CN102891497A

CN102891497A - 利用静止同步补偿启动极弱受端高压直流输电系统的方法

Info

Publication number: CN102891497A
Application number: CN2012103596046A
Authority: CN
Inventors: 赵成勇; 倪俊强; 张岩坡; 郭春义
Original assignee: North China Electric Power University
Current assignee: North China Electric Power University
Priority date: 2012-09-24
Filing date: 2012-09-24
Publication date: 2013-01-23

Abstract

本发明公开了属于高压直流输电技术领域的一种利用静止同步补偿启动极弱受端高压直流输电系统的方法。该系统是将STATCOM与HVDC并联接到交流系统的同一母线上， STATCOM子系统通过换流电抗（X₁）与HVDC子系统受端交流系统同一母线连接。启动方法采用分步启动的方式，启动过程中STATCOM子系统采用串联限流电阻和电流解耦及电压前馈控制的复合控制；HVDC子系统采用软启动，启动过程中逐渐增大电流调节器的整定值，直到启动结束。本发明能够实现在受端系统为极弱交流系统下启动HVDC系统至额定运行状态，改善HVDC受端交流系统的电压特性，避免HVDC系统发生换向失败。

Description

利用静止同步补偿启动极弱受端高压直流输电系统的方法

技术领域

本发明属于高压直流输电技术领域，特别涉及一种利用静止同步补偿启动极弱受端高压直流输电系统的方法。

背景技术

高压直流输电（High Voltage Direct Current，HVDC）自从20世纪50年代在电力系统中得到应用以来，得到了巨大的发展，成为现代电力电子技术在电力系统中最成功的应用之一。据统计，1954-2004年间，世界上已投运的HVDC工程有95项，其中绝大部分工程采用普通晶闸管换流阀进行换流。自1987年舟山直流输电工程以来，我国已建成投运的高压直流输电工程有19项。

由于HVDC换流器采用无自关断能力的普通晶闸管作为换流元件，HVDC运行需要交流系统提供换相电流以实现换相，使得HVDC的运行可靠性受两端交流电网影响。HVDC需要交流电网提供换相电流，这个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压下降时，HVDC的换流重叠角将增大，容易导致换相失败。因此要保证换相可靠，受端交流系统必须具有足够的容量，即必须有足够的短路比（Short Circuit Ratio，SCR）。

同时，按照SCR的值，可以将交流系统分为三类：如果SCR大于3，强系统；如果SCR在2至3之间，弱系统；如果SCR小于2，极弱系统。

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 DirectCurrent，VSC-HVDC）得到了快速发展。ABB公司率先进行了VSC-HVDC输电实验。1997年3月世界上第一个采用IGBT组成电压源型换流器的直流输电工业性试验工程在瑞典中部投入运行，其输送功率和电压为3MW、10kV，输送距离为10km。截至到目前，全世界有16项VSC-HVDC输电工程，最大容量达到了2×1000MW(INELFE 法国-西班牙联网工程)，直流电压为500kV。

与传统HVDC相比，VSC型换流器具有以下主要技术特点：

（1）VSC型换流器的电流能够自关断，不需要外加的换相电压，克服了HVDC受端必须是有源网络的根本缺陷。（2）VSC不仅不需要交流侧提供无功功率，而且能够动态补偿交流母线的无功功率，稳定交流母线电压。（3）正常运行时VSC可以同时且相互独立控制有功功率、无功功率，控制更加灵活方便。而传统HVDC中控制量只有触发角，只能控制有功功率，对无功功率的调节能力则很弱。

FACTS技术是通过在电力系统中加装电力电子装置，增强对电压、电流和功率的可控性，增大电力传输能力的技术。目前，已获得工业应用的第一代FACTS产品是静止无功补偿器（Static Var Compensator，SVC），第二代产品是静止同步补偿器（Static Synchronous Compensator，STATCOM），两者都是并联在电网中，起无功支撑的作用，但从装置工作性能和补偿原理上来看，STATCOM都要优于SVC。1980年，日本三菱公司首次成功研制基于晶闸管的±20Mvar的STATCOM。据不完全统计，自STATCOM问世至2004年底，全世界已投入工业运行的大容量（10Mvar及以上）STATCOM工程超过20个，总的可控容量超过3000Mvar。STATCOM自问世以来的短短三十年，得到飞速的发展，STATCOM在抑制母线电压振荡、提高系统暂态电压稳定水平方面作用突出。

