CN103683282A - 多端柔性直流输电系统中停运换流站再并列方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多端柔性直流输电系统中停运换流站再并列方法。包括：依次闭合停运换流站网侧隔离开关及断路器，使停运换流站通过与其互联的交流电网充电；闭合停运换流站充电电阻的旁路开关，选择定直流电压控制方式解锁；停运站稳定运行后闭锁，通过计算换流站闭锁后暂态时电容电压曲线，考虑指令延时和直流侧隔离刀闸动作时间，选择停运换流站直流侧隔离开关闭合时间；闭合停运换流站直流侧隔离开关，停运换流站并入系统。本发明可有效减小直接合直流侧刀闸时由于测量偏差而产生的冲击电流，可避免停运站并列时整个系统的停运，提高多端柔性直流输电系统运行的稳定性和可靠性。

Description

多端柔性直流输电系统中停运换流站再并列方法

技术领域

本发明属于多端柔性直流输电系统控制技术领域，尤其涉及柔性直流输电系统中停运状态换流站再并列方法。

背景技术

多端直流输电能够实现多电源供电和多落点受电，具有换流站数量大大减少、换流站可以单独传输功率、可灵活切换传输状态和高可靠性的优势，是解决中国区域性新能源并网和消纳问题行之有效的方法。但多端直流系统的控制保护技术复杂，运行要求高，运行方式灵活，尤其是针对多端柔性直流输电系统中停运状态的换流站并入已正常运行的直流输电系统还没有很好的投运方法。

目前停运换流站并入运行系统有两种方法：一种方法需先将运行系统停运，再将整个多端柔性直流输电系统重新启动，该方法增加了多端柔性直流输电系统的停运概率，会对系统连接的重要负荷造成严重损失；另一种方法是通过交流系统对停运换流站充电，通过控制充电的电压值与已运行系统电压值的偏差来选择直流断路器闭合时刻，该方法会因测量偏差而产生断路器闭合瞬间的冲击电流。

为提高多端柔性直流输电系统运行的可靠性和稳定性，需要一种既能避免停运换流站并入运行时整个系统停运，又能最大限度的减小合闸带来的冲击电流的方法。

发明内容

本发明的目的是提供多端柔性直流输电系统中停运换流站再并列方法，既能避免停运换流站并入时整个系统停运，又能最大限度地减小闭合直流侧开关时的冲击电流。

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种多端柔性直流输电系统中停运换流站再并列方法，所述的多端柔性直流输电系统包括三个或三个以上换流站。换流站采用模块化多电平换流器，其直流侧包括一组或两组隔离开关，交流侧包括相互串联的交流断路器、隔离开关、换流变压器和充电电阻，所述充电电阻两端并联旁路开关，所述停运换流站指多端柔性直流输电系统中除正常运行的两个或两个以上换流站以外的未并入系统的换流站。其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1：依次闭合停运换流站网侧隔离开关及断路器，使停运换流站通过与其互联的交流电网充电；

步骤2：闭合停运换流站充电电阻的旁路开关，选择定直流电压控制方式解锁；

步骤3：停运换流站稳定运行后闭锁，同时计算停运换流站直流侧隔离开关闭合时间t；

所述的停运换流站直流侧隔离开关闭合时间t，条件公式为：

$t<t_0=\mathrm{RC}\ln \frac{\mathrm{SumUc}\left(0\right)}{U_{\mathrm{dc}}+\sqrt{2}{U}_{\mathrm{ij}}}(i,j=a,b,c,i\&NotEqual;j)$

其中，t为从换流器发闭锁指令到换流器直流侧开关闭合时间，t₀为保证合闸时不产生冲击电流的情况下，从换流器发闭锁指令到换流器直流侧开关闭合所允许的最长时间，SumUc(0)为闭锁时停运换流站相单元电容电压之和，U_dc为待停运换流站并入的系统电压，U_ij(i,j=a,b,c,i≠j)为停运换流站所接交流系统的线电压有效值；C为子模块电容值，R为子模块中与电容并联的电阻值。

