CN109861266A - 含大规模新能源接入的柔性直流输电系统的柔性启动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含大规模新能源接入的柔性直流输电系统的柔性启动方法，通过分别控制受端换流站与送端换流站，第一阶段内受端换流站进入不控整流阶段，第二阶段受端换流站进入可控整流阶段，并在第二阶段内控制送端换流站按照可调比例斜率因子软起动，待直流母线电压上升到阀值后接入新能源发电，实现直流输电系统的柔性启动，避免换流站的交流侧、直流侧以及新能源侧产生大的冲击，产生过电压过电流影响整个系统的运行，损坏设备和危及人身安全。

Description

含大规模新能源接入的柔性直流输电系统的柔性启动方法

技术领域

本发明涉及一种含大规模新能源接入的直流输电系统柔性启动方法，属于柔性直流输电技术领域。

背景技术

20世纪90年代末，基于可关断器件和脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)技术的电压源换流器(Voltage Source Converter，VSC)开始应用于直流输电领域，这也标志着第三代直流输电技术的诞生。这种以可关断器件和PWM技术为基础的第三代直流输电技术，国际权威学术组织——国际大电网会议(CIGRE)和美国电气与电子工程师学会(IEEE)将其正式命名为“VSC-HVDC”，即“电压源换流器型高压直流输电”。ABB公司则称之为轻型高压直流输电(HVDC Light)，并作为商标注册。西门子公司称之为HVDC Plus。2006年5月在中国电力科学研究院组织召开的“轻型直流输电系统关键技术研究框架研讨会”上，与会专家一致建议国内将第三代直流输电技术统一命名为“柔性直流输电”。

国内，由南网公司筹建的广东南澳直流输电工程和国网公司筹建的浙江舟山以及河北张北等柔性直流输电工程，均在新能源功率外送和减小新能源功率波动对电网的影响方面具有很好的示范意义。

直流电网在正常运行前需要对各换流站进行预充电，使各换流站电压满足工作条件，换流站启动过程实质上就是换流站的预充电过程，启动过程如果控制不当，将会对MMC换流器的交流侧、直流侧以及新能源侧产生大的冲击，产生过电压过电流影响整个系统的运行，损坏设备和危及人身安全。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种含大规模新能源接入的柔性直流输电系统和柔性启动方法，本发明适用于采用模块化多电平结构的直流输电工程，能够减小交流侧、直流侧和新能源侧的冲击电流，能够避免空充变压器和长空载线路造成的励磁涌流和过电压问题，最终直流电压能够平稳建立。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种含大规模新能源接入的柔性直流输电系统的柔性启动方法，包括如下步骤：

步骤1)确保系统中所有的开关均断开，受端换流站、送端换流站子模块均处于闭锁状态。

步骤2)合上直流隔离开关S_dc。

步骤3)合上受端换流站交流侧断路器S_ac1，受端换流站交流侧电网同时给受端换流站、送端换流站的子模块电容C_i进行启动第一阶段，第一阶段为交流侧不控整流阶段。

步骤4)当受端换流站直流侧电压达到交流侧线电压峰值时，即步骤3)所述第一阶段的不可控整流充电结束时，合上受端换流站交流侧旁路开关S_k，退出限流电阻R_L。

步骤5)解锁受端换流站的阀控，进行启动第二阶段，第二阶段为可控整流阶段，采用定直流电压控制，初始值设置在介于直流电压额定值和交流侧线电压峰值之间。

步骤6)在进行步骤5)所述第二阶段启动过程中，解锁送端换流站的阀控，设置送端换流站工作在无源逆变模式，同时对送端换流站联结变压器二T₂以及空载的新能源侧长输电线路L和新能源侧变压器T_w进行软起动，送端换流站的定交流电压控制器设置为斜率上升。

步骤7)待步骤6)第二阶段启动完成，系统直流电压最终稳定在设定初始值之后，改变受端换流站的定直流电压参考值，同时引入斜率可调因子，在此过程中结合启动过程对系统造成的冲击实时调节斜率因子的大小进行启动第三阶段，使系统直流电压缓慢上升至额定值。

步骤8)当直流电压和送端换流站的交流侧电压稳定后，准备进行新能源侧的并网工作。

步骤9)系统启动完成，按照需要改变各换流站的控制方式。

优选的：步骤5)中第二阶段的无功类参考值设置为0。

优选的：步骤7)中改变受端换流站的定直流电压参考值为1pu。

优选的：柔性直流输电系统包括交流侧断路器S_ac1、变压器一T₁、限流电阻R_L、交流旁路开关S_k、受端换流站、直流隔离开关S_dc、送端换流站、变压器二T₂、直流侧断路器S_ac2，其中：

