CN104201709B - 一种混合型直流输电系统的停运控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合型直流输电系统的停运控制方法，包括：(1)将直流电流降低至设定值；(2)将换流变压器的分接头逐步调节至最大变比位置；(3)将逆变换流站与受端交流电网之间的无功功率调节至0并降低直流电压；(4)将直流电流从设定值逐渐减小至0，进而将晶闸管换流器的触发角增大至120°；(5)对晶闸管换流器和MMC进行闭锁，依次断开直流隔离开关、交流断路器和三相旁路开关；(6)将MMC中各子模块的电容电压快速泄放至Ucs后再自行卸放至0。本发明能够保证停运过程平稳、快速，避免过电压或过电流的发生，此外在MMC电容放电环节通过再利用启动限流电阻的方式，省去了额外的断路器和放电电阻，节省了投资成本。

Description

一种混合型直流输电系统的停运控制方法

技术领域

本发明属于直流输电系统控制技术领域，具体涉及一种混合型直流输电系统的停运控制方法。

背景技术

整流站采用LCC(电网换相换流器)，逆变站采用由HBSM(半桥子模块)和FBSM(全桥子模块)混合级联构成的混杂式MMC(模块化多电平换流器)的LCC-MMC混合型直流输电系统，整合了LCC和MMC两者的优势，不仅降低了系统造价和运行损耗，能够实现对无源孤岛供电，还有效避免了逆变站换相失败风险，拥有直流故障自清除能力，十分契合我国远距离大容量架空线路输电要求。

停运是任何一种直流输电技术都需要面临的关键性问题，停运过程要尽量避免出现不必要的过电压或过电流现象。赵婉君在专著《高压直流输电工程技术》中指出了LCC-HVDC(基于LCC的高压直流输电系统)具体的停运时序和控制方式；周月宾等人在标题为模块化多电平换流器型直流输电系统的启停控制(电网技术，2012，36(3)：204-209)的文献中提出了MMC-HVDC(基于MMC的高压直流输电系统)的停运控制方法，需要在直流侧添加额外的断路器和放电电阻，实现电容快速放电。

LCC-MMC混合型直流输电系统是LCC和MMC两者的有机结合，因而在停运控制方面需要综合两者的特性。目前国内外的研究，关于LCC-MMC混合型直流输电系统的停运控制鲜有详细的分析；有人提出引入额外断路器和放电电阻的停运方法，但这种方法将引起额外的设备资本投入，不经济。

发明内容

针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种混合型直流输电系统的停运控制方法，能够保证停运过程平稳、可靠、快速，避免过电压或过电流的发生；此外，本发明在MMC电容放电环节通过再利用启动限流电阻的方式，省去了额外的断路器和放电电阻，节省了投资成本。

一种混合型直流输电系统的停运控制方法，所述的混合型直流输电系统包括通过直流输电线路连接的整流换流站和逆变换流站，整流换流站采用晶闸管换流器，逆变换流站采用MMC；所述的MMC每个桥臂均由多个子模块级联构成并串接有桥臂电抗器，多个子模块包括n个HBSM和m个FBSM，子模块的驱动电路板由子模块的电容电压供电，n和m均为大于0的自然数；

所述的晶闸管换流器采用定直流电流控制，其交流侧依次通过换流变压器T₁和交流断路器S_ac1与送端交流电网连接，直流侧正极通过直流隔离开关S_dc1与直流输电线路的一端相连，直流侧负极接地；

所述的MMC采用定无功功率和定直流电压控制，其交流侧依次通过限流装置、换流变压器T₂和交流断路器S_ac2与受端交流电网连接，直流侧正极通过直流隔离开关S_dc2与直流输电线路的另一端相连，直流侧负极接地；

