CN107086605A - 一种电网零起升压的黑启动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电网零起升压的黑启动方法，涉及电力系统技术领域，用于在将MMC所在的柔性高压直流输电单元用作电网黑启动的启动源时，确保电网运行安全以及与电网电连接的电力设备安全。所述电网零起升压的黑启动方法包括：闭锁柔性高压直流输电单元，控制其有源MMC阀单元和无源MMC阀单元充电；当有源MMC阀单元和无源MMC阀单元均充电至解锁电压时，解锁有源MMC阀单元和所述无源MMC阀单元，同时合闸无源侧换流站的换流变网侧断路器，将无源侧换流站的换流变压器与目标电网导通，使得目标电网的电压零起升压完成黑启动。本发明提供的电网零起升压的黑启动方法用于电力系统的黑启动。

Description

一种电网零起升压的黑启动方法

技术领域

本发明涉及电力系统技术领域，尤其涉及一种电网零起升压的黑启动方法。

背景技术

通常，电网因故障停运后，电网所在的电力系统会出现大面积停电的情况，此时通过电网中具有自启动能力的发电机组启动，带动无自启动能力的发电机组，能够逐渐扩大电网的运行范围，直至电网所在的整个电力系统恢复有电，这种启动模式称之为黑启动。

目前，模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，简称为MMC)作为一种新型的电压源换流器拓扑结构，因具有输出谐波少、模块化程度高等特点，可被广泛应用于高压直流输电领域，特别是柔性高压直流输电单元中。将MMC所在的柔性高压直流输电单元用作电网黑启动的启动源时，电网的黑启动一般通过柔性高压直流输电单元中有源侧换流站和无源侧换流站的启动控制完成，而有源侧换流站和无源侧换流站的启动控制，利用对应换流站中各MMC子模块的充电控制完成。

然而，在现有以MMC所在的柔性高压直流输电单元作为启动源的黑启动控制中，无源侧换流站的换流变网侧断路器通常是在其MMC阀单元的阀侧电压达到达额定电压后才会合闸，此时，无源侧换流站的换流变网侧电压为零，而无源侧换流站的MMC阀单元的阀侧电压为额定电压，无源侧换流站的MMC阀单元的阀侧与其换流变的网侧之间存在较大的电压差，使得在换流变网侧断路器合闸的瞬间出现电压突变和电流突变，而电压突变容易造成电压冲击，电流突变容易引起进区变压器励磁支路饱和，造成较大的励磁涌流，导致无源侧换流站的MMC阀单元内部发生桥臂过流，造成MMC阀单元跳闸。此外，在网侧断路器合闸的瞬间出现电压突变和电流突变，也容易使得与无源侧换流站的网侧电连接的电网，因暂态电压过高，而危及其运行安全以及与电网电连接的电力设备安全。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电网零起升压的黑启动方法，用于在将MMC所在的柔性高压直流输电单元用作电网黑启动的启动源时，使得电网电压从零缓慢升高至其稳态电压，确保电网运行安全以及与电网电连接的电力设备安全。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种电网零起升压的黑启动方法，包括以下步骤：

步骤10，将处于备用状态的柔性高压直流输电单元设定为黑启动运行模式，闭锁柔性高压直流输电单元；柔性高压直流输电单元包括有源侧换流站，以及与有源侧换流站电电连接的无源侧换流站；

步骤20，控制有源侧换流站的有源MMC阀单元和无源侧换流站的无源MMC阀单元分别进入不控充电模式充电；

步骤30，无源MMC阀单元在不控充电模式下充电至可控电压后，无源MMC阀单元进入可控充电模式充电；

步骤40，当有源MMC阀单元在不控充电模式下充电至解锁电压，无源MMC阀单元在可控充电模式下充电至解锁电压时，

解锁有源MMC阀单元和无源MMC阀单元，使得有源MMC阀单元进入定直流电压控制模式，有源MMC阀单元的直流电压从解锁电压升压至额定直流电压，无源MMC阀单元进入定交流电压控制模式，无源MMC阀单元的阀侧交流电压从零升压至额定交流电压；

