PDF《含风电的真双极混合型 MMC-MTDC 系统故障 穿越及能量耗...》

第47 卷第7期电力系统保护与控制 Vol.

47 No.7

2019 年4月1日Power System Protection and Control Apr. 1,

2019 DOI: 10.7667/PSPC180511 含风电的真双极混合型 MMC-MTDC 系统故障 穿越及能量耗散控制 曹帅1,向 往1,林卫星

2 ,文劲宇

1 (1.强电磁工程与新技术国家重点实验室(华中科技大学电气与电子工程学院),湖北 武汉 430074;

2.特变电工新疆新能源股份有限公司,新疆 乌鲁木齐 830011) 摘要:为解决柔性直流电网的故障问题,采用混合型模块化多电平换流器搭建双极四端直流电网.设计了单极 换流器故障及直流线路故障无闭锁运行策略. 系统无闭锁运行期间并网点交流电压稳定, 风机可维持正常运行. 考虑到故障期间风机持续并网输出功率,根据风电场出力设计了耗散电阻自适应分级投入策略,通过与风机内 部的斩波电阻的配合,耗散掉多余的能量.最后,通过 PSCAD/EMTDC 的多组仿真,验证了混合型柔性直流 电网的故障无闭锁运行及能量耗散的有效性. 关键词:混合型 MMC;

真双极 MTDC 风电并网;

换流器退出运行;

直流故障穿越;

分级能量耗散 Fault ride-through and energy dissipation control of bipolar hybrid MMC-MTDC integrating wind farms CAO Shuai1 , XIANG Wang1 , LIN Weixing2 , WEN Jinyu1 (1. State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology, Hubei Electric Power Security and High Efficiency Key Laboratory (School of Electrical and Electronic Engineering, Huazhong University of Science and Technology), Wuhan 430074, China;

2. TBEA SunOasis Co., Ltd, Urumchi 830011, China) Abstract: To solve the faults in high-voltage direct current grid (HVDC grid), hybrid Modular Multilevel Converter (MMC) is adopted to set up a bipolar four-terminal DC grid. The MMC non-blocking operation strategies of unipolar converter fault and DC line fault are designed. During the fault operation, the AC voltage at the grid-connection point is stable and the wind turbine can maintain normal operation. Considering the continuous output wind power in the fault period, an adaptive step-by-step control strategy of dissipative resistance is designed, taking the output wind power as criteria. The excess energy is dissipated by cooperating with the dissipation resistance and chopper resistance inside the direct-drive wind turbine. Finally, the simulation based on PSCAD/EMTDC platform verifies the MMC unblocking fault ride-through operation of hybrid MTDC grid and proves the effectiveness of its fault energy dissipation. This work is supported by National Key Research and Development Program of China (No. 2018YFB0904600) and Science and Technology Project of State Grid Corporation of China Research on Operation Characteristics and Control Technology of ±500 kV HVDC Grid . Key words: hybrid MMC;

real bipolar MTDC integrating wind power;

converter out of operation;

DC fault ride-through;

graded energy dissipation

0 引言 模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter, MMC)具有有功无功控制解耦、 可连接无 基金项目:国家重点研发计划项目资助(2018YFB0904600);

国家电网公司科技项目资助 ±500 kV 柔性直流电网运行 特性与控制技术研究 源网络等多方面的技术优势,近年来被广泛应用于 大规模风电远距离电能输送的场合[1-2] . 随着经济发 展和大规模风电并网的发展,传统的点对点功率传 输形式已不能满足区域电网互联的需求, 采用 MMC 构建柔性直流电网能够实现不同地区的风电场和电 网互联,具有广阔的应用前景[3-5] . 远距离直流电网需采用架空线路进行传输,由 于架空线路故障率高, 直流故障是不能忽视的问题[6] . -

40 - 电力系统保护与控制 为应对直流线路短路故障,可采用高压大容量直流 断路器(DC Circuit Breaker, DCCB)快速隔离故障线 路.例如我国正在建设的张北柔性直流电网工程即 采用了混合式直流断路器与半桥型 MMC 构建直流 电网的技术方案[7] .然而 DCCB 造价昂贵,且运行 可靠性尚待工程验证.为降低直流电网对昂贵 DCCB 的依赖,充分发挥换流器拓扑的优势及其控 制能力进行故障限流成为重要的技术选择[8] . 由半桥子模块(Half Bridge Sub-Module, HBSM) 和全桥子模块(Full Bridge Sub-Module, FBSM)组成 的混合型 MMC 具备无闭锁直流故障穿越能力,在 故障期间能够持续为风机提供交流电压支撑,因此 采用混合型 MMC 构建柔性直流电网可以有效应对 电网的故障问题[9-10] .然而现有文献均关注于混合 型MMC 的本体研究,例如文献[11]研究了混合型 MMC 的子模块配置比例及直流故障穿越控制策 略,文献[12]研究了双极短路故障穿越,文献[13] 研究了单极接地短路故障穿越.但其结构仅为点对 点系统,并未考虑直流电网下的故障穿越控制,特 别是含风电并网的 MMC-MTDC 系统的故障穿越. 另一方面,上述研究均是针对伪双极系统,一 旦某极发生故障,整个系统将停运,运行可靠性不 高.采用真双极接线方式是提高供电可靠性的重要 手段.文献[14]研究了真双极结构的控制运行方法, 其正负极完全独立,在单极发生故障时非故障极依 然可以传输功率.但其系统仍为点对点输电结构, 未考虑多端直流输电以及直流电网系统的运行策略 甚至故障穿越控制.文献[15]针对张北真双极四端 直流环网,分析了受端换流器退出运行的功率转代 策略,但若送端换流器退出运行,风电功率将全部 转到非故障极换流器中,单纯依靠功率转代策略将 无法保证送端换流器的安全.因此,需研究含风电 真双极型直流电网的故障穿越控制及能量耗散方 案,避免在交直流故障等工况下,风电功率无法耗 散导致换流站子模块电容过电压乃至电网崩溃的问 题[16] .采用耗散装置吸收故障期间风电的过剩能量 是一种经济有效的方案.耗散装置装设的位置对其 阻值大小、能量吸收效果和成本有较大影响.文献 [17]提出了在子模块增加耗散电阻的方案,该方案 增加了子模块设计的复杂度,提高了制造成本,且 易使子模块发热过高;