所述的限流装置包括三相限流电阻以及分别与三相限流电阻并联的三相旁路开关。

所述的停运控制方法，包括如下步骤：

(1)开始停运后，先将直流输电线路的直流电流降低至设定值I_dcz；

(2)将换流变压器T₂的分接头逐步调节至最大变比位置；

(3)将逆变换流站与受端交流电网之间的无功功率调节至0，并降低直流输电线路的直流电压；

(4)通过调节晶闸管换流器的定直流电流控制器，将所述的直流电流从设定值I_dcz逐渐减小至0，进而将晶闸管换流器的触发角增大至120°；

(5)对晶闸管换流器和MMC进行闭锁，然后先断开直流隔离开关S_dc1和S_dc2，再断开交流断路器S_ac1和S_ac2，最后断开三相旁路开关；

(6)将MMC中各子模块的电容电压泄放至U_cs，U_cs为子模块驱动电路板启动时对应的子模块电容电压；之后，各子模块的电容电压将自行泄放，从U_cs降低至0，停运过程结束。

所述的步骤(1)中将直流电流降低至设定值I_dcz的方法为：通过调节晶闸管换流器的定直流电流控制器，将直流电流从额定值I_dco逐渐减小至设定值I_dcz，I_dcz和I_dco满足如下关系式：

I_dcz≥ηI_dco

其中，η为电流比例系数。

所述的步骤(3)的具体实现方法为：首先，将MMC的定无功功率控制器的无功功率指令值调整为0，使MMC与受端交流电网之间不发生无功交换；然后，将MMC的定直流电压控制器的直流电压指令值从额定值逐渐减小至设定值U_dcz，U_dcz满足如下关系式：

$U_{\mathrm{dcz}}=\frac{2\sqrt{6}{U}_{\mathrm{ac}2}}{3{\mathrm{\τ}}_{\max }}$

其中，U_ac2为换流变压器T₂副边的额定线电压有效值，τ_max为换流变压器T₂的最大变比。

所述的步骤(6)中将MMC各子模块的电容电压泄放至U_cs的具体实现方法如下：

6.1将MMC所有上桥臂的子模块从闭锁状态切换至旁通状态；

6.2对于任一相上桥臂，对该上桥臂的所有子模块进行分组；对于该上桥臂的任一组子模块，将该组子模块从旁通状态切换为投入状态，组内的子模块电容将通过三相限流电阻耗能，从而降低其电容电压，待子模块电容电压减小至U_cs时，将子模块从投入状态切换为旁通状态，逐次遍历该上桥臂的各组子模块；

6.3根据步骤6.2逐次遍历各相上桥臂，待所有上桥臂的子模块电容电压均减小至U_cs后，将所有上桥臂的子模块从旁通状态切换至闭锁状态；

6.4将MMC所有下桥臂的子模块从闭锁状态切换至旁通状态，并根据步骤6.2～6.3进行同样操作。

所述的步骤6.2中对上桥臂所有子模块进行分组的方法为：将上桥臂所有子模块分成若干组，除最后一组外其余各组中的子模块个数均为k，且k满足如下关系式：

$k=\mathrm{floor}\left[\frac{(m+n)(2m+n)U_{\mathrm{cs}}}{U_{\mathrm{dcz}}}\right]$

