CN103066614A - 一种多端柔性直流输电系统及其启动方法 - Google Patents

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朱喆
陈俊
饶宏
黎小林
许树楷
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Abstract

本发明是一种多端柔性直流输电系统及其启动方法。包括两个送端换流站及一个受端换流站，风电场接入两个送端换流站，两个送端换流站将电能转换成直流后通过直流线路传输到受端换流站，受端换流站逆变成交流后再接入大电网，两个送端换流站中的第一送端换流站通过直流隔离开关Sdc1与第二送端换流站及受端换流站连接，第二送端换流站通过直流隔离开关Sdc2与第一送端换流站及受端换流站连接，受端换流站通过直流隔离开关Sdc3与第一送端换流站及第二送端换流站连接。本发明启动过程平稳，安全可靠性高，适用范围广，用于采用模块化多电平拓扑结构的多端柔性直流输电工程,实现在多端换流站解锁的瞬间减小交直流侧的冲击电流，平稳建立直流电压到额定值。

Description

一种多端柔性直流输电系统及其启动方法
技术领域
本发明是一种多端柔性直流输电系统及其启动方法，属于多端柔性直流输电系统的启动方法的创新技术。
背景技术
柔性直流输电基于电压源变流器（VSC）和脉冲宽度调制技术（PWM）将直流电压逆变为幅值和相位都可控的交流电压，并可以独立快速控制所传输的有功功率和无功功率，极大地增强了输电的灵活性，成为实现区域电网互联，大型风电场及交流弱电网与主网之间的稳定联结的最有潜质的电力传输方式。自ABB公司1997年第一个试验性的轻型直流输电工程在Hellsjon投运，迄今为止国际上已经有十几条轻型直流输电线路投入了运行。
在国内，南方电网公司承担的863重大专项课题“大型风电场柔性直流输电接入技术研究与开发”及其南澳岛示范工程，即规划建成一个电压等级为±160kV，输送容量为200MW的4端柔性直流输电系统，服务于青澳、牛头岭、云澳和塔屿风电场。项目建成后，主要作用在于实现风电场通过柔性直流输电系统与南澳电网及汕头主网的联接，将电场电力安全送出，保障南澳岛供电安全，并减少风电功率的波动对当地薄弱电网的影响。
多端柔性直流输电系统（MMC-MTDC）的启动控制，是系统正常运行的前提和重要基础。MMC-MTDC系统启动过程包括从交流侧电网合闸到额定直流电压建立一系列的动态过程。目前国内外的研究，研究重点普遍放在对VSC-HVDC稳态运行时的控制策略进行研究，此时的直流侧电压已达到额定值，而对启动过程的鲜有详细的分析。然而，该启动过程如控制不当，将在MMC换流阀交流侧和直流侧产生严重的过压和过流，甚至导致系统振荡，影响交流系统正常运行，危及设备及人身安全。
发明内容
本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种设计合理，方便实用的多端柔性直流输电系统。本发明适用于采用模块化多电平拓扑结构的多端柔性直流输电工程,能实现在多端换流站解锁的瞬间，减小交直流侧的冲击电流，直流电压平稳建立到额定电压。
本发明的另一目的在于提供一种启动过程平稳，安全可靠性高，适用范围广的多端柔性直流输电系统的启动方法。
本发明的技术方案是：本发明的多端柔性直流输电系统，包括有第一送端换流站、第二送端换流站、受端换流站，风电场接入第一送端换流站及第二送端换流站，第一送端换流站及第二送端换流站将电能转换成直流后通过直流线路传输到受端换流站，受端换流站逆变成交流后再接入大电网，且第一送端换流站通过直流隔离开关Sdc1与第二送端换流站及受端换流站连接，第二送端换流站通过直流隔离开关Sdc2与第一送端换流站及受端换流站连接，受端换流站通过直流隔离开关Sdc3与第一送端换流站及第二送端换流站连接。
上述第一送端换流站还连接有交流旁路开关Sb1，第二送端换流站还连接有交流旁路开关Sb2，受端换流站还连接有交流旁路开关Sb3。
上述交流旁路开关Sb1中设置有送端限流电阻Rx1，交流旁路开关Sb2中设置有送端限流电阻Rx2，交流旁路开关Sb3中设置有受端限流电阻Rx3。
上述第一送端换流站还连接有交流断路器Sac1，第二送端换流站还连接有交流断路器Sac2，受端换流站还连接有交流断路器Sac3。
