CN112165096A - 适用于lcc-mmc混合级联换流站的电压和容量匹配方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于LCC‑MMC混合级联换流站的电压和容量匹配方法，分析了高压阀组LCC的电压和容量大于低压阀组MMC的电压和容量、高压阀组LCC的电压和容量等于低压阀组MMC的电压和容量、高压阀组LCC的电压和容量小于低压阀组MMC的电压和容量三种情况的适用性，可以为未来工程的设计起到一定的指导作用。本发明通过在PSCAD中搭建两端单极直流输电***，其中整流侧采用LCC，逆变侧采用LCC‑MMC混合级联，分别针对三种典型的高低压阀组电压和容量组合，仿真分析得出合理的电压和容量匹配方案，为实际工程中LCC‑MMC混合级联的高低压阀组电压和容量选择提供了较强的工程指导意义。

Description

适用于LCC-MMC混合级联换流站的电压和容量匹配方法
技术领域
本发明属于电力***输配电技术领域，具体涉及一种适用于LCC-MMC混合级联换流站的电压和容量匹配方法。
背景技术
我国能源资源与负荷需求逆向分布，远距离大容量特高压直流输电技术得到快速发展。当前，适用于特高压直流输电***的换流器主要存在两种技术路线：基于电网换相换流器的传统直流输电***(Line Commutated Converter Based High Voltage DirectCurrent，LCC-HVDC)和基于模块化多电平换流器的柔性直流输电***(ModularMultilevel Converter Based High Voltage Direct Current，MMC-HVDC)。根据理论分析和工程经验，LCC-HVDC广泛应用于远距离大容量输电、异步联网、海底电缆送电等场合，具有经济且技术成熟等优势，但是存在无功补偿容量需求大、对交流***强度的要求较高容易发生换相失败、不能对无源网络供电等问题，限制了传统直流输电技术的进一步发展。采用MMC-HVDC能够实现四象限独立控制有功和无功功率、不存在换相失败问题等优势，但在相同电压等级和额定容量的条件下，MMC-HVDC比LCC-HVDC的投资成本和运行损耗更高。
我国目前计划建设的白鹤滩-江苏特高压混合级联直流输电***将两者的技术和经济优势进行了结合，是当下研究的热点，其整流侧采用基于LCC的传统直流换流站，逆变侧采用LCC-MMC混合级联换流站的拓扑方案，该方案的优势在于：(1)整流侧充分利用了LCC的技术成熟度高且经济性好的优势，同时在线路直流故障时能够通过强制移相快速降低故障电流，具有直流故障处理能力；(2)逆变侧高压阀组采用LCC，比同电压等级和额定容量的MMC技术更成熟、造价更低，同时由于晶闸管的单向导通性，在直流故障期间能够阻断故障电流通路，具有直流故障自处理能力；(3)逆变侧低压阀组采用MMC，可以独立控制有功功率和无功功率，无需额外的无功补偿设备，具有较强的交流电压支撑能力，在交流故障时提供无功功率支撑，降低LCC换相失败的风险。同时在逆变侧LCC换相失败期间***仍能保持一定的功率输送能力，减小交流故障期间逆变侧***的功率缺额。
LCC-MMC混合级联结构中，高压阀组是LCC，低压阀组是MMC，如何合理分配高低压阀组的电压和容量是一个可研究的问题。一般而言，会存在三种电压和容量的匹配方法：①高压阀组LCC的电压和容量小于低压阀组MMC的电压和容量；②高压阀组LCC的电压和容量等于低压阀组MMC的电压和容量；③高压阀组LCC的电压和容量大于低压阀组MMC的电压和容量。
目前国内外学者针对LCC-MMC混合级联拓扑结构开展了较多的研究，研究内容主要包括启动/停运控制策略、稳态控制策略、交直流故障特性以及控制保护策略等等，然而目前没有文献针对LCC-MMC混合级联结构中高低压阀组的电压和容量匹配方法进行研究与分析。
发明内容
