CN102857086A - 一种三端柔性直流输电系统的启动方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种三端柔性直流输电系统的启动方法及装置，在三端柔性直流输电系统中设有三个换流站，其特征在于，1）将其中两个换流站设为送端换流站，一个换流站为受端换流站，三个换流站之间通过直流线路连接；2）三端柔性直流输电系统基于自励预充电启动，在不可控阶段，所有大功率开关器件IGBT信号无法上位即处于闭锁状态，通过串接限流电阻器对子模块电容充电；在可控阶段，解锁大功率开关器件IGBT控制信号以利于控制子模块电容器继续充电，当电容电压接近预设水平，切除限流电阻，切换到正常运行模式状态；3）三端柔性直流输电系统在三端控制器作用下，逐渐进入预定的稳态运行模式，启动过程完成。本发明可有效减少系统启动对电网侧的影响，并具有逻辑清晰、可操作性强、可靠性高的特点。
Description
技术领域
本发明涉及直流输电系统的启动方法，尤其是一种三端柔性直流输电系统的启动方法及装置。属于电力系统输配电技术领域。
背景技术
柔性直流输电系统在直流输电领域的重要性日益增强，其多端系统（即系统内存在多个换流站）更可体现灵活输电的特点，但多端系统的启动控制是工程应用中必然面临且亟待解决的关键性问题。
目前柔性直流输电系统在世界范围已经有较多的工程应用，但全部都是基于双端系统进行设计的方案，两个换流站之间进行启动控制与传统直流工程没有太大差别。但在三端或三端以上的多端系统中，运行方式较双端系统更为多样，启动时需考虑的因素也更多，正确可靠的启动控制策略可使系统保持安全稳定运行，同时也能减少系统启动对电网的冲击。通过按照一定步骤顺序对交、直流侧开关设备的操作，换流器的解锁或闭锁，使直流功率按照给定速率上升或下降等操作来实现柔性直流输电系统的启动。如果顺序不正确，也会造成器件损坏，引发系统故障。
现有技术中，由于国内外还没有出现多端柔性直流输电系统的相关工程，因此关于多端柔性直流输电系统的启动策略，更没有相关的工程中实施。
随着柔性直流输电技术的发展，三端柔性直流输电系统已经成为技术发展的趋势，由于其在海岛送电上具有广泛的应用价值，针对两送端一受端的三端系统已逐步列入我国的工程规划中，因此针对此类三端柔性直流输电系统的启动控制策略就成为了亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的之一，是为了提供一种三端柔性直流输电系统的启动方法，该启动方法可应用于两送端一受端的三端柔性直流输电系统中的启动，能够安全、合理、经济地使系统由停运状态进入运行状态。
本发明的目的之二，是为了提供一种三端柔性直流输电系统的启动装置。
本发明的目的之一可以通过以下技术方案达到：
一种三端柔性直流输电系统的启动方法与策略，在三端柔性直流输电系统中设有三个换流站，其特征在于，
1）将其中两个换流站设为送端换流站（VSC1、VSC2），一个换流站为受端换流站（VSC3），三个换流站之间通过直流线路连接；
2）三端柔性直流输电系统基于自励预充电启动，包括不可控阶段和可控阶段；在不可控阶段，所有大功率开关器件IGBT信号无法上位即处于闭锁状态，通过串接限流电阻器及利用续流二极管对子模块电容充电，限制启动初期的过电流；在可控阶段，当模块电容电压达到一定值后，换流站子模块的大功率开关器件IGBT具有可控性，则解锁大功率开关器件IGBT控制信号以利于控制子模块电容器继续充电，当电容电压接近预设水平，则切除限流电阻，切换到正常运行模式状态，最终完成充电过程；
3）三端柔性直流输电系统在三端控制器作用下，逐渐进入预定的稳态运行模式，至此启动过程完成。