鉴于上述背景，发明人提出将STATCOM接入HVDC系统受端交流系统母线，组成混合直流输电系统，利用STATCOM对电压的控制支撑作用，来启动极弱受端交流系统（SCR=1.5）中的HVDC系统，从而克服HVDC存在的极弱受端系统中的启动问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用静止同步补偿启动极弱受端高压直流输电系统的方法，其特征在于，所述利用静止同步补偿启动极弱受端高压直流输电的系统是STATCOM子系统和HVDC子系统并联接到交流系统的母线上；送端交流系统S₁连接第一系统阻抗Z₁，第一系统阻抗Z₁、第一滤波器LB1 和HVDC子系统第一换流变压器T₁共同连接到B1母线上，所述HVDC子系统由第一换流变压器T₁、整流器、直流输电线路、逆变器和第二换流变压器T₂串联后第二滤波器LB2连接在B2母线上；所述STATCOM子系统包括在VSC换流器的输出端分别连接第一电容C1及第二电容C2，第一电容C1及第二电容C2的公共节点接地；在VSC换流器的输入端经过第三换流变压器T₃连接到B3母线上构成；B3母线通过换流电抗X₁与B2母线连接；B2母线再与第二系统阻抗Z₂及受端交流系统S₂串联连接；HVDC子系统的B2母线和STATCOM子系统的B3母线之间距离较短或零距离。

所述STATCOM子系统通过换流电抗X₁连接在HVDC子系统受端交流系统S₂的B2母线上，即 STATCOM子系统与HVDC子系统在HVDC子系统的受端交流系统S₂的B2母线上并联连接。

一种利用静止同步补偿启动极弱受端高压直流输电系统的方法，将STATCOM子系统和HVDC子系统并联接到HVDC受端交流系统的同一B2母线上，其特征在于，启动步骤如下：

1）在启动时，采用分步启动的方式，启动过程中STATCOM子系统采用串联限流电阻和电流解耦及电压前馈控制的复合控制策略；HVDC子系统采用软启动，启动过程中逐渐增大电流调节器的整定值，直到启动结束，完全切换为正常运行时的控制策略；

2）在正常运行时，所述的HVDC子系统的整流器采用定直流电流控制方式，逆变器采用定熄弧角控制；所述的STATCOM子系统的VSC换流器采用定直流电压和定交流电压的控制方式。

本发明的有益效果是与现有HVDC系统启动比较，能够在受端交流系统为极弱交流系统下启动HVDC系统至额定运行状态。现有HVDC系统的整流器和逆变器，大部分连接于比较强的交流系统，交流系统均可以提供足够大的换相电流，从而避免换相失败的发生，其启动过程就容易实现，而在HVDC子系统的受端交流系统为极弱受端的系统中，启动过程的HVDC子系统从零功率过渡到额定功率，通过STATCOM的对无功功率的快速控制能力，可改善HVDC逆变站交流系统的电压特性，减少HVDC系统发生换向失败，实现极弱受端HVDC系统的启动。

附图说明

图1为HVDC和STATCOM组成的系统模型。

图2为STATCOM子系统控制系统结构图。

图3为启动过程中HVDC子系统受端交流系统母线B2电压有效值。

图4为启动过程中HVDC子系统直流电压。

图5为启动过程中HVDC子系统直流电流。

图6为启动过程中STATCOM子系统直流电压。

图7为启动过程中HVDC子系统逆变器关断角。

具体实施方式

本发明提供的一种利用静止同步补偿器启动极弱受端高压直流输电系统的方法。下面结合附图对本发明予以说明。

所述利用静止同步补偿器启动极弱受端高压直流输电系统的方法说明如下：

系统图如图1所示，图中，将STATCOM与HVDC并联接到受端交流系统的同一B2母线上，送端交流系统S₁连接第一系统阻抗Z₁，第一系统阻抗Z₁、第一滤波器LB1 和HVDC子系统第一换流变压器T₁共同连接到B1母线上，所述HVDC子系统由第一换流变压器T₁、整流器、直流输电线路、逆变器和第二换流变压器T₂串联后第二滤波器LB2连接在B2母线上；所述STATCOM子系统包括在VSC换流器的输出端分别连接第一电容C1及第二电容C2，第一电容C1及第二电容C2的公共节点接地；在VSC换流器的输入端经过第三换流变压器T₃连接到B3母线上构成；B3母线通过换流电抗X₁与B2母线连接；B2母线再与第二系统阻抗Z₂及受端交流系统S₂串联连接；HVDC子系统的B2母线和STATCOM子系统的B3母线之间距离较短或零距离。

