CN104953608A - 一种联于无源网络的模块化多电平换流器型高压直流输电***直流侧预充电启动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种联于无源网络的模块化多电平换流器型高压直流输电***直流侧预充电启动方法，(1)闭合有源站的交流断路器，将限流电阻串入充电通路内；(2)有源站交流***通过子模块内绝缘栅双极型晶体管反并联二极管对电容进行充电，同时通过直流线路向无源侧换流器进行充电；(3)无源侧子模块具备能够触发的能量，解锁无源侧换流器并投人控制器，有源站交流***继续通过二极管回路和直流线路同时向两端换流器充电；(4)当模块电容电压充电到设定值，解锁有源侧换流器，投入直流电压控制，切除限流电阻，利用双闭环控制器内的限流环节对充电电流进行限制；(5)当模块预充电完成后，***由启动模式转换到正常模式，无源侧并网。

Description

一种联于无源网络的模块化多电平换流器型高压直流输电***直流侧预充电启动方法

技术领域

本发明属于电力***输电技术领域，具体涉及MMC换流站直流侧预充电启动控制方法。 

背景技术

由于具有器件一致触发动态均压要求低、扩展性好、开关频率低以及运行损耗低等诸多优势，模块化多电平换流器（MMC）已成为了高压直流输电（HVDC）的主流拓扑。启动控制是MMC工程应用中必然面临且亟待解决的关键性问题。换流器预充电是整个柔性直流***正常启动的关键步骤。 

两端MMC-HVDC有两种基本联网方式，即两端均连接有源网络和一端连接无源网络，在不同的应用场合MMC-HVDC的启动方式和步骤不同。在两端有源联网的方式下，两端换流站分别通过交流侧完成对本地三相桥臂子模块电容充电的任务后，切换到正常运行模式。而当MMC-HVDC应用在无源网络供电、黑启动、或尽管两端连接有源网络，但是需要一端作为主导站启动整个***等应用场合中，因为此时无源侧和待恢复交流***可能没有电源向电容器提供充电电源，只能通过一端换流站同时向本地和远方换流器的模块电容及直流线路充电。 

一般情况下，正常启动前换流器各个换流阀的子模块电容是不带电的，在换流站启动充电过程中，如果只简单的采用串联限流电阻器而不进一步采取控制措施，相对于正常运行直流电压，充电结束后电容器可能出现欠充现象。若二者相差较大情况就直接由启动控制模式切换到正常运行模式（如定有功功率，定无功功率，定交流电压等控制模式），可能会出现较大的瞬态过电流，危及设备的安全。 

特别地对于向无源网络供电的MMC-HVDC***中，逆变站侧的交流***是一个无源网络，它不能直接进入定交流电压控制方式。启动时需要有源侧换流器同时为本地和无源端电容器预充电。当电容器电压提升到设定值后，无源侧换流器可以开始启动与之相连的主要设备。当无源侧包含大容量的变压器，长距离的输电线路等设备时，避免过大的励磁涌流和过电压需要慎重考虑的问题。为保证***正常投入运行且尽量减少对自身和电网的冲击，需要设计合理的启动方式来完成大量桥臂子模块电容的预充电，最终实现直流功率的平稳输送。如何把数量众多的模块电容器电压快速提升到设定值，是后续控制策略正确工作的基础。 

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供了一种联于无源网络的模块化多电平换流器型高压直流输电***（MMC -HVDC）直流侧预充电启动方法，使得***的直流电压快速上升到正常工作时的电压，但又不能产生过大的充电电流和电压过冲现象。 

