河南送变电建设有限公司河南郑州450000
摘要：利用对称双极接线的柔性直流输电系统具有灵活的运行方式，极I、极II可整体运行，也可单独运行。正常工况下，系统采用双极带金属回线单端接地运行方式，两极不平衡电流通过金属回线返回。单极发生故障时，将故障极换流阀闭锁、停运，同时将故障极全部或部分功率转移至正常极。正常极和金属回线转为单极带金属回线运行方式，工作电流通过金属回线返回。此时，工程最多仍能输送50%的额定容带，降低了甩负荷对交流电网的冲击程度，提高了供电可靠性。为此，在接下来的文章中，将围绕对称双极柔性直流输电系统功率转带控制策略方面展开分析，希望能够给相关人士提供重要的参考价值。
关键词：对称双极；柔性直流；输电系统；功率转带
引言：随着柔性直流输电系统输送容量的扩大和电网对其可靠性要求的不断提升，柔性直流输电系统逐渐由单极或伪双极结构发展到了双极甚至多极的运行结构。为了控制好柔性直流输电系统功率转带工作，文章将围绕策略方面展开详细的分析。
一、对称双极MMC运行方式
以国内首个采用对称双极接线方式的柔性直流输电工程为例，系统主接线如图1所示。整个系统包括两座换流站（S1、S2），每座换流站由极Ⅰ、极Ⅱ两个换流阀构成，每极由三相上下共6个桥臂构成，桥臂采用桥臂电抗器（L0）和子模块（包括冗余子模块，共N个）串联的方式。换流阀直流端经平波电抗器（L1）后通过直流电缆与对端的平波电抗器、换流阀连接。极Ⅰ、极Ⅱ经过各自中性母线开关（NBS）后，其公共端通过金属回线与对端换流站的公共端连接。Udc为直流电压。对称双极MMC具有灵活的运行方式，除了换流站单站可作为STATCOM运行外，换流站双站运行的主要方式包括：双极带金属回线单端接地运行（图1中①）、双极不带金属回线双端接地运行（图1中②）、单极带金属回线单端接地运行（图1中③、④）。图中虚线表示各运行方式下的电流回路。
图1，对称双极双端柔性直流输电系统主接线：
以上运行方式中，只有双极带金属回线单端接地运行时具备功率转带的条件：即双极换流阀均处于运行状态且金属回线可提供电流通路。当一极发生故障时系统可快速转为单极带金属回线单端接地运行方式，将故障极全部或部分功率转带至非故障极，降低甩负荷对交流系统的影响。功率转带的具体控制时序为：故障极换流阀闭锁、断开该极NBS开关、系统转为单极带金属回线单端接地运行、非故障极调整功率指令。
二、功率转带控制策略
（一）功率转带控制流程
双极带金属回线单端接地运行时，受端换流站控制直流电压，可确保直流电缆、换流阀、直流场设备的安全：送端换流站控制有功功率。有功功率控制又分为双极功率控制和单极功率控制两种模式，极I、极II可灵活组合两种控制模式，均采用双极功率控制时，有功功率在两极间平均分配；采用单/双极功率混合控制时，单极功率控制指令设定该极的有功功率值，双极功率控制指令设定双极
总有功功率值：均采用单极功率控制时，两极功率值独立控制。以S1为送端换流站、S2为受端换流站、极I发生单极故障时为例，可采用的控制方式和功率转带情况，由于极II采用单极功率控制时其功率指令值己设定，不可进行功率转带，只有极II采用双极功率控制时才可功率转带。简而言之，功率转带的可行性条件是：第一，换流站采用双极带金属回线单端接地运行方式，且非故障极采用双极功率控制模式；第二，被转带的功率量应小于故障极原功率值；第三，非故障极原有功率加上转带的功率应小于单极额定功率[1]。
（二）功率转带过程直流场电气特性分析
根据上节中控制流程进行功率转带时，故障极停运过程与常规柔性直流输电系统停运过程一致：即快速闭锁换流器、断开交流断路器，防止故障范围扩大。鉴于柔性直流输电系统停运过程相关研究较多，在此不进行重复分析。非故障极功率转带与换流阀启动、功率阶跃等过程在本质上均是功率短时间内快速上升的过程，但功率转带目的是降低甩负荷对交流电网的影响，其转带速率要求远大于其他工况：根据DL/T5426等高压直流输电系统设计规程要求，转带功率的90%应在故障极闭锁后的80ms内达到，即转带速率为0.9PN/80ms；而换流阀启动时升功率速率为0.1PN/1min、功率阶跃时功率变化速率为0.3PN/1s。换流阀启动、功率阶跃等过程存在轻微的直流电压波动，但尚未发生相应跳闸事故实例，而功率快速转带易导致直流母线电压过/欠压等故障而停运。为了保证功率转带顺利实现，有必要分析功率转带过程中直流场电气特性，为功率转带控制和参数整定提供理论依据。国内柔性直流输电工程中，直流侧连接有平波电抗器和直流电缆。换流器进行功率转带时直流电流应快速上升，但电抗将限制电流上升速率，导致换流阀有功功率不平衡。在功率转带过程中，通过控制up−un可使交流侧输入功率迅速提升并较好的跟随功率指令值。但由于平波电抗器和直流电缆等效电抗的限流作用，直流电流上升速率较慢，使换流阀输出功率小于交流侧输入功率。能量累积在换流阀中，导致子模块电压升高，易使直流电压过压保护动作。送端换流站模型的控制保护系统采用现有工程实际应用的直流电流控制方式，主要由内环电流控制器、外环功率控制器等构成。外环控制器根据系统级控制器给定的有功功率等参考值指令，与实时采集量进行比较，经过PI控制和内环控制器后为阀控系统提供参考电压。本文在系统级控制器与外环控制器之间增加功率转带控制器，在功率转带过程中可实时调整有功功率参考值指令Pref。
（三）功率转带速率参数优化
换流阀交流侧性能可满足功率快速上升的要求，但根据非故障极功率转带过程的电气特性分析结果知，平波电抗器、直流电缆等设备的限流作用使MMC直流侧无法及时传输交流侧功率并导致直流电压上升。当直流电压超过1.15倍额定电压且保持时间达到20ms时，将导致直流过压Ⅰ段保护动作。由于实际工程中平波电抗器与直流电缆在安装后不易进行整改，为保证功率转带过程顺利实现，可对功率转带速率参数进行优化。以某柔直工程为例，调节RTDS模型中非故障极功率转带速率，使其在功率转带值最大时亦不会导致保护动作。退出模型中直流过电压保护并依次调节模型中非故障极功率从零升至PN的时间，仿真得到直流电压升至1.15倍额定电压以上时的保持时间[2]。
结论
简而言之，文章提出对称双极柔性直流输电系统功率转带的可行性条件和具体转带流程。利用仿真，分析了转带过程中直流场电气特性。仿真结果表明：功率转带时，平波电抗器、直流电缆等设备使直流电流不能快速达到设定值，功率不能及时输送而累积在换流阀电容上，易使直流电压过压保护动作。另外，提出功率转带速率参数的优化方法。通过引入平波电抗器、直流电缆等实际设备参数优化RTDS仿真模型，调节模型中功率转带速率，使直流电压超过1.15倍额定电压的保持时间[3]。
参考文献：
[1]马为民，吴方劼，杨一鸣，等.柔性直流输电技术的现状及应用前景分析[J].高电压技术，2018，40（8）：2429-2439.
[2]周月宾，江道灼，郭捷，等.模块化多电平换流器型直流输电系统的启停控制[J].电网技术，2016，36（3）：204-209.