交流侧电网与交流侧断路器S_ac1连接，所述交流侧断路器S_ac1、变压器一T₁、限流电阻R_L、受端换流站依次连接，所述交流旁路开关S_k并联在限流电阻R_L的两侧。

新能源侧与直流侧断路器S_ac2连接，所述直流侧断路器S_ac2、变压器二T₂、送端换流站依次连接。

所述受端换流站与送端换流站通过直流隔离开关S_dc相连接。

优选的：还包括新能源侧长输电线路L和新能源侧变压器T_w，所述新能源侧、新能源侧变压器T_w、新能源侧长输电线路L、直流侧断路器S_ac2依次连接。

优选的：还包括交流侧长输电线路，所述交流侧电网、交流侧长输电线路、交流侧断路器S_ac1依次连接。

优选的：所述受端换流站、送端换流站所用换流器均为MMC换流器。

优选的：所述MMC换流器主要由6个桥臂构成，分为上桥臂和下桥臂，上桥臂和下桥臂分别连接有一个电抗器，上桥臂和下桥臂构成一个相单元，其中每个桥臂由N个功率模块SM级联构成。

优选的：所述功率模块SM包括开关单元一VT₁、开关单元二VT₂、二极管一VD₁、二极管二VD₂、子模块电容C_i、旁路开关K₁和压接式封装晶闸管K₂，其中，所述开关单元一VT₁、开关单元二VT₂相串联，所述二极管一VD₁反并联在开关单元一VT₁上，所述二极管二VD₂反并联在开关单元二VT₂上，所述子模块电容C_i一端与二极管一VD₁连接，另一端与二极管二VD₂连接。所述压接式封装晶闸管K₂并联在二极管二VD₂的两端，所述旁路开关K₁并联在二极管二VD₂的两端。

本发明相比现有技术，具有以下有益效果：

1)本发明在传统串联限流电阻的基础上，增加了柔性可调启动控制，进一步减少了换流阀启动时的冲击电流。

2)本发明在启动第二阶段通过设定直流电压初始值，以及按照顺序对换流站进行解锁配合换流站的控制方式，同时设定送端换流站的定交流电压斜率控制模式，能够平稳的对送端换流站联结变压器T₂以及空载的新能源侧长输电线路L和新能源侧变压器T_w进行软起动。

3)本发明在启动的第三阶段引入了斜率可调因子，在此过程中实时调节斜率因子的大小，结合启动过程对系统造成的冲击情况使系统直流电压缓慢上升至额定值。

本发明通过限流电阻辅助和控制混合的方式使直流系统电压快速平稳的上升至额定电压，安全性高，适用性强。适用于点对点以及多端的含大规模新能源接入的直流输电系统的启动。

附图说明

图1为一种含大规模新能源接入的直流输电系统柔性启动方法

图2为点对点的含大规模新能源接入的直流输电系统示意图。

图3为MMC换流器功率模块结构示意图。

图4为含大规模新能源接入的直流输电系统受端换流站直流电压柔性启动方法效果验证图。

图5为含大规模新能源接入的直流输电系统送端换流站交流侧电压柔性启动方法效果验证图(单相为例)。

图6为含大规模风电新能源接入的直流输电系统风电场侧输出电压和电流柔性启动方法效果验证图(单相为例)。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

一种含大规模新能源接入的柔性直流输电系统，如图2所示，包括交流侧断路器S_ac1、变压器一T₁、限流电阻R_L、交流侧长输电线路、新能源侧长输电线路L、新能源侧变压器T_w

、交流旁路开关S_k、受端换流站MMC1、直流隔离开关S_dc、送端换流站MMC2、变压器二T₂、直流侧断路器S_ac2，其中：

所述交流侧电网、交流侧长输电线路、交流侧断路器S_ac1、变压器一T₁、限流电阻R_L、受端换流站依次连接，所述交流旁路开关S_k并联在限流电阻R_L的两侧。

所述新能源侧、新能源侧变压器T_w、新能源侧长输电线路L、直流侧断路器S_ac2、变压器二T₂、送端换流站依次连接。

所述受端换流站与送端换流站通过直流隔离开关S_dc相连接。

新能源侧接入送端换流站，受端换流站负责维持直流系统电压的稳定，送端换流站为新能源侧提供稳定的并网电压，送端换流站将电能输送到受端换流站，受端换流站、送端换流站通过直流隔离开关S_dc相连接。

