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        模塊化多電平柔性直流輸電系統(tǒng)的直流側(cè)啟動方法研究

        2014-12-20 06:48:28岳偉易榮張海濤許樹楷
        電網(wǎng)與清潔能源 2014年10期
        關(guān)鍵詞:預(yù)充電換流器換流站

        岳偉,易榮,張海濤,許樹楷

        (1. 榮信電力電子股份有限公司,遼寧 鞍山 114051;2. 南方電網(wǎng)科學研究院有限責任公司,廣東 廣州 510080)

        模塊化多電平換流器(MMC)是由西門子公司首先提出的采用多個子模塊串聯(lián)的一種新型拓撲結(jié)構(gòu)[1]。避免了二電平、三電平拓撲中開關(guān)器件直接串聯(lián)帶來的動態(tài)均壓等問題,同時僅通過變化所使用的子模塊數(shù)量,就可以靈活地改變換流器的輸出電壓及功率等級,易于擴展到任意電平,具有較小的諧波畸變[2-4]。能向無源網(wǎng)絡(luò)供電、能夠瞬時實現(xiàn)有功和無功的獨立解耦控制、換流站間不需要通訊而且易于實現(xiàn)多端系統(tǒng)[5],適用于風電場并網(wǎng)、孤島供電、交流系統(tǒng)的異步互聯(lián)、分布式發(fā)電并網(wǎng)、多端直流輸電以及城市配電網(wǎng)增容等領(lǐng)域[6]。

        模塊化多電平換流器的啟動是系統(tǒng)正常運行的前提和基礎(chǔ),也是柔性直流輸電系統(tǒng)運行過程中的重要環(huán)節(jié)。該環(huán)節(jié)若控制不當將產(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)備和人身安全。

        目前模塊化多電平換流器子模塊電容預(yù)充電有自勵和他勵2種方式:自勵是指由與換流器相連交流系統(tǒng)向子模塊電容充電;他勵是由輔助電源提供充電功率。前者要求模塊化多電平換流器交流側(cè)必須為正常運行的有源電網(wǎng),而后者需要額外的裝置,增加成本和工作量。針對換流器充電,文獻[7]提出了特定的交、直流限流電阻配置方案以及有源MMC-HVDC三相六橋臂各子模塊同時預(yù)充電方法。文獻[8]采用載波移相策略提出了一種適用于MMC可控階段的新型啟動方法。文獻[9]采用輔助充電電源向各子模塊電容預(yù)充電的他勵方式來實現(xiàn)MMCHVDC的預(yù)充電,這種方式不但需要單獨設(shè)計一個合適的輔助直流充電電源,增加設(shè)備投資,而且由于直流電壓源的輸出電壓需要約等于子模塊電容電壓,在高壓大容量的應(yīng)用場合,這種輔助直流電源不易獲得,因此不能滿足實際工程需要。文獻[10]提出采用串接交流側(cè)限流電阻來對各子模塊進行充電,但是該方法不能實現(xiàn)對MMC-HVDC同相上、下橋臂同時充電,充電時間緩慢,而且在換流器解鎖時,會產(chǎn)生較大的沖擊電流,引起各子模塊電壓波動,需要設(shè)計附加的控制算法進行抑制,從而增加了控制系統(tǒng)的復(fù)雜度。

        本文提出一種模塊化多電平換流器的直流側(cè)充電方法,采用不控整流預(yù)充電和子模塊數(shù)遞減方法使子模塊電容電壓達到預(yù)先設(shè)定值??稍诓辉黾宇~外投入的情況下實現(xiàn)模塊化多電平換流器的充電,控制方法簡單,有效避免直流側(cè)不控整流預(yù)充電完成后,直接解鎖模塊化多電平換流器時的沖擊電壓和沖擊電流,提高柔性直流輸電系統(tǒng)運行的安全性和穩(wěn)定性。該方法已在南澳柔性直流輸電工程中成功應(yīng)用。