上述第一送端换流站、第二送端换流站及受端换流站所用的换流器均是MMC换流器。
上述MMC换流器的每个桥臂由N个功率模块SM级联构成，上下桥臂间分别串联一个电抗器Ls，同相上下两个桥臂构成一个相单元。
上述功率模块SM包括有功率管S 1和S 2，二极管D 1和D 2，电阻R 1和R 2，功率模块电容C 0，快速旁路开关K 1，晶闸管K 2，其中D 1和D 2为相应的反并联二极管，功率管S 1和S 2串联后与功率模块电容C 0并联，快速旁路开关K 1和晶闸管K 2与功率管S 2并联。
本发明多端柔性直流输电系统的启动方法，包括如下步骤：
1）系统中所有开关处于断开状态，第一送端换流站、第二送端换流站、受端换流站均闭锁；
2）开始启动，合上直流隔离开关Sdc1、Sdc2和Sdc3； 
3）合上受端换流站的交流断路器Sac3，从受端换流站的交流侧给第一送端换流站、第二送端换流站及受端换流站的功率模块电容C 0充电；
4）受端换流站的桥臂电压达到受端换流站的交流侧线电压峰值，第一送端换流站及第二送端换流站的桥臂电压达到受端换流站的交流侧线电压峰值的1/2时，合上受端换流站的交流旁路开关Sb3，受端限流电阻Rx3退出； 
5）分别合上第一送端换流站及第二送端换流站的交流断路器Sac1、Sac2，继续给第一送端换流站及第二送端换流站的功率模块电容C 0充电，当第一送端换流站及第二送端换流站的桥臂电压同样达到对应交流侧线电压峰值，合上旁路开关Sb1、Sb2，第一送端换流站（1）及第二送端换流站的送端限流电阻Rx1、 Rx2退出；直流隔离开关Sdc3；
6）受端换流站采用直流电压控制方式解锁，设定直流电压控制初值，即为不控整流后电压值；
7）第一送端换流站、第二送端换流站设置有功、无功类参考值为0，解锁； 
8）受端换流站直流电压控制启用斜率控制，使直流电压控制初值从不控整流后电压值缓慢上升到额定值；
9）系统启动完成。
上述步骤6）中直流电压控制初值为0.735pu。
本发明由于采用启动过程中先采用自励充电方式，然后通过启动控制策略的调整，实现了在多端换流站解锁的瞬间，减小交直流侧的冲击电流，直流电压平稳建立到额定电压的整个过程。本发明通过控制方式和辅助措施使多端柔性直流系统的直流电压快速上升到额定电压，但在交直流侧又不产生过大的电流冲击和电压过冲，启动过程平稳，安全可靠性高，适用范围广。本发明多端柔性直流输电系统启动方法具有如下优点：
1)                     本发明采用交流侧通过限流电阻预充电方式结合换流器解锁过程的控制策略，极大的减小了交直流侧冲击电流；
2)                     本发明适用于包括两端柔直系统的各种多端柔性直流输电系统的拓扑，特别是采用多点直流电压控制的拓扑结构，各换流站均可通过此种启动方式实现平稳启动。
3)                     本发明换流器解锁瞬间的直流电压控制值较低，避免了在额定直流电压下解锁MMC换流器的电压及电流冲击。
4)                     本发明不需要在直流侧配置额外的限流电路。
本发明一种方便实用的多端柔性直流输电系统及其启动方法。
附图说明
图1为多端柔性直流输电系统的示意图。
图2为三端柔直系统启动过程受端换流站交流侧电压实时仿真示意图。
图3为三端柔直系统启动过程受端换流站交流侧电流实时仿真示意图。
图4为三端柔直系统启动过程受端换流站直流侧电压实时仿真示意图。
图5为三端柔直系统启动过程受端换流站直流侧电流实时仿真示意图。
具体实施方式
实施例：
本发明的结构示意图如图1所示，本发明的多端柔性直流输电系统，包括有第一送端换流站1、第二送端换流站2、受端换流站3，风电场接入第一送端换流站1及第二送端换流站2，第一送端换流站1及第二送端换流站2将电能转换成直流后通过直流线路传输到受端换流站3，受端换流站3逆变成交流后再接入大电网，且第一送端换流站1通过直流隔离开关Sdc1与第二送端换流站2及受端换流站3连接，第二送端换流站2通过直流隔离开关Sdc2与第一送端换流站1及受端换流站3连接，受端换流站3通过直流隔离开关Sdc3与第一送端换流站1及第二送端换流站2连接。