鉴于上述，本发明提出了一种适用于LCC-MMC混合级联换流站的电压和容量匹配方法，该方法给出了电压和容量匹配的边界条件，为LCC-MMC混合级联拓扑结构的电压和容量匹配选择提供了理论支持。
一种适用于LCC-MMC混合级联换流站的电压和容量匹配方法，包括如下步骤：
(1)根据逆变侧LCC-MMC混合级联换流站的额定直流电压及额定容量、高压阀组LCC的额定直流电压及额定容量、低压阀组MMC的额定直流电压及额定容量，定义换流站的电压匹配系数ku和容量匹配系数ks；
(2)根据电压匹配系数ku和容量匹配系数ks，确定换流站高低压阀组电压及容量匹配的三种典型情况；
(3)根据整流侧交流故障、逆变侧交流故障和***直流故障来分析换流站高低压阀组电压及容量匹配的边界条件；
(4)在电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC中搭建三种典型情况的仿真模型，分别对逆变侧交流故障及***直流故障进行仿真。
进一步地，所述步骤(1)中通过以下表达式定义换流站的电压匹配系数ku和容量匹配系数ks；
Figure BDA0002753262270000031
其中：SLCC为高压阀组LCC的额定容量，ULCC为高压阀组LCC的额定直流电压，SMMC为低压阀组MMC的额定容量，UMMC为低压阀组MMC的额定直流电压，换流站的额定直流电压Uinv＝ULCC+UMMC，换流站的额定容量Sinv＝SLCC+SMMC。
进一步地，所述步骤(2)中换流站高低压阀组电压及容量匹配的三种典型情况为：①高压阀组LCC的电压及容量小于低压阀组MMC的电压及容量，即ku＝ks<1；②高压阀组LCC的电压及容量等于低压阀组MMC的电压及容量，即ku＝ks＝1；③高压阀组LCC的电压及容量大于低压阀组MMC的电压及容量，即ku＝ks>1。
进一步地，所述步骤(3)中对于整流侧交流故障，过大或过小的电压匹配系数ku和容量匹配系数ks不会在故障期间对换流站造成过压或过流的影响。
进一步地，所述步骤(3)中对于逆变侧交流故障，故障期间高压阀组LCC会发生换相失败，线路上总的额定直流电压会直接加到低压阀组MMC上，若低压阀组MMC的换流阀绝缘配合安全系数为λ，故障期间额定直流电压ULCC+UMMC会直接加到低压阀组MMC上造成过压，则需要满足：
Figure BDA0002753262270000032
简化后可得到逆变侧交流故障对于低压阀组MMC直流电压不越限的边界条件为：
ku＜λ-1
其中：λ表示在设计低压阀组MMC换流阀过压耐受能力时考虑到的最大暂态过电压倍数，ULCC为高压阀组LCC的额定直流电压，UMMC为低压阀组MMC的额定直流电压。
进一步地，所述步骤(3)中对于***直流故障，故障期间低压阀组MMC输出的直流电压几乎不变，因此高压阀组LCC将承受反向电压，若高压阀组LCC的换流阀绝缘配合安全系数为μ，故障期间低压阀组MMC的额定直流电压UMMC会反向加到高压阀组LCC上对换流阀造成电压冲击，则需要满足：
Figure BDA0002753262270000041
简化后可得***直流故障对于高压阀组LCC晶闸管反向直流电压不越限的边界条件为：
Figure BDA0002753262270000042
其中：μ表示在设计高压阀组LCC换流阀过压耐受能力时考虑到的最大暂态过电压倍数，ULCC为高压阀组LCC的额定直流电压。
进一步地，所述步骤(3)中通过综合整流侧交流故障、逆变侧交流故障以及逆变侧直流故障各自情况，可得到换流站高低压阀组电压及容量匹配的边界条件为：
Figure BDA0002753262270000043
其中：λ表示在设计低压阀组MMC换流阀过压耐受能力时考虑到的最大暂态过电压倍数，μ表示在设计高压阀组LCC换流阀过压耐受能力时考虑到的最大暂态过电压倍数。