且合闸无源侧换流站的换流变网侧断路器，将无源侧换流站的换流变压器与目标电网导通，使得目标电网的电压从零开始升高至稳态电压，完成目标电网的黑启动。

与现有技术相比，本发明提供的电网零起升压的黑启动方法，具有以下有益效果：

在本发明提供的电网零起升压的黑启动方法中，当有源MMC阀单元在不控充电模式下充电至解锁电压，无源MMC阀单元在可控充电模式下充电至解锁电压时，对有源MMC阀单元和无源MMC阀单元进行解锁，使得有源MMC阀单元进入定直流电压控制模式，其直流电压按照预设的电压升率从解锁电压升压至额定直流电压，而无源MMC阀单元进入定交流电压控制模式，其阀侧交流电压按照预设的斜率从零逐渐升压至额定交流电压；同时，合闸无源侧换流站的换流变网侧断路器，将无源侧换流站的换流变压器与目标电网导通，这样就能够在无源MMC阀单元的阀侧交流电压从零逐渐升压至额定交流电压的同时，通过无源侧换流站的换流变压器对目标电网进行供电，使得目标电网的电压从零逐渐升高至稳态电压。

由上可知，在合闸无源侧换流站的换流变网侧断路器的初始，目标电网的电压为零，也就是无源侧换流站的换流变网侧电压为零，此时通过无源侧换流站的换流变压器与目标电网对应连接的无源MMC阀单元的阀侧交流电压也为零，二者之间不存在压差或存在很小的压差，这样在合闸无源侧换流站的换流变网侧断路器的瞬间，并不会造成电压突变和电流突变，能够避免无源MMC阀单元内部发生桥臂过流而造成无源MMC阀单元跳闸，并且避免目标电网出现暂态电压过高的现象，从而确保目标电网运行安全以及与目标电网电连接的电力设备安全。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例提供的MMC阀单元的拓扑结构示意图；

图2为本发明实施例提供的MMC子模块的拓扑结构示意图；

图3为本发明实施例提供的柔性高压直流输电单元的拓扑结构示意图；

图4为本发明实施例提供的目标电网的网架结构示意图一；

图5为本发明实施例提供的目标电网的网架结构示意图二；

图6为本发明实施例提供的电网零起升压的黑启动方法的流程图。

附图标记：

1-有源侧换流站， 2-无源侧换流站，

11-有源MMC阀单元， 21-无源MMC阀单元，

110-有源MMC子模块， 210-无源MMC子模块，

211-上桥臂， 212-下桥臂，

10-交流电源， 12-有源换流变压器，

22-无源换流变压器， 13-有源限流电阻，

23-无源限流电阻， 4-目标电网。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案的目的、特征和优点能够更加明显易懂，在结合说明书附图详述本发明实施例提供的电网零起升压的黑启动方法之前，还需简单说明一下MMC所在的柔性高压直流输电单元的结构。

参阅图1和图3，通常，MMC所在的柔性高压直流输电单元包括有源侧换流站1，以及通过直流输电线路3与有源侧换流站1电连接的无源侧换流站2。需要说明的是，有源侧和无源侧的划分仅是基于“与换流站电连接的交流一侧是否存在有交流电源10供电”而进行的，在实际运行中，对应不同的目标电网，同一换流站可能作为有源侧换流站，也可能作为无源侧换流站，因此，有源侧换流站1的内部结构和无源侧换流站2的内部结构作相同设置。

以无源侧换流站2的内部结构为例，具体说明如下。参阅图3，无源侧换流站2包括无源MMC阀单元21以及与无源MMC阀单元21电连接的无源换流变压器22，无源换流变压器22靠近交流母线的一侧为无源侧换流站的换流变网侧，无源MMC阀单元21靠近无源换流变压器22的一侧为无源MMC阀单元21的阀侧，其中，无源MMC阀单元21的阀侧设置阀侧断路器S5，阀侧断路器S5与无源MMC阀单元21之间串接无源限流电阻23，无源限流电阻23并联限流开关S4；无源侧换流站的换流变网侧设置换流变网侧断路器S6；无源MMC阀单元21包括多个无源MMC子模块210，每个无源MMC子模块210包括一个充电电容C，充电电容C的一端通过第一电路与充电线路的正极电连接，充电电容C的另一端与充电线路的负极电连接，充电线路的正极通过第二电路与充电线路的负极电连接；其中，第一电路包括绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，简称IGBT)T1以及与绝缘栅双极型晶体管T1反并联的二极管D1，第二电路的结构与第一电路的结构相同，第二电路包括绝缘栅双极型晶体管T2以及与绝缘栅双极型晶体管T2反并联的二极管D2。

