專利名稱：一種多端柔性直流輸電系統(tǒng)及其啟動方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種多端柔性直流輸電系統(tǒng)及其啟動方法，屬于多端柔性直流輸電系統(tǒng)的啟動方法的創(chuàng)新技術(shù)。
背景技術(shù)：
柔性直流輸電基于電壓源變流器(VSC)和脈沖寬度調(diào)制技術(shù)(PWM)將直流電壓逆變?yōu)榉岛拖辔欢伎煽氐慕涣麟妷?，并可以獨立快速控制所傳輸?shù)挠泄β屎蜔o功功率，極大地增強了輸電的靈活性，成為實現(xiàn)區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)，大型風電場及交流弱電網(wǎng)與主網(wǎng)之間的穩(wěn)定聯(lián)結(jié)的最有潛質(zhì)的電力傳輸方式。自ABB公司1997年第一個試驗性的輕型直流輸電工程在Hellsjon投運，迄今為止國際上已經(jīng)有十幾條輕型直流輸電線路投入了運行。在國內(nèi)，南方電網(wǎng)公司承擔的863重大專項課題“大型風電場柔性直流輸電接入技術(shù)研究與開發(fā)”及其南澳島示范工程，即規(guī)劃建成一個電壓等級為±160kV，輸送容量為20(MW的4端柔性直流輸電系統(tǒng)，服務(wù)于青澳、牛頭嶺、云澳和塔嶼風電場。項目建成后,主要作用在于實現(xiàn)風電場通過柔性直流輸電系統(tǒng)與南澳電網(wǎng)及汕頭主網(wǎng)的聯(lián)接，將電場電力安全送出，保障南澳島供電安全，并減少風電功率的波動對當?shù)乇∪蹼娋W(wǎng)的影響。多端柔性直流輸電系統(tǒng)(MMC-MTDC)的啟動控制，是系統(tǒng)正常運行的前提和重要基礎(chǔ)。MMC-MTDC系統(tǒng)啟動過程包括從交流側(cè)電網(wǎng)合閘到額定直流電壓建立一系列的動態(tài)過程。目前國內(nèi)外的研究，研究重點普遍放在對VSC-HVDC穩(wěn)態(tài)運行時的控制策略進行研究，此時的直流側(cè)電壓已達到額定值，而對啟動過程的鮮有詳細的分析。然而，該啟動過程如控制不當，將在MMC換流閥交流側(cè)和直流側(cè)產(chǎn)生嚴重的過壓和過流，甚至導致系統(tǒng)振蕩，影響交流系統(tǒng)正常運行，危及設(shè)備及人身安全。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于考慮上述問題而提供一種設(shè)計合理，方便實用的多端柔性直流輸電系統(tǒng)。本發(fā)明適用于采用模塊化多電平拓撲結(jié)構(gòu)的多端柔性直流輸電工程，能實現(xiàn)在多端換流站解鎖的瞬間，減小交直流側(cè)的沖擊電流，直流電壓平穩(wěn)建立到額定電壓。本發(fā)明的另一目的在于提供一種啟動過程平穩(wěn)，安全可靠性高，適用范圍廣的多端柔性直流輸電系統(tǒng)的啟動方法。本發(fā)明的技術(shù)方案是本發(fā)明的多端柔性直流輸電系統(tǒng)，包括有第一送端換流站、第二送端換流站、受端換流站，風電場接入第一送端換流站及第二送端換流站，第一送端換流站及第二送端換流站將電能轉(zhuǎn)換成直流后通過直流線路傳輸?shù)绞芏藫Q流站，受端換流站逆變成交流后再接入大電網(wǎng)，且第一送端換流站通過直流隔離開關(guān)Sdcl與第二送端換流站及受端換流站連接，第二送端換流站通過直流隔離開關(guān)Sdc2與第一送端換流站及受端換流站連接，受端換流站通過直流隔離開關(guān)Sdc3與第一送端換流站及第二送端換流站連接。上述第一送端換流站還連接有交流旁路開關(guān)Sbl，第二送端換流站還連接有交流旁路開關(guān)Sb2，受端換流站還連接有交流旁路開關(guān)Sb3。