进一步地，所述步骤(4)中搭建三种典型情况的仿真模型具体参数为：情况①即ku＝ks＝1/3，高压阀组LCC的额定直流电压ULCC＝200kV，额定容量SLCC＝1000MVA，低压阀组MMC的额定直流电压UMMC＝600kV，额定容量SMMC＝3000MVA；情况②即ku＝ks＝1，高压阀组LCC的额定直流电压ULCC＝400kV，额定容量SLCC＝2000MVA，低压阀组MMC的额定直流电压UMMC＝400kV，额定容量SMMC＝2000MVA；情况③即ku＝ks＝3，高压阀组LCC的额定直流电压ULCC＝600kV，额定容量SLCC＝3000MVA，低压阀组MMC的额定直流电压UMMC＝200kV，额定容量SMMC＝1000MVA。
基于上述技术方案，本发明具有以下有益技术效果：
1.针对LCC-MMC混合级联换流站，本发明分析了高压阀组LCC的电压和容量大于低压阀组MMC的电压和容量、高压阀组LCC的电压和容量等于低压阀组MMC的电压和容量、高压阀组LCC的电压和容量小于低压阀组MMC的电压和容量三种情况的适用性，可以为未来工程的设计起到一定的指导作用。
2.本发明通过在PSCAD中搭建两端单极直流输电***，其中整流侧采用LCC，逆变侧采用LCC-MMC混合级联，分别针对三种典型的高低压阀组电压和容量组合，仿真分析得出合理的电压和容量匹配方案，为实际工程中LCC-MMC混合级联的高低压阀组电压和容量选择提供了较强的工程指导意义。
附图说明
图1(a)为整流侧采用LCC换流站且逆变侧采用LCC-MMC混合级联换流站的输电***结构示意图。
图1(b)为逆变侧低压阀组MMC的结构示意图。
图2为本发明方法的步骤流程示意图。
图3为三种电压及容量匹配方案下的LCC-MMC串联混合型拓扑逆变侧LCC交流***故障仿真波形图。
图4为三种电压及容量匹配方案下的LCC-MMC串联混合型拓扑直流故障仿真波形图。
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。
如图2所示，本发明适用于LCC-MMC混合级联换流站的电压和容量匹配方法，包括如下步骤：
(1)根据逆变侧LCC-MMC混合级联拓扑结构的额定直流电压和额定容量、高压阀组LCC的额定直流电压和额定容量、低压阀组MMC的额定直流电压和额定容量，定义电压匹配系数和容量匹配系数。
假设逆变侧LCC-MMC混合级联拓扑结构的额定容量为Sinv，额定直流电压为Udc，额定直流电流为Idc。高压阀组LCC的额定容量为SLCC，额定电压为ULCC；低压阀组MMC的额定容量为SMMC，额定电压为UMMC，显然满足：
Figure BDA0002753262270000061
逆变侧LCC-MMC混合级联拓扑结构的电压和容量匹配方法，就是确定ULCC与UMMC的大小以及SLCC与SMMC的大小；为了表达方便，令电压匹配系数ku和容量匹配系数ks分别为：
Figure BDA0002753262270000062
(2)根据电压匹配系数和容量匹配系数，确定高压阀组和低压阀组的电压和容量匹配的三种典型情况。
高压阀组和低压阀组的电压和容量匹配主要包括三种情况：①高压阀组LCC的电压和容量小于低压阀组MMC的电压和容量，即ku＝ks<1；②高压阀组LCC的电压和容量等于低压阀组MMC的电压和容量，即ku＝ks＝1；③高压阀组LCC的电压和容量大于低压阀组MMC的电压和容量，即ku＝ks>1。
(3)根据整流侧交流故障、逆变侧交流故障以及直流故障来分析电压和容量匹配的边界条件。
对于整流侧交流故障，故障期间整流侧直流电压下降，低于逆变侧直流电压，因此有功功率传输会受阻，***直流电流下降，过大或过小的电压匹配系数ku和容量匹配系数ks不会在故障期间造成过电压或过电流的影响。
对于逆变侧交流故障，故障期间高压阀组LCC会发生换相失败，等效直流侧电压为0，此时线路上仍然是额定直流电压，这个电压会直接加到低压阀组MMC上。如果高压阀组LCC的额定电压和容量远大于低压阀组MMC的额定电压和容量，暂态过程中高压阀组LCC发生换相失败，使得低压阀组MMC要承受***额定直流电压的冲击，可能会导致MMC闭锁，进一步导致***直流电压大幅度下降，与逆变侧只采用会发生换相失败的LCC拓扑结构类似，不能体现LCC-MMC混合级联拓扑结构的优势。假设MMC的换流阀绝缘配合安全系数为λ，λ表示在设计换流阀过电压耐受能力时考虑到的最大暂态过电压倍数，故障期间额定电压ULCC+UMMC会直接加到MMC上造成过电压，需要满足：