本实施例中，上述第一送端换流站1还连接有交流旁路开关Sb1，第二送端换流站2还连接有交流旁路开关Sb2，受端换流站3还连接有交流旁路开关Sb3。上述交流旁路开关Sb1中设置有送端限流电阻Rx1，交流旁路开关Sb2中设置有送端限流电阻Rx2，交流旁路开关Sb3中设置有受端限流电阻Rx3。
上述第一送端换流站1还连接有交流断路器Sac1，第二送端换流站2还连接有交流断路器Sac2，受端换流站3还连接有交流断路器Sac3。
本实施例中，上述第一送端换流站1、第二送端换流站2及受端换流站3所用的换流器均是MMC换流器。
本实施例中，上述MMC换流器的每个桥臂由N个功率模块SM级联构成，上下桥臂间分别串联一个电抗器Ls，同相上下两个桥臂构成一个相单元。
本实施例中，上述功率模块SM包括有功率管S 1和S 2，二极管D 1和D 2，电阻R 1和R 2，功率模块电容C 0，快速旁路开关K 1，晶闸管K 2，其中D 1和D 2为相应的反并联二极管，功率管S 1和S 2串联后与功率模块电容C 0并联，快速旁路开关K 1和晶闸管K 2与功率管S 2并联。
如图1所示，MMC换流器每个桥臂由N个功率模块SM级联构成。上下桥臂间分别串联一个电抗器Ls，同相上下两个桥臂构成一个相单元。D 1和D 2为相应的反并联二极管。功率模块电容C 0的电压Vc。快速旁路开关K 1用于切除故障子模块，晶闸管K 2为保护晶闸管。如果功率模块直流电容电压已经被控制为Vc，MMC换流器的每个换流单元可以输出0和Vc两种电压，则桥臂输出电压的状态将在0,Vc,2Vc,..NVc之间变化，即具有N+1个电平状态。
多端柔性直流输电系统启动过程中，主要包括预充电以及换流器解锁启动过程。预充电一般分他励和自励两种方式。自励是指由与换流器相连交流系统向MMC换流器中功率模块的电容器充电；他励是由辅助电源提供充电功率。本发明适用于采用自励充电方式的工程。
在预充电过程中，MMC换流器功率模块电压为零，功率管S 1和S 2 处于关断状态，MMC换流器不解锁。各站交流系统通过各MMC换流器中功率模块功率管S 1和S 2上的反并联二极管对其电容充电。
对于 MMC 拓扑来说，仅靠交流电压从交流侧通过续流二极管对电容充电是无法达到电容的额定电压的。如图 1 所示，Vsa、Vsb、Vsc分别为a、b、c相的相电压，比如当 Vsa＞Vsb时，充电电流通过 a 相上桥臂各功率模块的反并联二极管D2、b相上桥臂各功率模块的反并联二极管D1向 b 相上桥臂各功率模块电容充电，同时通过 a 相下桥臂各功率模块的反并联二极管D1、b 相下桥臂各功率模块的反并联二极管D2向 a 相下桥臂各功率模块电容充电; 当Vsa＜Vsb时，充电电流通过 a 相上桥臂各功率模块的反并联二极管D1、b 相上桥臂各功率模块的反并联二极管D2向 a 相上桥臂各功率模块电容充电，同时通过 a 相下桥臂各功率模块的反并联二极管D2、b 相下桥臂各功率模块的反并联二极管D1向 b 相下桥臂各功率模块电容充电。其余情况均与此类似。
本发明启动方式的具体过程分析，主要包括以下三个阶段：
第一阶段，预充电过程开始前，直流线路已合闸，各换流站闭锁，送端换流站1和送端换流站2交流侧断开，受端换流站3交流系统向该站换流器的电容充电，通过带旁路开关的送端限流电阻Rx1、Rx2来抑制交流侧合闸瞬间的过冲电流。
受端换流站的MMC换流器的桥臂充电状态为串联RLC回路的零状态响应，相当于交流侧同时刻给两个桥臂的功率模块电容以并联方式充电。通常以过阻尼方式充电，各功率模块电容C 0的电压相等，有
Figure 2012105886166100002DEST_PATH_IMAGE002
令
Figure 2012105886166100002DEST_PATH_IMAGE004
其中
Figure 2012105886166100002DEST_PATH_IMAGE006
，
Figure 2012105886166100002DEST_PATH_IMAGE008
为时间
其中，
Figure 2012105886166100002DEST_PATH_IMAGE010
为单个功率模块电容C 0的电压值，
Figure DEST_PATH_IMAGE012
为交流侧线电压峰值，
Figure DEST_PATH_IMAGE014
为送端限流电阻Rx1、 Rx2及受端限流电阻Rx3的电阻值，