步骤4：闭合停运换流站直流侧隔离开关，停运换流站并入系统。

所述多端柔性直流输电系统由三个或以上换流站组成。

所述停运换流站是多端柔性直流输电系统中的一个或多个换流站。

所述多端柔性直流输电系统中的至少两个站已经正常运行。

所述停运换流站稳定运行在STATCOM模式时闭锁。

所述根据闭锁后换流站暂态过程选择停运换流站直流侧隔离开关闭合时刻，选择条件为：

$t<t_0=\mathrm{RC}\ln \frac{\mathrm{SumUc}\left(0\right)}{U_{\mathrm{dc}}+\sqrt{2}{U}_{\mathrm{ij}}}(i,j=a,b,c,i\&NotEqual;j)$

其中，t为从换流器发闭锁指令到换流器直流侧开关闭合时间，t₀为保证合闸时不产生冲击电流的情况下，从换流器发闭锁指令到换流器直流侧开关闭合所允许的最长时间，SumUc(0)为闭锁时停运换流站相单元电容电压之和，U_dc为待停运换流站并入的系统电压，U_ij(i,j=a,b,c,i≠j)为停运换流站所接交流系统的线电压有效值；C为子模块电容值，R为子模块中与电容并联的电阻值。

所述停运换流站发直流侧隔离刀闸闭合指令时考虑指令延时和刀闸动作时间T_d。

所述停运换流站发直流侧隔离开关闭合指令时间为停运换流站闭锁后（t₀-T_d）时间内任意时刻。

所述停运换流站有多个时，按上述方法依次并入系统，不分先后。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）本发明提供的多端柔性直流输电系统中停运换流站再并列方法，可以有效避免多端柔性直流输电系统中停运换流站并列时需将整个系统停运，大大减小了系统停运概率，提高系统稳定性和可靠性。

（2）本发明提供的多端柔性直流输电系统中停运换流站再并列方法，通过计算选择直流侧隔离开关闭合指令发出时刻，使得直流侧开关闭合时的冲击电流可控，提高系统运行的稳定性。

（3）本发明提供的多端柔性直流输电系统中停运换流站再并列方法，尤其适用于模块化多电平换流器多端柔性直流输电系统，物理概念清晰，操作简单有效。

附图说明

图1为三端柔性直流输电系统。

图2（a）为闭锁合闸后的第一种电流流通图；图2（b）为闭锁合闸后的第二种电流流通图。

图3为闭锁后子模块放电回路。

图4为闭合直流侧开关时序图。

图5（a）为闭锁后t=0.15s时刻合直流侧开关时的直流电流波形；图5（b）为闭锁后t=0.203s时刻合直流侧开关时的直流电流波形；图5（c）为闭锁后t=0.3s时刻合直流侧开关时的直流电流波形；图5（d）为闭锁后t=0.5s时刻合直流侧开关时的直流电流波形；图5（e）为闭锁后t=0.8s时刻合直流侧开关时的直流电流波形。

图6是本发明的流程图。

具体实施方式

下面将结合附图及具体实施例对发明的技术方案进行详细说明。

本发明所述的多端柔性直流输电系统包括三个或三个以上换流站，其中至少两个换流站已正常运行，停运换流站为多端柔性直流输电系统中除正常运行的两个或以上换流站之外的待并入运行系统的换流站。所述停运换流站采用模块化多电平换流器，其直流侧包括一组或两组隔离开关，交流侧包括相互串联的交流断路器、隔离开关、换流变压器和充电电阻，所述充电电阻两端并联旁路开关。

本发明以采用模块化多电平换流器的三端柔性直流输电系统中两站已正常运行，第三站再并列为例，进行发明方法的详细阐述。三端柔性直流输电系统如图1所示，换流站2和换流站3构成正常运行的系统，其直流侧电压为U_dc，换流站1是待并入的第三站，其直流侧电压为U_dc1，直流侧电流为I_dc，每个桥臂子模块数为n。T1、T2、T3分别为换流站1、换流站2、换流站3的换流变压器，Q1、Q2、Q3分别为换流站1、换流站2、换流站3的交流侧断路器，QS11和QS12为换流站1交流侧隔离开关，QS21和QS22为换流站2交流侧隔离开关，QS31和QS32为换流站3交流侧隔离开关，QP1、QP2、QP3分别为换流站1、换流站2、换流站3的充电电阻所并联的旁路开关，QD1、QD2、QD3分别为换流站1、换流站2、换流站3直流侧隔离开关。