上述交流旁路開關(guān)Sbl中設(shè)置有送端限流電阻Rxl，交流旁路開關(guān)Sb2中設(shè)置有送端限流電阻Rx2，交流旁路開關(guān)Sb3中設(shè)置有受端限流電阻Rx3。上述第一送端換流站還連接有交流斷路器Sacl,第二送端換流站還連接有交流斷路器Sac2，受端換流站還連接有交流斷路器Sac3。上述第一送端換流站、第二送端換流站及受端換流站所用的換流器均是MMC換流器。上述MMC換流器的每個橋臂由#個功率模塊SM級聯(lián)構(gòu)成，上下橋臂間分別串聯(lián)一個電抗器Zs，同相上下兩個橋臂構(gòu)成一個相單元。上述功率模塊SM包括有功率管兄和S2，二極管仏和久，電阻TP1和弋，功率模塊電容G，快速旁路開關(guān)&，晶閘管&，其中D1和D2為相應(yīng)的反并聯(lián)二極管，功率管兄和S2串聯(lián)后與功率模塊電容G并聯(lián)，快速旁路開關(guān)A和晶閘管A與功率管并聯(lián)。本發(fā)明多端柔性直流輸電系統(tǒng)的啟動方法，包括如下步驟
1)系統(tǒng)中所有開關(guān)處于斷開狀態(tài)，第一送端換流站、第二送端換流站、受端換流站均閉
鎖；
2)開始啟動，合上直流隔離開關(guān)Sdcl、Sdc2和Sdc3；
3)合上受端換流站的交流 斷路器Sac3，從受端換流站的交流側(cè)給第一送端換流站、第二送端換流站及受端換流站的功率模塊電容G充電；
4)受端換流站的橋臂電壓達到受端換流站的交流側(cè)線電壓峰值，第一送端換流站及第二送端換流站的橋臂電壓達到受端換流站的交流側(cè)線電壓峰值的1/2時，合上受端換流站的交流旁路開關(guān)Sb3，受端限流電阻Rx3退出；
5)分別合上第一送端換流站及第二送端換流站的交流斷路器Sacl、Sac2，繼續(xù)給第一送端換流站及第二送端換流站的功率模塊電容G充電，當?shù)谝凰投藫Q流站及第二送端換流站的橋臂電壓同樣達到對應(yīng)交流側(cè)線電壓峰值，合上旁路開關(guān)Sbl、Sb2，第一送端換流站
(I)及第二送端換流站的送端限流電阻Rxl、Rx2退出；直流隔離開關(guān)Sdc3 ；
6)受端換流站采用直流電壓控制方式解鎖，設(shè)定直流電壓控制初值，即為不控整流后電壓值；
7)第一送端換流站、第二送端換流站設(shè)置有功、無功類參考值為0，解鎖；
8)受端換流站直流電壓控制啟用斜率控制，使直流電壓控制初值從不控整流后電壓值緩慢上升到額定值；
9)系統(tǒng)啟動完成。上述步驟6)中直流電壓控制初值為O. 735pu。本發(fā)明由于采用啟動過程中先采用自勵充電方式，然后通過啟動控制策略的調(diào)整，實現(xiàn)了在多端換流站解鎖的瞬間，減小交直流側(cè)的沖擊電流，直流電壓平穩(wěn)建立到額定電壓的整個過程。本發(fā)明通過控制方式和輔助措施使多端柔性直流系統(tǒng)的直流電壓快速上升到額定電壓，但在交直流側(cè)又不產(chǎn)生過大的電流沖擊和電壓過沖，啟動過程平穩(wěn)，安全可靠性高，適用范圍廣。本發(fā)明多端柔性直流輸電系統(tǒng)啟動方法具有如下優(yōu)點
I)本發(fā)明采用交流側(cè)通過限流電阻預充電方式結(jié)合換流器解鎖過程的控制策略，極大的減小了交直流側(cè)沖擊電流；2)本發(fā)明適用于包括兩端柔直系統(tǒng)的各種多端柔性直流輸電系統(tǒng)的拓撲，特別是采用多點直流電壓控制的拓撲結(jié)構(gòu)，各換流站均可通過此種啟動方式實現(xiàn)平穩(wěn)啟動。3)本發(fā)明換流器解鎖瞬間的直流電壓控制值較低，避免了在額定直流電壓下解鎖MMC換流器的電壓及電流沖擊。4)本發(fā)明不需要在直流側(cè)配置額外的限流電路。本發(fā)明一種方便實用的多端柔性直流輸電系統(tǒng)及其啟動方法。