Figure BDA0002753262270000071
化简后可得逆变侧交流故障使得低压阀组MMC直流电压不越限的边界条件为：
ku＜λ-1 (4)
对于直流故障，整流侧LCC通过强制移相提供的负电压来清除故障电流，因此***直流电压下降为0，低压阀组MMC输出的直流电压几乎不变，因此高压阀组LCC将承受反向电压。如果高压阀组LCC的额定电压和容量远小于低压阀组MMC的额定电压和容量，那么暂态过程中低压阀组MMC输出的直流电压会反向加到高压阀组LCC上，对晶闸管造成反向电压冲击。为了防止反向过电压对换流阀造成的危害，低压阀组MMC需要采取闭锁措施来降低其输出的直流电压，但闭锁措施不利于故障恢复，相当于每一次直流故障都需要使得整个***重启动，这显然是不合理的。假设LCC的换流阀绝缘配合安全系数为μ，μ表示在设计换流阀过电压耐受能力时考虑到的最大暂态过电压倍数，故障期间低压阀组MMC额定电压UMMC会反向加到高压阀组LCC上对换流阀造成电压冲击，需要满足：
Figure BDA0002753262270000072
化简后可得直流故障使得高压阀组LCC晶闸管反向直流电压不越限的边界条件为：
Figure BDA0002753262270000073
综上整流侧交流故障、逆变侧交流故障以及直流故障，可得高压阀组LCC和低压阀组MMC的电压和容量匹配的边界条件为：
Figure BDA0002753262270000074
假设MMC的每个IGBT暂态最大正向电压为额定电压的2倍，即λ＝2.2，LCC的晶闸管暂态最大反向电压为额定电压的1.15倍，即μ＝1.15，那么电压匹配系数ku满足：
0.8696＜ku＜1.2 (8)
(4)在电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC中搭建三种典型情况的仿真模型，分别对逆变侧交流***故障以及直流故障进行仿真。
为了进一步验证电压和容量匹配的边界条件，在PSCAD/EDMTD中搭建ku＝ks<1、ku＝ks＝1、ku＝ks>1三种典型情况下的模型，并进行整流侧交流故障、逆变侧交流故障以及直流故障仿真。
本实施方式中直流输电***的结构如图1(a)所示，其中整流侧采用双12脉动LCC构成，逆变侧高压阀组采用12脉动LCC构成，低压阀组采用三个并联MMC单元构成MMC阀组(MMCB)，如图1(b)所示，全部采用定直流电压控制。选取三种典型情况分别为：①ku＝ks＝1/3，即高压阀组LCC的额定直流电压ULCC＝200kV，额定容量SLCC＝1000MVA，低压阀组MMC的额定直流电压UMMC＝600kV，额定容量SMMC＝3000MVA。②ku＝ks＝1，即高压阀组LCC的额定直流电压ULCC＝400kV，额定容量SLCC＝2000MVA，低压阀组MMC的额定直流电压UMMC＝400kV，额定容量SMMC＝2000MVA。③ku＝ks＝3，即高压阀组LCC的额定直流电压ULCC＝600kV，额定容量SLCC＝3000MVA，低压阀组MMC的额定直流电压UMMC＝200kV，额定容量SMMC＝1000MVA。直流输电***参数如表1所示：
表1
Figure BDA0002753262270000081
Figure BDA0002753262270000091
在电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC中搭建三种典型情况的仿真模型，分别对逆变侧交流***故障以及直流故障进行仿真，对比分析三种典型电压和容量匹配情况，从而证明电压和容量匹配边界条件的有效性。