本发明提供的多端柔性直流输电系统中停运换流站再并列方法包括，如图6所示：

（1）依次闭合停运换流站网侧隔离开关及断路器，使停运换流站通过与其互联的交流电网充电；

换流站1与交流电网相连，依次闭合QS11、QS12、Q1，通过交流电网对换流站1进行不控充电。

（2）闭合停运换流站充电电阻的旁路开关，选择定直流电压控制方式解锁；

不控充电完成后，闭合换流站1的充电电阻旁路开关QP1，采用定直流电压控制和定无功功率控制方式，解锁换流站1，使其运行于STATCOM方式下，此时子模块电容电压达到额定值。

（3）停运换流站稳定运行后闭锁，同时计算停运换流站直流侧隔离开关闭合时间；

当换流站1以STATCOM方式稳定运行后，设某相2n个子模块电容电压之和为SumUc(0)，每个子模块电容初始电压为

闭锁该换流站1，闭锁后电容放电，电容电压降低，当降低到一定程度再闭合直流侧隔离开关会有可能的电流通路有两条，图2(a)、图2(b)中SMi（i=1,2…2n）表示相单元中的子模块，每个子模块均由两个带有反并联二极管的IGBT组成的半桥结构与电容、电阻并联构成。闭锁后，子模块中IGBT关断，电流只能通过与IGBT反并联的二极管流通，为便于理解，图2中省略了闭锁时处于关断状态的IGBT。

如图2(a)所示，闭合直流侧开关后，换流站1的直流侧电压为C相2n个电容电压之和小于U_dc时，该通路会有电流流过，合闸时有冲击电流。

如图2(b)所示，闭合直流侧开关后，换流站1的直流侧电压为2n个电容电压之和与交流电网线电压瞬时值u_ij(i,j=a,b,c;i≠j)之差，当该值小于U_dc时，此通路有电流流过，合闸时有冲击电流。而当u_ij(i,j=a,b,c;i≠j)为交流电网线电压峰值时，合闸产生的冲击最严重。只要满足交流电压峰值时合闸不出现冲击电流，即可满足交流电压瞬时值为任意值合闸时不出现冲击电流，即 $\mathrm{SumUc}\left(t\right)-\sqrt{2}{U}_{\mathrm{ij}}(i,j=a,b,c;i\&NotEqual;j)>U_{\mathrm{dc}},$ U_ij为交流电网线电压有效值，SumUc(t)为闭锁后相单元2n个子模块电容电压之和。

综上，为避免合闸时刻的冲击电流，应保证合闸时电容电压之和同时满足上述两个条件，即 $\mathrm{SumUc}\left(t\right)>U_{\mathrm{dc}}+\sqrt{2}{U}_{\mathrm{ij}}(i,j=a,b,c;i\&NotEqual;j),$ 即子模块电容电压应满足：

$u_c\left(t\right)=\frac{\mathrm{SumUc}\left(t\right)}{2n}>\frac{U_{\mathrm{dc}}+\sqrt{2}{U}_{\mathrm{ij}}}{2n}(i,j=a,b,c;i\&NotEqual;j)$    （式1）

其中，u_c(t)为子模块电容电压。

子模块电容放电回路如图3所示，C为子模块电容值，R为子模块中与电容并联的电阻值。设换流器闭锁时t=0，则子模块闭锁后暂态过程为：

$u_c\left(t\right)=\frac{\mathrm{SumUc}\left(0\right)}{2n}{e}^{-\frac{t}{\mathrm{RC}}}$    （式2）

将式2代入式1得：

$t<t_0=\mathrm{RC}\ln \frac{\mathrm{SumUc}\left(0\right)}{U_{\mathrm{dc}}+\sqrt{2}{U}_{\mathrm{ij}}}(i,j=a,b,c,i\&NotEqual;j)$    （式3）

即在换流站1闭锁后的t₀时间内闭合直流侧开关均不会产生冲击电流。

（4）闭合停运换流站直流侧隔离开关，停运换流站并入系统。

闭合直流侧开关时序原理如图4所示，闭锁后2n个子模块电容电压之和为SumUc(0)，经过t₀时间的放电，2n个子模块电容电压之和SumUc(t)下降到设指令延时与直流侧开关动作时间之和为T_d，发闭合直流侧开关指令时间Δt，Δt=t₀-T_d，即考虑指令延时与直流侧开关动作时间时，应在换流站1闭锁后Δt=t₀-T_d时间段内发闭合直流侧开关命令。