一种联于无源网络的模块化多电平换流器型高压直流输电***（MMC -HVDC）直流侧预充电启动方法，包括如下步骤： 

（1）闭合有源站的交流断路器，将限流电阻串入充电通路内；

（2）有源站交流***通过子模块内绝缘栅双极型晶体管（IGBT）反并联二极管对电容进行充电，同时通过直流线路向无源侧换流器进行充电；

（3）无源侧子模块IGBT具备能够触发的能量，解锁无源侧换流器并投人控制器，有源站交流***继续通过二极管回路和直流线路同时向两端换流器充电；

（4）当模块电容电压充电到设定值，解锁有源侧换流器，投入直流电压控制，切除限流电阻，利用双闭环控制器内的限流环节对充电电流进行限制；

（5）当模块电容电压充电到额定值时即预充电完成后，***由启动模式转换到正常模式，无源侧进行并网，开始向负荷供电，启动过程结束。

所述的步骤（1）中，限流电电阻的布置方案有两种，布置在换流变压器网侧或阀侧。 

所述的步骤（2）中，有源站MMC上下桥臂各有一相处于充电的状态，它们分别为相电压最低那一相的上桥臂与相电压最高那一相的下桥臂；而无源侧MMC则三相六个桥臂均处于充电状态。这样有源侧换流器每相上下桥臂有N个子模块同时在充电，而无源侧换流器每相上下桥臂有2N个子模块同时在充电。有源侧MMC的电容电压是无源侧MMC的电容电压的2倍。 

所述的步骤（3）中，无源侧换流器解锁后，直流侧等值电路发生变化，直流电压出现瞬时跌落，进而引起直流电流振荡。降低直流电流振荡幅度的优化方式有两种，一种是增大直流回路中的等效电感（如增设平波电抗器），一种是尽早解锁无源侧换流器，使得线路电压跌落减小。 

所述的步骤（4）中，在有源侧采用直流电压控制方式。此时直流电压控制可采用斜率控制方式，模块电容参考值采用额定值。无功功率控制器参考值设定为零或直接设定内环q轴电流参考值为零，以减少充电电流的无功分量和能量损失。无源侧控制器采用定交流电压控制方式。 

所述的控制器，其特征在于：采用双闭环矢量控制器结构，并在内外环控制器的输出电流指令进行限幅，以防止在可控充电阶段可能出现的过流问题。 

本发明公开了一种联于无源网络的模块化多电平换流器型高压直流输电***（MMC -HVDC）直流侧预充电启动方法。该方法无需配置额外的辅助直流电源，这种方式减少了设备投资，缩短了预充电时间，降低了***复杂度。实例分析表明本发明能够实现完成子模块电容的预充电，最终实现直流功率的平稳输送。 

附图说明 

图1为联于无源网络的两端MMC-HVDC结构示意图。

图2为本发明启动控制的流程示意图。 

图3为本发明限流电阻布置方案示意图。 

图4为本发明在不控充电阶段***示意图。 

图5为无源侧MMC解锁后的***等效示意图。 

图6为启动过程中的无源侧交流电压、电流波形图 

图7为启动过程中的有源侧交流电压、电流波形图

图8为启动过程中的无源侧有功功率、无功功率波形图

图9为启动过程中的有源侧有功功率、无功功率波形图

图10为启动过程中的无源侧桥臂电流波形图

图11为启动过程中的有源侧桥臂电流波形图

图12为启动过程中的直流电压、电流波形（无源侧出口处测量）图

图13为启动过程中的无源侧电容电压波形图

图14为启动过程中的有源侧电容电压波形图

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进行详细说明。 

本实施方式中两端柔性直流输电***如图1所示，相应的模型建立在电磁暂态软件PSCAD/EMTDC，其基本的***参数和控制方式如下 

额定直流电压±150kV，额定功率300MW，交流***110kV，短路容量4000MVA，X/R为10；每相20个子模块，子模块电容1300uF，额定电压为15kV。换流变压器采用Yn/△连接，漏抗为0.1pu，变比为110kV/150kV。直流线路80km。限流电阻选取75Ω。无源侧采用电阻和电感来模拟，分别为50Ω和1mH。稳态运行时无源侧采用定交流电压控制；有源侧侧采用定直流电压和定无功功率控制。启动时以有源站以充电主导站，其所连交流电网同时向两站的子模块电容进行充电。外环和内环输出限幅如下：外环输出：Idref： -1.1—1.1；Iqref：-1.1—1.1；内环输出：Udref：-1.3—1.3；Uqref：-1.3—1.3。

