项目背景
随着高压直流(HVDC)输电技术越来越成熟，越来越多的远距离大功率输电、海底电缆送电、两个交流系统之间的非同步联网等方面开始采用HVDC输电技术。然而传统电网换相高压直流输电(Line-Commutated-Converter High Voltage Direct Current, LCC-HVDC)由于晶闸管换流过程的本质又有其固有的缺陷，比如换流时需要消耗大量无功功率，换流器会产生大量谐波，向弱交流系统供电时可能发生换相失败，无法向弱交流系统或无源网络供电等。
随着电力电子器件和控制技术的发展，出现了新型的全控型半导体器件-绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)。20世纪90年代以后，以全控型器件为基础的电压源换流器高压直流输电(Voltage Source Converter based High Voltage Direct Current, VSC-HVDC)得到了快速发展。VSC-HVDC突出了全控型电力电子器件、电压源换流器和脉冲调制三大技术特点，解决了传统LCC-VSC的诸多固有瓶颈，比如VSC-HVDC可以实现有功功率和无功功率的独立控制，而无需无功补偿;可以无需电网短路电流的支撑换相，从而用于对无源交流系统供电;可以两站独立控制和运行，无需站间通信。然而与传统LCC-VSC相比，VSC-HVDC的系统开关损耗较大、工程造价高。
混合型高压直流输电(hybrid-HVDC)即一端采用LCC，另一端采用VSC的输电结构，可以合理结合LCC-HVDC和VSC-HVDC的优点。传统的LCC-HVDC输送容量大、电压等级高，而目前在建VSC-HVDC工程的最高输送容量和最高电压等级也分别达到了2×1000 MW和±345 kV，虽然二者的容量和电压等级还有一定差距，但是考虑到VSC-HVDC的发展现状和前景，结合LCC-HVDC和VSC-HVDC的混合直流输电将具有工程应用前景，因此该课题将具有重要的研究价值。
本文采用整流侧两个6脉动LCC串联、逆变侧是三相二电平的VSC的混合高压直流输电(Hybrid High Voltage Direct Current, H-HVDC)系统。这样就能实现向无源交流网络供电这一目的，解决了传统的LCC的缺陷，同时降低全部采用VSC的成本。在PSCAD/EMTDC上构建了仿真模型，控制方式采用整流侧定直流电压控制，逆变侧定交流电压-直流电流。对该模型的启动特性、稳态特性与暂态特性、单极闭锁进行了研究。仿真结果表明，该H-HVDC系统能够实现向无源网络供电，且具有较高的稳定性，为混合直流的进一步发展提供了理论基础。
伪双极LCC-VSC混合高压直流输电系统
基本结构
本文搭建的模型的送端采用LCC，由换流变压器、滤波器、两个6脉动换流桥、平波电抗器等组成，其中S1和Z1为等值送端交流系统的电源和等值系统的阻抗。而受端换流器则采用VSC，由换流桥、换流电抗器、直流电容器和交流滤波器组成。Rd、Ld分别为直流线路等效电阻、电感。K1、K2、 K3、K4是与直流电容并联的旁路开关，R1、R2、L1、L2是抑制过电流的器件。当直流输电线路发生故障或某一6脉动LCC发生闭锁时，闭合相关的旁路开关，此系统可转换为单极直流输电系统。该H-HVDC的拓扑结构图如图1所示。
图1 LCC-VSC拓扑结构图
虽然目前LCC-HVDC应用较为广泛的是双极12脉动直流输电系统，但增加两个6脉动换流桥，投资成本增加更多。综合考虑，该H-HVDC的整流侧采用双极6脉动形式。这种拓扑结构可在保证传输容量尽可能大、输电可靠性高的同时，尽可能减少工程建设投资。
其中逆变侧的拓扑结构如图2所示。
图2 三相两电平VSC拓扑结构
工作原理
在整流侧，设触发滞后角为a，换相角为g，则送端的准稳态数学模型如下所示。
LCC-VSC控制器原理