本发明在PSCAD/EMTDC平台上搭建了n=6的模块化多电平换流站等效模型，该模型中的主回路参数仅为验证本专利所述方法的正确性。换流站变压器二次侧线电压有效值为166kV，子模块电容为0.238mF，其并联电阻为5kΩ，该换流站模型空载情况下SumUc(0)=640±6.5kV，正常运行的系统以320kV直流电压源代替。由式3得Δt=0.19±0.013s。

忽略指令延时和直流侧开关动作时间，t=4s时闭锁，图5（a）、图5（b）、图5（c）、图5（d）、图5（e）分别为选择t=0.15s、t=0.203s、t=0.3s、t=0.5s和t=0.8s合闸时直流侧电流波形。由仿真易知，当在闭锁后0.203s之内闭合直流侧开关时不会产生冲击电流，当闭锁后0.203s之外闭合直流侧开关时会产生冲击电流，且合闸时刻越晚冲击电流越大，进一步验证了本发明理论推导过程的正确性。

本发明以三端柔性直流输电中两个换流站已正常运行，第三个换流站再并列为例介绍该方法的具体实施步骤及技术思想，不能以此限定本发明的保护范围。任何牵涉到停运换流站闭锁后，通过分析暂态过程来选择闭合直流侧隔离开关时刻的方法都属于本发明的保护范围。本发明的保护范围以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.多端柔性直流输电系统中停运换流站再并列方法，所述的多端柔性直流输电系统包括三个或三个以上换流站，换流站采用模块化多电平换流器，其直流侧包括一组或两组隔离开关，交流侧包括相互串联的交流断路器、隔离开关、换流变压器和充电电阻，所述充电电阻两端并联旁路开关，所述停运换流站指多端柔性直流输电系统中除正常运行的两个或两个以上换流站以外的未并入系统的换流站，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1：依次闭合停运换流站网侧隔离开关及断路器，使停运换流站通过与其互联的交流电网充电；

步骤2：闭合停运换流站充电电阻的旁路开关，选择定直流电压控制方式解锁；

步骤3：停运换流站稳定运行后闭锁，同时计算停运换流站直流侧隔离开关闭合时间t；

所述的停运换流站直流侧隔离开关闭合时间t，条件公式为：

$t<t_0=\mathrm{RC}\ln \frac{\mathrm{SumUc}\left(0\right)}{U_{\mathrm{dc}}+\sqrt{2}{U}_{\mathrm{ij}}}(i,j=a,b,c,i\&NotEqual;j)$

其中，t为从换流器发闭锁指令到换流器直流侧开关闭合时间，t₀为保证合闸时不产生冲击电流的情况下，从换流器发闭锁指令到换流器直流侧开关闭合所允许的最长时间，SumUc(0)为闭锁时停运换流站相单元电容电压之和，U_dc为待停运换流站并入的系统电压，U_ij(i,j=a,b,c,i≠j)为停运换流站所接交流系统的线电压有效值；C为子模块电容值，R为子模块中与电容并联的电阻值；

步骤4：闭合停运换流站直流侧隔离开关，停运换流站并入系统。

2.根据权利要求1所述的多端柔性直流输电系统中停运换流站再并列方法，其特征在于，停运换流站稳定运行在STATCOM模式时闭锁。

3.根据权利要求1所述的多端柔性直流输电系统中停运换流站再并列方法，其特征在于，停运换流站发直流侧隔离刀闸闭合指令时刻考虑指令延时和刀闸动作时间T_d。

4.根据权利要求1所述的多端柔性直流输电系统中停运换流站再并列方法，其特征在于，停运换流站发直流侧隔离刀闸闭合指令时间为停运换流站闭锁后（t₀-T_d）时间内任意时刻。

5.根据权利要求1所述的多端柔性直流输电系统中停运换流站再并列方法，其特征是有多个停运换流站时，停运换流站可按上述方法依次并入系统，不分先后。

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