        1 模塊化多電平換流器工作原理

        圖1為模塊化多電平換流器拓撲結(jié)構(gòu)。圖中uva、uvb、uvc分別為換流器輸出交流電壓;Idc、Udc分別為直流側(cè)電流和電壓;2L0、2R0分別為橋臂等效電抗和橋臂等效電阻。每個相單元由上、下兩個橋臂組成,每個橋臂由若干相同功率模塊串聯(lián)以產(chǎn)生高電壓。每個子模塊(Sub-module,SM)由2只帶反并聯(lián)二極管的絕緣柵雙極晶體管(IGBT)和1個直流儲能電容器(Uc)構(gòu)成。通過控制子模塊中VT1和VT2開關(guān)管的導通和關(guān)斷,控制子模塊電容器投入或退出主回路。通過分別控制上、下橋臂處于投入狀態(tài)的子模塊數(shù)按正弦規(guī)律變換,產(chǎn)生階梯正弦交流電壓波形,模塊數(shù)越多,電平數(shù)越多,輸出越接近正弦波;理想情況下,每個橋臂可用一個理想電壓源等效;通過控制相單元內(nèi)處于投運狀態(tài)的子模塊數(shù)保持不變,產(chǎn)生恒定的直流電壓波形。

        2 模塊化多電平換流器直流側(cè)啟動控制策略

        圖1 模塊化多電平換流器拓撲Fig. 1 Topology of MMC

        當換流器交流側(cè)為無源網(wǎng)絡(luò)或為待啟動的有源網(wǎng)絡(luò)時,可通過直流線路從直流側(cè)啟動。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示,其中圖2(a)交流側(cè)為待啟動的有源網(wǎng)絡(luò),圖2(b)交流側(cè)為無源網(wǎng)絡(luò)。待啟動的換流站通過直流線路與其他換流站互聯(lián)。換流站直流側(cè)包括1組或2組隔離開關(guān);交流側(cè)為無源網(wǎng)絡(luò)或待啟動的有源網(wǎng)絡(luò),包括相互串聯(lián)的交流斷路器、隔離開關(guān)和換流變壓器,當交流側(cè)為有源網(wǎng)絡(luò)時還包括2端并聯(lián)旁路開關(guān)的充電電阻。

        圖2 兩端柔性直流輸電系統(tǒng)Fig. 2 Two terminals VSC-HVDC transmission system

        圖2中MMC1、MMC2為兩端柔性直流輸電系統(tǒng)中采用模塊化多電平的換流器,由MMC2通過直流線路為MMC1充電。Qi、QSi1、QSi2(i=1,2)分別為MMC1、MMC2交流側(cè)斷路器和隔離開關(guān);T1、T2分別為2個換流站的換流變壓器,換流變壓器連接有源網(wǎng)時交流側(cè)串聯(lián)充電電阻及與充電電阻相并聯(lián)的旁路開關(guān);QD1、QD2分別為2個換流站的直流側(cè)隔離開關(guān);Udc1、Udc2分別為2個換流站直流側(cè)電壓。

        模塊化多電平換流器直流側(cè)充電策略分為2個階段:不控整流預(yù)充電階段和子模塊數(shù)遞減解鎖充電階段。

        2.1 不控整流預(yù)充電

        不控整流預(yù)充電是待啟動的換流站指通過直流線路從直流側(cè)進行不控整流預(yù)充電,其充電回路如圖3所示。圖中Udc1為MMC1的直流側(cè)電壓;Udc2為MMC2的直流側(cè)電壓。

        圖3 不控整流預(yù)充電時電流通路Fig. 3 Circuit of uncontrollable pre-charge

        在不控整流預(yù)充電階段,應(yīng)遵循以下操作步驟:

        1)斷開模塊化多電平換流器交流側(cè)隔離開關(guān)及斷路器。對應(yīng)圖2應(yīng)依次斷開MMC1交流側(cè)QS11、QS12、Q1,使模塊化多電平換流器與交流電網(wǎng)斷開。

        2)系統(tǒng)中除需直流充電的換流站以外的其他換流站組成的系統(tǒng)正常運行。即MMC2正常啟動,采用定直流電壓方式運行。

        3)閉合模塊化多電平換流器直流側(cè)隔離開關(guān),該站通過直流線路進行不控整流預(yù)充電。對應(yīng)圖2應(yīng)依次閉合MMC2直流側(cè)隔離開關(guān)QD2、MMC1直流側(cè)隔離開關(guān)QD1,由MMC2通過直流線路對MMC1子模塊電容進行不控整流預(yù)充電。