如图2所示，整个启动过程可分为三个阶段：在第一阶段（不控充电阶段），IGBT由于缺乏足够能量触发脉冲封锁，有源站交流***通过子模块内IGBT反并联二极管对电容进行充电，同时通过直流线路向无源侧换流器进行充电；第二阶段，当无源侧子模块IGBT具备能够触发的能量，解锁无源侧换流器并投人相应控制器（一般为定交流电压控制），有源站交流***继续通过二极管回路和直流线路同时向两端换流器充电；第三阶段，当模块电容电压充电到设定值，解锁有源侧换流器，投入直流电压控制，切除限流电阻，利用双闭环控制器内的限流环节对充电电流进行限制。当模块电容电压充电到额定值时即预充电完成后，***由启动模式转换到正常模式，无源侧进行并网，开始向负荷供电，启动过程结束。 

限流电阻的安装位置有两种：布置在换流变压器***侧（图3（a）所示）、布置在换流变压器阀侧（如图3（b）所示） 

在充电阶段一内的充电电路示意如图4所示。此时有源侧换流器充电情况类似于交流预充电方式，即通常情况上下桥臂各有一相处于充电的状态，它们分别为相电压最低那一相的上桥臂与相电压最高那一相的下桥臂；而无源侧换流器则三相六个桥臂均处于充电状态。这样有源侧换流器每相上下桥臂有N个子模块同时在充电，而无源侧换流器每相上下桥臂有2N个子模块同时在充电，因此在不控充电阶段，有源侧的电容电压是无源侧的电容电压的2倍：

充电阶段二里，在无源侧换流器解锁前，有源侧换流器每相中一个桥臂处于充电状态，一个桥臂处于旁通状态；而无源侧换流器每相中两个桥臂均处于充电状态。两端换流器在直流侧的等效为带电电容，等效电容值分别如式（1）、（2），其中下标1、2分别表示有源侧和无源侧。

当无源侧换流器解锁后，每相投入的子模块数为N个，直流侧等值电路发生变化，直流电压出现瞬时跌落，跌落幅度为一半。如果跌幅较大则会出现较大幅度直流电流振荡。示意图如图5所示。 

因此为减少直流电流，有两种方式一种是增大直流回路中的等效电感(如增设平波电抗器)，一种是尽早解锁无源侧换流器，使得线路电压跌落减小。 

在第三阶段内，有源侧环流解锁并切除限流电阻，投入直流电压控制利用控制器继续对模块电容进行充电，直到达到额定值为止。有源侧MMC采用直流电压控制方式。此时直流电压控制可采用斜率控制方式，模块电容参考值采用额定值；子模块在电容电压均衡策略的作用下，周期性改变投切状态进行充放电，各模块间电容能量能够保持相对均衡并稳步上升，直到所有子模块电容电压达到预定值为止。由于电容的充电功率表现为有功功率，故无功功率控制器参考值设定为零或直接设定内环q轴电流参考值为零，以减少充电电流的无功分量和能量损失。无源侧采用定交流电压控制控制器输出参考电压指令传送到子模块触发触发单元。此时加在变压器和输电线路上的电压也逐步建立起来，降低了励磁涌流和过电压水平，有利于保护设备。控制器采用双闭环矢量控制结构，并在内外环控制器的输出电流指令进行限幅，以防止在可控充电阶段可能出现的过流问题。 

  

针对本实施例具体设计控制步骤如下：

(1) 初始阶段，直流线路开关LS1、LS2和断路器S1、S2均处于开断状态；

(2) 闭合直流开关LS1、LS2；

(3) 闭合换流站2（有源站）的断路器S1将限流电阻串入充电通路内，对子模块进行不控充电。值得说明的是充电过程中，换流站1的子模块电容电压是换流站2的一半；

(4) 在换流站1子模块电容电压达到某一限值，解锁无源侧换流器（即换流站1）;在解锁瞬间直流网络电压会跌落一半，之后直流电压振荡上升；

(5) 在合适时刻解锁换流站2，并投入换流站2直流电压控制器，两端换流器在直流电压控制器作用下继续充电；

(6) 所有桥臂子模块充电接近或达到预定值后，在适当时刻闭合断路器S2，切除限流电阻，预充电结束；

(7) 将模式由启动态切换到正常态，换流站1并网运行，进入功率爬坡直至额定功率，启动结束。

  

仿真中重要时间节点如下：初始时刻，断路器S1、S2处于断开状态，直流开关LS1、LS2 处于闭合状态；0.05s换流站2闭合断路器S1，***进入不控充电阶段；0.1s解锁换流站1的换流器；0.5s解锁有源站，其直流电压控制投入运行，两站通过直流线路交换功率，共同提升直流电压；0.6s有源站的断路器S2闭合，切除限流电阻，直流电压继续上升；0.8s换流站1并网，功率控制器投入运行，进行功率爬坡；1.0s***功率达到额定状态，随后***进入稳态运行状态。

