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        多端柔性直流輸電控制保護(hù)系統(tǒng)及環(huán)流抑制

        2016-08-10 08:11:52萬(wàn)家建馬偉東欒伊斌國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司平湖供電公司浙江嘉興3400國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司電力調(diào)度控制中心浙江杭州30007
        電力安全技術(shù) 2016年1期
        關(guān)鍵詞:系統(tǒng)

        萬(wàn)家建,高 強(qiáng),馬偉東,欒伊斌(.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司平湖供電公司,浙江 嘉興 3400;.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司電力調(diào)度控制中心,浙江 杭州 30007)

        多端柔性直流輸電控制保護(hù)系統(tǒng)及環(huán)流抑制

        萬(wàn)家建1,高 強(qiáng)2,馬偉東1,欒伊斌1
        (1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司平湖供電公司,浙江 嘉興 314200;2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司電力調(diào)度控制中心,浙江 杭州 310007)

        介紹了浙江舟山多端柔性直流輸電工程的概況和主要設(shè)備組成,分析總結(jié)了其控制保護(hù)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和主要功能,重點(diǎn)研究了舟山多端柔性輸電系統(tǒng)的環(huán)流抑制控制策略,最后通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了該控制策略對(duì)環(huán)流的抑制效果,為舟山五端柔性直流輸電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了技術(shù)支持和理論保障。

        多端柔性直流輸電;模塊化多電平換流器;控制保護(hù)系統(tǒng);環(huán)流抑制

        0 引言

        多端柔性直流輸電(VSC-MTDC)系統(tǒng)由3個(gè)或以上換流站及連接換流站的高壓直流輸電線路組成,能夠?qū)崿F(xiàn)多電源供電、多落點(diǎn)受電,相比于兩端柔性直流輸電系統(tǒng),運(yùn)行方式更為靈活,能更好地發(fā)揮直流輸電的經(jīng)濟(jì)性和靈活性。目前,已于2014-07-04投運(yùn)的浙江舟山柔性直流輸電工程,為世界上首個(gè)建成的五端柔性直流輸電工程。

        1 舟山柔性直流輸電工程概況

        舟山柔性直流輸電工程由舟定、舟岱、舟衢、舟泗、舟洋等5個(gè)直流換流站和多段直流電纜構(gòu)成,直流電壓等級(jí)為±200 kV。各換流站容量分別為400 MW,300 MW,100 MW,100 MW,100 MW,最大輸送容量為400 MW。舟定和周岱換流站通過(guò)220 kV單線分別接入220 kV云頂變和蓬萊變,舟衢、舟洋和舟泗換流站通過(guò)110 kV單線分別接入110 kV大衢變、沈家灣變和嵊泗變。其系統(tǒng)接線方式如圖1所示。

        舟山柔性直流換流站一次設(shè)備主要包括交流線路、直流線路、直流母線、聯(lián)結(jié)變、換流閥組(由啟動(dòng)電阻、換流電抗器、平波電抗器和子模塊SM組成)等,各換流站采用模塊化多電平電壓源換流器。其一次接線如圖2所示。該工程投入運(yùn)行后,舟山電網(wǎng)將發(fā)展為一個(gè)同時(shí)包含多端柔性直流、傳統(tǒng)交流和風(fēng)電場(chǎng)的復(fù)雜交直流混聯(lián)電網(wǎng),電能可同時(shí)通過(guò)交流通道和直流通道到達(dá)各島,運(yùn)行方式復(fù)雜多變。

        圖1 舟山五端柔性直流輸電工程系統(tǒng)接線

        2 柔性直流輸電控制保護(hù)系統(tǒng)

        柔性直流輸電控制保護(hù)系統(tǒng)是柔性直流輸電系統(tǒng)的“大腦”,實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)及所有設(shè)備的控制、監(jiān)視和保護(hù),直接關(guān)系到系統(tǒng)運(yùn)行的性能、安全、效益,是柔性直流輸電系統(tǒng)的關(guān)鍵。