STATCOM凭借其优良的动态特性，能够显著提高输电系统的动态性能，即系统抗扰动能力。根据不同的系统需求，STATCOM 可实现节点电压控制、功率振荡抑制、提高系统静态/暂态稳定极限等功能。

为提高HVDC系统交流侧电压的稳定性，尤其在HVDC系统的启动过程中，交流电压控制是必要的，故在STATCOM的VSC换流器采用定交流电压控制方式。同时由于STATCOM需要维持自身直流电压的稳定，来保证其对无功功率和电压的调节能力，故在STATCOM的VSC换流器还必须同时采用定直流电压控制方式。对于STATCOM，根据其控制的物理量，可以分为直流电流控制和间接电流控制。其中间接电流控制多用于大容量的STATCOM，符合前述系统。间接电流控制是通过STATCOM逆变器所产生交流电压基波的相位和幅值，来间接控制STATCOM的交流侧电流。PWM的调制波相位δ和调制度M可同时且独立地进行调节。如图2所示，采用dq分解法检测STATCOM吸收的无功和有功电流、交流电压和直流电压的反馈控制，且直流电压调节器的输出作为有功电流的参考值，交流电压调节器的输出作为无功电流的参考值。

STATCOM定直流电压和交流电压控制控制系统如图2所示。所涉及的主要变量和关系式如下：U为HVDC子系统受端交流系统的交流母线B2的电压基波相量，u_d、u_q为U的d、q轴分量；U_dc为STATCOM的实际直流电压；U_c为STATCOM交流侧母线B3的电压基波相量；δ为U_c滞后U的角度；U_ref和U_dcref为被控量母线B2电压和STATCOM直流电压的参考输入即设定值；i_d、i_q为HVDC子系统受端交流系统母线B2与STATCOM交流侧母线B3之间交换电流的d轴、q轴分量；wL中的L为换流电抗器以及换流变压器T3的电感之和，w=2πf=100π；M为STATCOM所采用PWM技术的调制度。在图2中，箭头表示信号的传输方向；

表示求和单元，箭头指向

表示为求和单元的输入，箭头离开

表示为求和的输出结果；PI为比例积分控制器，表示对输入的信号进行比例积分运算后并输出；wL为数乘器，表示将输入信号进行乘以wL的运算；STATCOM控制系统中的单元1和单元2为数学运算单元，其中单元1的输出信号与输入信号关系为：δ=arctan(B/A)；单元2的输出信号与输入信号关系为：M=2[(A)²+(B)²]^1/2/U_dc。

所得到的相位δ和调制度M输入PWM触发脉冲产生模块以产生触发信号。

针对图1所涉及的系统进行仿真分析。该系统含有1条传统直流输电线路。HVDC子系统采用CIGRE直流输电标准测试系统，其受端交流系统在保证其交换功率同CIGRE直流输电标准测试系统一致的前提下，改变为极弱受端交流系统，SCR=1.5；STATCOM子系统参数为：直流电压整定值U_dc=200kV，直流电容C₁=C₂=400μF。

HVDC子系统的控制方式为：整流器采用定电流控制和最小触发角限制；逆变器采用定熄弧角控制和定电流控制。所有控制方式均采用比例积分调节器。此外，整流器和逆变器均配有依赖电压的电流定值限制(voltage dependent current order limit，VDCOL)控制。VDCOL控制可避免逆变器长时间换相失败，改善故障后直流系统的恢复特性。

而STATCOM子系统控制方式采用定直流电压和定交流电压的控制方式，以达到稳定STATCOM自身直流电压和系统交流母线电压的目的。

利用STATCOM启动极弱受端HVDC的方法共分为两个过程，首先是STATCOM子系统并入交流系统；其次是利用STATCOM启动极弱受端HVDC系统。

STATCOM子系统并网启动：

启动初期，闭锁STATCOM的触发脉冲，投入限流电阻（一段时间后切除），通过续流二极管向电容充电（图1中VSC换流器内）。直流电压稳定后，检测直流电压未达到额定值200kV，解锁STATCOM的触发脉冲，通过其自身的定直流电压控制来完成STATCOM的并网启动，直到直流电压稳定在额定值，此过程结束。