从图所列的仿真结果看，在换流站1解锁瞬间直流电压出现瞬间跌落，而后平稳充电到额定状态，功率上升曲线平滑。启动过程，未出现过电流和过电压状态，说明启动时各主要设备的动作时序配合恰当。 

  本发明公开了一种联于无源网络的模块化多电平换流器型高压直流输电***（MMC -HVDC）直流侧预充电启动方法，包括：（1）闭合有源站的交流断路器，将限流电阻串入充电通路内；（2）有源站交流***通过子模块内绝缘栅双极型晶体管（IGBT）反并联二极管对电容进行充电，同时通过直流线路向无源侧换流器进行充电；（3）无源侧子模块IGBT具备能够触发的能量，解锁无源侧换流器并投人控制器，有源站交流***继续通过二极管回路和直流线路同时向两端换流器充电；（4）当模块电容电压充电到设定值，解锁有源侧换流器，投入直流电压控制，切除限流电阻，利用双闭环控制器内的限流环节对充电电流进行限制；（5）当模块电容电压充电到额定值时即预充电完成后，***由启动模式转换到正常模式，无源侧进行并网，开始向负荷供电，启动过程结束。本发明实现了设备间动作时序的有效配合，无需配置额外的辅助直流电源，这种方式减少了设备投资，缩短了预充电时间，降低了***复杂度，具有重要工程意义。

  

Claims (6)

1.一种联于无源网络的模块化多电平换流器型高压直流输电***（MMC -HVDC）直流侧预充电启动方法，包括如下步骤：（1）闭合有源站的交流断路器，将限流电阻串入充电通路内；（2）有源站交流***通过子模块内绝缘栅双极型晶体管（IGBT）反并联二极管对电容进行充电，同时通过直流线路向无源侧换流器进行充电；（3）无源侧子模块IGBT具备能够触发的能量，解锁无源侧换流器并投人控制器，有源站交流***继续通过二极管回路和直流线路同时向两端换流器充电；（4）当模块电容电压充电到设定值，解锁有源侧换流器，投入直流电压控制，切除限流电阻，利用双闭环控制器内的限流环节对充电电流进行限制；（5）当模块电容电压充电到额定值时即预充电完成后，***由启动模式转换到正常模式，无源侧进行并网，开始向负荷供电，启动过程结束。

2.根据权利要求1所述的启动方法，其特征在于：所述的步骤（1）中，所述的限流电阻布置方案有两种，布置在换流变压器网侧或阀侧。

3.根据权利要求1所述的启动方法，其特征在于：所述的步骤（2）中，有源站MMC上下桥臂各有一相处于充电的状态，它们分别为相电压最低那一相的上桥臂与相电压最高那一相的下桥臂；而无源侧MMC则三相六个桥臂均处于充电状态,这样有源侧换流器每相上下桥臂有N个子模块同时在充电，而无源侧换流器每相上下桥臂有2N个子模块同时在充电，有源侧MMC的电容电压是无源侧MMC的电容电压的2倍。

4.根据权利要求1所述的启动方法，其特征在于：所述的步骤（3）中，无源侧换流器解锁后，直流侧等值电路发生变化，直流电压出现瞬时跌落，进而引起直流电流振荡，降低直流电流振荡幅度的优化方式有两种，一种是增大直流回路中的等效电感（如增设平波电抗器），一种是尽早解锁无源侧换流器，使得线路电压跌落减小。

5.根据权利要求1所述的启动方法，其特征在于：所述的步骤（4）中，在有源侧采用直流电压控制方式，此时直流电压控制可采用斜率控制方式，模块电容参考值采用额定值，无功功率控制器参考值设定为零或直接设定内环q轴电流参考值为零，以减少充电电流的无功分量和能量损失，无源侧控制器采用定交流电压控制方式。

6.根据权利要求5所述的控制器，其特征在于：采用双闭环矢量控制器结构，并在内外环控制器的输出电流指令进行限幅，以防止在可控充电阶段可能出现的过流问题。