CN101359828B - 一种高压直流输电启动和运行方法 - Google Patents

Abstract

一种高压直流输电启动和运行方法，它是在HVDC输电系统上并联VSC-HVDC子系统，其共同受端为无源系统，所述HVDC输电系统由送端交流系统S₁、系统阻抗Z_s1、换流变压器T_s1、HVDC换流器及输电线路DC1构成，并通过断路器BRK与母线B1相联；所述VSC-HVDC子系统由送端交流系统S₂、系统阻抗Z_s2、换流变压器T_s2、VSC-HVDC换流器及输电线路DC2构成，并直接与母线B1相联；通过VSC-HVDC的作用使HVDC平稳重启，并能和VSC-HVDC共同为无源网络提供功率支持。本发明投入相对较少，能有效提高电力系统大停电后的恢复速度，缩短大停电时间，具有较大的实用价值。

Description

一种高压直流输电启动和运行方法

技术领域

本发明涉及一种改进的高压直流输电运行方式。

背景技术

随着经济和技术的不断发展，电力系统已经进入交直流混合输电的大电网时代。而电力系统的不断扩大使得高压直流输电(HVDC)的作用显得尤为突出。然而传统的高压直流输电(HVDC)其换流站广泛采用晶闸管作为换流器件，由于晶闸管的半控性，高压直流输电技术用于联网存在一些固有缺陷：

1.传统HVDC需要交流电网提供换相电流，此电流实际就是相间的短路电流，当交流电网发生故障或三相严重不对称等导致交流电势下降时，HVDC换流重叠角将增大，导致换相失败。对多馈入HVDC的交流系统，交流系统故障和直流输电线路发生故障时，容易诱发其它直流线路的连锁发应，对直流系统的安全运行和交流系统的稳定均造成严重威胁。

2.传统HVDC需要交流电网提供换相电流，这就要求受端系统必须是有源网络。而且即使当受端系统是有源网络，当其不具有足够的短路比时，HVDC也会发生连续换相失败的事故，在这种情况下，也只能令系统退出运行。

发明内容

本发明的目的在于克服普通HVDC系统固有的缺陷、提出一种当HVDC停运时，能够使其平稳重启并能输送一定功率的高压直流输电启动和运行方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种高压直流输电启动和运行方法，它是在HVDC输电系统上并联VSC-HVDC子系统，其共同受端为无源系统，所述HVDC输电系统由送端交流系统S₁、系统阻抗Z_s1、换流变压器T_s1、HVDC换流器及输电线路DC1构成，并通过断路器BRK与母线B1相联；所述VSC-HVDC子系统由送端交流系统S₂、系统阻抗Z_s2、换流变压器T_s2、VSC-HVDC换流器及输电线路DC2构成，并直接与母线B1相联；重启按如下方法进行：

所述VSC-HVDC整流侧采用定直流电压和无功功率方式控制；

使HVDC整流侧换流变压器换流阀带电；闭合BRK，使逆变侧的换流站换流变压器T_s2与公共母线B1相联，并使逆变侧换流变压器换流阀带电；

HVDC整流侧和逆变侧两端换流站分别进行直流侧开关设备的操作，实现直流回路连接；

在触发角等于90或大于90的条件下，先解锁逆变器，后解锁整流器；

逐步升高逆变侧直流电压直至运行整定值，使直流电压升高到1.0pu；

逐渐升高整流侧直流电流直至运行的整定值；所述电流整流值定为0.2pu；

当直流电压和直流电流均升到整定值时，启动过程结束，直流输电系统转入正常运行。

上述高压直流输电启动和运行方法，所述VSC-HVDC整流侧采用的定直流电压和无功功率的控制方式为d轴和q轴解耦的控制策略。

上述高压直流输电启动和运行方法，所述逆变器的调制度m₁由下式确定：

$m_1=\frac{2\sqrt{u_{c1d}^2+u_{c1q}^2}}{U_{\mathrm{dc}}},$

换流器输出电压的基波分量U_c和交流母线电压基波分量U_s间的相角差由下式确定：

${\mathrm{\δ}}_1=\arctan \frac{u_{c1d}}{u_{c1q}};$

上述高压直流输电启动和运行方法，随所述输电系统重启，逐步投入交流滤波器和无功补偿装置。

本发明提供了一种新型高压直流输电的启动和运行方式，它能够使停运的HVDC系统不是依靠传统的交流电网启动和运行，而是依靠VSC-HVDC系统启动和运行。传统HVDC需要交流电网提供换相电流，所以当其受端为无源网络时，HVDC不能运行。而本发明通过VSC-HVDC系统逆变侧的定交流电压的控制方式，可以使受端公共母线处的交流电压在额定值附近且稳定。此时投入HVDC及一些必要的滤波装置，可以使HVDC正常启动且稳定运行，并能输送一定的功率。本发明投入相对较少，能有效提高电力系统大停电后的恢复速度，缩短大停电时间，具有较大的实用价值。