在2.0s时逆变侧LCC交流***发生三相短路接地故障，使逆变侧的交流母线电压跌至50％，故障持续0.1s，图3给出了三种典型情况下直流电压、直流电流、有功功率的波形图。
逆变侧交流侧发生三相短路故障后，逆变侧的交流母线电压跌至50％，逆变侧LCC会发生换相失败，导致直流电压下降，输送的功率下降甚至中断。由于高压阀组LCC和低压阀组MMC是分散接入的，因此故障期间MMC的直流电压基本不变，仍能保证功率的传输。
对于方案③，假如没有额外的故障控制策略，在逆变侧交流故障后，逆变侧LCC发生换相失败，逆变侧MMC要承受800kV的过电压，而MMC的额定直流电压为200kV，在波形图中也可以看到过电压的脉冲，这显然是不合理的。为了解决过电压问题，一般而言，在检测到逆变侧交流故障5ms后闭锁逆变侧MMC，在故障被清除后经过100ms解锁MMC。但闭锁MMC的处理策略使得故障期间MMC的直流电压和有功功率均下降为0，会导致***的直流电压大幅度下降，逆变侧相当于只有一个会发生换相失败的LCC在运行，不能体现LCC-MMC混合级联拓扑结构的优势。
在2.0s时直流线路中点处发生金属性接地短路故障，故障持续0.1s，图4给出了三种典型情况下直流电压、直流电流、有功功率的波形图。
直流线路中点处发生接地短路故障后，整流侧LCC在直流电流达到1.4pu时通过强制移相到120°来清除直流故障，逆变侧MMC无需闭锁，逆变侧LCC结构中晶闸管具有单向导通特性，阻止故障电流反向流动，因此直流故障电流无法馈入直流故障点。
故障期间，整流侧和逆变侧故障电流能够快速清除，逆变侧故障电流消失快于整流侧，功率传输中断，***直流电压下降为0，逆变侧MMC的直流电压几乎不变，因此逆变侧LCC将降压运行到负压状态。三种方案逆变侧LCC故障期间承受的最大反向电压为逆变侧MMC正常运行时的直流电压，分别为600kV、400kV、200kV；对于方案①，如果MMC不闭锁，那么MMC的600kV直流电压会反向加到LCC上，相当于三倍LCC的额定直流电压，在仿真波形中可以看到LCC的直流电压最低能达到-600kV。当然，如果MMC闭锁，那么LCC无需承受那么大的反向直流电压，但闭锁MMC的处理策略与逆变侧采用半桥子模块MMC拓扑结构的故障处理策略相同，不能体现LCC-MMC混合级联拓扑结构的优势。
综上逆变侧交流***故障以及直流故障的仿真分析，方案①和方案③如果不采取额外处理策略，将会产生过电压影响***的稳定运行，如果闭锁MMC，将无法体现LCC-MMC混合级联拓扑结构的优势，只有方案②满足边界条件(式8)，并且在暂态过程中不会产生过电压问题。因此，对于LCC-MMC混合级联拓扑结构而言，在设计高压阀组LCC和低压阀组MMC的电压和容量匹配时需要满足边界条件(式7)的约束。
上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明，熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种适用于LCC-MMC混合级联换流站的电压和容量匹配方法，包括如下步骤：
(1)根据逆变侧LCC-MMC混合级联换流站的额定直流电压及额定容量、高压阀组LCC的额定直流电压及额定容量、低压阀组MMC的额定直流电压及额定容量，定义换流站的电压匹配系数ku和容量匹配系数ks；
(2)根据电压匹配系数ku和容量匹配系数ks，确定换流站高低压阀组电压及容量匹配的三种典型情况；
(3)根据整流侧交流故障、逆变侧交流故障和***直流故障来分析换流站高低压阀组电压及容量匹配的边界条件；
(4)在电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC中搭建三种典型情况的仿真模型，分别对逆变侧交流故障及***直流故障进行仿真。
2.根据权利要求1所述的电压和容量匹配方法，其特征在于：所述步骤(1)中通过以下表达式定义换流站的电压匹配系数ku和容量匹配系数ks；