        圖2 換流站一次接線

        多端柔性直流輸電系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的多輸入多輸出系統(tǒng),為了提高其運(yùn)行的可靠性,限制任一控制環(huán)節(jié)故障造成的影響,其控制保護(hù)系統(tǒng)采用模塊化、分層分布式結(jié)構(gòu)。舟山柔性直流輸電系統(tǒng)控制保護(hù)策略分4個(gè)層次:系統(tǒng)級(jí)控制保護(hù)層、換流器級(jí)控制保護(hù)層、閥級(jí)控制保護(hù)層、子模塊級(jí)控制保護(hù)層,其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

        系統(tǒng)級(jí)控制保護(hù)層是MMC-HVDC(MMC,modular multilevel converter,即模塊化多電平換流器)控制保護(hù)系統(tǒng)中級(jí)別最高的層次,主要功能有:運(yùn)行方式控制、控制模式控制、系統(tǒng)啟停控制、系統(tǒng)穩(wěn)定控制、快速功率變化控制、潮流反轉(zhuǎn)控制、聯(lián)接變壓器保護(hù)、交流場(chǎng)保護(hù)等。

        換流器級(jí)控制保護(hù)層是聯(lián)系上層系統(tǒng)級(jí)控制保護(hù)層和下層閥級(jí)控制保護(hù)層的中間環(huán)節(jié),也是MMC-HVDC控制保護(hù)系統(tǒng)中的核心層。主要功能有:直流電壓控制、直流功率控制、換流器閉鎖解鎖控制、負(fù)序電流抑制控制、橋臂環(huán)流控制、運(yùn)行信息采集與處理、換流器限流控制、換流器監(jiān)視與保護(hù)等。

        閥級(jí)控制保護(hù)層是聯(lián)系上層控制系統(tǒng)與底層開(kāi)關(guān)器件控制的中間樞紐。接收換流器級(jí)控制保護(hù)層輸出的控制信號(hào),并通過(guò)適當(dāng)?shù)恼{(diào)制方式產(chǎn)生相應(yīng)的閥觸發(fā)脈沖以控制閥組的導(dǎo)通、關(guān)斷,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)換流器閥的觸發(fā)控制;同時(shí)接收各子模塊開(kāi)關(guān)器件驅(qū)動(dòng)電路的回報(bào)信號(hào)及狀態(tài)信息并上報(bào)至換流器級(jí)控制保護(hù)系統(tǒng)的監(jiān)控單元。閥級(jí)控制保護(hù)層是實(shí)現(xiàn)各種指令的具體執(zhí)行操作層,與系統(tǒng)級(jí)控制保護(hù)層、換流器級(jí)控制保護(hù)層相比,其響應(yīng)速度更快。其主要功能有:開(kāi)關(guān)調(diào)制、閥組導(dǎo)通/關(guān)斷控制、換流閥監(jiān)測(cè)與保護(hù)、子模塊電容電壓平衡調(diào)制、橋臂故障檢測(cè)與保護(hù)等。

        子模塊級(jí)控制保護(hù)層是直接對(duì)MMC中的每個(gè)子模塊進(jìn)行觸發(fā)控制的設(shè)備,其主要功能有:子模塊觸發(fā)控制、旁路控制、過(guò)壓控制、子模塊電容電壓及狀態(tài)信息檢測(cè)。

        柔性直流輸電保護(hù)系統(tǒng)均采用雙重化設(shè)計(jì),主要保護(hù)配置如下。

        (1) 聯(lián)接變壓器保護(hù):變壓器差動(dòng)保護(hù)、變壓器過(guò)流保護(hù)、非電量保護(hù)。

        (2) 交流場(chǎng)保護(hù):交流連接母線差動(dòng)保護(hù)、交流連接母線過(guò)流保護(hù)、交流過(guò)壓保護(hù)、交流欠壓保護(hù)、交流頻率保護(hù)。

        (3) 換流器保護(hù):交流過(guò)流保護(hù)、橋臂過(guò)流保護(hù)、橋臂電抗差動(dòng)保護(hù)、閥側(cè)零序分量保護(hù)、閥差動(dòng)保護(hù)、橋臂環(huán)流保護(hù)。

        (4) 直流場(chǎng)保護(hù):直流電壓不平衡保護(hù)、直流欠壓過(guò)流保護(hù)、直流低電壓保護(hù)、直流過(guò)電壓保護(hù)、直流線路縱差保護(hù)。