有源侧换流站1的内部结构与无源侧换流站2的内部结构对应相同，在此不作详述。

下面结合说明书附图，对本发明实施例提供的电网零起升压的黑启动方法进行详细描述。

参阅图3和图6，本发明实施例提供的电网零起升压的黑启动方法包括以下步骤：

S10，将处于备用状态的柔性高压直流输电单元设定为黑启动运行模式，闭锁柔性高压直流输电单元；

S20，控制有源侧换流站1的有源MMC阀单元11和无源侧换流站2的无源MMC阀单元21分别进入不控充电模式充电；

具体实施时，通过合闸安装在直流输电线路上的隔离刀闸，将无源侧换流站2与有源侧换流站1导通，以使得有源侧换流站1的有源MMC阀单元11和无源侧换流站2的无源MMC阀单元21分别进入不控充电模式充电。此处，参阅图2，不控充电模式是指对MMC阀单元的充电不进行控制，对应在每个MMC子模块中，其绝缘栅双极型晶体管T1和T2导通，正电荷从充电线路的正极通过二极管D1移动至充电电容C的一端，负电荷从充电线路的负极移动至充电电容C的另一端，对充电电容C进行自然充电，二极管D2在反向电压情况下不导通。

S30，无源MMC阀单元21在不控充电模式下充电至可控电压后，无源MMC阀单元21进入可控充电模式充电；

通常，无源MMC阀单元21在不控充电模式下充电所能够达到的电压有限，即无源MMC阀单元21依赖不控充电模式充电无法达到与有源MMC阀单元同样的电压，因此，当无源MMC阀单元21充电至可控电压后，对无源MMC阀单元21中的各无源MMC子模块210进行控制充电，方能使得无源MMC阀单元21充电至解锁电压。

具体实施时，参阅图2，对应在每个无源MMC子模块210中，对绝缘栅双极型晶体管T1施加导通信号，对绝缘栅双极型晶体管T2施加关断信号，此时，绝缘栅双极型晶体管T1承受反向电压而关断，二级管D1承受正向电压导通，二极管D2承受反向电压关断，充电线路的电流通过二级管D1向充电电容C充电；当充电电容C充电至解锁电压时，对绝缘栅双极型晶体管T1施加关断信号，对绝缘栅双极型晶体管T2施加导通信号，此时，充电线路的电流直接流过绝缘栅双极型晶体管T2，不再对充电电容C进行充电，实现该无源MMC子模块旁路。

S40，当有源MMC阀单元11在不控充电模式下充电至解锁电压，无源MMC阀单元21在可控充电模式下充电至解锁电压时，

解锁有源MMC阀单元11和无源MMC阀单元21，使得有源MMC阀单元11进入定直流电压控制模式，有源MMC阀单元11的直流电压从解锁电压升压至额定直流电压，无源MMC阀单元21进入定交流电压控制模式，无源MMC阀单元21的阀侧交流电压从零升压至额定交流电压；

当有源MMC阀单元11进入定直流电压控制模式后，有源MMC阀单元11的直流电压能够在定直流电压控制模式的控制作用下，按照预设的电压升率从解锁电压平稳上升至额定直流电压；当无源MMC阀单元21进入定交流电压控制模式后，在定交流电压控制模式的控制作用下，无源MMC阀单元21的阀侧交流电压按照预设的斜率能够从解锁电压平稳上升至额定交流电压；

在解锁有源MMC阀单元11和无源MMC阀单元21的同时，合闸无源侧换流站2的换流变网侧断路器S6，将无源侧换流站2的换流变压器22与目标电网4导通，使得目标电网4的电压从零开始升高至稳态电压，完成目标电网4的黑启动。

