一種聯(lián)于無(wú)源網(wǎng)絡(luò)的模塊化多電平換流器型高壓直流輸電系統(tǒng)直流側(cè)預(yù)充電啟動(dòng)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)輸電技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及MMC換流站直流側(cè)預(yù)充電啟動(dòng)控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]由于具有器件一致觸發(fā)動(dòng)態(tài)均壓要求低、擴(kuò)展性好、開關(guān)頻率低以及運(yùn)行損耗低等諸多優(yōu)勢(shì)，模塊化多電平換流器(MMC)已成為了高壓直流輸電(HVDC)的主流拓?fù)?。啟?dòng)控制是MMC工程應(yīng)用中必然面臨且亟待解決的關(guān)鍵性問題。換流器預(yù)充電是整個(gè)柔性直流系統(tǒng)正常啟動(dòng)的關(guān)鍵步驟。
[0003]兩端MMC-HVDC有兩種基本聯(lián)網(wǎng)方式，即兩端均連接有源網(wǎng)絡(luò)和一端連接無(wú)源網(wǎng)絡(luò)，在不同的應(yīng)用場(chǎng)合MMC-HVDC的啟動(dòng)方式和步驟不同。在兩端有源聯(lián)網(wǎng)的方式下，兩端換流站分別通過交流側(cè)完成對(duì)本地三相橋臂子模塊電容充電的任務(wù)后，切換到正常運(yùn)行模式。而當(dāng)MMC-HVDC應(yīng)用在無(wú)源網(wǎng)絡(luò)供電、黑啟動(dòng)、或盡管兩端連接有源網(wǎng)絡(luò)，但是需要一端作為主導(dǎo)站啟動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)等應(yīng)用場(chǎng)合中，因?yàn)榇藭r(shí)無(wú)源側(cè)和待恢復(fù)交流系統(tǒng)可能沒有電源向電容器提供充電電源，只能通過一端換流站同時(shí)向本地和遠(yuǎn)方換流器的模塊電容及直流線路充電。
[0004]一般情況下，正常啟動(dòng)前換流器各個(gè)換流閥的子模塊電容是不帶電的，在換流站啟動(dòng)充電過程中，如果只簡(jiǎn)單的采用串聯(lián)限流電阻器而不進(jìn)一步采取控制措施，相對(duì)于正常運(yùn)行直流電壓，充電結(jié)束后電容器可能出現(xiàn)欠充現(xiàn)象。若二者相差較大情況就直接由啟動(dòng)控制模式切換到正常運(yùn)行模式(如定有功功率，定無(wú)功功率，定交流電壓等控制模式)，可能會(huì)出現(xiàn)較大的瞬態(tài)過電流，危及設(shè)備的安全。
[0005]特別地對(duì)于向無(wú)源網(wǎng)絡(luò)供電的MMC-HVDC系統(tǒng)中，逆變站側(cè)的交流系統(tǒng)是一個(gè)無(wú)源網(wǎng)絡(luò)，它不能直接進(jìn)入定交流電壓控制方式。啟動(dòng)時(shí)需要有源側(cè)換流器同時(shí)為本地和無(wú)源端電容器預(yù)充電。當(dāng)電容器電壓提升到設(shè)定值后，無(wú)源側(cè)換流器可以開始啟動(dòng)與之相連的主要設(shè)備。當(dāng)無(wú)源側(cè)包含大容量的變壓器，長(zhǎng)距離的輸電線路等設(shè)備時(shí)，避免過大的勵(lì)磁涌流和過電壓需要慎重考慮的問題。為保證系統(tǒng)正常投入運(yùn)行且盡量減少對(duì)自身和電網(wǎng)的沖擊，需要設(shè)計(jì)合理的啟動(dòng)方式來(lái)完成大量橋臂子模塊電容的預(yù)充電，最終實(shí)現(xiàn)直流功率的平穩(wěn)輸送。如何把數(shù)量眾多的模塊電容器電壓快速提升到設(shè)定值，是后續(xù)控制策略正確工作的基礎(chǔ)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對(duì)上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種聯(lián)于無(wú)源網(wǎng)絡(luò)的模塊化多電平換流器型高壓直流輸電系統(tǒng)(MMC -HVDC)直流側(cè)預(yù)充電啟動(dòng)方法，使得系統(tǒng)的直流電壓快速上升到正常工作時(shí)的電壓，但又不能產(chǎn)生過大的充電電流和電壓過沖現(xiàn)象。