其中，floor[]为小于[]中变量的最大正整数。

所述的步骤(6)中各子模块的电容电压将通过与其并联的大电阻自行泄放，由于电阻值较大，故放电过程将持续较长的时间。

本发明的有益技术效果如下：

(1)本发明的停运控制方法能够平稳、可靠、快速地实现系统停运，能够有效防止过电压过电流等不利现象的出现。

(2)本发明通过变压器分接头的调节，能够较大程度地降低直流电压，将存储在直流系统中的能量较大程度地馈入交流电网。

(3)本发明通过启动限流电阻的再投入使用，省去了额外的断路器和放电电阻，大大节省了投资成本。

附图说明

图1为混合型直流输电系统的结构示意图。

图2为十二脉动桥式晶闸管换流器结构示意图。

图3为混杂式MMC的结构示意图。

图4为本发明停运控制方法的步骤流程示意图。

图5(a)为正向电流流向下全桥子模块桥臂闭锁状态时的等效电路图。

图5(b)为反向电流流向下全桥子模块桥臂闭锁状态时的等效电路图。

图5(c)为正向电流流向下半桥子模块桥臂闭锁状态时的等效电路图。

图5(d)为反向电流流向下半桥子模块桥臂闭锁状态时的等效电路图。

图5(e)为MMC电容快速放电阶段的等效电路图。

图6(a)为本发明停运控制方法下系统直流电压的响应曲线图。

图6(b)为本发明停运控制方法下系统直流电流的响应曲线图。

图6(c)为本发明停运控制方法下整流换流站触发角的响应曲线图。

图6(d)为本发明停运控制方法下逆变侧换流变压器阀侧交流电压有效值的响应曲线图。

图6(e)为本发明停运控制方法下整流侧交流电流瞬时值的响应曲线图。

图6(f)为本发明停运控制方法下逆变侧交流电流瞬时值的响应曲线图。

图7(a)为本发明停运控制方法下混杂式MMC内A相上桥臂电容电压的响应曲线图。

图7(b)为本发明停运控制方法下混杂式MMC内B相上桥臂电容电压的响应曲线图。

图7(c)为本发明停运控制方法下混杂式MMC内C相上桥臂电容电压的响应曲线图。

图7(d)为本发明停运控制方法下混杂式MMC内A相下桥臂电容电压的响应曲线图。

图7(e)为本发明停运控制方法下混杂式MMC内B相下桥臂电容电压的响应曲线图。

图7(f)为本发明停运控制方法下混杂式MMC内C相下桥臂电容电压的响应曲线图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案及其相关原理进行详细说明。

如图1所示，混合型直流输电系统包括与送端交流电网连接的整流换流站以及与受端交流电网连接的逆变换流站，整流换流站经直流隔离开关S_dc1、直流输电线路和直流隔离开关S_dc2与逆变换流站连接；整流换流站包含有交流断路器S_ac1、换流变压器和换流单元，换流单元依次通过换流变压器和交流断路器S_ac1与送端交流电网连接；逆变换流站包含有交流断路器S_ac2、换流变压器、限流装置和换流单元，换流单元依次通过限流装置、换流变压器和交流断路器S_ac2与受端交流电网连接。

整流换流站的换流变压器为一台接线方式为Y₀/Y/Δ的三绕组变压器或由两台接线方式分别为Y₀/Δ和Y₀/Y的两绕组变压器构成；逆变换流站的换流变压器为一台接线方式为Y₀/Δ的两绕组变压器。换流变压器用于将交流系统提供的三相交流电进行电压等级变换；承受直流偏置电压，并起到隔离直流偏置电压进入交流电网的作用；隔离零序分量。

限流装置包括启动限流电阻R_c以及与其并行连接的交流旁路开关S_r，一般在MMC启动阶段投入使用。当交流旁路开关Sr闭合时，启动限流电阻Rc不投入电网，限流装置不起作用；当交流旁路开关Sr断开时，启动限流电阻Rc将投入电网，起限流作用。

如图2所示，整流换流站的换流单元采用十二脉动桥式晶闸管换流器，其用于将送端交流电网的三相交流电转换为直流电，并通过直流输电线路将该直流电输送至逆变换流站；其每个桥臂串联多个晶闸管。

如图3所示，逆变换流站的换流单元采用混杂式MMC，其采用三相六桥臂结构，每个桥臂均由N个半桥子模块(HBSM)和M个全桥子模块(FBSM)混合级联构成并串接有一个桥臂电抗器，N和M均为大于0的自然数。其中，Udc为直流电压，u_vj(j＝a,b,c)为换流器交流出口处三相电压，u_pj和u_nj分别为j相上、下桥臂级联子模块的输出电压，i_pj和i_nj分别为j相上、下桥臂电流，U_c为子模块电容电压。

半桥子模块由两个IGBT管T₁～T₂，电容C₁和电阻R₁构成；其中，IGBT管T₁的集电极与电容C₁的一端以及电阻R₁的一端相连，电容C₁的另一端以及电阻R₁的另一端与IGBT管T₂的发射极相连且为半桥子模块的低压端，IGBT管T₂的集电极与IGBT管T₁的发射极相连且为半桥子模块的高压端；两个IGBT管T₁～T₂的基极均接收外部设备提供的控制信号。半桥子模块有投入、旁通、闭锁三种运行状态，分别对应于T₁导通T₂关断，T₁关断T₂导通，T₁和T₂都关断。