所述受端换流站、送端换流站所用换流器均为MMC换流器。所述MMC换流器主要由6个桥臂构成，分为上桥臂和下桥臂，上桥臂和下桥臂分别连接有一个电抗器，上桥臂和下桥臂构成一个相单元，其中每个桥臂由N个功率模块SM级联构成。如图3所示，所述功率模块SM包括开关单元一VT₁、开关单元二VT₂、二极管一VD₁、二极管二VD₂、子模块电容C_i、旁路开关K₁和压接式封装晶闸管K₂，其中，所述开关单元一VT₁、开关单元二VT₂相串联，所述二极管一VD₁反并联在开关单元一VT₁上，所述二极管二VD₂反并联在开关单元二VT₂上，所述子模块电容C_i一端与二极管一VD₁连接，另一端与二极管二VD₂连接。所述压接式封装晶闸管K₂并联在二极管二VD₂的两端，所述旁路开关K₁并联在二极管二VD₂的两端。

在系统启动过程中，如图1所示，受端换流站负责给整个直流系统建压，送端换流站负责维持新能源侧交流电压的稳定，所述三段式启动过程，第一阶段为不可控充电阶段，此过程受端直流侧电压最大为交流侧线电压的峰值，送端换流站由受端的直流侧进行充电。因此，本实施例的一种含大规模新能源接入的柔性直流输电系统的柔性启动方法，包括如下步骤：

步骤1)确保系统中所有的开关均断开，受端换流站、送端换流站子模块均处于闭锁状态。

步骤2)合上直流隔离开关S_dc。

步骤3)合上受端换流站交流侧断路器S_ac1，受端换流站交流侧电网同时给受端换流站、送端换流站的子模块电容C_i进行启动第一阶段，第一阶段为交流侧不控整流阶段。交流侧不控整流阶段，此时限流电阻发挥作用，可以抑制交流侧合闸瞬间的过电流。

假设正常运行状态下，每相上下桥臂处于投入状态的子模块为N个，当受端换流站直流侧电压达到交流侧线电压峰值u_lm时，即如上所述第一阶段的不可控充电结束时，合上受端换流站交流侧旁路开关S_k，退出限流电阻R_L。此时受端各子模块电容电压u_ci：

送端各子模块电容电压u_ci'：

步骤4)当受端换流站直流侧电压达到交流侧线电压峰值时，即步骤3)所述第一阶段的不可控整流充电结束时，合上受端换流站交流侧旁路开关S_k，退出限流电阻R_L。

步骤5)解锁受端换流站的阀控，进行启动第二阶段，第二阶段为可控整流阶段，采用定直流电压控制，初始值设置在介于直流电压额定值和交流侧线电压峰值之间，此阶段无功类参考值设置为0。

步骤6)在进行步骤5)所述第二阶段启动过程中，解锁送端换流站的阀控，设置送端换流站工作在无源逆变模式，同时对送端换流站联结变压器二T₂以及空载的新能源侧长输电线路L和新能源侧变压器T_w进行软起动，送端换流站的定交流电压控制器设置为斜率上升，这样可以避免空充变压器和长空载线路造成的励磁涌流和过电压问题。若待直流电压稳定后再解锁送端换流站的阀控，会对直流电压造成大的冲击。

步骤7)待步骤6)第二阶段启动完成，系统直流电压最终稳定在设定初始值之后，改变受端换流站的定直流电压参考值为1pu，同时引入斜率可调因子，在此过程中结合启动过程对系统造成的冲击实时调节斜率因子的大小进行启动第三阶段，使系统直流电压缓慢上升至额定值。

步骤8)当直流电压和送端换流站的交流侧电压稳定后，准备进行新能源侧的并网工作。

步骤9)系统启动完成，按照需要改变各换流站的控制方式。

本发明通过分别控制受端换流站与送端换流站，第一阶段内受端换流站进入不控整流阶段，第二阶段受端换流站进入可控整流阶段，并在第二阶段内控制送端换流站按照可调比例斜率因子软起动，待直流母线电压上升到阀值后接入新能源发电，实现直流输电系统的柔性启动，避免换流站的交流侧、直流侧以及新能源侧产生大的冲击，产生过电压过电流影响整个系统的运行，损坏设备和危及人身安全。在启动过程中通过自励充电方式，将充电过程分为不可控充电和可控充电，且具体细分为三段式启动过程，可以减小对交流侧、直流侧的冲击，能够避免空充变压器和长空载线路造成的励磁涌流和过电压问题，最终直流电压能够平稳建立。本发明通过限流电阻和控制方式辅助等措施使直流系统电压快速平稳的上升至额定电压，安全性高，适用性强。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种含大规模新能源接入的柔性直流输电系统的柔性启动方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1)确保系统中所有的开关均断开，受端换流站、送端换流站子模块均处于闭锁状态；