由上可知，在本发明实施例提供的电网零起升压的黑启动方法中，当有源MMC阀单元11在不控充电模式下充电至解锁电压，而无源MMC阀单元21在可控充电模式下充电至解锁电压时，对有源MMC阀单元11和无源MMC阀单元21进行解锁，使得有源MMC阀单元11进入定直流电压控制模式，其直流电压按照预设的电压升率从解锁电压升压至额定直流电压，而无源MMC阀单元21进入定交流电压控制模式，其阀侧交流电压按照预设的斜率从零逐渐升压至额定交流电压；同时，合闸无源侧换流站2的换流变网侧断路器S6，将无源侧换流站2的换流变压器22与目标电网4导通，这样就能够在无源MMC阀单元21的阀侧交流电压从零逐渐升压至额定交流电压的同时，通过无源侧换流站2的换流变压器22对目标电网4进行供电，使得目标电网4的电压从零逐渐升高至稳态电压。

由上可知，在合闸无源侧换流站2的换流变网侧断路器S6的初始，目标电网4的电压为零，也就是无源侧换流站2的换流变网侧电压为零，此时通过无源侧换流站2的换流变压器22与目标电网4对应连接的无源MMC阀单元21的阀侧交流电压也为零，二者之间不存在压差或存在很小的压差，这样在合闸无源侧换流站2的换流变网侧断路器S6的瞬间，并不会造成电压突变和电流突变，能够避免无源MMC阀单元21内部发生桥臂过流而造成无源MMC阀单元21跳闸，并且避免目标电网4出现暂态电压过高的现象，从而确保目标电网4运行安全以及与目标电网4电连接的电力设备安全。

可以理解的是，上述实施例中提到的可控电压和解锁电压，可以由本领域工程人员根据实际情况自行设定。通常，可控电压是指现有技术中无源MMC阀单元21能够被控制充电通断所需具备的最低电压限值；解锁电压是指本领域工程人员综合考虑交流电源充电能力以及MMC阀单元充电容量等因素可以实现的最大充电电压值。示例性的，在上述实施例中，可控电压为0.30p.u.～0.35p.u.，解锁电压为0.70p.u.～0.75p.u.。

值得一提的是，在上述实施例提供的S30中，无源MMC阀单元21进入可控充电模式充电包括：

获取各充电电容C的电压，按照各电压从低到高的顺序，将各充电电容C对应的无源MMC子模块210进行排序充电，分别使得每个无源MMC子模块210在可控充电模式下充电至解锁电压。

示例性的，参阅图1，交流电源10提供的电流为三相电流，分别通过A相线路、B相线路和C相线路输送，使得一个MMC阀单元比如无源MMC阀单元21中，包括有与A相线路、B相线路和C相线路一一对应电连接的三相无源MMC子单元，三相无源MMC子单元的充电独立进行；其中，一相无源MMC子单元包括2N个无源MMC子模块210，N≥2，其中，N个无源MMC子模块210串联构成一相无源MMC子单元的上桥臂211或下桥臂212，且一相无源MMC子单元中的上桥臂211与下桥臂212通过两个桥臂电抗器串接。

当无源MMC阀单元21进入可控充电模式充电时，在一相无源MMC子单元中，检测获取2N个无源MMC子模块210中充电电容C的电压，并按照各电压从低到高的顺序，将与各充电电容C对应的2N个无源MMC子模块210进行排序充电，分别使得每个无源MMC子模块210在可控充电模式下充电至解锁电压。

由于2N个无源MMC子模块210串接，为了提高无源MMC阀单元21的充电效率，且确保无源MMC阀单元21的充电安全，在按照各电压从低到高的顺序将2N个无源MMC子模块210进行排序时，通常以分组的方式进行。具体的，若以M个无源MMC子模块210为一组，M≤N，则从电压最低的无源MMC子模块210开始至电压排序为M的无源MMC子模块210为第一组，在第一时段内充电至解锁电压；从电压排序为M+1的无源MMC子模块210开始至电压排序为2M的无源MMC子模块为第二组，在第二时段内充电至解锁电压；以此类推，直至2N个无源MMC子模块210在可控充电模式下均充电至解锁电压，无源MMC阀单元21在可控充电模式的充电完成。

在控制各无源MMC子模块210进行排序充电时，优选通过触发每个无源MMC子模块210中绝缘栅双极型晶体管的通断，对应控制充电电容C的充电通断。绝缘栅双极型晶体管的输入阻抗高、开关速度快、驱动电路简单、通态电压低、能承受高电压大电流等优点，可以对充电电容C的充电通断进行准确控制。

