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 topology 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 multilevel converter; hybrid topology; dc fault clearance; overhead line; bulk power transmission
摘要： 提出了一種適用于遠距離大容量架空線路的基于電網換相換流器和模塊化多電平換流器(line commutated converter - modular multilevel converter，LCC-MMC)的串聯混合型直流輸電系統。該系統能夠靈活控制有功功率和無功功率，且能夠依靠LCC和MMC的協同控制應對交直流故障。首先提出了穩態下系統的控制方式;進一步地提出了交流故障下系統的控制策略，以使整流側交流故障下系統不發生斷流和逆變側交流故障下系統仍能保持一定的功率輸送能力;基于閉鎖狀態下MMC的輸出電壓特性分析，提出了直流故障下系統的控制策略。通過時域仿真驗證了所述交直流故障下控制策略的有效性。
關鍵詞：電網換相換流器;模塊化多電平換流器;混合直流輸電系統;直流故障清除;架空線路;大容量輸電
DOI：10.13335/j.1000-3673.pst.2016.01.008
0 引言
直流輸電在我國西電東送工程中應用廣泛，這是由于相對于交流輸電，直流輸電在輸電距離大于600 km時已具有明顯的經濟優勢[1]。此類直流輸電通常具有如下3個特點：
1)潮流方向固定。潮流通常由能源集中區域流向負荷集中區域，潮流反轉問題通常不需要考慮。
2)系統容量通常在GW級。系統具有較高的額定電壓與額定電流，例如±800 kV/4 kA。
3)傳輸途徑廣泛采用架空線路。架空線路相對于電纜故障率較高，換流器的故障穿越能力需要著重考慮。
基于電網換相換流器的高壓直流輸電系統(line commutated converter based HVDC，LCC-HVDC)的技術已經非常成熟，其已被廣泛應用在遠距離大容量輸電場合。然而，LCC-HVDC存在逆變站換相失敗、消耗大量無功以及濾波器和無功補償設備占地面積大等缺點[2]。我國華東和珠三角地區直流落點密集，交流故障可能引發多回直流同時換相失敗，其進一步導致的功率缺失將對受端系統穩定性造成嚴重的不利影響[3-5]。
近年來，基于模塊化多電平換流器的高壓直流輸電系統(modular multilevel converter based HVDC，MMC-HVDC)因其可獨立控制有功功率和無功功率、不存在換相失敗、開關頻率低、無需交流濾波器和可向無源系統供電等優點而愈發受到學術界與工業界青睞[6]，并已逐步具備應用在遠距離大容量輸電場合的潛力。理論上，MMC-HVDC可采用3種方法處理直流故障：1)配置直流斷路器;2)利用交流側斷路器;3)采用具有直流故障穿越能力的換流器。方法1)最為直接有效[7-8]，但其目前仍缺乏工程中的實際運行經驗。方式2)最為經濟，目前國內已投運的柔性直流輸電工程均采用該方法。然而，由于機械開關動作速度慢，系統在直流故障下過電流嚴重，換流站需要采用具備較高通流能力的功率器件;此外，機械開關動作慢將導致系統恢復時間長，這也不利于交直流系統的暫態穩定。方式3)實質上是利用具有故障穿越能力的換流器替代直流斷路器，這類換流器包括基于全橋子模塊的模塊化多電平換流器(full bridge submodule based MMC，F-MMC)[9-10]、基于箝位雙子模塊的模塊化多電平換流器(clamped double submodule based MMC，C-MMC)[11-14]等。然而相比采用半橋子模塊的模塊化多電平換流器(half bridge submodule based MMC，H-MMC)，此類換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運行損耗，經濟性相對較差[15]。
