CN102983568A - 一种用于电网黑启动的mmc-hvdc换流站启动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了输配电技术领域的一种用于电网黑启动的MMC-HVDC换流站启动方法。其技术方案是，针对两端系统和多端系统，分别提出了相应的启动方法策略：其中，两端系统换流站黑启动策略：首先，启动有源侧换流站的同时闭合直流线路隔离刀闸，同时向无源侧换流站充电；其次，采用轮换周期排序转换模式进行充电；在预充电结束后短暂闭锁换流站；最后，解锁换流站，投入定交流电压控制器，启动完成。多端系统换流站黑启动策略是在以上两端启动步骤的基础上，在多端系统的每一端出口侧的正负极均串联电阻Rx可保证对任何一端进行黑启动时，其他端均可保持稳态运行,保证了供电的可靠性。

Description

一种用于电网黑启动的MMC-HVDC换流站启动方法

技术领域

本发明属于输配电技术领域，尤其涉及一种用于电网黑启动的MMC-HVDC换流站启动方法。

背景技术

模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)是R.Marquardt和A.Lesnicar于2002年提出的新型电压源换流器拓扑结构，具有无需大量IGBT串联、器件承受电压变化率低、输出波形谐波含量较低等优点。因此，基于MMC的高压直流输电系统（MMC-HVDC）也是成为了来直流输电领域的研究热点。近年来，采用VSC-HVDC作为黑启动电源实现电网黑启动的研究受到广泛关注，并已经在Troll A钻井平台和美国Eagle Pass工程中得到了应用，但国内外有关柔性直流输电在黑启动中的应用的文献并不多见。MMC-HVDC用于电网黑启动时，所需要研究的首要问题是换流站的启动，包括换流站子模块电容的预充电和其他设备的启动等问题。

MMC-HVDC换流站启动控制的目的是使换流器的直流电压快速上升到正常工作时的水平，又不能产生严重的过电压和过电流现象。换流站启动的实质是MMC子模块内电容的预充电策略。MMC的电容分散于各子模块中，相较于两电平拓扑，其电容充电动态过程较为复杂。一般来说，MMC电容的充电方式可分为自励和他励两种，目前工程上大部分采用自励充电的方式。对于有源网络，MMC采用的自励充电方式与两电平VSC-HVDC原理相同，都是采用“不控整流→定直流电压控制”的两阶段启动模式。

当MMC用于电网黑启动时，停电端可等效为无源网络，此时需要借助有源端实现换流站的启动。对于两端网络，一端大停电则两端换流站同时退出运行，黑启动停电端换流站时，两端换流站同时启动；对于多端网络，一端大停电退出运行后，其他端可继续稳态运行，此时黑启动停电端换流站时，直流母线电压已运行于额定值，此时的黑启动策略与两端系统不同。

发明内容

针对两端系统和多端系统利用MMC-HVDC来实现电网的黑启动的问题，本发明提出了一种用于电网黑启动的MMC-HVDC换流站启动方法。

一种用于电网黑启动的MMC-HVDC换流站启动方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：

步骤1：判断是对两端系统还是多端系统换流站黑启动；如果是对两端系统换流站进行黑启动，则执行步骤2～步骤5；如果是多端系统换流站进行黑启动，则执行步骤6～步骤10；

步骤2：启动有源侧换流站的同时闭合直流线路隔离刀闸，同时向无源侧换流站充电；

步骤3：轮换周期排序转换模式触发进行充电；

步骤4：预充电结束后短暂闭锁换流站；

步骤5：解锁换流站，投入定交流电压控制器；

步骤6：在直流母线上串联电阻，并断开串联电阻上并联的旁路开关，闭合直流母线上隔离刀闸；

步骤7：轮换周期排序转换模式触发进行充电；

步骤8：停电端换流站充电至额定值后，合上开关将串联电阻短路；

步骤9：预充电结束后短暂闭锁换流站；

步骤10：解锁换流站，投入定交流电压控制器。

所述轮换周期排序转换模式触发进行充电的过程为：

在电容充电过程中，监测无源侧各相上、下桥臂子模块电容电压的值，将每相两个桥臂2N个子模块电容电压以设定的第一轮换周期进行排序，选出电容电压最小的N个子模块闭锁，其余子模块以设定的第二轮换周期进行排序。

本发明提出了一种用于电网黑启动的MMC-HVDC换流站启动方法，针对两端系统和多端系统，分别提出了相应的启动策略，所提出的方法能保证换流站黑启动的安全、可靠地实现，并保证多端系统中剩余端运行不受影响。

