基于模块化的多电平换流器的柔性直流输电（Modular Multilevel Converter Based High Voltage Direct Current，MMC-HVDC）技术采用全控型电力电子器件，可以实现有功和无功独立控制，在新能源发电联网、异步电网互联及孤岛供电等领域具有显著优势[1]。孤岛电网内的负荷用电量逐渐增加，其配套电源难以满足岛内日益增长的用电需求，采用MMC-HVDC向孤岛供电是有效的解决方案之一。采用传统电流矢量控制的MMC-HVDC在孤岛运行方式下存在响应特性和稳定性不佳等问题[2]。发生故障时，孤岛系统的稳定运行将面临巨大风险。已有研究大部分仅通过改变MMC控制方式提高孤岛系统的运行稳定性，未考虑系统内多设备间的协调配合[3-4]。因此，如何充分利用双极MMC运行方式灵活的优势和挖掘孤岛系统内设备的调控能力，对实现双极MMC-HVDC孤岛供电系统直流故障穿越具有重要意义[5]。文章针对双极MMC-HVDC向、含有双馈异步发电机（Doubly-fed Induction Generator，DFIG）风电场的孤岛供电系统，提出一种协调配合的直流故障穿越协调控制策略。通过合理设计双极MMC的控制切换方案以及风电场精确提升输出功率的控制策略，实现孤岛系统内功率缺额的快速平衡，通过搭建双极MMC-HVDC孤岛供电仿真模型，验证2种工况下故障穿越控制策略的有效性。1高压柔性直流孤岛供电系统结构双极MMC-HVDC孤岛供电系统结构如图1所示。10.19301/j.cnki.zncs.2022.01.009.F001图1双极MMC-HVDC孤岛供电系统结构孤岛系统内，由DFIG风电场与MMC-HVDC共同为本地负荷供电。孤岛系统惯性和阻尼较低，其频率稳定性较差，风电场应具有灵活快速的功率调节能力。因此，系统稳态运行时，风电场可以工作在超速减载备用状态，使其留有一定调节容量，提高孤岛系统的运行稳定性。直流系统采用对称双极带金属回线的接线方式，换流站由正、负两个半桥型MMC构成，通过DCCB、直流架空线与对端进行连接，配置母线开关，实现运行方式的有效切换。对称双极接线方案具有运行方式灵活，可靠性高等优点，其运行方式主要可以分为双极带金属回线单端接地运行、单极带金属回线单端接地运行、双极不带金属回线双端接地运行（此时为临时运行方式）、双极或单极STATCOM运行。双极MMC-HVDC孤岛供电系统处于稳态时，使用双极带金属回线单端接地运行方式，换流站一极发生故障导致该极无法继续传输功率时，可以快速切换至单极带金属回线单端接地运行方式，利用非故障极转带全部或部分故障极功率，提高孤岛系统供电可靠性和运行稳定性。2直流故障穿越协调控制策略针对双极MMC-HVDC孤岛供电系统，靠近孤岛侧MMC的直流架空线发生永久性单极接地故障时，故障点电压瞬间跌落至零，子模块电容向短路点放电，导致MMC交流出口电压降低，严重威胁系统的安全运行。本研究采用DCCB在换流站闭锁前隔离故障，避免孤岛侧电压和频率因偏差过大失去控制。但在故障隔离后，故障极MMC无法继续传输功率，导致孤岛系统出现功率缺额。此时，可以利用双极MMC的功率转带能力和风电场的功率调控能力，快速维持孤岛系统的功率平衡，在降低故障影响范围的同时实现故障穿越。DCCB隔离故障后，利用双极MMC-HVDC的功率转带能力，提升其非故障极的传输功率，快速弥补孤岛系统的功率缺额，有效降低单极退出运行对孤岛系统的不利影响。根据非故障极MMC的有功调节裕量与功率缺额的大小关系，将故障隔离后的功率转带情景分为自平衡和非自平衡2种工况。（1）自平衡工况。自平衡工况下，非故障极MMC能够完全弥补孤岛功率缺额，满足约束条件（无功功率为0的情况下）。此时，风电场无须参与功率调节，可以维持正常运行状态。Sn-Ph≥ΔP （1）式中：Sn、Ph——非故障极MMC的额定容量和稳态运行时的有功功率；ΔP——故障隔离后孤岛系统的功率缺额。（2）非自平衡工况。非自平衡工况下，非故障极MMC无法完全弥补孤岛系统功率缺额。应控制非故障极MMC运行在满发状态，缓解孤岛侧的调节压力，提升风电场输出功率，弥补剩余功率缺额，维持孤岛系统功率平衡。