圖1為多端柔性直流輸電系統(tǒng)的示意圖。圖2為三端柔直系統(tǒng)啟動過程受端換流站交流側(cè)電壓實時仿真示意圖。圖3為三端柔直系統(tǒng)啟動過程受端換流站交流側(cè)電流實時仿真示意圖。圖4為三端柔直系統(tǒng)啟動過程受端換流站直流側(cè)電壓實時仿真示意圖。圖5為三端柔直系統(tǒng)啟動過程受端換流站直流側(cè)電流實時仿真示意圖。
具體實施方式
·實施例
本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，本發(fā)明的多端柔性直流輸電系統(tǒng)，包括有第一送端換流站1、第二送端換流站2、受端換流站3，風電場接入第一送端換流站I及第二送端換流站2，第一送端換流站I及第二送端換流站2將電能轉(zhuǎn)換成直流后通過直流線路傳輸?shù)绞芏藫Q流站3，受端換流站3逆變成交流后再接入大電網(wǎng)，且第一送端換流站I通過直流隔離開關(guān)Sdcl與第二送端換流站2及受端換流站3連接，第二送端換流站2通過直流隔離開關(guān)Sdc2與第一送端換流站I及受端換流站3連接，受端換流站3通過直流隔離開關(guān)Sdc3與第一送端換流站I及第二送端換流站2連接。本實施例中，上述第一送端換流站I還連接有交流旁路開關(guān)Sbl，第二送端換流站2還連接有交流旁路開關(guān)Sb2，受端換流站3還連接有交流旁路開關(guān)Sb3。上述交流旁路開關(guān)Sbl中設(shè)置有送端限流電阻Rxl，交流旁路開關(guān)Sb2中設(shè)置有送端限流電阻Rx2，交流旁路開關(guān)Sb3中設(shè)置有受端限流電阻Rx3。上述第一送端換流站I還連接有交流斷路器Sacl,第二送端換流站2還連接有交流斷路器Sac2，受端換流站3還連接有交流斷路器Sac3。本實施例中，上述第一送端換流站1、第二送端換流站2及受端換流站3所用的換流器均是MMC換流器。本實施例中，上述MMC換流器的每個橋臂由#個功率模塊SM級聯(lián)構(gòu)成，上下橋臂間分別串聯(lián)一個電抗器Zs，同相上下兩個橋臂構(gòu)成一個相單元。本實施例中，上述功率模塊SM包括有功率管兄和S2, 二極管仏和久，電阻TP1和弋，功率模塊電容G，快速旁路開關(guān)4，晶閘管4，其中仏和久為相應(yīng)的反并聯(lián)二極管，功率管
和串聯(lián)后與功率模塊電容G并聯(lián)，快速旁路開關(guān)&和晶閘管&與功率管并聯(lián)。如圖1所示，MMC換流器每個橋臂由#個功率模塊SM級聯(lián)構(gòu)成。上下橋臂間分別串聯(lián)一個電抗器Zs，同相上下兩個橋臂構(gòu)成一個相單元。D1和久為相應(yīng)的反并聯(lián)二極管。功率模塊電容G的電壓化。快速旁路開關(guān)A用于切除故障子模塊，晶閘管A為保護晶閘管。如果功率模塊直流電容電壓已經(jīng)被控制為Vc，MMC換流器的每個換流單元可以輸出O和Kc兩種電壓，則橋臂輸出電壓的狀態(tài)將在O，Vc, 2Kc,. . NKc之間變化，即具有N+1個電平狀態(tài)。多端柔性直流輸電系統(tǒng)啟動過程中，主要包括預充電以及換流器解鎖啟動過程。預充電一般分他勵和自勵兩種方式。自勵是指由與換流器相連交流系統(tǒng)向MMC換流器中功率模塊的電容器充電；他勵是由輔助電源提供充電功率。本發(fā)明適用于采用自勵充電方式的工程。在預充電過程中，MMC換流器功率模塊電壓為零，功率管兄和S2處于關(guān)斷狀態(tài)，MMC換流器不解鎖。各站交流系統(tǒng)通過各MMC換流器中功率模塊功率管兄和S2上的反并聯(lián)二極管對其電容充電。對于MMC拓撲來說，僅靠交流電壓從交流側(cè)通過續(xù)流二極管對電容充電是無法達到電容的額定電壓的。