背靠背柔性直流系统应用于电磁环网的控制技术研究

背靠背柔性直流系统应用于电磁环网的控制技术研究

孙斌1林成1欧阳可凤1王辉2

（1.贵州电网有限责任公司，贵州省贵阳市550001;2.南京南瑞继保电气有限公司、江苏省南京市,211102）

摘要：对背靠背柔性直流系统应用于电磁环网的控制技术进行阐述，针对背靠背柔性直流系统，提出紧凑型三层控制架构，自上而下为换流站控制、换流器控制、换流阀控制,分别讨论各层级的控制策略；针对背靠背柔性直流系统应用于电磁环网，提出了柔性直流与电网广域控制系统的协调控制策略，对于解决电磁环网问题具有参考意义。

关键词：柔性直流，电磁环网，多电平，稳控

1电磁环网与柔性直流输电技术

电磁环网，亦称高低压电磁环网，是指两组不同电压等级的线路通过两端变压器磁回路的联接而并联运行。

由于高低电压不同等级的线路输电能力等特性差别较大，因此我国对电磁环网运行有比较明确的指导意见，在2001版的《电力系统安全稳定导则》中，有这样的规定：随着高一级电压电网的建设，下级电压电网应逐步实现分区运行，相邻分区之间保持互为备用。应避免和消除严重影响电网安全稳定的不同电压等级的电磁环网，发电厂不宜装设构成电磁环网的联络变压器。

按照上述导则的规定，电磁环网主要出现在电网高一级电压电网建设的初期。然而，在实际电网建设和运行中，由于需要兼顾可靠性、安全性以及经济性等多个约束条件，电磁环网解环运行仍然是一个非常复杂的问题，长期困扰电力系统的运行和管理。

与此同时，随着电力电子器件和控制技术的发展，采用IGBT、IGCT等新型可关断电力电子器件构成电压源型换流器(VoltageSourceConverter，VSC)进行直流输电成为可能，为柔性直流输电技术的发展提供了坚实的技术支持。基于VSC的换流站可以在整流与逆变之间切换，相对于常规直流，其具有能向无源系统供电、具备动态无功支撑能力、无需交流滤波装置等诸多技术优势，为电网提供了一种更为灵活、快捷的输电方式。背靠背柔性直流直流系统由两个直流侧直接相连的柔性直流换流器组成，无中间直流线路，所有换流设备均在一个换流站内，通过将其应用于电磁环网，可以将交流线路解环，这为电磁环网问题的解决提供了新的思路。

本文针对背靠背柔性直流系统应用于电磁环网的控制技术进行阐述。首先对于背靠背柔性直流系统，提出紧凑型三层控制架构，分别为换流站控制、换流器控制、换流阀控制；换流站控制负责整个两端背靠背系统的协调控制以及与电网其他控制系统的接口；换流器负责单个换流器的内外环闭环控制，生成换流阀电压参考波；换流阀控制根据换流阀电压参考波，按照一定的调制策略产生触发脉冲，控制功率器件的通断，实现对换流阀电压的快速精确控制。控制系统分层设计化繁为简，简化了控制系统的实现。然后，针对背靠背柔性直流系统应用于电磁环网，从电网运行的需求出发，研究柔性直流系统参与电网广域控制的能力，提出柔性直流与调度系统、稳控系统的协调控制策略。

2背靠背柔性直流系统控制技术

柔性直流控制系统是柔性直流系统的大脑，直接关系着柔性直流系统运行的性能﹑安全﹑效益。柔性直流控制系统按面向物理或逻辑对象的原则进行功能配置，不同对象的功能之间尽可能少的交换信息，某一对象异常不影响其它对象功能的正常运行。

背靠背柔性直流系统的控制系统是一个复杂的多输入多输出系统，为了提高其运行的可靠性，避免任一环节故障造成故障扩大化，按照分层原则设计，分别为换流站级控制、换流器级控制和阀级控制共三层。

2.1换流站级控制策略

换流站级控制处于柔性直流背靠背系统控制系统的最顶层，根据调度和运行人员指令，实现有功功率、无功功率、直流电压等参考值设定和运行控制方式的切换。

以有功功率为例说明，参考值设定与调节控制器接收调度的有功功率整定值Pset，经过有功指令调节环节生成有功功率的参考值Pref，有功指令升降速率及上下限值可根据需要采用不同的设计。