全桥子模块由四个IGBT管G₁～G₄，电容C₂和电阻R₂构成；其中，IGBT管G₁的集电极与IGBT管G₂的集电极和电容C₂的一端以及电阻R₂的一端相连，IGBT管G₁的发射极与IGBT管G₃的集电极相连且为全桥子模块的高压端，IGBT管G₃的发射极与IGBT管G₄的发射极和电容C₂的另一端以及电阻R₂的另一端相连，IGBT管G₂的发射极与IGBT管G₄的集电极相连且为全桥子模块的低压端；四个IGBT管G₁～G₄的基极均接收外部设备提供的控制信号。全桥子模块有(正)投入、负投入、旁通、闭锁四种运行状态，分别对应G₁G₄导通G₂G₃关断，G₁G₄关断G₂G₃导通，G₁G₂导通G₃G₄关断或G₁G₂关断G₃G₄导通，G₁～G₄都关断。

整流换流站采用定直流电流控制，逆变换流站采用定直流电压控制和定无功功率控制。稳态运行时，直流电流和直流电压分别由整流换流站和逆变换流站控制。

如图4所示，本实施方式混合型直流输电系统的停运控制方法，具体包括如下步骤：

(1)启动停运指令后，调节十二脉动桥式晶闸管换流器的定直流电流控制器，将直流电流从额定值I_dco逐渐减小至另一值I_dcz。I_dcz和I_dco满足如下关系式：

I_dcz≥ηI_dco

其中，η为电流比例系数，一般取值为0.1。上式的限制条件主要用于防止直流电流过小而引起电流断续现象，电流断续将会在换流变压器、平波电抗器等电感元件上产生很高的过电压。直流电流的减少为后续操作做准备，防止过电流。

(2)调整逆变换流站内换流变压器原边的分接头，将其调节至最大变比位置，由于分接开关至今都是机械式的，转换过程较为缓慢，对交直流系统的冲击影响较小。待分接头置于最大变比位置时，此时，换流变压器阀侧的交流电压亦达到额定最小值，为后续直流电压的降落作准备。

(3)将混杂式MMC内定无功功率控制器的无功功率指令值调整为0，使其与交流系统之间不发生无功交换；同时调节MMC内定直流电压控制器的直流电压指令值，将其从额定值U_dc0逐渐减小至U_dcz。U_dc0基本满足如下关系式：

$U_{\mathrm{dc}0}=\frac{2\sqrt{6}{U}_{\mathrm{ac}2}}{3k}$

其中，U_ac2为换流变压器副边额定线电压有效值，k为电压调制比，满足k≤1。

U_dcz满足如下关系式：

$U_{\mathrm{dcz}}=\frac{2\sqrt{6}{U}_{\mathrm{ac}2}}{3{\mathrm{\τ}}_{\max }}$

其中，τ_max为换流变压器最大变比。

那么，子模块电容电压将从原先的额定值U_c0降低至U_cz。

$U_{c0}=\frac{U_{\mathrm{dc}0}}{M+N}$ $U_{\mathrm{cz}}=\frac{U_{\mathrm{dcz}}}{M+N}$

(4)调节十二脉动桥式晶闸管换流器的定直流电流控制器，将直流电流从I_dcz逐渐减小至0，而后将触发角增大至120°，完全隔绝整流换流站和逆变换流站之间的功率传递。

(5)闭锁十二脉动桥式晶闸管换流器和MMC，如此，交直流系统之间将不会再有功率交换，流入换流器的交流电流变为0；而后断开直流隔离开关S_dc1和S_dc2，断开交流断路器S_ac1和S_ac2，再断开交流旁路开关S_r，将启动限流电阻R_c投入。

(6)进入子模块电容电压快速卸放阶段，具体步骤如下：

6.1将MMC中A、B、C每相上桥臂M+N个子模块从闭锁状态切换至旁通状态，MMC内状态变量不会发生变化。

6.2将每相上桥臂的M+N个子模块进行分组，除最后一组外，每组子模块个数均为X，最后一组的子模块个数将小于等于X。分组可以按照子模块编号从小到大来分。

6.3将A相上桥臂的第一组子模块从旁通状态切换为投入状态，子模块电容将通过限流电阻R_c耗能，从而降低其电压。待子模块电容电压从U_cz减小至U_cs时，将此子模块从投入状态切换为旁通状态，其中，U_cs为子模块电路板启动电压对应的子模块电容电压，可取0.1kV。