如圖1所示，Vsa、Vsb、Vsc分別為a、b、c相的相電壓，比如當Vsa> Vsb時，充電電流通過a相上橋臂各功率模塊的反并聯(lián)二極管D2、b相上橋臂各功率模塊的反并聯(lián)二極管Dl向b相上橋臂各功率模塊電容充電，同時通過a相下橋臂各功率模塊的反并聯(lián)二極管Dl、b相下橋臂各功率模塊的反并聯(lián)二極管D2向a相下橋臂各功率模塊電容充電；當Vsa < Vsb時，充電電流通過a相上橋臂各功率模塊的反并聯(lián)二極管D1、b相上橋臂各功率模塊的反并聯(lián)二極管D2向a相上橋臂各功率模塊電容充電，同時通過a相下橋臂各功率模塊的反并聯(lián)二極管D2、b相下橋臂各功率模塊的反并聯(lián)二極管Dl向b相下橋臂各功率模塊電容充電。其余情況均與此類似。本發(fā)明啟動方式的具體過程分析，主要包括以下三個階段
第一階段，預充電過程開始前，直流線路已合閘，各換流站閉鎖，送端換流站I和送端換流站2交流側(cè)斷開，受端換流站3交流系統(tǒng)向該站換流器的電容充電，通過帶旁路開關(guān)的送端限流電阻Rxl、Rx2來抑制交流側(cè)合閘瞬間的過沖電流。受端換流站的MMC換流器的橋臂充電狀態(tài)為串聯(lián)RLC回路的零狀態(tài)響應(yīng)，相當于交流側(cè)同時刻給兩個橋臂的功率模塊電容以并聯(lián)方式充電。通常以過阻尼方式充電，各功率模塊電容G的電壓相等，有
權(quán)利要求
1.一種多端柔性直流輸電系統(tǒng)，其特征在于包括有第一送端換流站(I)、第二送端換流站(2)、受端換流站(3)，風電場接入第一送端換流站(I)及第二送端換流站(2)，第一送端換流站(I)及第二送端換流站(2)將電能轉(zhuǎn)換成直流后通過直流線路傳輸?shù)绞芏藫Q流站(3)，受端換流站(3)逆變成交流后再接入大電網(wǎng)，且第一送端換流站(I)通過直流隔離開關(guān)Sdcl與第二送端換流站(2)及受端換流站(3)連接，第二送端換流站(2)通過直流隔離開關(guān)Sdc2與第一送端換流站(I)及受端換流站(3)連接，受端換流站(3)通過直流隔離開關(guān)Sdc3與第一送端換流站(I)及第二送端換流站(2)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多端柔性直流輸電系統(tǒng)，其特征在于上述第一送端換流站(I)還連接有交流旁路開關(guān)Sbl，第二送端換流站(2)還連接有交流旁路開關(guān)Sb2，受端換流站(3 )還連接有交流旁路開關(guān)Sb3。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多端柔性直流輸電系統(tǒng)，其特征在于上述交流旁路開關(guān)Sbl中設(shè)置有送端限流電阻Rxl，交流旁路開關(guān)Sb2中設(shè)置有送端限流電阻Rx2，交流旁路開關(guān)Sb3中設(shè)置有受端限流電阻Rx3。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多端柔性直流輸電系統(tǒng)，其特征在于上述第一送端換流站(I)還連接有交流斷路器Sacl，第二送端換流站(2)還連接有交流斷路器Sac2，受端換流站(3)還連接有交流斷路器Sac3。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4任一項所述的多端柔性直流輸電系統(tǒng)，其特征在于上述第一送端換流站(I)、第二送端換流站(2)及受端換流站(3)所用的換流器均是MMC換流器。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的多端柔性直流輸電系統(tǒng)，其特征在于上述MMC換流器的每個橋臂由#個功率模塊SM級聯(lián)構(gòu)成，上下橋臂間分別串聯(lián)一個電抗器Zs，同相上下兩個橋臂構(gòu)成一個相單元。