，保证 MMC-HVDC 换流器正常运行[31]。

  1. 站级控制原理

MMC与传统的两电平VSC的一个显著区别是：MMC系统每个桥臂由若干个结构相同的子模块与一个桥臂电抗器Ｌ串联构成。因而在系统建模时，桥臂电抗也应考虑在内。考虑桥臂电抗时，MMC系统直流侧与交流侧电压、电流之间的关系如下：

MMC-HVDC系统在三相静止坐标系下的数学模型，其进一步简化等效电路图如图2所示。只要合理控制上、下桥臂输出电压，就能在交流侧输出符合正弦规律的多电平波形。基于MMC换流站的站级控制仍可采用传统VSC所用的解耦控制方法。

假设MMC交流等效出口P点的三相电压基波分量为elsquo;abc

Ｍi为ＭＭＣ的调制度，delta;为Ｐ点与Ｖ点基波电压相位差，也即ＭＭＣ的移相角，对其进行park变换得：

根据瞬时有功、无功功率的定义可知，此处将ｄ轴电网电压向量定位，可得ed=Us,eq=0,在dq旋转坐标系下MMC向交流系统输出的瞬时有功功率ps和无功功率qs，为：

可看出，采用上述等量Park变换后，MMC的有功与无功功率实现了独立解耦控制。

2.3.1内环控制

内环电流控制通过调节MMC交流侧输出电压的参考值Ｍdref、Ｍqref，可使Ｈ相交流电流的直轴、交轴分量Id、Iq跟踪外环控制器输出电流参考值Idref、Iqref。如图3所示。

2.3.2外环控制

内环电流控制器的输入量是直轴和交轴电流参考值Idref、Iqref，及直流和交轴电流Iｄ、Iｑ。其中直轴、交轴电流参考值由外环控制器根据不同的有功、无功控制目标计算提供。ＭＭＣ－ＭＴＤＣ直轴电流参考值Idref由有功功率类控制得到，交轴电流参考值Iqref由无功功率类控制得到。常见的有功功率类控制主要有定直流电压控制和定有功功率控制；无功功率类控制主要有定无功功率控制和定交流电压控制。如图4所示。

  1. 系统级控制原理

在两端基础上发展而来的多端柔性直流输电系统，含有多个整流站或多个逆变站，能够实现多电源供电和多落点受电，且可采用不同拓扑结构形成直流网络，极大地提高了直流输电系统的操作灵活性和系统可靠性，同时也利于大规模直流电网的后期扩展。MMC-HVDC 的拓扑结构与系统控制策略和运行特性密切相关。多端柔性直流系统采用不同的拓扑结构，其运行可靠性、经济性和控制灵活性有较大差别，同时需要有合适的系统控制策略配合[2]。

a）主从控制将某一换流站作为主导站，采用定直流电压控制并平衡系统有功，其他换流站采用定有功功率控制。一旦主导站功率越限或退出运行，系统将不能继续维持直流电压稳定。虽然主从控制结构简单，但依赖上层控制，对实时精确通讯有较高要求，系统运行可靠性较低。

b）直流电压裕度控制是对主从控制的一种扩展，它无需站间通信，当主导站失去稳定直流电压能力后，备用换流站检测出系统直流电压偏差大于设定值，则该站从定功率控制自动转换为定直流电压控制，继续维持系统直流电压稳定。电压裕度控制避免了单一换流站

承担系统不平衡功率，但同一时刻仍只有单个换流站参与功率调节，系统动态响应速度慢，而且引入直流电压优先级后，直流电压偏差裕度过小易引起系统失稳，过大又使得系统后期的扩展更为困难。

c）直流电压下垂控制策略下，由几个换流站共同调节系统不平衡功率，系统动态响应速度快，运行可靠性高，但不能精确控制换流站有功输出，且有功功率输出的改变所引起的系统直流电压的波动较大，直流电压控制刚性较差。

d）通过多种控制组合而成的多种多样的组合控制，系统控制的 2 个核心问题是直流电压稳定控制和换流站间功率的合理分配。改进的组合协调控制策略能保证系统在不同工况下继续维持直流电压稳定；在此基础上，通过不同方法调节换流站下垂系数，从而调整换流站间功率的分配，以保证MMC-HVDC系统更加可靠、经济运行。