6.4待第一组内所有子模块的电容电压减小至U_cs，同时已转变为旁通状态后，依次投入第二组、第三组……最后一组子模块，每组子模块的处理方式同步骤6.3。

6.5待A相上桥臂所有组别子模块的电容电压已卸放至U_cs后，依次对B相和C相上桥臂的子模块以步骤6.3～6.4进行处理。

当子模块进行分组放电时，图5(a)～(d)给出了全桥子模块和半桥子模块闭锁状态下，不同桥臂电流下的桥臂等效电路。图5(e)给出了三相下桥臂闭锁，A相上桥臂和C相上桥臂旁通，B相上桥臂一组子模块投入的等效电路，从图中可以看出，回路①和③将启动限流电阻R_c引入放电回路，回路②和④的流通将导致对下桥臂子模块电容充电而不利于电容能量的快速释放，因而，要阻止回路②和④的形成。根据电路特性，可知X需要满足如下关系式：

$X=\mathrm{floor}\left[\frac{(M+N)(2M+N)U_{\mathrm{cs}}}{U_{\mathrm{dcz}}}\right]$

其中，floor[x]表示小于变量x的最大正整数。

6.6待每相上桥臂子模块的电容电压均已减小至U_cs后，将其从旁通状态切换至闭锁状态，然后，将每相下桥臂M+N个子模块从闭锁状态切换至旁通状态。同样地，通过步骤6.2～6.5，实现对下桥臂子模块电容电压的快速放电。待每相下桥臂子模块的电容电压均已减小至U_cs后，将其从旁通状态切换至闭锁状态。

(7)进入子模块电容电压自行卸放阶段。子模块通过与其并行连接的电阻(R₁或R₂)自行放电，由于电阻R₁和R₂的阻值较大，放电过程将持续较长的时间，待子模块电容电压降低至0时，停运过程结束。

为了进一步验证本实施方式的有效性和可行性，在电力系统电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC中搭建了如图1所示的模型，额定直流电压200kV，额定直流电流1kA，额定功率200MW。整流换流站换流变压器的变比为345kV/90kV，逆变换流站换流变压器的变比为350kV/110kV。换流变压器分接头档位为+18/-6，每档电压变化1.25％。MMC中，每个桥臂含有16个全桥子模块，24个半桥子模块，子模块电容为5000μF，电容额定电压5kV，桥臂电感为15mH。

图6(a)～(f)分别给出了直流电压，直流电流，整流换流站触发角，逆变侧换流变压器阀侧交流电压，整流侧交流电流以及逆变侧交流电流的响应曲线。其中，①为直流电流下降过程，直流电流从额定值1kV逐渐减小至0.3kV，于此同时，触发角相应增大；②为逆变侧换流变压器分接头调整过程，伴随着分接头的变动，阀侧交流电压的有效值逐渐减少为89.8kV；③为直流电压降低过程，直流电压从额定值逐渐降低至140kV；④为直流电流从0.3kV降低至0的过程；⑤过程中，触发角先增大至120°，而后闭锁晶闸管换流器和混杂式MMC，再断开直流隔离开关S_dc1和S_dc2，交流断路器S_ac1和S_ac2，以及交流旁路开关S_r，为后续电容电压放电作准备。此过程中，电压电流的变化平稳快速，无过电压过电流现象发生。

图7(a)～(f)给出三相每个桥臂上电容电压的快速放电过程。从图中可以看出，在电容电压进入快速卸放阶段前，随着直流电压的下降，电容电压已从额定的5kV降低至3.6kV，快速卸放阶段，电容电压能够平稳降低，无过电压现象发生。

Claims (5)

1.一种混合型直流输电系统的停运控制方法，所述的混合型直流输电系统包括通过直流输电线路连接的整流换流站和逆变换流站，整流换流站采用晶闸管换流器，逆变换流站采用MMC；所述的MMC每个桥臂均由多个子模块级联构成并串接有桥臂电抗器，每个桥臂的多个子模块包括n个HBSM和m个FBSM，子模块的驱动电路板由子模块的电容电压供电，n和m均为大于0的自然数；