整流侧LCC控制策略，采用定直流电压控制方式，实现对a角的控制，整流侧的逻辑图如图3所示。
图3 整流侧的控制器
逆变侧为电压源换流器，采用目前应用比较广泛的直流电流双闭环解耦控制，即D-Q解耦控制方式。
根据VSC-HVDC系统的一般控制规律，与无源交流网络联接的换流器应向无源网络供给稳定的交流电压，因此需要对无源侧的交流电压进行控制，即无功控制类应采用定交流电压控制。为了实现混合直流输电传输功率水平的恒定，逆变侧的有功控制类采用定直流电流控制方式。
逆变侧的控制系统结构图，如图4所示。
图4 逆变侧的控制器
仿真分析
仿真系统参数
针对图1所示的混合直流输电系统在PSCAD/ EMTDC电磁暂态仿真程序中建立模型，为实现向无源网络供电，选取直流传输功率为400 MW，直流电压等级为±200 kV，直流电流为1 kA。其中整流侧交流系统电压等级为220 kV，逆变侧无源网络电压等级为10.5 kV，逆变侧直流电容为600 μF，相电抗器为0.074 3 H，直流线路等效电阻Rd为2 Ω、等效电阻电感为0.07 H，仿真步长为50 μs，仿真时间为5 s。无源网络的负荷用400 MW的三相电阻性负载来模拟。
启动与稳态特性研究
由于逆变侧VSC换流站没有电源支撑，故启动策略为在0.04 s时首先触发整流侧LCC换流站，待直流电容充电0.1 s后解锁逆变侧VSC。启动和稳态时，直流电压、直流电流、有功功率、无功功率整流侧和逆变侧有功功率的仿真图形如图5所示。
图5 直流电压、直流电流、有功功率、无功功率、
整流侧和逆变侧的有功功率
故障特性研究
由于篇幅限制，本文在整流侧和逆变侧没有做单相和两相短路，只做了最严重的三相短路。如果该H-HVDC系统在三相短路情况下还能够恢复到稳定状态，那么单相和两相短路也能恢复到稳定状态。
设置的故障发生在t=3 s时，故障持续时间为0.2 s。在t=2.9 s到4 s的直流电压、直流电流、有功功率、无功功率的仿真波形如图6所示。
图6 整流侧交流母线发生三相短路故障
故障发生在t=3 s时，故障持续时间为0.2 s，在t=2.9 s到4 s的直流电压、直流电流、有功功率、无功功率的仿真波形如图7所示。
图7 逆变侧交流母线发生三相短路故障
设置直流输电线路的负极在t=2 s时发生单极闭锁故障，为了防止故障过程中出现过电流，在2.01 s时闭合开关K3，通过串联RL电路防止过电流;然后当t=2.02 s闭合开关K4防止产生LC振荡。该H-HVDC系统的直流电压、直流电流、有功功率、无功功率及整流侧和逆变侧的有功功率如图8所示。
图8 单极闭锁时的直流电压、直流电流、有功功率、
无功功率及整流侧和逆变侧的有功功率
结论
本文建立了含有整流侧LCC换流器和逆变侧VSC换流器的伪双极H-HVDC系统向无源网络供电的模型，推导了其在稳态时的数学模型，且针对向无源网络供电的特性条件，对整流侧与逆变侧协调控制策略进行了研究。然后在PSCAD/EMTDC环境下对该H-HVDC系统的启动特性、稳定运行特性、整流侧和逆变侧母线发生三相短路故障的恢复特性以及单极闭锁进行了研究，得到如下结论：
(1) 逆变侧采用VSC换流器，使混合直流输电向无源网络供电成为可能，同时在整流侧采用LCC换流器，与VSC-HVDC相比，H-HVDC系统降低了投资成本，提高了经济效益。该类模型非常适合于单向电力传输，减少了整个系统的成本和功率损耗，可以应用于对小岛、孤立负荷和偏远山区供电。
(2) 鉴于混合直流向无源网络供电的特殊性，需要稳定逆变侧无源网络的电压，逆变侧VSC的控制方式特定要求为定交流电压模式，通过系统的稳态与暂态特性研究仿真，验证了该控制方式选择的正确性。
(3) 通过在整流侧和逆变侧换流母线施加三相接地短路故障以及单极闭锁故障仿真，仿真结果表明了H-HVDC系统具有较好的抗干扰能力，在故障发生时能够迅速恢复到稳定状态。
原标题：伪双极LCC-VSC型混合高压直流输电系统向无源网络供电的研究