        2.2 子模塊數(shù)遞減解鎖

        圖2中MMC1不控整流預(yù)充電完成后,需要解鎖才能實現(xiàn)與MMC2的并列運行。以預(yù)先設(shè)定值為直流不控整流充電時的子模塊電容電壓的2倍為例。設(shè)MMC1橋臂子模塊數(shù)為n,解鎖前MMC1每相有2n個子模塊與直流側(cè)電壓并聯(lián),每個子模塊電容電壓應(yīng)滿足:

        解鎖后每相有n個子模塊與直流側(cè)電壓并聯(lián),每個子模塊預(yù)先設(shè)定電容電壓應(yīng)滿足:

        解鎖后子模塊電容電壓是解鎖前子模塊電容電壓的2倍,若直接解鎖,會產(chǎn)生很大的沖擊電流和沖擊電壓。所以,不控整流充電完成后,以投入子模塊數(shù)遞減方式解鎖模塊化多電平換流器,即在換流器解鎖后,通過一定的控制使得與直流側(cè)電壓并聯(lián)的子模塊數(shù)由2n逐漸減小到n,以減小由于換流器直接解鎖時投入子模塊數(shù)量突變而帶來的沖擊,保證柔性直流輸電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。

        在上述兩個階段充電完成后,換流站并入系統(tǒng)運行。

        圖4 不采用直流側(cè)啟動方法的仿真Fig.4 Simulation of start-up not by using DC side method

        3 仿真分析

        在PSCAD/EMTDC平臺上搭建了n=10的模塊化多電平換流站等效模型驗證本文所提策略的有效性。當MMC1交流側(cè)為無源電網(wǎng)或待啟動的有源電網(wǎng)時,交流側(cè)均不提供充電功率,均可等效為換流器與交流側(cè)斷開情況。MMC2以不控整流電路代替,Udc1=Udc2=15 kV。不采用上述啟動策略時,仿真波形如圖4所示,分別為子模塊電容電壓直流側(cè)電壓、直流側(cè)電壓、直流側(cè)電流。解鎖前后投入子模塊數(shù)突變,且電容電壓驟升,給直流電壓和直流電流帶來很大沖擊。

        MMC1不控整流預(yù)充電完成后,采用投入子模塊數(shù)線性遞減方式解鎖。仿真時長設(shè)為8 s,t=0時MMC2啟動,MMC1直流側(cè)隔離開關(guān)閉合;t=1 s 時解鎖MMC1,使其從MMC2繼續(xù)充電,解鎖后投入子模塊數(shù)減小指令如圖5所示;t=6.5 s時充電完成,MMC1與MMC2并列運行。

        圖6為采用本文充電策略的子模塊電容電壓以及直流側(cè)電壓、電流波形。

        圖5 投入子模塊數(shù)遞減指令Fig. 5 Command of running sub-module number

        由圖6可知,由于解鎖后采用投入子模塊數(shù)遞減的控制方法,使子模塊電容電壓逐漸升高,避免直接解鎖時巨大的沖擊電流和沖擊電壓,保證柔性直流輸電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

        4 結(jié)語

        當換流器交流側(cè)為無源網(wǎng)絡(luò)或待啟動的有源網(wǎng)絡(luò)時,可通過直流線路從直流側(cè)進行不控整流預(yù)充電,充電完成后按子模塊數(shù)遞減方法解鎖換流器。該方法無需增加輔助電源,且控制簡單,可有效避免直流側(cè)不控整流預(yù)充電完成后,直接解鎖模塊化多電平換流器時的沖擊電壓和沖擊電流,提高柔性直流輸電系統(tǒng)運行的安全性和穩(wěn)定性。該方法已成功應(yīng)用于南澳柔性直流輸電工程,具有一定的實際意義和工程應(yīng)用價值。

        圖6 采用直流側(cè)啟動方法的仿真Fig. 6 Simulation of start-up by using DC side method

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