3弱交流系统黑启动

3.1 MMC启动策略

3.1.1交流侧预充电启动方式

换流站采用交流侧预充电启动方式，其过程可分为 2 个阶段：不控充电阶段和可控充电阶段。 在换流阀启动之前，各子模块电压为零，所有IGBT都处于关断状态，由于IGBT缺少触发所需能量不能开通，换流阀无法解锁。此时交流系统只能通过二极管通路对子模块的电容器进行充电。在充电过程中，电容电压有 2 种状态，即“充电状态”和“保持状态”。在不控充电阶段，电容电压的最大值与其额定电压之间的关系为：

式中，Uc0,max为电容电压在不控充电阶段的最大值；Uc0,rat为电容电压的额定值； k 为电压调制比；Um为交流侧相电压幅值；Udc为直流电压。通常，电压调制比 k 取 0.8~0.95，这说明模块电容最多只能充电到额定电压的 69%~82%。由于不控充电阶段不能将电容电压充至额定值，所以需要采用控制策略对模块电容电压进行可控充电，直到充电到额定水平，此阶段称为可控充电阶段。这时，利用控制器和系统固有的电容电压增长特性同时对所有模块进行充电。与传统两电平换流器启动方式类似，控制器采用双闭环矢量解耦控制结构，并需要合理选取限幅环节参考值，利用直流电压控制器结合调制均衡策略继续充电任务，直至电容电压到达额定水平。

可控充电阶段具体流程如下，电压控制采用斜率控制方式。在电容电压均衡策略的作用下，周期性地改变子模块的投切状态，对子模块进行充电，使各模块间电容能量能够保持相对均衡并稳步上升，直到所有子模块电容电压达到预定值为止。由于电容的充电功率表现为有功功率，故无功功率控制器参考值可设定为零或者直接将内环 q 轴电流设定为零，以减少充电电流的无功分量和能量损失[4-9]。

3.1.2直流侧预充电启动方式

这种启动方式适用于 MMC 换流站连接于无源孤岛，或者MMC 作为弱受端电网黑启动电源的情况。这种直流启动方式又称为远端启动方式。直流侧预充电启动方式也可以分为 2 个阶段：不控充电阶段和有序解锁阶段。

直流侧启动的不控充电过程与交流侧启动的不控充电过程一致，不同点在于前者模块电容的电压值仅为后者的一半。为了稳步提升电容电压，需要进入有序解锁阶段。

有序解锁阶段步骤如下：

a）对每一桥臂的子模块按子模块电压大小进行排序。

b）当直流电压稳定后，对上桥臂，旁通电压最高的 m(m 为上一步旁通的子模块数，下同)个子模块；对下桥臂，旁通电压最高的 m 个子模块。闭锁其余的子模块，通过直流线路继续对子模块进行充电。

c）当直流电压稳定后，对上桥臂，旁通电压最高的 m 1 个子模块；对下桥臂，旁通电压最高的m 1 个子模块。闭锁其余的子模块，通过直流线路继续对子模块进行充电。

d）若上下桥臂旁通的子模块数均等于桥臂子模块总数的一半，即 N/2，则解锁该换流站控制器，稳步进入正常运行模式；否则重复步骤a）、b）、c）、d）。

3.2交流系统强弱对黑启动方式选择的影响

在充电电流达到最大值 Imax时，交流系统出口处 CC′点电压达到最低值，其值为：

式中Zs=R jomega;L 为系统等效阻抗。 此时，交流系统电压跌落比为：

这意味着交流系统电压跌落比与系统的强弱有关。 随着短路比 SCR 的增大，交流系统电压跌落比逐渐减小。即在 MMC-MTDC 启动时，交流系统越强，电压跌落越小，此系统连接的换流站越适合交流侧预充电启动。在电力系统实际运行中，电压跌落太大容易造成系统的不稳定等一系列问题。正常运行情况下电压标幺值的波动范围为 0.95~1.05，考虑一定的裕度，若以 0.9 作为交流电压跌落后的下限，当短路比 SCRgt;3.5 时，此系统连接的换流站适合交流侧预充电启动；否则，应采用直流侧预充电启动[5]。

3.3黑启动条件下的直流启动模式

直流的启动模式包括：全压启动，70%降压启动，80%降压启动，功率异向传输模式通过仿真比较了在全压启动、0.7p.u.降压启动、0.8p.u.降压启动和功率异向传输模式四种启动方式下系统频率和电压的偏移量，认为直流系统采用单极 0.7p.u.启动方式对交流系统的冲击最小[23]。直流最小功率取决于启动时直流电压和最小直流电流的选择，降低直流电压一方面可以降低直流最小功率，但同时使直流电流纹波增加，反而使直流最小连续电流增加，增大直流最小功率。综合考虑全压或降压方式后认为最小启动功率为 70~80 MW[20]。