HVDC子系统启动：

（1）HVDC系统两端换流站换流变压器网侧断路器分别合闸，使换流变压器T1、T2和换流阀带电；

（2）HVDC系统逆变器侧滤波器2的一组交流滤波器支路投入；

（3）在触发角大于90°的条件下，先解锁HVDC子系统的逆变器，后解锁整流器；

（4）调节逆变器关断角调节器，逐步升高直流电压，同时降低关断角整定值至额定值；

（5）整流器电流调节器整定值初值设置为0.1pu，按直线规律上升至运行的额定值；

（6）在此过程中，随着直流功率的上升，为满足无功补偿，逐组投入交流滤波器和固定电容器；

（7）在直流电压和直流电流均升到额定值时，启动过程结束，系统转入正常运行。

利用STATCOM启动极弱受端HVDC系统过程中HVDC子系统受端交流系统母线B2电压、直流电压、直流电流以及STATCOM子系统的直流电压如图3至图6所示。

由图3可见，在启动过程中，交流母线电压基本维持在额定值，最大波动不超过0.1pu；图4和图5可以看出，HVDC子系统直流电压和直流电流按照设定值发生变化，其中产生了几次突变，这是由于大容量无功补偿设备（交流滤波器和固定电容器）投入造成的；图6表明，STATCOM子系统的直流电压在启动过程中会有一个过冲，但在允许的范围之内，STATCOM子系统直流电压，在整个启动过程中基本维持在额定值；图7表明，在整个的启动过程中，HVDC子系统关断角一直大于临界关断角，没有发生换相失败。

上述实施的仿真实验表明，所发明的利用STATCOM启动极弱受端HVDC系统的方法，通过STATCOM和HVDC系统两者的协调控制，可以良好的启动极弱受端交流系统中的HVDC系统至额定运行状态，启动过程中波动较小，没有发生换相失败，实现了极弱受端交流系统下的HVDC系统的启动。

Claims

1.一种利用静止同步补偿启动极弱受端高压直流输电系统的方法，其特征在于，所述利用静止同步补偿启动极弱受端高压直流输电的系统是STATCOM子系统和HVDC子系统并联接到交流系统的母线上；送端交流系统（S₁）连接第一系统阻抗（Z₁），第一系统阻抗（Z₁）、第一滤波器（LB1 ）和HVDC子系统第一换流变压器（T₁）共同连接到B1母线上，所述HVDC子系统由第一换流变压器（T₁）、整流器、直流输电线路、逆变器和第二换流变压器（T₂）串联后第二滤波器（LB2）连接在B2母线上；所述STATCOM子系统包括在VSC换流器的输出端分别连接第一电容（C1）及第二电容（C2），第一电容（C1）及第二电容（C2）的公共节点接地；在VSC换流器的输入端经过第三换流变压器（T₃）连接到B3母线上构成；B3母线通过换流电抗（X₁）与B2母线连接；B2母线再与第二系统阻抗（Z₂）及受端交流系统（S₂）串联连接；HVDC子系统的B2母线和STATCOM子系统的B3母线之间距离较短或零距离。

2.根据权利要求1所述利用静止同步补偿启动弱受端高压直流输电系统的方法，其特征在于，所述STATCOM子系统通过换流电抗（X₁）连接在HVDC子系统受端交流系统（S₂）的母线B2上，即 STATCOM子系统与HVDC子系统在HVDC子系统的受端交流系统（S₂）的母线B2上并联连接。

3.一种利用静止同步补偿启动极弱受端高压直流输电系统的方法，将STATCOM子系统和HVDC子系统并联接到交流系统的同一母线上，其特征在于，启动步骤如下：

1）在启动时，采用分步启动的方式，启动过程中STATCOM子系统采用串联限流电阻和电流解耦和电压前馈控制的复合控制策略；HVDC子系统采用软启动，启动过程中逐渐增大电流调节器的整定值，直到启动结束，完全切换为正常运行时的控制策略；

2）在正常运行时，所述的HVDC子系统整流器采用定直流电流控制方式，逆变器采用定熄弧角控制；所述的STATCOM子系统的VSC换流器采用定直流电压和定交流电压的控制方式。