本发明涉及的三端柔性直流输电系统基于自励预充电启动，策略为包括两个基本阶段即不控阶段和可控阶段。在启动模式第一阶段，所有IGBT信号无法上位均处于闭锁状态，通过串接限流电阻器利用续流二极管对子模块电容充电，限制启动初期的过电流；当模块电容电压达到一定值后，即此时模块IGBT具有可控性，则解锁IGBT信号利于控制器继续充电的任务，当电容电压接近预设水平，则切除限流电阻，切换到正常运行模式状态，最终完成充电过程。
进一步地，前述步骤2）中涉及的完成充电过程，包括如下步骤：
（1）将各换流站的交流断路器和直流开关处于断开状态；
（2）闭合直流开关，闭合交流断路器S1，断开交流断路器S2并在该交流断路器处串入限流电阻Rlim，各换流器所连接的交流系统通过大功率开关器件IGB续流二极管向模块电容进行预充电；
（3）若充电达到预定值，在保证换流站有功功率及无功功率为零的条件下，解锁各换流站换流器的触发信号，使前述子模块电容电压在换流站换流器的控制器控制下继续进行充电；若充电未达到预定值，继续步骤2）对向模块电容进行预充电；
（4）当充电至接近额定值时，闭合交流断路器S2并断开限流电阻Rlim，切换换流站到定直流电压模式；完成换流器子模块充电过程。
进一步地，所述的自励预充电启动包括如下步骤：
1）初始阶段，各站的交流断路器和直流开关均处于断开状态，换流器各子模块不带电，换流器处于闭锁状态；
2）闭合直流开关，闭合换流站的交流断路器S1，断开换流站的交流断路器S2，串入限流电阻，各站进入不控整流阶段，各换流站所连交流系统通过IGBT续流二极管向模块电容进行充电，此为不控整流阶段；
3）当子模块电容预充电达到一定值后，依次解锁受端换流站、送端换流站之一、送端换流站之二的闭锁信号，子模块电容电压在各站换流器的控制器控制下继续进行充电，此期间采用有功功率控制和无功功率控制，控制器的参考值设为0、以限制过电流出现；
4）当子模块电容电压充电到较接近额定值时，闭合交流断路器S2，断开交流断路器S1，切除限流电阻，切换换流站2到定直流电压模式。在三端控制器作用下，逐渐进入预定的稳态运行模式，至此启动过程完成。
本发明的目的之二可以通过以下技术方案达到：
一种三端柔性直流输电系统的启动装置，包括a、b、c三相桥臂回路，每相桥臂回路设置若干个开关功率模块CDSM1-CDSMn，其结构特点在于：每个开关功率模块包含有二个开关功率器件T1、T2，所述开关功率器件由功率开关管IGBT并联一个续流二极管构成，二个开关功率器件T1、T2串联后与电容C并联，形成自励充电式启动电路。
进一步地，每相桥臂回路设置3-10个开关功率模块。
本发明具有如下突出的有益效果：
1、本发明根据三端柔性直流输电系统的运行特性，提出一种新的系统启动策略，具有三方面有益效果：第一、采用自励预充电方式，减少了设备投资，缩短了预充电时间，降低了系统复杂度。第二、有效减少系统启动对电网侧的影响，同时通过启动电阻及控制系统使过电压及过电流的影响减至最小。第三、该方案逻辑清晰，可操作性强，可靠性高。
2、本发明涉及的自励预充电启动方式是在每个开关功率模块形成自励充电式启动电路，该自励充电式启动电路包含T1、T2二个开关功率器件IGBT，每个IGBT各并联一个续流二极管D1、D2，二个IGBT串联后与模块电容C并联，具有电路结构简单、操作方便、系统启动快速的特点，可以保证系统安全可靠地运行。
附图说明
图1为本发明涉及的三端柔性直流输电系统的结构示意图。
图2为本发明涉及的换流站的一个桥臂的自励充电式启动示意图。
图3A-图3D是图2中开关功率模块的开关状态图。
图4为本发明涉及的系统启动流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细描述：
具体实施例1：
参照图1，本实施例一种三端柔性直流输电系统的启动方法与策略，在三端柔性直流输电系统中设有三个换流站，其特征在于，
1）将其中两个换流站设为送端换流站（VSC1、VSC2），一个换流站为受端换流站（VSC3），三个换流站之间通过直流线路连接；