计算电场需要增发功率ΔPWF。ΔP-Sn-Ph=ΔPWF （2）DCCB隔离故障后，应根据实际非故障极MMC的功率转带能力，分别设计2种工况下的直流故障穿越协调控制策略，在实现故障穿越的同时尽可能降低故障影响范围。2.1自平衡工况下协调控制策略直流架空线发生短路接地故障后，DCCB可以在6 ms内实现故障隔离（故障检测及定位3 ms，DCCB开断3 ms）。故障前，系统运行状态为自平衡工况时，协调控制策略主要包含2个步骤。步骤1：故障极MMC控制方式切换。接收故障穿越信号后，故障极MMC切换至定电容电压和交流电压控制，维持交流电压和直流电压稳定，虚拟同步控制环节中的有功功率参考值设置为0，产生参考相位。步骤2：非故障极MMC控制方式切换。为了提高非故障极MMC的有功传输能力，将非故障MMC定交流电压控制切换至无功-电压下垂控制，将其无功参考值设置为0，对非故障极MMC有功功率参考值增加修补量。2.2非自平衡工况下协调控制策略应控制非故障极MMC运行在满发状态，降低单极退出运行对孤岛系统的影响，剩余功率缺额时，需要通过提升风电场输出功率弥补，维持孤岛系统功率平衡。系统稳态运行时，风电场内各DFIG均运行于d%减载曲线。d%=(1-P0PMPPT)×100% （3）式中：P0——风电场稳态运行时输出的功率。风电场接收增载信号后，计算风电场增载后、系统稳定时的减载水平d'%，将DFIG的运行曲线切换至d'%减载曲线。P'-P0=ΔPWF （4）d'%=d%-ΔPWFPMPPT×100% （5）式中：P'——风电场参与协调控制策略后稳定时的输出功率；PMPPT——当前风速下风电场能够输出的最大功率风机捕获的机械功率小于输出的电磁功率，其转速逐渐降低，释放动能，捕获的机械功率升高，运行点向d'%减载曲线移动，最终稳定运行于d'%减载曲线。风机功率特性曲线如图2所示。10.19301/j.cnki.zncs.2022.01.009.F002图2风机功率特性曲线非自平衡工况下对MMC控制策略的调节与2.1节相似，非故障极MMC有功功率参考值应设置为1，使其运行于满发状态。孤岛侧MMC通过快速通信向风电场传递增载信号，利用风电场增载控制策略精确提升其有功出力，维持孤岛系统功率平衡。非自平衡工况下，功率缺额由两方面弥补，分别为非故障极提升的传输功率和风电场增发的有功功率。3仿真分析为验证高压柔性直流输电系统故障穿越控制策略的可行性，在Matlab仿真软件搭建双极MMC-HVDC孤岛供电系统结构的仿真模型。3.1自平衡工况下仿真验证为了验证自平衡工况下直流故障穿越策略的可行性，设定稳态运行时孤岛本地负荷为630 MW，孤岛侧MMC两极各传输功率的标幺值为0.4，即200 MW；风电场输出的有功功率为230 MW，忽略线路、变压器等损耗。t=5 s时，正极直流架空线发生永久性单极短路接地故障；t=5.006 s时，DCCB隔离故障，采取故障穿越控制策略。自平衡工况下孤岛供电系统仿真结果如图3所示。10.19301/j.cnki.zncs.2022.01.009.F003图3自平衡工况下孤岛供电系统仿真结果由图3可知，自平衡工况下，协调控制策略可以快速实现功率平衡，有效降低故障影响范围，可以维持孤岛供电系统安全稳定运行。3.2非自平衡工况下仿真验证为了验证非自平衡工况下直流故障穿越策略的有效性，设定稳态运行时孤岛本地负荷为780 MW，孤岛侧MMC两极各传输0.55 pu，即275 MW，风电场输出有功功率为230 MW。非自平衡工况下非故障极MMC无法完全转带故障极功率，导致孤岛系统出现功率缺额。非自平衡工况下孤岛供电系统仿真结果如图4所示。10.19301/j.cnki.zncs.2022.01.009.F004图4非自平衡工况下孤岛供电系统仿真结果由图4可知，非自平衡工况下，利用非故障极的功率转带能力和风电场的有功调节能力有效维持系统功率平衡，提高MMC-HVDC孤岛供电系统直流故障穿越能力。4结语针对双极高压柔性直流孤岛供电系统，研究提出一种改进型的故障穿越控制策略，设计自平衡和非自平衡工况下双极MMC控制方式的切换方案及其与风电场的协调控制策略，有效提高高压柔性直流输电系统的故障穿越能力。