[0007]一種聯(lián)于無(wú)源網(wǎng)絡(luò)的模塊化多電平換流器型高壓直流輸電系統(tǒng)(MMC -HVDC)直流側(cè)預(yù)充電啟動(dòng)方法，包括如下步驟:
(I)閉合有源站的交流斷路器，將限流電阻串入充電通路內(nèi)；
(2 )有源站交流系統(tǒng)通過子模塊內(nèi)絕緣柵雙極型晶體管(IGBT )反并聯(lián)二極管對(duì)電容進(jìn)行充電，同時(shí)通過直流線路向無(wú)源側(cè)換流器進(jìn)行充電；
(3)無(wú)源側(cè)子模塊IGBT具備能夠觸發(fā)的能量，解鎖無(wú)源側(cè)換流器并投人控制器，有源站交流系統(tǒng)繼續(xù)通過二極管回路和直流線路同時(shí)向兩端換流器充電；
(4)當(dāng)模塊電容電壓充電到設(shè)定值，解鎖有源側(cè)換流器，投入直流電壓控制，切除限流電阻，利用雙閉環(huán)控制器內(nèi)的限流環(huán)節(jié)對(duì)充電電流進(jìn)行限制；
(5)當(dāng)模塊電容電壓充電到額定值時(shí)即預(yù)充電完成后，系統(tǒng)由啟動(dòng)模式轉(zhuǎn)換到正常模式，無(wú)源側(cè)進(jìn)行并網(wǎng)，開始向負(fù)荷供電，啟動(dòng)過程結(jié)束。
[0008]所述的步驟(I)中，限流電電阻的布置方案有兩種，布置在換流變壓器網(wǎng)側(cè)或閥側(cè)。
[0009]所述的步驟(2)中，有源站MMC上下橋臂各有一相處于充電的狀態(tài)，它們分別為相電壓最低那一相的上橋臂與相電壓最高那一相的下橋臂；而無(wú)源側(cè)MMC則三相六個(gè)橋臂均處于充電狀態(tài)。這樣有源側(cè)換流器每相上下橋臂有N個(gè)子模塊同時(shí)在充電，而無(wú)源側(cè)換流器每相上下橋臂有2N個(gè)子模塊同時(shí)在充電。有源側(cè)MMC的電容電壓是無(wú)源側(cè)MMC的電容電壓的2倍。
[0010]所述的步驟(3)中，無(wú)源側(cè)換流器解鎖后，直流側(cè)等值電路發(fā)生變化，直流電壓出現(xiàn)瞬時(shí)跌落，進(jìn)而引起直流電流振蕩。降低直流電流振蕩幅度的優(yōu)化方式有兩種，一種是增大直流回路中的等效電感(如增設(shè)平波電抗器)，一種是盡早解鎖無(wú)源側(cè)換流器，使得線路電壓跌落減小。
[0011]所述的步驟(4)中，在有源側(cè)采用直流電壓控制方式。此時(shí)直流電壓控制可采用斜率控制方式，模塊電容參考值采用額定值。無(wú)功功率控制器參考值設(shè)定為零或直接設(shè)定內(nèi)環(huán)q軸電流參考值為零，以減少充電電流的無(wú)功分量和能量損失。無(wú)源側(cè)控制器采用定交流電壓控制方式。
[0012]所述的控制器，其特征在于:采用雙閉環(huán)矢量控制器結(jié)構(gòu)，并在內(nèi)外環(huán)控制器的輸出電流指令進(jìn)行限幅，以防止在可控充電階段可能出現(xiàn)的過流問題。
[0013]本發(fā)明公開了一種聯(lián)于無(wú)源網(wǎng)絡(luò)的模塊化多電平換流器型高壓直流輸電系統(tǒng)(MMC -HVDC)直流側(cè)預(yù)充電啟動(dòng)方法。該方法無(wú)需配置額外的輔助直流電源，這種方式減少了設(shè)備投資，縮短了預(yù)充電時(shí)間，降低了系統(tǒng)復(fù)雜度。實(shí)例分析表明本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)完成子模塊電容的預(yù)充電，最終實(shí)現(xiàn)直流功率的平穩(wěn)輸送。
[0014]
【附圖說(shuō)明】