除以上3種直流故障處理方法，整流側采用LCC、逆變側采用MMC的混合拓撲結構亦能夠有效處理直流故障，例如整流側采用LCC、逆變側采用F-MMC的LCC-F-MMC[16]、整流側采用LCC、逆變側采用C-MMC的LCC-C-MMC[6]和整流側采用LCC、逆變側采用H-MMC并在逆變側出口裝設二極管的LCC-Diode-MMC[17]。此類拓撲結構的主要缺點在于，由于逆變側MMC的直流電壓響應速度慢，整流側交流故障下很可能導致直流電流斷流。此外，文獻[18]曾提出一種LCC和2電平電壓源型控制器(voltage sourced converter，VSC)串聯的混合拓撲結構，然而在該拓撲中VSC主要被用于動態濾波和無功補償。
為綜合LCC和MMC的優勢，同時降低制造成本和運行損耗，本文提出了一種適用于遠距離大容量架空線路的LCC-MMC串聯混合型直流輸電系統。該系統換流站的正極和負極均由LCC和MMC串聯構成，其中MMC采用半橋子模塊(half bridge submodule，HBSM)。該系統具有如下5個主要優點：1)能夠獨立控制有功功率和無功功率，具有運行靈活性;2)能夠依靠LCC的強制移相和MMC的閉鎖清除直流故障，系統自身具有直流故障穿越能力;3)逆變側由于LCC的存在直流電壓響應迅速，整流側交流故障下不會發生斷流;4)逆變側由于MMC的存在即使發生換相失敗，系統仍能保持一定的功率輸送能力;5)MMC的容量問題可以通過換流器并聯加以解決，這與現有的制造能力相適應。
本文提出了該串聯混合型直流輸電系統穩態和故障下運行的控制方式，在PSCAD/EMTDC中搭建了所述系統并驗證了其在交直流故障下控制策略的有效性。
1 串聯混合型直流輸電系統拓撲結構
以單極系統為例，所述系統的基本拓撲結構如圖1(a)所示。系統每一極均由12脈動LCC和模塊化多電平換流閥組(bank of MMCs，MMCB)串聯構成，其中MMCB為低端換流器組(直流側電壓較低)，LCC為高端換流器組(直流側電壓較高)。其中URL、URM和UR依次指整流側LCC、MMC和整體
(a) 系統拓撲結構
(b) MMCB (c) MMC
(d) HBSM
圖1 系統基本結構
Fig. 1 Basic structure of the system
的直流電壓，UIL、UIM 和UI依次指逆變側LCC、MMC和整體的直流電壓。
MMCB的結構如圖1(b)所示，其由若干MMC并聯構成，以便克服現階段MMC制造的容量限制。為限制故障下的浪涌電流，換流站每一極出口處均配置了平波電抗器。
如圖1(c)所示，MMC由6個橋臂構成，每一橋臂由橋臂電感和N個子模塊(submodule module，SM)串聯組成，同一相的2個橋臂構成一個相單元。子模塊采用HBSM，結構如圖1(d)所示，其由2個絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)(T1、T2)、2個二極管(D1、D2)和1個子模塊電容(C0)構成，USM和ISM分別指子模塊電壓和電流。通常，H-MMC難以通過換流器自身動作處理直流故障，原因在于閉鎖后交流系統仍能通過反并聯二極管向故障點注入電流。本文所述的系統則可以通過LCC和MMC的協同控制處理直流故障，其原理將在第3節介紹。
2 系統建模與穩態控制
本節將主要介紹LCC與MMC的基本控制。為方便表述，一些上下標定義如下：M代表MMC、L代表LCC、R代表整流站、I代表逆變站和*代表指令值。
2.1 控制方式
穩態下，系統有功類控制目標如表1所示，其中整流側LCC控制直流電流，整流側MMC、逆變側LCC和MMC控制各自的直流電壓。之所以選擇上述目標，是因為在故障下該控制方式最為直接，從而避免了故障下系統控制方式的切換。
表1 穩態下有功類控制目標
Tab. 1 Control objectives of active power under steady state
控制目標LCCMMC
整流側直流電流直流電壓
逆變側直流電壓直流電壓
MMC除進行有功類控制以外，還可獨立進行無功類控制，即選擇控制無功功率或交流母線電壓。一般而言，控制無功功率可以精確補償LCC吸收的無功，從而使換流站整體從交流系統吸收的無功功率為零;控制交流母線電壓則有利于系統從交流故障中恢復。
2.2 LCC建模與控制
如表1所示，整流側LCC和逆變側LCC分別控制直流電流和直流電壓，控制器框圖分別如
圖2(a)和圖2(b)所示，其中
、Idc和αR依次指直流電流指令值、實際值和整流側LCC的觸發角，
、UIL和αI依次指逆變側LCC直流電壓的指令
值、實際值和觸發角。
(a) 整流側LCC
(b) 逆變側LCC
圖2 LCC控制器框圖
Fig. 2 Block diagram of LCC controllers