所述的晶闸管换流器采用定直流电流控制，其交流侧依次通过换流变压器T₁和交流断路器S_ac1与送端交流电网连接，直流侧正极通过直流隔离开关S_dc1与直流输电线路的一端相连，直流侧负极接地；

所述的MMC采用定无功功率和定直流电压控制，其交流侧依次通过限流装置、换流变压器T₂和交流断路器S_ac2与受端交流电网连接，直流侧正极通过直流隔离开关S_dc2与直流输电线路的另一端相连，直流侧负极接地；

所述的限流装置包括三相限流电阻以及分别与三相限流电阻并联的三相旁路开关；

所述的停运控制方法，包括如下步骤：

(1)开始停运后，先将直流输电线路的直流电流降低至设定值I_dcz；

(2)将换流变压器T₂的分接头逐步调节至最大变比位置；

(3)将逆变换流站与受端交流电网之间的无功功率调节至0，并降低直流输电线路的直流电压；

(4)通过调节晶闸管换流器的定直流电流控制器，将所述的直流电流从设定值I_dcz逐渐减小至0，进而将晶闸管换流器的触发角增大至120°；

(5)对晶闸管换流器和MMC进行闭锁，然后先断开直流隔离开关S_dc1和S_dc2，再断开交流断路器S_ac1和S_ac2，最后断开三相旁路开关；

(6)将MMC中各子模块的电容电压泄放至U_cs，U_cs为子模块驱动电路板启动时对应的子模块电容电压；之后，各子模块的电容电压将自行泄放，从U_cs降低至0，停运过程结束。

2.根据权利要求1所述的停运控制方法，其特征在于：所述的步骤(1)中将直流电流降低至设定值I_dcz的方法为：通过调节晶闸管换流器的定直流电流控制器，将直流电流从额定值I_dco逐渐减小至设定值I_dcz，I_dcz和I_dco满足如下关系式：

I_dcz≥ηI_dco

其中，η为电流比例系数。

3.根据权利要求1所述的停运控制方法，其特征在于：所述的步骤(3)的具体实现方法为：首先，将MMC的定无功功率控制器的无功功率指令值调整为0，使MMC与受端交流电网之间不发生无功交换；然后，将MMC的定直流电压控制器的直流电压指令值从额定值逐渐减小至设定值U_dcz，U_dcz满足如下关系式：

$U_{dcz}=\frac{2\sqrt{6}{U}_{ac2}}{3{\mathrm{\τ}}_{max}}$

其中，U_ac2为换流变压器T₂副边的额定线电压有效值，τ_max为换流变压器T₂的最大变比。

4.根据权利要求1所述的停运控制方法，其特征在于：所述的步骤(6)中将MMC各子模块的电容电压泄放至U_cs的具体实现方法如下：

(6.1)将MMC所有上桥臂的子模块从闭锁状态切换至旁通状态；

(6.2)对于任一相上桥臂，对该上桥臂的所有子模块进行分组；对于该上桥臂的任一组子模块，将该组子模块从旁通状态切换为投入状态，组内的子模块电容将通过三相限流电阻耗能，从而降低其电容电压，待子模块电容电压减小至U_cs时，将子模块从投入状态切换为旁通状态，逐次遍历该上桥臂的各组子模块；

(6.3)根据步骤(6.2)逐次遍历各相上桥臂，待所有上桥臂的子模块电容电压均减小至U_cs后，将所有上桥臂的子模块从旁通状态切换至闭锁状态；

(6.4)将MMC所有下桥臂的子模块从闭锁状态切换至旁通状态，并根据步骤(6.2)～(6.3)进行同样操作。

5.根据权利要求4所述的停运控制方法，其特征在于：所述的步骤(6.2)中对上桥臂所有子模块进行分组的方法为：将上桥臂所有子模块分成若干组，除最后一组外其余各组中的子模块个数均为k，且k满足如下关系式：

$k=floor\[\frac{(m+n)(2m+n)U_{cs}}{U_{dcz}}\]$

其中，floor[]为小于[]中变量的最大正整数，U_dcz满足如下关系式：

$U_{dcz}=\frac{2\sqrt{6}{U}_{ac2}}{3{\mathrm{\τ}}_{max}}$

U_ac2为换流变压器T₂副边的额定线电压有效值，τ_max为换流变压器T₂的最大变比。