圖1為聯(lián)于無(wú)源網(wǎng)絡(luò)的兩端MMC-HVDC結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖2為本發(fā)明啟動(dòng)控制的流程示意圖。
[0016]圖3為本發(fā)明限流電阻布置方案示意圖。
[0017]圖4為本發(fā)明在不控充電階段系統(tǒng)示意圖。
[0018]圖5為無(wú)源側(cè)MMC解鎖后的系統(tǒng)等效不意圖。
[0019]圖6為啟動(dòng)過程中的無(wú)源側(cè)交流電壓、電流波形圖圖7為啟動(dòng)過程中的有源側(cè)交流電壓、電流波形圖圖8為啟動(dòng)過程中的無(wú)源側(cè)有功功率、無(wú)功功率波形圖圖9為啟動(dòng)過程中的有源側(cè)有功功率、無(wú)功功率波形圖圖10為啟動(dòng)過程中的無(wú)源側(cè)橋臂電流波形圖圖11為啟動(dòng)過程中的有源側(cè)橋臂電流波形圖圖12為啟動(dòng)過程中的直流電壓、電流波形(無(wú)源側(cè)出口處測(cè)量)圖圖13為啟動(dòng)過程中的無(wú)源側(cè)電容電壓波形圖圖14為啟動(dòng)過程中的有源側(cè)電容電壓波形圖
【具體實(shí)施方式】
[0020]為了更為具體地描述本發(fā)明，下面結(jié)合附圖及【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0021]本實(shí)施方式中兩端柔性直流輸電系統(tǒng)如圖1所示，相應(yīng)的模型建立在電磁暫態(tài)軟件PSCAD/EMTDC，其基本的系統(tǒng)參數(shù)和控制方式如下
額定直流電壓±150kV，額定功率300麗，交流系統(tǒng)IlOkV,短路容量4000MVA，X/R為10 ;每相20個(gè)子模塊，子模塊電容1300uF，額定電壓為15kV。換流變壓器采用Yn/ Λ連接，漏抗為0.lpu，變比為110kV/150kV。直流線路80km。限流電阻選取75 Ω。無(wú)源側(cè)采用電阻和電感來(lái)模擬，分別為50Ω和ImH。穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)無(wú)源側(cè)采用定交流電壓控制；有源側(cè)側(cè)采用定直流電壓和定無(wú)功功率控制。啟動(dòng)時(shí)以有源站以充電主導(dǎo)站，其所連交流電網(wǎng)同時(shí)向兩站的子模塊電容進(jìn)行充電。外環(huán)和內(nèi)環(huán)輸出限幅如下:外環(huán)輸出..1dref: -1.1一1.1 ；Iqref:~1.1—1.1 ;內(nèi)環(huán)輸出-JJdref:-1.3—1.3 ；Uqref:-1.3—1.J。
[0022]如圖2所示，整個(gè)啟動(dòng)過程可分為三個(gè)階段:在第一階段(不控充電階段)，IGBT由于缺乏足夠能量觸發(fā)脈沖封鎖，有源站交流系統(tǒng)通過子模塊內(nèi)IGBT反并聯(lián)二極管對(duì)電容進(jìn)行充電，同時(shí)通過直流線路向無(wú)源側(cè)換流器進(jìn)行充電；第二階段，當(dāng)無(wú)源側(cè)子模塊IGBT具備能夠觸發(fā)的能量，解鎖無(wú)源側(cè)換流器并投人相應(yīng)控制器(一般為定交流電壓控制)，有源站交流系統(tǒng)繼續(xù)通過二極管回路和直流線路同時(shí)向兩端換流器充電；第三階段，當(dāng)模塊電容電壓充電到設(shè)定值，解鎖有源側(cè)換流器，投入直流電壓控制，切除限流電阻，利用雙閉環(huán)控制器內(nèi)的限流環(huán)節(jié)對(duì)充電電流進(jìn)行限制。當(dāng)模塊電容電壓充電到額定值時(shí)即預(yù)充電完成后，系統(tǒng)由啟動(dòng)模式轉(zhuǎn)換到正常模式，無(wú)源側(cè)進(jìn)行并網(wǎng)，開始向負(fù)荷供電，啟動(dòng)過程結(jié)束。
[0023]限流電阻的安裝位置有兩種:布置在換流變壓器系統(tǒng)側(cè)(圖3 (a)所示)、布置在換流變壓器閥側(cè)(如圖3 (b)所示)
在充電階段一內(nèi)的充電