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的多端柔性直流輸電系統(tǒng)，其特征在于上述功率模塊SM包括有功率管兄和S2，二極管仏和久，電阻TP1和弋，功率模塊電容G，快速旁路開關(guān)&，晶閘管4，其中仏和久為相應(yīng)的反并聯(lián)二極管，功率管兄和串聯(lián)后與功率模塊電容G并聯(lián)，快速旁路開關(guān)A和晶閘管A與功率管S2并聯(lián)。
8.一種多端柔性直流輸電系統(tǒng)的啟動方法，其特征在于包括如下步驟 1)系統(tǒng)中所有開關(guān)處于斷開狀態(tài)，第一送端換流站(I)、第二送端換流站(2)、受端換流站(3)均閉鎖； 2)開始啟動，合上直流隔離開關(guān)Sdcl、Sdc2和Sdc3； 3)合上受端換流站(3)的交流斷路器Sac3，從受端換流站(3)的交流側(cè)給第一送端換流站(I)、第二送端換流站(2 )及受端換流站(3 )的功率模塊電容G充電； 4)受端換流站(3)的橋臂電壓達到受端換流站(3)的交流側(cè)線電壓峰值，第一送端換流站(I)及第二送端換流站(2)的橋臂電壓達到受端換流站(3)的交流側(cè)線電壓峰值的1/2時，合上受端換流站(3)的交流旁路開關(guān)Sb3，受端限流電阻Rx3退出； 5)分別合上第一送端換流站(I)及第二送端換流站(2)的交流斷路器Sacl、Sac2，繼續(xù)給第一送端換流站(I)及第二送端換流站(2)的功率模塊電容G充電，當?shù)谝凰投藫Q流站(I)及第二送端換流站(2)的橋臂電壓同樣達到對應(yīng)交流側(cè)線電壓峰值，合上旁路開關(guān)Sbl、Sb2，第一送端換流站(I)及第二送端換流站(2)的送端限流電阻Rxl、Rx2退出；直流隔尚開關(guān)Sdc3 ；6)受端換流站(3)采用直流電壓控制方式解鎖，設(shè)定直流電壓控制初值，即為不控整流后電壓值； 7)第一送端換流站(I)、第二送端換流站(2)設(shè)置有功、無功類參考值為O，解鎖； 8)受端換流站(3)直流電壓控制啟用斜率控制，使直流電壓控制初值從不控整流后電壓值緩慢上升到額定值； 9)系統(tǒng)啟動完成。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的多端柔性直流輸電系統(tǒng)的啟動方法，其特征在于上述步驟6)中直流電壓控制初值為O. 735pu。
全文摘要
本發(fā)明是一種多端柔性直流輸電系統(tǒng)及其啟動方法。包括兩個送端換流站及一個受端換流站，風電場接入兩個送端換流站，兩個送端換流站將電能轉(zhuǎn)換成直流后通過直流線路傳輸?shù)绞芏藫Q流站，受端換流站逆變成交流后再接入大電網(wǎng)，兩個送端換流站中的第一送端換流站通過直流隔離開關(guān)Sdc1與第二送端換流站及受端換流站連接，第二送端換流站通過直流隔離開關(guān)Sdc2與第一送端換流站及受端換流站連接，受端換流站通過直流隔離開關(guān)Sdc3與第一送端換流站及第二送端換流站連接。本發(fā)明啟動過程平穩(wěn)，安全可靠性高，適用范圍廣，用于采用模塊化多電平拓撲結(jié)構(gòu)的多端柔性直流輸電工程,實現(xiàn)在多端換流站解鎖的瞬間減小交直流側(cè)的沖擊電流，平穩(wěn)建立直流電壓到額定值。
文檔編號H02M1/36GK103066614SQ20121058861
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月31日
發(fā)明者朱喆, 陳俊, 饒宏, 黎小林, 許樹楷 申請人:南方電網(wǎng)科學研究院有限責任公司