Figure FDA0002753262260000011
其中：SLCC为高压阀组LCC的额定容量，ULCC为高压阀组LCC的额定直流电压，SMMC为低压阀组MMC的额定容量，UMMC为低压阀组MMC的额定直流电压，换流站的额定直流电压Uinv＝ULCC+UMMC，换流站的额定容量Sinv＝SLCC+SMMC。
3.根据权利要求1所述的电压和容量匹配方法，其特征在于：所述步骤(2)中换流站高低压阀组电压及容量匹配的三种典型情况为：①高压阀组LCC的电压及容量小于低压阀组MMC的电压及容量，即ku＝ks<1；②高压阀组LCC的电压及容量等于低压阀组MMC的电压及容量，即ku＝ks＝1；③高压阀组LCC的电压及容量大于低压阀组MMC的电压及容量，即ku＝ks>1。
4.根据权利要求1所述的电压和容量匹配方法，其特征在于：所述步骤(3)中对于整流侧交流故障，过大或过小的电压匹配系数ku和容量匹配系数ks不会在故障期间对换流站造成过压或过流的影响。
5.根据权利要求1所述的电压和容量匹配方法，其特征在于：所述步骤(3)中对于逆变侧交流故障，故障期间高压阀组LCC会发生换相失败，线路上总的额定直流电压会直接加到低压阀组MMC上，若低压阀组MMC的换流阀绝缘配合安全系数为λ，故障期间额定直流电压ULCC+UMMC会直接加到低压阀组MMC上造成过压，则需要满足：
Figure FDA0002753262260000021
简化后可得到逆变侧交流故障对于低压阀组MMC直流电压不越限的边界条件为：
ku＜λ-1
其中：λ表示在设计低压阀组MMC换流阀过压耐受能力时考虑到的最大暂态过电压倍数，ULCC为高压阀组LCC的额定直流电压，UMMC为低压阀组MMC的额定直流电压。
6.根据权利要求1所述的电压和容量匹配方法，其特征在于：所述步骤(3)中对于***直流故障，故障期间低压阀组MMC输出的直流电压几乎不变，因此高压阀组LCC将承受反向电压，若高压阀组LCC的换流阀绝缘配合安全系数为μ，故障期间低压阀组MMC的额定直流电压UMMC会反向加到高压阀组LCC上对换流阀造成电压冲击，则需要满足：
Figure FDA0002753262260000022
简化后可得***直流故障对于高压阀组LCC晶闸管反向直流电压不越限的边界条件为：
Figure FDA0002753262260000023
其中：μ表示在设计高压阀组LCC换流阀过压耐受能力时考虑到的最大暂态过电压倍数，ULCC为高压阀组LCC的额定直流电压。
7.根据权利要求1所述的电压和容量匹配方法，其特征在于：所述步骤(3)中通过综合整流侧交流故障、逆变侧交流故障以及逆变侧直流故障各自情况，可得到换流站高低压阀组电压及容量匹配的边界条件为：
Figure FDA0002753262260000031
其中：λ表示在设计低压阀组MMC换流阀过压耐受能力时考虑到的最大暂态过电压倍数，μ表示在设计高压阀组LCC换流阀过压耐受能力时考虑到的最大暂态过电压倍数。
8.根据权利要求1所述的电压和容量匹配方法，其特征在于：所述步骤(4)中搭建三种典型情况的仿真模型具体参数为：情况①即ku＝ks＝1/3，高压阀组LCC的额定直流电压ULCC＝200kV，额定容量SLCC＝1000MVA，低压阀组MMC的额定直流电压UMMC＝600kV，额定容量SMMC＝3000MVA；情况②即ku＝ks＝1，高压阀组LCC的额定直流电压ULCC＝400kV，额定容量SLCC＝2000MVA，低压阀组MMC的额定直流电压UMMC＝400kV，额定容量SMMC＝2000MVA；情况③即ku＝ks＝3，高压阀组LCC的额定直流电压ULCC＝600kV，额定容量SLCC＝3000MVA，低压阀组MMC的额定直流电压UMMC＝200kV，额定容量SMMC＝1000MVA。
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