2.2换流器级控制策略

换流器级的控制主要包括外环控制和内环控制。

外环控制又分为有功类（直流电压控制、有功功率控制和频率控制）和无功类（无功功率控制和交流电压控制），有功类控制和无功类控制相互独立，各种控制方式可以根据实际交流系统进行选择切换得到最优的控制方式。

2.3阀级控制策略

阀级控制处于控制系统的最底层，是控制系统与换流阀的接口层。直接决定着换流阀的导通与关断，其直接影响系统稳定性与设备的安全性。

背靠背柔性直流系统采用模块化多电平换流器（MMC）拓扑结构，MMC是利用串联半桥技术构成的一种多电平换流器，其外环特性为电压源换流器特性，能够做到四象限运行。由于其半桥单元模块化设计，使其扩展灵活，维护方便；采用多电平换流直流输电，具有损耗较小的特点，且输出谐波小，无需滤波装置。

(1)MMC调制控制策略

阀级控制器按照换流阀拓扑结构不同，相应阀基控制策略不同。两电平与三电平采用的脉宽调制策略。

MMC的调制方式主要有两种方法，载波移相调制和阶梯波调制，由于模块化多电平电压源变流器自身所具有的“模块化”构造特点，可以简便地得到较高电平的多电平输出，波形品质较优。理想情况下，当输出电平无限增大时，即会达到标准的正弦波，因此模块化多电平电压源变流器可以摒弃传统的PWM高频控制方式，转而采用具有低开关频率的电压逼近控制方式（NLM）。

最近电平逼近控制方式采用最近的电平瞬时逼近调制波，理想情况下不计控制器计算和触发的延迟，认为控制作用是实时的。如果每次电平阶跃幅值都是一个单位电平，那么最近电平逼近的目标能够实现将阶梯波和正弦调制波之差控制在正负范围内。实际工程应用中，控制器等都是有一定执行周期，不可能瞬时触发，可采用等间隔触发，同时触发期间采用插值算法，尽量保证触发时刻与瞬时触发接近，最大可能的保证MMC逆变出来的阶梯波跟踪正弦调制波。

(2)MMC电容电压优化平衡控制策略

多电平换流阀必须保证子模块电容电压在一个合理范围，否则会导致直流电压的跳变、导致个别子模块电压过高或者过低，从而影响子模块寿命。因此需要选择一定的电压优化平衡控制策略，保证每个子模块电压在一个合理范围之内。

在一个正弦周期内，桥臂电流总是为子模块电容提供充电时间和放电时间，因此子模块电容电压在一个正弦周期之内是可以调节的。由于充电时间和放电时间都是连续的，桥臂中导通子模块的电容电压也是连续变化的。子模块电容电压是可以调节的，但是只能被动地根据桥臂电流的方向选择其导通或者关断的状态。当需要减小子模块电容电压时，子模块的导通状态应当选择在桥臂电流在放电期间使电容放电；当需要增大直流电容电压时，子模块的导通状态应当选择在桥臂电流为充电期间使电容充电，从而实现子模块的电压平衡。

电容电压平衡控制策略实现方法具体如下：通过MMC子模块传感器快速对各子模块电容电压进行周期性地测量，根据测得的电压数值，利用软件对各子模块电容进行分类。当某相半桥臂中的电流为正时，触发具有最低电压的各子模块中的IGBT管来构成所期望施加的半桥臂电压，此时被选定的各子模块电容将被充电；当某相半桥臂中的电流为负时，触发具有最高电压的各子模块中的IGBT管来构成所期望施加的半桥臂电压，此时被选定的各子模块电容将放电。通过这样一种均压策略，即可实现各子模块电容电压的持续平衡，通过控制系统记录子模块上个控制周期的开关状态，只开通关断当前控制周期相对于上一个周期开关数量的偏差值，可以达到降低开关频率的目的。

3结论

本文提出了背靠背柔性直流系统的紧凑型三层控制策略，分别设计完成了换流站指令设定与调节控制，换流器外环有功、无功、交流电压、直流电压控制器和内环交流电流控制，MMC换流阀调制控制策略与电容电压优化平衡控制策略。针对背靠背柔性直流系统应用于电磁环网，提出了柔性直流与调度、稳控系统的数据交互模型与协调控制策略。