附图说明

图1为VSC-HVDC原理图；

图2为本发明系统原理图；

图3为VSC-HVDC整流侧控制框图；

图4为VSC-HVDC逆变侧控制框图；

图5为HVDC从启动前一秒到稳定运行期间整流侧的直流电压和直流电流标么值波形；

图6为HVDC从启动前一秒到稳定运行期间逆变侧的直流电压和直流电流标么值波形；

图7为HVDC从启动前一秒到稳定运行期间向无源网络传输的有功功率波形；

图8为HVDC从启动前一秒到稳定运行期间逆变侧的关断角波形(稳定在29.7度)；

图9为HVDC从启动前一秒到稳定运行期间整流侧的触发角波形(稳定在21.2度)；

图10为HVDC从启动前一秒到稳定运行期间逆变侧交流电压有效值的标么值波形；

图11为HVDC从启动前一秒到稳定运行期间逆变侧交流电压瞬时值的标么值波形在一个很小区间的细致体现；

图12为HVDC从启动前一秒到稳定运行期间VSC-HVDC传输的有功功率波形。

图中各标号表示为：L、换流电抗器等效电感；R、VSC功率损耗等效电阻；U_s、系统电压；S₁、HVDC系统的送端交流系统；HVDC系统的送端系统阻抗Z_s1；T_s1、HVDC系统的送端换流变压器；DC1、HVDC系统输电线路；T_r1、HVDC系统的逆变侧变压器；Zr、无源网络侧的等值阻抗；Lr、交流输电线路等值电感；S₂、VSC-HVDC子系统的送端交流系统；Z_s2、VSC-HVDC子系统的系统阻抗；T_s2、VSC-HVDC子系统的换流变压器；DC2、VSC-HVDC输电线路；T_r2、VSC-HVDC子系统逆变侧变压器；AC Filter、交流滤波器；BRK、断路器；B1、母线；Ps、无源网络所需有功功率；Qs、无源网络所需无功功率；U_dref、直流母线电压参考值；U_dc、直流母线电压测量值；i_1dref、整流侧交流电流参考值；i_1d、整流侧交流电流测量值的d轴分量；u_s1d、整流侧系统交流电压d轴分量；U_s1q、整流侧系统交流电压q轴分量；u_c1d.整流换流器输出电压d轴分量；u_c1q、整流换流器输出电压q轴分量；单元1、表示函数关系

单元2、表示函数关系为：Q_1ref为整流侧交流系统输出无功功率参考值；U_Blref.VSC-HVDC逆变侧交流电压参考值；

具体实施方式

本发明利用VSC-HVDC子系统协助HVDC系统进行重启和运行。在此过程中，HVDC已经由于某种原因退出运行，通过断路器BRK与母线B1相联。如图2所示，VSC-HVDC子系统正常运行，供电无源网络。

VSC-HVDC(Voltage Source Converter based High Voltage Direct Current，VSC-HVDC)以全控型器件为开关器件，具有以下主要优点：

a.能给无源网络提供电源；b.能对有功和无功进行独立快速的控制，可运行在有功和无功四个象限状态；C.能为交流侧提供快速的无功支持，起到STATCOM的作用；d.整流侧和逆变侧不需要进行通信，可以分别独立控制。

图中，联网的VSC-HVDC整流侧采用了定直流电压和无功功率的控制方式，具体采用d轴和q轴解耦的控制策略，即通过派克变换，推导出VSC-HVDC在dq同步旋转坐标系下的连续时间状态空间模型，来实现定直流电压和无功功率控制的目的，控制框图如图3所示。图3中除PWM触发脉冲模块和锁相环外其余部分为控制算法关系示意图，单元1和单元2为控制函数关系，由于VSC-HVDC供电无源网络，所以逆变侧采用的是定交流电压的控制方式，控制框图如图4所示。

图中，若U_c为换流器输出电压的基波分量；U_s为交流母线电压基波分量；δ为U_c和U_s间的相角差；换流器采用PWM控制，m为调制度。u_s1d，u_s1q分别为整流侧系统交流电压d轴和q轴分量；u_c1d，u_c1q分别为整流换流器输出电压d轴和q轴分量；单元1的函数关系为：

单元2的函数关系为：

在重启HVDC时，VSC-HVDC子系统已经稳定运行。由于VSC-HVDC子系统逆变侧采用定交流电压的控制方式，通过其控制系统的作用，母线B1处的交流电压稳定在1.0pu，此时闭合断路器BRK，然后启动HVDC。

HVDC启动步骤为：

1HVDC整流侧的换流站换流变压器T_s1与送端交流系统(S1)之间的断路器合上，使整流侧换流变压器换流阀带电；同时闭合BRK，使逆变侧的换流站换流变压器T_s2与公共母线B1相联，使逆变侧换流变压器换流阀带电；

2HVDC整流侧和逆变侧两端换流站分别进行直流侧开关设备的操作，以实现直流回路的连接(为了突出本发明的关键，开关设备并未在图2中表示出，图2只是HVDC启动时的中间状态)；