附图说明

图1是模块化多电平换流器MMC的拓扑结构；

图2是半桥结构MMC的子模块拓扑结构；

图3是全桥结构MMC的子模块拓扑结构；

图4是本发明中所提出的MMC仿真提速模型的说明图；

图5是两端系统黑启动模型；

图6是多端系统黑启动模型（以三端为例）；

图7是两端系统黑启动换流站时充电等效电路。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

图1是模块化多电平换流器MMC的拓扑结构。图1中，A,B,C,表示MMC换流器交流侧三相；SM1，SM2，…，SMn,表示MMC某桥臂中第一个子模块，第二个子模块，…，第n个子模块；L表示桥臂电抗器；Udc表示MMC正负极直流母线间的电压差。

图2是半桥结构MMC的子模块拓扑结构。图2中，T₁，T₂，分别表示半桥子模块中上下两个IGBT，D₁，D₂分别表示相应IGBT的反并联二极管；C₀表示半桥子模块中电容器；Uc表示子模块电容电压；u_sm表示子模块端口输出电压。

图3是全桥结构MMC的子模块拓扑结构。图3中，T₁，T₂，T₃，T₄分别表示全桥子模块中四个IGBT，D₁，D₂，D₃,D₄分别表示相应IGBT的反并联二极管；C₀表示全桥子模块中电容器；U_c表示子模块电容电压；u_sm表示子模块端口输出电压。

图4是本发明中所提出的MMC仿真提速模型的说明图。图4中，R_lim表示交流侧限流电阻，MMC₁和MMC₂表示两端系统的两端的换流站，桥臂电流的监测值；如图4所示，一端由于故障发生大停电后，另一端换流站也将停运，这种情况下，停电端无交流电源对子模块电容充电，因此需要有源端交流电源同时向两端换流站充电，其黑启动策略同样适用于供电无源网络时的换流站启动。

图5是两端系统黑启动模型。图5中，MMC1、MMC2以及MMC3表示三端系统的三个换流站。

图7是两端系统黑启动换流站时充电等效电路。图7中，U_dc表示直流电源，Rx表示直流母线上串的电阻。

两端系统换流站黑启动策略：

步骤1：启动有源侧换流站的同时闭合直流线路隔离刀闸，同时向无源侧换流站充电；

步骤2：采用轮换周期排序转换模式触发进行充电；

在电容充电过程中，时刻监测无源侧各相上、下桥臂子模块电容电压的值，将每相两个桥臂2N个子模块电容电压以给定轮换周期T进行排序，选出电容电压最小的N个子模块闭锁，其余子模块触发T2。若子模块控制器SMC的取能采用自取能方式，则可全站闭锁充电至子模块控制器SMC达到其工作电压后再进行排序触发；

步骤3：预充电结束后短暂闭锁换流站；

无源侧子模块电容电压与有源侧同步逐渐上升至额定值后，预充电过程结束，此时闭锁换流站；短暂闭锁换流站时为了避免控制模式直接切换时造成的暂态冲击；

步骤4：解锁换流站，投入定交流电压控制器。

解锁换流站，投入定交流电压控制器，此时采用“软启动”联结变压器与空载线路的方法，定交流电压控制器采用斜率控制使交流电压从0逐渐上升至额定值，以避免空充变压器和空载线路时造成的励磁涌流和过电压等问题。换流站启动结束。

多端MMC-HVDC用于电网黑启动时停电端换流站的启动策略为：

步骤1：断开串联电阻Rx上并联的旁路开关，闭合直流母线上隔离刀闸；

步骤2：采用轮换周期排序转换模式触发进行充电；

步骤3：停电端换流站充电至额定值后，合上开关将串联电阻Rx短路；

步骤4：预充电结束后短暂闭锁换流站；

步骤5：解锁换流站，投入定交流电压控制器。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种用于电网黑启动的MMC-HVDC换流站启动方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：

步骤1：判断是对两端系统还是多端系统换流站黑启动；如果是对两端系统换流站进行黑启动，则执行步骤2～步骤5；如果是多端系统换流站进行黑启动，则执行步骤6～步骤10；

步骤2：启动有源侧换流站的同时闭合直流线路隔离刀闸，同时向无源侧换流站充电；

步骤3：轮换周期排序转换模式触发进行充电；

步骤4：预充电结束后短暂闭锁换流站；

步骤5：解锁换流站，投入定交流电压控制器；

步骤6：在直流母线上串联电阻，并断开串联电阻上并联的旁路开关，闭合直流母线上隔离刀闸；

步骤7：轮换周期排序转换模式触发进行充电；

步骤8：停电端换流站充电至额定值后，合上开关将串联电阻短路；

步骤9：预充电结束后短暂闭锁换流站；

步骤10：解锁换流站，投入定交流电压控制器。

2.根据权利要求1所述的一种用于电网黑启动的MMC-HVDC换流站启动方法，其特征在于，所述轮换周期排序转换模式触发进行充电的过程为：

在电容充电过程中，监测无源侧各相上、下桥臂子模块电容电压的值，将每相两个桥臂2N个子模块电容电压以设定的第一轮换周期进行排序，选出电容电压最小的N个子模块闭锁，其余子模块以设定的第二轮换周期进行排序。

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