需要说明的是，上述实施例中提到的目标电网4是指处于停电状态的电网区域，具体包括与无源侧换流站2的换流变网侧通过换流变网侧断路器S6电连接的交流母线，以及与交流母线级联的各极变电站等。因此，在上述实施例提供的电网零起升压的黑启动方法中，参阅图3和图6，在S30和S40之间，还包括：

S35，级联交流母线和各级变电站，使得交流母线和各级变电站共同构成目标电网4。

为了更清楚的说明上述实施例所提供的目标电网4的网架结构，参阅图4-5。在图4所示的目标电网4中，目标电网4包括主送电站a，主送电站a的输入端通过交流母线与无源侧换流站2的无源换流变压器22电连接，主送电站a的输出端与变电站b电连接，变电站b分别与变电站c、变电站d、变电站d和电厂f电连接。在图5所示的目标电网4中，目标电网4包括主送电站h，主送电站h的输入端通过交流母线与无源侧换流站2的无源换流变压器22电连接，主送电站h的输出端与变电站i电连接，变电站i与变电站j电连接，而变电站j又与变电站k电连接，变电站k又与电厂l电连接。可见，目标电网4存在多种网架结构，其网架结构与目标电网4所在的停电区域相关，应根据实际运行情况确定。

在上述实施方式的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种电网零起升压的黑启动方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤10，将处于备用状态的柔性高压直流输电单元设定为黑启动运行模式，闭锁所述柔性高压直流输电单元；所述柔性高压直流输电单元包括有源侧换流站，以及与所述有源侧换流站电连接的无源侧换流站；

步骤20，控制所述有源侧换流站的有源MMC阀单元和所述无源侧换流站的无源MMC阀单元分别进入不控充电模式充电；

步骤30，所述无源MMC阀单元在不控充电模式下充电至可控电压后，所述无源MMC阀单元进入可控充电模式充电；

步骤40，当所述有源MMC阀单元在不控充电模式下充电至解锁电压，所述无源MMC阀单元在可控充电模式下充电至解锁电压时，

解锁所述有源MMC阀单元和所述无源MMC阀单元，使得所述有源MMC阀单元进入定直流电压控制模式，所述有源MMC阀单元的直流电压从解锁电压升压至额定直流电压，所述无源MMC阀单元进入定交流电压控制模式，所述无源MMC阀单元的阀侧交流电压从零升压至额定交流电压；

且合闸所述无源侧换流站的换流变网侧断路器，将所述无源侧换流站的换流变压器与目标电网导通，使得所述目标电网的电压从零开始升高至稳态电压，完成所述目标电网的黑启动。

2.根据权利要求1所述的电网零起升压的黑启动方法，其特征在于，所述无源侧换流站的换流变压器通过换流变网侧断路器与交流母线电连接；

在步骤30和步骤40之间，所述电网零起升压的黑启动方法还包括：

步骤35，级联所述交流母线和各级变电站，使得所述交流母线和所述各级变电站共同构成目标电网。

3.根据权利要求1所述的电网零起升压的黑启动方法，其特征在于，所述无源MMC阀单元包括多个无源MMC子模块，每个所述无源MMC子模块包括充电电容，所述充电电容的一端通过第一电路与充电线路的正极电连接，所述充电电容的另一端与所述充电线路的负极电连接，所述充电线路的正极通过第二电路与所述充电线路的负极电连接；其中，所述第一电路包括绝缘栅双极型晶体管以及与所述绝缘栅双极型晶体管反并联的二极管，所述第二电路的结构与所述第一电路的结构相同；

步骤30中，所述无源MMC阀单元进入可控充电模式充电包括：

获取各所述充电电容的电压，按照各所述电压从低到高的顺序，将各所述充电电容对应的所述无源MMC子模块进行排序充电，分别使得每个所述无源MMC子模块在可控充电模式下充电至解锁电压。

4.根据权利要求3所述的电网零起升压的黑启动方法，其特征在于，步骤30中，将各所述充电电容对应的所述无源MMC子模块进行排序充电还包括：

通过触发各所述无源MMC子模块中所述绝缘栅双极型晶体管的通断，对应控制所述充电电容的充电通断。

5.根据权利要求1-4任一项所述的电网零起升压的黑启动方法，其特征在于，所述可控电压为0.30p.u.～0.35p.u.，所述解锁电压为0.70p.u.～0.75p.u.。