3HVDC整流侧和逆变侧两端换流站分别投入适量的交流滤波器支路；

4在触发角等于90或大于90的条件下，先解锁逆变器，后解锁整流器；由于仿真软件本身有一定的理想化，为了使仿真时的启动条件恶劣些，在仿真时整流器和逆变侧同时解锁；

5逆变侧的直流电压调节器(或关断角调节器)按启动过程对直流电压变化规律(一般为直线变化)的要求，逐步升高直流电压直至运行的整定值(或关断角整定值)。在本仿真中，直流电压升高到500kV(1.0pu)；

6与此同时，整流侧的电流调节器按启动过程中对直流电流变化规律(一般为直线变化)的要求，逐渐升高直流电流直至运行的整定值；考虑到HVDC与VSC-HVDC电压等级和容量的配合，以及为了保证HVDC启动和运行时VSC-HVDC子系统也能正常运行，电流整流值定为0.2pu。

7在直流电压和直流电流均升到整定值时，启动过程结束，直流输电系统转入正常运行。

在投入HVDC时，逐步投入交流滤波器和无功补偿装置。

针对图2所示的系统结构进行仿真分析。初始状态时，VSC-HVDC对无源网络供电，负荷大小为300MW，5秒前已处于稳态，且母线B1处的交流电压在额定值附近。在5秒时闭合断路器BRK，5.04秒给HVDC触发脉冲。

HVDC的系统容量为1000MW，额定直流电压为500kV，额定直流电流为0.2KA。控制策略为，整流侧为定直流电流控制和最小触发角(5度)控制，逆变侧为定关断角和定直流电流控制，且设有低压限流环节(VDCOL)。为了保证HVDC系统能启动成功，设定初始运行功率小些。在这里整流侧直流电流设定值在0.2pu(对应的功率设定值为200MW)。在10秒左右，整个系统达到稳定。此时，HVDC整流侧的直流电压在1.0pu，直流电流在0.2pu，整流侧触发角为21.2度，逆变侧关断角为29.7度，母线B1处的交流电压很稳定且畸变很小，HVDC和VSC-HVDC共同承担300MW的负荷需求。

上述实施例的仿真实验表明，本发明提供的高压直流输电运行方式完全可行，当受端系统是无源网络时，HVDC可以依靠VSC-HVDC顺利启动和稳定运行，并且能向无源网络传送一定的功率。

Claims (5)

1.一种高压直流输电启动和运行方法，其特征在于，在HVDC输电系统上并联VSC-HVDC子系统，其共同受端为无源系统，所述HVDC输电系统由送端交流系统(S₁)、系统阻抗(Z_s1)、换流变压器(T_s1)、HVDC换流器及输电线路(DC1)构成，并通过断路器(BRK)与母线(B1)相联；所述VSC-HVDC子系统由送端交流系统(S₂)、系统阻抗(Z_s2)、换流变压器(T_s2)、VSC-HVDC换流器及输电线路(DC2)构成，并直接与母线(B1)相联；重启按如下方法进行：

所述VSC-HVDC子系统整流侧采用定直流电压和无功功率方式控制，逆变侧采用定交流电压方式控制；

使HVDC整流侧换流变压器换流阀带电；闭合断路器(BRK)，使逆变侧的换流站换流变压器(Tr1)与母线(B1)相联，并使逆变侧换流变压器换流阀带电；

HVDC整流侧和逆变侧两端换流站分别进行直流侧开关设备的操作，实现直流回路连接；

在触发角等于90或大于90的条件下，先解锁逆变器，后解锁整流器；

逐步升高逆变侧直流电压直至运行整定值，使直流电压升高到1.0pu；

逐渐升高整流侧直流电流直至运行的整定值；所述电流整流值定为0.2pu；

当直流电压和直流电流均升到整定值时，启动过程结束，直流输电系统转入正常运行。

2.根据权利要求1所述的高压直流输电启动和运行方法，其特征在于，所述VSC-HVDC子系统逆变侧采用定交流电压的控制策略。

3.根据权利要求2所述的高压直流输电启动和运行方法，其特征在于，所述VSC-HVDC子系统整流侧采用的定直流电压和无功功率的控制方式为d轴和q轴解耦的控制策略。

4.根据权利要求3所述的高压直流输电启动和运行方法，其特征在于，所述逆变器的调制度m₁由下式确定：

$m_1=\frac{2\sqrt{u_{\mathrm{cld}}^2+u_{\mathrm{clq}}^2}}{U_{\mathrm{dc}}},$

式中，u_c1d为整流换流器输出电压d轴分量，u_c1q为整流换流器输出电压q轴分量，

为直流母线电压测量值；

换流器输出电压的基波分量

和交流母线电压基波分量

间的相角差由下式确定：

${\mathrm{\δ}}_1=\arctan \frac{u_{\mathrm{cld}}}{u_{\mathrm{clq}}}.$

5.根据权利要求4所述的高压直流输电启动和运行方法，其特征在于，随所述输电系统重启，逐步投入交流滤波器和无功补偿装置。

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