整流側LCC的數學模型如下：
(1)
(2)
(3)
(4)
式中：ERL為閥側空載線電壓有效值;XRL為換相電抗;μR為換相角;φRL為功率因數角。
逆變側LCC的數學模型與之類似。
2.3 MMC建模與控制
MMC的單相等值電路如圖3所示，其中：usk為閥側等值相電壓;Ls和Rs分別為系統側等值電感和電阻;L0和R0分別為閥側等值電感和電阻;uk和ik (k = a, b, c)為MMC輸出相電壓和電流;upk和unk分別為級聯半橋子模塊輸出的上下橋臂電壓;Udc為直流電壓。
圖3 MMC單相等值電路
Fig. 3 Single-line equivalent circuit of MMC
MMC的動態特性可由如下微分方程[19-20]描述：
(5)
(6)
(7)
設L = Ls + L0/2、R = Rs + R0/2，消去uk則MMC的動態特性可進一步表示為
(8)
(9)
式中udiffk、ucomk和icirk分別稱為差模電壓、共模電壓和環流，定義如下：
(10)
(11)
(12)
式(8)表征了MMC的外部特性，說明MMC的輸出電流可以通過調節差模電壓來控制;式(9)則實際表征了MMC的內部特性，說明MMC的內部環流可以通過調節共模電壓來抑制。對式(8)和式(9)分別進行dq變換，結果如式(13)和式(14)所示。需要注意的是，內部環流以2倍頻分量為主[21]。
(13)
(14)
基于式(13)設計的矢量電流控制器如圖4(a)所
(a) 矢量電流控制器
(b) 環流抑制控制器
圖4 MMC控制器
Fig. 4 MMC controllers
示。該控制器分為外環控制和內環控制，其中外環
根據直流電壓偏差(
)和無功功率偏差(
)或交流母線電壓偏差(
)調節輸出電流的指令值(
和
)，內環根據輸出電流的偏差(
和
)調節橋臂差模電壓指令值。
基于式(14)設計的環流抑制控制器如圖4(b)所示。為抑制內部環流，內部環流的指令值設置為零，最終輸出為橋臂共模電壓。
一個MMCB內的若干MMC的控制方式相同，并且由于在制造過程中MMC的參數誤差可以被控制得較小，因此無需在MMCB內部進行電流均衡控制。
3 故障控制策略
本節針對整流側交流故障、逆變側交流故障和直流線路故障，分別提出了相應的故障控制策略。
3.1 整流側交流故障控制策略
當整流側交流系統發生故障后，由于LCC輸出的直流電壓直接依賴于網側交流電壓，整流側整體直流電壓跌落，進而導致直流電流下降。在嚴重情況下，由于逆變側直流電壓響應慢，可能導致電流斷流，引起較大的暫態過電壓。此外，故障期間功率跌落也將對送受端系統的穩定性產生不利影響。因此，針對此類故障的控制策略需要在一定程度上維持直流電流和直流功率。
如圖2(a)所示的定直流電流控制器，對于整流側交流故障，具有一定的電流控制能力，但其可以調節的范圍較小。考慮到LCC和MMC的協同控制，本文提出了兩階段后備定電流控制。
(a) 基于整流側MMC的第1階段控制
(b) 基于逆變側LCC的第2階段控制
圖5 針對直流電流的兩階段后備控制
Fig. 5 Two-step standby control for dc current
圖5(a)中描述了第1階段的控制方式，它由整流側的MMCB來實現，其通過提升其輸出的直流電壓來維持整流側整體的直流電壓，圖中URMrated、
∆URM和
分別指代整流側MMC直流電壓額定
值、增加值和最終指令值。這一控制能夠更大程度上維持直流功率，且在遠端交流故障發生時最為有效。該階段控制中，MMCB的直流電壓最大增量∆URM保守取為0.1 pu;觸發該控制的電流偏差∆Id1設置為目標值的5%，避免與穩態下的定直流電流控制器沖突。
第2階段的控制方式如圖5(b)所示，其通過減小逆變側LCC輸出的直流電壓來維持直流電流，
圖中UILrated、∆UIL和
分別指代逆變側LCC直流
電壓額定值、減少值和最終指令值。該控制方式與傳統直流輸電廣泛采用的后備定電流控制類似。
3.2 逆變側交流故障控制策略
當逆變側交流系統發生故障后，逆變側LCC的直流電壓跌落，甚至可能因為換相失敗而降為零。逆變側的直流電壓跌落會導致直流電流激增和直流功率的損失。
出現逆變側交流故障時，整流側和逆變側的LCC需要聯合動作。由于圖2(a)所示的定直流電流控制，整流側LCC將增大觸發角以限制直流電流的增大;逆變側LCC需要從定直流電壓控制切換到定熄弧角控制，以降低暫態過程中換相失敗的風險，切換過程如圖6所示，圖中UERR為逆變側LCC的直流電壓偏差，g、gmin和gERR分別為逆變側LCC關斷角、最小關斷角現值和關斷角偏差值。