Figure DEST_PATH_IMAGE016
为桥臂电抗器Ls的电抗值，
Figure DEST_PATH_IMAGE018
为功率模块电容C 0的电容值，N为单个桥臂功率模块电容总数。
受端换流站预充电基本完成后，切除受端限流电阻Rx3，则最终受端换流站上下三个桥臂电压终值均为该站交流侧线电压峰值，该站功率模块电容电压终值。
对于送端换流站1和送端换流站2，因直流侧线路合闸，相当于通过换流站1的功率模块的反并联二极管D2以及送端换流站1或送端换流站2的反并联二极管D1直接向对应站的功率模块电容充电，整个相单元电压终值为换流站1的交流侧线电压峰值。所以，送端换流站1和送端换流站2功率模块电容电压终值
Figure DEST_PATH_IMAGE022
，其电压只相当于受端换流站电容电压的一半。
此时，送端换流站1和送端换流站1交流侧合闸，同样开始采用交流侧充电方式，其换流器功率模块中电容电压值上升，预充电完成后，各站功率模块电容电压值相等。
第二阶段，受端换流站开始解锁。此过程受端换流站采用直流电压控制方式，直流电压控制定值，主要考虑最大限度的降低交直流侧的电流冲击，要求单个功率模块的电容电压在解锁过程中，直流电压值变化较小。
已知对于MMC换流器来说，阀侧交流相电压可表示为
Figure DEST_PATH_IMAGE024
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE026
为调制度，
Figure DEST_PATH_IMAGE028
为直流电压值。
在MMC换流器解锁时，假设某时刻a相上桥臂投入功率模块为P个，A相下桥臂投入功率模块为Q个，交流输出相电压呈现n+1个电平，即P+Q=n。功率模块电容电压值为
Figure DEST_PATH_IMAGE030
，此时有
Figure DEST_PATH_IMAGE032
Figure 128074DEST_PATH_IMAGE032
Figure DEST_PATH_IMAGE034
因此，对于预充电完成时的电容电压以及MMC换流器解锁时的电容电压，有如下关系
Figure DEST_PATH_IMAGE036
如不考虑换流器桥臂冗余功率模块，换流站1 MMC换流器解锁的瞬间，如果给定的直流电压控制值为n个功率模块电容电压值之和，理论上可以实现解锁瞬间的零冲击电流。
受端换流站直流电压建立后，可先后解锁送端换流站1和送端换流站2的换流器。
第三阶段，三站均解锁后，在受端换流站1采用带斜率控制的直流电压控制器，使直流电压逐步升至额定值，至此完成多端柔直输电系统的整个启动过程。该启动过程实时仿真如图2-5所示。
图1是两送一受的三端柔性直流输电系统，受端站从直流网络受电，承担维持整个直流网络电压稳定和功率平衡的任务。两个送端换流站作为风电场接入的换流站，向直流网络注入功率。
对应于图1所示的三端柔性直流输电系统，整个系统启动过程如下所示：
本发明多端柔性直流输电系统的启动方法，包括如下步骤：
1）系统中所有开关处于断开状态，第一送端换流站1、第二送端换流站2、受端换流站3均闭锁；
2）开始启动，合上直流隔离开关Sdc1、Sdc2和Sdc3； 
3）合上受端换流站3的交流断路器Sac3，从受端换流站3的交流侧给第一送端换流站1、第二送端换流站2及受端换流站3的功率模块电容C 0充电；
4）受端换流站3的桥臂电压达到受端换流站3的交流侧线电压峰值，第一送端换流站1及第二送端换流站2的桥臂电压达到受端换流站3的交流侧线电压峰值的1/2时，合上受端换流站3的交流旁路开关Sb3，受端限流电阻Rx3退出； 
5）分别合上第一送端换流站1及第二送端换流站2的交流断路器Sac1、Sac2，继续给第一送端换流站1及第二送端换流站2的功率模块电容C 0充电，当第一送端换流站1及第二送端换流站2的桥臂电压同样达到对应交流侧线电压峰值，合上旁路开关Sb1、Sb2，第一送端换流站1及第二送端换流站2的送端限流电阻Rx1、 Rx2退出；直流隔离开关Sdc3；
6）受端换流站3采用直流电压控制方式解锁，设定直流电压控制初值，即为不控整流后电压值；
7）第一送端换流站1、第二送端换流站2设置有功、无功类参考值为0，解锁； 
8）受端换流站3直流电压控制启用斜率控制，使直流电压控制初值从不控整流后电压值缓慢上升到额定值；