2）三端柔性直流输电系统基于自励预充电启动，包括不可控阶段和可控阶段；在不可控阶段，所有大功率开关器件IGBT信号无法上位即处于闭锁状态，通过串接限流电阻器及利用续流二极管对子模块电容充电，限制启动初期的过电流；在可控阶段，当模块电容电压达到一定值后，换流站子模块的大功率开关器件IGBT具有可控性，则解锁大功率开关器件IGBT控制信号以利于控制子模块电容器继续充电，当电容电压接近预设水平，则切除限流电阻，切换到正常运行模式状态，最终完成充电过程；
3）三端柔性直流输电系统在三端控制器作用下，逐渐进入预定的稳态运行模式，至此启动过程完成。
参照图4，前述步骤2）中涉及的完成充电过程，包括如下步骤：
（1）将各换流站的交流断路器和直流开关处于断开状态；
（2）闭合直流开关，闭合交流断路器S1，断开交流断路器S2并在该交流断路器处串入限流电阻Rlim，各换流器所连接的交流系统通过大功率开关器件IGB续流二极管向模块电容进行预充电；
（3）若充电达到预定值，在保证换流站有功功率及无功功率为零的条件下，解锁各换流站换流器的触发信号，使前述子模块电容电压在换流站换流器的控制器控制下继续进行充电；若充电未达到预定值，继续步骤2）对向模块电容进行预充电；
（4）当充电至接近额定值时，闭合交流断路器S2并断开限流电阻Rlim，切换换流站到定直流电压模式；完成换流器子模块充电过程。
下面以某一桥臂充电为例进行自励预充电启动过程说明：
参照图2，该自励预充电启动包括如下步骤：
（1）初始阶段，各站的交流断路器和直流开关均处于断开状态，换流器各子模块不带电，换流器处于闭锁状态；
（2）闭合直流开关，闭合换流站的交流断路器S1，断开换流站的交流断路器S2，串入限流电阻，各站进入不控整流阶段，各换流站所连交流系统通过IGBT续流二极管向模块电容进行充电，此为不控整流阶段；
（3）当子模块电容预充电达到一定值后，依次解锁受端换流站、送端换流站之一、送端换流站之二的闭锁信号，子模块电容电压在各站换流器的控制器控制下继续进行充电，此期间采用有功功率控制和无功功率控制，控制器的参考值设为0、以限制过电流出现；
（4）当子模块电容电压充电到较接近额定值时，闭合交流断路器S2，断开交流断路器S1，切除限流电阻，切换换流站2到定直流电压模式。在三端控制器作用下，逐渐进入预定的稳态运行模式，至此启动过程完成。
所述自励预充电启动原理如下：
如图2所示，本发明涉及的三端柔性直流输电系统的启动装置，包括a、b、c三相桥臂回路，每相桥臂回路设置若干个开关功率模块CDSM1-CDSMn，每个开关功率模块包含有二个开关功率器件T1、T2，所述开关功率器件由功率开关管IGBT并联一个续流二极管构成，二个开关功率器件T1、T2串联后与电容C并联，形成自励充电式启动电路。
本实施例中，每相桥臂回路设置3个、4个、5个、6个、7个、8个、9个或10个开关功率模块。开关功率器件IGBT采用常规的开关功率器件。
本实施涉及的三端柔性直流输电系统的启动装置的工作原理如下：
在正常运行时二个开关功率器件IGBT的开关状态应处于互补状态。图3A-图3D给出了T1和T2在不同开关状态下开关功率模块端口电压Vx的状态。图3A、图3B所示为T1开通、T2关断时的状态，当开关功率模块电流方向为正时经过T1的正向开关，当电流方向为负时是经过T1的续流二极管，输出电压Vx总是等于直流电容的电压Vc。图3C、图3D所示为T1关断、T2开通时的状态，当开关功率模块电流方向为正时经过T2的续流二极管，当电流方向为负时经过T2的正向开关，交流端口总是相对于被短路，因此输出电压Vx总是等于0。因此可以定义换流单元的开关状态如下：
换流单元的交流端口的输出电压如下：
Vx=TxVC
因此，三相桥臂上管开通时换流单元输出电压为Vc，三相桥臂下管开通时换流单元输出电压为0。
需要说明的是：