直流参与黑启动宜采用逆变侧定电压的控制模式。 进一步分析发现整流侧定功率的控制模式不能增加其他辅助控制措施如频率控制等，不利于后续控制。 因此直流参与黑启动时选取整流侧定电流、逆变侧定电压的控制模式[21-24]。

4弱交流系统通过MMC-HVDC装置黑启动

4.1风电系统

4.1.1风电机功率转速控制

在风力发电系统中，首先考虑的是风能转化为机械能的过程，其中最重要的模块就是风力机。风力机按功率调节方式可以分为定桨距型和变桨距型。定桨距型风力机的控制系统结构比较简单，制造成本低，可靠性高；而变桨距型风力机的功率曲线在额定点后相对平稳，更有利于系统的稳定，一般情况下，变桨距要比定桨距更具灵活性和优越性。风能转换公式为

式中，为空气密度（kg／ｍ3），r为风机叶片半径（ｍ），ｖ为叶尖来风速度（m／s），风能转换效率，风能转换效率的高低与叶片和桨距都有关，通常用下式表示

式中，为桨距角，为叶尖速比，叶尖速比和风力机轮毂的转速、叶片的半径r成正比，与风速v成反比。在风速一定时，风力机将输出最佳转速，从而保证输出的功率最大。除此之外，无论转速变小或变大，风力机的输出功率均会降低[32]。

4.1.2风电网通过MMC黑启动

MMC由于桥臂子模块数众多，一般采用由交流系统提供充电能量的自励式启动。当应用于风电并网时，MMC先于风电场启动，故风电场不能为其提供启动电源，相当于此时的模块化多电平柔性直流系统工作于一端有源一端无源的工况下，需要重新设计启动控制策略以满足运行要求。

DFIG风电场的启动控制是其稳态并网运行的基础。当MMC如上节所述启动完毕后，即可进入DFIG风电场启动及并网阶段其启动控制包括以下３个步骤：

a）闭合断路器QF4,启动网侧变换器,通过MMC从交流系统吸收有功功率以建立直流电

容电压。

b）闭合断路器QF5，启动转子侧变换器，使得定子绕组输出电压跟踪系统电压Ｕs。

c）待定子电压与系统电压同步后，闭合定子绕组断路器QF3，实现DFIG风电场并网运行。

上述启动控制的核心步骤为控制转子侧变换器的输出电压，从而在空载的定子端能够不依赖于风力机输入的机械转矩，建立一个实时跟踪并网处母线电压幅值、频率、相角的定子空载电压，进而闭合定子绕组与交流系统连接的断路器，实现最小冲击电流下DFIG风电场风力发电机平滑并网。

4.3微网系统

a)黑启动阶段，在这一阶段涉及的主要问题有黑启动机组的启动和运行特性、向空载线路和变压器充电引起的自励磁和过电压问题及变压器饱和引起的并联谐振问题等。在常规黑启动过程中由于单一电源供电‚难免会有空载长线充电‚造成机端自励磁的情况。同步发电机自励磁是无励磁发电机在过大的电容负荷下电压自发上升的现象。

b)网架恢复阶段，在这一阶段主要问题是避免发电机吸收的无功超过其进相能力和大量无功功率流过空载线路所产生的电压升高。有时还需要投入一定数量的负荷‚以吸收线路电容所产生的无功功率。此外‚还要注意恢复网架阶段的操作过电压问题。

c)负荷恢复阶段，这一阶段主要的问题是如何使系统频率和电压保持在允许范围之内而且保证线路不过负荷。在黑启动过程中‚保持系统频率和电压稳定至关重要‚每一步操作都要监测系统频率和重要节点电压水平否则极易导致黑启动失败。由于发电机组的特性对负荷恢复的速率有一定的限制因此系统频率成为了对负荷恢复限制最大的因素[33-34]。

参考文献：

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1.2应用实例

对MMC 的拓扑结构、数学模型、控制策略、损耗计算、故障保护等方面已经有比较充分的研究。目前，国际和国内已经有许多 MMC-HVDC 工程。凭借其广阔的应用领域，MMC-HVDC 在未来电力系统的构成中将成为不可或缺的组成部分。工程如表1所示。这些工程无不显示了MMC-HVDC在与弱交流系统连接方面的潜力。

表1 MMC-HVDC 工程的应用实例

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