文献[18]在直流线路上并联 耗散电阻,但其所需电阻阻值过大,制造难度大, 且成本较高. 为解决上述问题,本文针对基于混合型 MMC 的含风电双极柔性直流电网,设计了无闭锁故障穿 越控制策略,提出了在风场侧 MMC 交流出口装设 耗散电阻吸收故障能量的方法.针对换流器退出运 行、直流故障等工况,在混合型 MMC 故障穿越控 制的基础上,分析了耗散电阻的设计原则,设计了 耗散电阻的分组投入策略.在故障恢复期间,提出 了在风机内部装设斩波电阻(DC Chopper)平抑瞬时 功率冲击,与耗散电阻协同配合,实现系统功率传 输的安全快速恢复.最后,通过 PSCAD 下的仿真, 验证了所述风电柔直电网的故障运行控制的有效性.

1 双极混合型 MMC-MTDC 风电并网拓扑 图1所示为真双极四端柔直风电并网系统拓 扑,其中风电场

1 为1500 MW 的直驱式风电场, 风电场

2 和3为两个

1 500 MW 的直驱式风电场. 风电场出口电压均为

138 kV,经升压变压器至

230 kV, 其中风电场1连接风场侧MMC2(Wind farm side MMC2, WFMMC2),风电场

2 和3连接 WFMMC1.WFMMC 与电网侧 MMC(Grid side MMC, GSMMC)通过架空线构成双极直流环网. 其中换流器均采用如图

1 下方所示的混合型 MMC 拓扑,每个桥臂由 HBSM、FBSM 及桥臂电 感组成,其中 HBSM 与FBSM 比例相等.HBSM 有投入和切除两种状态,分别输出电压+Uc 和0;

FBSM 有投入、切除、负投入三种状态,分别输出 电压+Uc、0 和-Uc.因此混合型 MMC 通过负投入 FBSM 降低直流电压,能够在零直流电压下运行, 通过调节控制器参数实现无闭锁直流故障穿越[19] . 图1每条线路两端均装设直流断路器,方便进 行线路检修或隔离.耗散电阻(R1)可采用多个电阻 串联或并联的方式组合构成(本文采取并联方式), 并联在风电场侧换流站的交流侧,吸收故障期间的 风电能量.斩波电阻(R2)装设在每个风电场全功率 变流器(Full Power Converter, FPC)直流联络线正负 极之间,保证电网在故障恢复阶段的安全运行.通 过与耗散电阻 R1 的配合, 实现直流电网故障无闭锁 运行过程中的能量协同耗散.F

1、F2 分别为直流线 路故障和单极换流器故障,后文中详细介绍.

2 真双极混合型 MTDC 风电并网系统的运 行控制策略 在真双极混合型 MTDC 风电并网系统中, 按照 风功率产生到输送的角度进行分类,其控制结构可 分为风电场、风场侧换流站、电网侧换流站三类. 2.1 直驱式风电场控制 在永磁同步直驱式风机中,风力机通过桨距角 控制获得最佳的功率系数,结合功率曲线法实现最 曹帅,等 含风电的真双极混合型 MMC-MTDC 系统故障穿越及能量耗散控制 -

41 - 大功率跟踪[20] .FPC 由两个 MMC 背靠背组成,其 机侧 MMC 采用定功率控制,通过调整功率指令值 可以实现不同功率的输出;

其网侧 MMC 采用定直 流电压控制,从而输出稳定电网频率的风电功率, 如图

2 中风电场控制所示. 图1真双极 MMC-MTDC 风电并网拓扑 Fig.

1 Structure of real bipolar MMC-MTDC grid integrating wind farms 图2混合型 MTDC 风电并网系统的控制结构 Fig.

2 Control structure of hybrid MTDC integrating wind power system -

42 - 电力系统保护与控制 2.2 风场侧换流站控制 风场侧混合型 MMC 的控制结构如图

2 中左下 方所示.由交流控制回路和直流控制回路组成.其中,交流控制回路用于控制风电并网点的电压频率 和幅值为恒定;

直流控制回路用于控制混合型 MMC 的子模块平均电容电压[10] . 由于 WFMMC 采用双极结构, 其交流侧连接同 一风电并网母线,若正负极 MMC 同时采取定........