正常启动包括从系统停运状态直到输送功率达到设定值的整个过程，所以为完成系统的正常启动，首先需要做的是对子模块电容进行预充电，这是整个过程的重要一步。子模块电容预充电的基本方式有两种：它励和自励。所谓它励就是利用额外配置的外电路装置如直流电源等对子模块电容进行充电；而自励方式则无需辅助直流电源充分利用交流系统，通过换流变压器、连接电抗器等构成的充电回路经与IGBT反并联的续流二极管对子模块电容进行充电，这种方式广泛应用于高压大容量的实际工程。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种三端柔性直流输电系统的启动方法，在三端柔性直流输电系统中设有三个换流站，其特征在于：
1）将其中两个换流站设为送端换流站（VSC1、VSC2），一个换流站为受端换流站（VSC3），三个换流站之间通过直流线路连接；
2）三端柔性直流输电系统基于自励预充电启动，包括不可控阶段和可控阶段；在不可控阶段，所有大功率开关器件IGBT信号无法上位即处于闭锁状态，通过串接限流电阻器及利用续流二极管对子模块电容充电，限制启动初期的过电流；在可控阶段，当模块电容电压达到一定值后，换流站子模块的大功率开关器件IGBT具有可控性，则解锁大功率开关器件IGBT控制信号以利于控制子模块电容器继续充电，当电容电压接近预设水平，则切除限流电阻，切换到正常运行模式状态，最终完成充电过程；
3）三端柔性直流输电系统在三端控制器作用下，逐渐进入预定的稳态运行模式，至此启动过程完成。
2.如权利要求1所述的一种三端柔性直流输电系统的启动方法，其特征在于：前述步骤2）中涉及的完成充电过程，包括如下步骤：
（1）将各换流站的交流断路器和直流开关处于断开状态；
（2）闭合直流开关，闭合交流断路器S1，断开交流断路器S2并在该交流断路器处串入限流电阻Rlim，各换流器所连接的交流系统通过大功率开关器件IGB续流二极管向模块电容进行预充电；
（3）若充电达到预定值，在保证换流站有功功率及无功功率为零的条件下，解锁各换流站换流器的触发信号，使前述子模块电容电压在换流站换流器的控制器控制下继续进行充电；若充电未达到预定值，继续步骤2）对向模块电容进行预充电；
（4）当充电至接近额定值时，闭合交流断路器S2并断开限流电阻Rlim，切换换流站到定直流电压模式；完成换流器子模块充电过程。
3.如权利要求1所述的一种三端柔性直流输电系统的启动方法，其特征在于，所述的自励预充电启动包括如下步骤：
1）初始阶段，各站的交流断路器和直流开关均处于断开状态，换流器各子模块不带电，换流器处于闭锁状态；
2）闭合直流开关，闭合换流站的交流断路器S1，断开换流站的交流断路器S2，串入限流电阻，各站进入不控整流阶段，各换流站所连交流系统通过IGBT续流二极管向模块电容进行充电，此为不控整流阶段；
3）当子模块电容预充电达到一定值后，依次解锁受端换流站、送端换流站之一、送端换流站之二的闭锁信号，子模块电容电压在各站换流器的控制器控制下继续进行充电，此期间采用有功功率控制和无功功率控制，控制器的参考值设为0、以限制过电流出现；
4）当子模块电容电压充电到较接近额定值时，闭合交流断路器S2，断开交流断路器S1，切除限流电阻，切换换流站2到定直流电压模式。在三端控制器作用下，逐渐进入预定的稳态运行模式，至此启动过程完成。
4.一种三端柔性直流输电系统的启动装置，包括a、b、c三相桥臂回路，每相桥臂回路设置若干个开关功率模块CDSM1-CDSMn，其特征在于：每个开关功率模块包含有二个开关功率器件T1、T2，所述开关功率器件由功率开关管IGBT并联一个续流二极管构成，二个开关功率器件T1、T2串联后与电容C并联，形成自励充电式启动电路。
5.根据权利要求4所述的一种三端柔性直流输电系统的启动装置，其特征在于：每相桥臂回路设置3-10个开关功率模块。
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