圖6 針對逆變側LCC的帶有后備定熄弧角控制的
定直流電壓控制
Fig. 6 Constant DC voltage control scheme with standby constant extinction angle control for inverter LCC
3.3 直流線路故障下系統的故障穿越能力
當直流線路發生故障后，故障點處的電壓幾乎跌落為零，這使得短路電流從整流側潰入故障點;由于LCC的單向導通性，逆變側不會向故障點提供短路電流。
一種限制整流側短路電流的可行方案是利用整流側LCC和MMC的協同控制，即LCC采用強制移相，同時MMC閉鎖。通過估算MMC在閉鎖狀態下輸出的直流電壓，可以從理論上證明該方案的有效性。
當MMC處于閉鎖狀態，由許多子模塊串聯起來的整個橋臂的電氣特性，和一個子模塊的電氣特性相似。圖7是單個子模塊處于閉鎖狀態下的等效電路，其中USM和iSM分別為閉鎖狀態下子模塊電壓和電流;圖8是整個MMC閉鎖時的等效電路。注意，圖中所標注的電流正方向與圖3是相反的，為方便推導，圖7中將電流從N經過D2流向P稱為電流的正向通道，將電流從P經過D1和C0流向N稱為電流的反向通道。
圖7 閉鎖時單個子模塊等效電路
Fig. 7 Equivalent circuit of a sub-module
under blocking state
圖8 MMC處于閉鎖狀態下的等效電路
Fig. 8 Equivalent circuit of a MMC under blocking state
首先證明橋臂電流在MMC閉鎖狀態下不能通過反向通道持續流通，即證明橋臂N個子模塊電容的等效電壓(NUC0)遠大于閥側空載線電勢的幅值
(
E)。假設某一時刻圖8中上橋臂a相電流為正，
c相電流為負，即ipa流過正向通道，ipc流過反向通道。此時，在圖8中構成o¢apco¢回路。根據參考文獻[22]，閥側空載線電勢可通過式(15)估算：
(15)
則a、c兩點間的電位差：
(16)
由式(16)可知，由于eac
可以進一步證明，在短路電流上升的階段，MMC輸出的直流電壓始終小于閥側空載線電勢的
幅值，即didc/dt>0時，udc<
E。
假設某一時刻，短路電流經過橋臂pa和nc，則有下式：
(17)
(18)
(19)
如果下一個時刻，短路電流開始從橋臂pa向pb換相，則點p的電位為
(20)
而點n的電位還是由式(18)計算，則有：
(21)
通過式(21)證明的結論，不難推斷出：如果通過強制移相使得整流側LCC輸出的直流電壓絕對值大于MMC閥側空載線電勢的幅值，短路電流將被有效抑制。
整流側LCC在穩態下的觸發角通常為15°，則穩態下LCC和MMC輸出直流電壓應滿足的最小比值為
(22)
式中αFR為LCC強制移相后的觸發角，這個值需要根據工程實際來設置。
4 仿真驗證
4.1 算例介紹
本文針對圖1(a)的拓撲，驗證了其整流側交流故障、逆變側交流故障和直流線路故障3種情況下的故障穿越能力。4個換流器穩態下有功類控制目標見2.1節中表1，并且2個MMC還同時控制相應的交流母線電壓。測試系統的參數見表2。
表2 系統參數
Tab. 2 System parameters
參 數取 值
類別項目整流側逆變側
基本
參數額定容量/MW32003200
額定直流電壓/kV800760
額定直流電流/kA44
LCC直流電壓/kV400380
MMC直流電壓/kV400380
交流系統電壓有效值/kV500500
短路比55
X/R88
參 數取 值
類別項目整流側逆變側
MMC
參數一個MMCB中MMC個數44
平波電抗器/H0.30.3
橋臂HBSM的個數5050
HBSM中的電容/mF16651665
橋臂電抗/H0.0550.055
參 數取 值
類別項目
變壓器
參數LCC聯結變壓器
(整流側和逆變側相同)序號12
繞組類型Y0/∆Y0/Y
變比/(kV/ kV)500/165500/165
容量/MVA10001000
漏抗/pu0.100.10
MMC聯結變壓器
(整流側和逆變側相同)繞組類型Y0/∆
變比/(kV/ kV)500/200
容量/MVA480
漏抗/pu0.10
參 數取 值
類別項目
直流
線路參數線路長度/km1000
電阻/Ω10
4.2 整流側交流故障測試