步骤2)合上直流隔离开关S_dc；

步骤3)合上受端换流站交流侧断路器S_ac1，受端换流站交流侧电网同时给受端换流站、送端换流站的子模块电容C_i进行启动第一阶段，第一阶段为交流侧不控整流阶段；

步骤4)当受端换流站直流侧电压达到交流侧线电压峰值时，即步骤3)所述第一阶段的不可控整流充电结束时，合上受端换流站交流侧旁路开关S_k，退出限流电阻R_L；

步骤5)解锁受端换流站的阀控，进行启动第二阶段，第二阶段为可控整流阶段，采用定直流电压控制，初始值设置在介于直流电压额定值和交流侧线电压峰值之间；

步骤6)在进行步骤5)所述第二阶段启动过程中，解锁送端换流站的阀控，设置送端换流站工作在无源逆变模式，同时对送端换流站联结变压器二T₂以及空载的新能源侧长输电线路L和新能源侧变压器T_w进行软起动，送端换流站的定交流电压控制器设置为斜率上升；

步骤7)待步骤6)第二阶段启动完成，系统直流电压最终稳定在设定初始值之后，改变受端换流站的定直流电压参考值，同时引入斜率可调因子，在此过程中结合启动过程对系统造成的冲击实时调节斜率因子的大小进行启动第三阶段，使系统直流电压缓慢上升至额定值；

步骤8)当直流电压和送端换流站的交流侧电压稳定后，准备进行新能源侧的并网工作；

步骤9)系统启动完成，按照需要改变各换流站的控制方式。

2.根据权利要求1所述的含大规模新能源接入的柔性直流输电系统的柔性启动方法，其特征在于：步骤5)中第二阶段的无功类参考值设置为0。

3.根据权利要求2所述的含大规模新能源接入的柔性直流输电系统的柔性启动方法，其特征在于：步骤7)中改变受端换流站的定直流电压参考值为1pu。

4.根据权利要求3所述的含大规模新能源接入的柔性直流输电系统的柔性启动方法，其特征在于：柔性直流输电系统包括交流侧断路器S_ac1、变压器一T₁、限流电阻R_L、交流旁路开关S_k、受端换流站、直流隔离开关S_dc、送端换流站、变压器二T₂、直流侧断路器S_ac2，其中：

交流侧电网与交流侧断路器S_ac1连接，所述交流侧断路器S_ac1、变压器一T₁、限流电阻R_L、受端换流站依次连接，所述交流旁路开关S_k并联在限流电阻R_L的两侧；

新能源侧与直流侧断路器S_ac2连接，所述直流侧断路器S_ac2、变压器二T₂、送端换流站依次连接；

所述受端换流站与送端换流站通过直流隔离开关S_dc相连接。

5.根据权利要求4所述的含大规模新能源接入的柔性直流输电系统的柔性启动方法，其特征在于：还包括新能源侧长输电线路L和新能源侧变压器T_w，所述新能源侧、新能源侧变压器T_w、新能源侧长输电线路L、直流侧断路器S_ac2依次连接。

6.根据权利要求5所述的含大规模新能源接入的柔性直流输电系统的柔性启动方法，其特征在于：还包括交流侧长输电线路，所述交流侧电网、交流侧长输电线路、交流侧断路器S_ac1依次连接。

7.根据权利要求6所述的含大规模新能源接入的柔性直流输电系统的柔性启动方法，其特征在于：所述受端换流站、送端换流站所用换流器均为MMC换流器。

8.根据权利要求7所述的含大规模新能源接入的柔性直流输电系统的柔性启动方法，其特征在于：所述MMC换流器主要由6个桥臂构成，分为上桥臂和下桥臂，上桥臂和下桥臂分别连接有一个电抗器，上桥臂和下桥臂构成一个相单元，其中每个桥臂由N个功率模块SM级联构成。

9.根据权利要求8所述的含大规模新能源接入的柔性直流输电系统的柔性启动方法，其特征在于：所述功率模块SM包括开关单元一VT₁、开关单元二VT₂、二极管一VD₁、二极管二VD₂、子模块电容C_i、旁路开关K₁和压接式封装晶闸管K₂，其中，所述开关单元一VT₁、开关单元二VT₂相串联，所述二极管一VD₁反并联在开关单元一VT₁上，所述二极管二VD₂反并联在开关单元二VT₂上，所述子模块电容C_i一端与二极管一VD₁连接，另一端与二极管二VD₂连接；所述压接式封装晶闸管K₂并联在二极管二VD₂的两端，所述旁路开关K₁并联在二极管二VD₂的两端。