9）系统启动完成。
上述步骤6）中直流电压控制初值为0.735pu。
本发明的启动方式，直流电压初值的制定主要考虑最大限度减小不同站解锁时在对应站交流侧引起的电流冲击和直流侧电流冲击，该定值可以根据工程实际修改，且需控制各站交流电流冲击不大于额定值。

Claims (9)

1.一种多端柔性直流输电系统，其特征在于包括有第一送端换流站（1）、第二送端换流站（2）、受端换流站（3），风电场接入第一送端换流站（1）及第二送端换流站（2），第一送端换流站（1）及第二送端换流站（2）将电能转换成直流后通过直流线路传输到受端换流站（3），受端换流站（3）逆变成交流后再接入大电网，且第一送端换流站（1）通过直流隔离开关Sdc1与第二送端换流站（2）及受端换流站（3）连接，第二送端换流站（2）通过直流隔离开关Sdc2与第一送端换流站（1）及受端换流站（3）连接，受端换流站（3）通过直流隔离开关Sdc3与第一送端换流站（1）及第二送端换流站（2）连接。
2.根据权利要求1所述的多端柔性直流输电系统，其特征在于上述第一送端换流站（1）还连接有交流旁路开关Sb1，第二送端换流站（2）还连接有交流旁路开关Sb2，受端换流站（3）还连接有交流旁路开关Sb3。
3.根据权利要求2所述的多端柔性直流输电系统，其特征在于上述交流旁路开关Sb1中设置有送端限流电阻Rx1，交流旁路开关Sb2中设置有送端限流电阻Rx2，交流旁路开关Sb3中设置有受端限流电阻Rx3。
4.根据权利要求2所述的多端柔性直流输电系统，其特征在于上述第一送端换流站（1）还连接有交流断路器Sac1，第二送端换流站（2）还连接有交流断路器Sac2，受端换流站（3）还连接有交流断路器Sac3。
5.根据权利要求1至4任一项所述的多端柔性直流输电系统，其特征在于上述第一送端换流站（1）、第二送端换流站（2）及受端换流站（3）所用的换流器均是MMC换流器。
6.根据权利要求5所述的多端柔性直流输电系统，其特征在于上述MMC换流器的每个桥臂由N个功率模块SM级联构成，上下桥臂间分别串联一个电抗器Ls，同相上下两个桥臂构成一个相单元。
7.根据权利要求6所述的多端柔性直流输电系统，其特征在于上述功率模块SM包括有功率管S 1和S 2，二极管D 1和D 2，电阻R 1和R 2，功率模块电容C 0，快速旁路开关K 1，晶闸管K 2，其中D 1和D 2为相应的反并联二极管，功率管S 1和S 2串联后与功率模块电容C 0并联，快速旁路开关K 1和晶闸管K 2与功率管S 2并联。
8.一种多端柔性直流输电系统的启动方法，其特征在于包括如下步骤：
1）系统中所有开关处于断开状态，第一送端换流站（1）、第二送端换流站（2）、受端换流站（3）均闭锁；
2）开始启动，合上直流隔离开关Sdc1、Sdc2和Sdc3； 
3）合上受端换流站（3）的交流断路器Sac3，从受端换流站（3）的交流侧给第一送端换流站（1）、第二送端换流站（2）及受端换流站（3）的功率模块电容C 0充电；
4）受端换流站（3）的桥臂电压达到受端换流站（3）的交流侧线电压峰值，第一送端换流站（1）及第二送端换流站（2）的桥臂电压达到受端换流站（3）的交流侧线电压峰值的1/2时，合上受端换流站（3）的交流旁路开关Sb3，受端限流电阻Rx3退出； 
5）分别合上第一送端换流站（1）及第二送端换流站（2）的交流断路器Sac1、Sac2，继续给第一送端换流站（1）及第二送端换流站（2）的功率模块电容C 0充电，当第一送端换流站（1）及第二送端换流站（2）的桥臂电压同样达到对应交流侧线电压峰值，合上旁路开关Sb1、Sb2，第一送端换流站（1）及第二送端换流站（2）的送端限流电阻Rx1、 Rx2退出；直流隔离开关Sdc3；
6）受端换流站（3）采用直流电压控制方式解锁，设定直流电压控制初值，即为不控整流后电压值；
7）第一送端换流站（1）、第二送端换流站（2）设置有功、无功类参考值为0，解锁； 
8）受端换流站（3）直流电压控制启用斜率控制，使直流电压控制初值从不控整流后电压值缓慢上升到额定值；
9）系统启动完成。
9.根据权利要求8所述的多端柔性直流输电系统的启动方法，其特征在于上述步骤6）中直流电压控制初值为0.735pu。
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