對整流側交流系統施加3種不同嚴重程度的交流故障：1)a相遠端故障，相電壓跌落到額定值的50%，記為故障A;2)a相近端故障，相電壓跌落到零，記為故障B;3)三相近端故障，線電壓跌落到額定值的30%，記為故障C。故障在系統穩態運行至1.5 s時施加，持續0.1 s后清除。整流側交流故障的仿真結果如圖9所示。
由圖9可以看出，在3種設計的故障中，故障C最為嚴重。在故障C的過程中，直流電流最低跌落到0.5 pu，直流電流斷流的風險被消除;直流功率保持在0.3 pu以上，說明系統還具有一定的功率輸送能力。故障清除后，系統可以快速地恢復到穩態。相比于故障C，故障A和B都不會對系統產生太大的影響。
4.3 逆變側交流故障測試
對逆變側交流系統施加3種不同嚴重程度的交流故障：1)a相遠端故障，相電壓跌落到額定值的
(a) 故障A下的暫態特性
(b) 故障B下的暫態特性
(c) 故障C下的暫態特性
圖9 整流側交流故障的仿真結果
Fig. 9 Simulation results of ac faults at rectifier side
50%，記為故障D;2)a相近端故障，相電壓跌落到零，記為故障E;3)三相近端故障，相電壓跌落到額定值的30%，記為故障F。故障在系統穩態運行至1.5 s時施加，持續0.1 s后清除。逆變側交流故障的仿真結果如圖10所示。
從圖中可以看出，在3種設計的故障中，故障F最為嚴重。在故障F的過程中，雖然逆變側交流電壓大幅跌落，但因為逆變側LCC切換到定熄弧角控制，并未出現連續換相失敗。由于逆變側MMC輸入和輸出的功率不平衡，富余的能量儲存在子模塊電容里，導致MMC輸出的直流電壓抬升，因此需要配置避雷器，防止子模塊過電壓損壞。由于采
(a) 故障D下的暫態特性
(b) 故障E下的暫態特性
(c) 故障F下的暫態特性
圖10 逆變側交流故障的仿真結果
Fig. 10 Simulation results of ac faults at inverter side
用了定電流控制，直流電流被限制在1.0 pu附近振蕩。故障期間，直流功率跌落至0.4 pu，故障清除后的一小段時間內，直流功率會短時跌落，之后很快恢復。
對于故障E，由于逆變器交流母線電壓跌落到幾乎為零，必然發生連續換相失敗。但這種情況下的暫態過程中，直流功率仍然可保持在0.5 pu以上，并且故障清除后系統能夠迅速恢復。相比而言，故障D的影響較小，不再贅述。
4.4 直流線路故障測試
本節中，1.5 s時在直流線路的中點處施加單極短路故障，故障電阻0.1 Ω。根據3.3節中的相關結論，系統采用如下控制策略。
首先是檢測故障。參考MMC常見的保護設置，取直流電流的檢測閾值為1.5 pu。
系統完成故障檢測后，對整流側和逆變側的MMC都進行閉鎖，對整流側LCC強制移相。由于在短路電流過大時，換相過程較長，采用較大的觸發角，容易引發換相失敗，因此將αR先設置為135°，等短路電流降低到1.0 pu以下，再設置為150°。另外在從發生故障到系統恢復的暫態過程中，αI始終設置為90°。
待故障電流清除后，繼續保持上述的控制動作0.2 s，以完成故障點的去游離過程。
待絕緣恢復和去游離過程完成后，系統重新啟動，整流側和逆變側的MMC同時解鎖，然后設置αR從45°線性減小到15°，αI從120°線性增大到150°。整個啟動過程耗時0.2 s，啟動完成后，切換到穩態下的控制方式。
仿真結果如圖11所示，可以看出所提出的控制策略對于直流線路故障具有清除能力。在故障回路中，由LCC強制移相產生的負電壓可以抵消MMC在閉鎖狀態下輸出的正電壓，使得短路電流在70 ms內被清除。系統從發生故障到重新啟動至穩態，歷時0.5 s，這是一個可以接受的時間范圍。
圖11 直流線路故障仿真結果
Fig. 11 Simulation results of DC line fault
5 結論
本文提出了一種適用于遠距離大容量架空線路的LCC-MMC串聯混合型拓撲。這種拓撲形式可以靈活地控制有功功率和無功功率。通過時域仿真驗證了穩態下和故障期間控制策略的有效性，說明系統對于交流故障和直流故障都具有穿越能力。具體來說：1)整流側交流故障下，系統不會出現斷流;2)逆變側交流故障下，即使發生換相失敗，也能送出部分直流功率;3)直流線路故障的短路電流，可以通過控制換流器本身的動作來清除，而不需要附加其他設備。
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