        圖3 舟山柔性直流輸電工程控制保護(hù)策略

        3 環(huán)流抑制控制策略及試驗(yàn)驗(yàn)證

        模塊化多電平換流器由大量的子模塊構(gòu)成,每個(gè)子模塊中都有一個(gè)儲(chǔ)能電容;各個(gè)子模塊電容的分布式布置及其能量不均衡,將導(dǎo)致MMC換流器橋臂之間產(chǎn)生呈負(fù)序分布的二倍頻環(huán)流。環(huán)流的存在一方面會(huì)使換流器輸出的電流發(fā)生畸變,降低了輸出波形的質(zhì)量,并且增加了電力電子器件的容量等級(jí)要求;另一方面增加了損耗,并使功率開(kāi)關(guān)管發(fā)熱嚴(yán)重,甚至燒毀,影響裝置使用壽命。盡管橋臂電抗器對(duì)環(huán)流具有一定的抑制作用,但作用有限。因此,必須設(shè)計(jì)一種環(huán)流抑制控制器。

        3.1 環(huán)流抑制控制策略

        舟山多端柔性直流輸電系統(tǒng)采取的是環(huán)流諧波解耦控制策略,在MMC內(nèi)部數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上,采用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換將換流器內(nèi)部的三相二倍頻環(huán)流分解為2個(gè)直流分量,由此設(shè)計(jì)了相應(yīng)的環(huán)流抑制控制器。

        MMC的數(shù)學(xué)模型可以由式(1)來(lái)表示:

        式中,Ux表示換流器三相電壓(x=a,b,c),Ux1表示下橋臂電壓,Ux2表示上橋臂電壓,R0表示橋臂電阻,L0表示橋臂電感,Ix表示換流器三相電流,Iz表示二倍頻環(huán)流分量。

        由式(1)可知,上下橋臂之間的電壓差和交流側(cè)相電流會(huì)對(duì)逆變器交流側(cè)電壓產(chǎn)生影響,而上下橋臂電壓之和與直流電壓不相等是內(nèi)部環(huán)流產(chǎn)生的根本原因。為了消除各相上下橋臂電壓之和的不一致性,在上下橋臂電壓上同時(shí)減去一個(gè)大小相等的電壓修正量Ufix,以抵消2個(gè)串聯(lián)電抗器兩端的電壓,間接控制換流器內(nèi)部環(huán)流。由于是在上下橋臂同時(shí)減去一個(gè)電壓分量,因此不會(huì)對(duì)逆變器交流側(cè)電壓產(chǎn)生影響。

        根據(jù)文獻(xiàn)資料可知,MMC內(nèi)部三相環(huán)流為二倍頻負(fù)序分量,設(shè)其幅值為Izf,初始相位為φ,那么換流器三相中的環(huán)流可以表示為:

        令二倍頻環(huán)流電壓為:

        則式(1)可變?yōu)椋?/p>

        將acb負(fù)序分量調(diào)整為acb正序分量,可引入二倍頻正序變換矩陣式(5)。

        利用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換將換流器內(nèi)部三相二倍頻負(fù)序環(huán)流分解為2個(gè)直流量,具體計(jì)算過(guò)程為將式(2)代入式(4),然后兩邊同時(shí)左乘acb/dq變換矩陣式(5),得到:

        式(6)即為MMC內(nèi)部環(huán)流數(shù)學(xué)模型,在此數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上即可設(shè)計(jì)相應(yīng)的環(huán)流抑制控制器,如圖4所示。

        圖4 MMC環(huán)流抑制器控制圖

        3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

        以舟定站為例,通過(guò)實(shí)測(cè)驗(yàn)證舟山五端柔性直流控制保護(hù)系統(tǒng)的環(huán)流抑制功能。該換流器由6個(gè)橋臂構(gòu)成,在額定運(yùn)行方式下,環(huán)流抑制器投入前后橋臂電流的二倍頻分量占基波分量的比例如表1所示。由表1可以看出,當(dāng)投入環(huán)流抑制器后,橋臂二倍頻環(huán)流分量得到了有效抑制,占基波分量的比例均小于1 %,大大降低了橋臂電流的畸變程度,提高了換流器運(yùn)行的可靠性。

        表1 投入環(huán)流抑制器前后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

        4 結(jié)束語(yǔ)

        舟山五端柔性直流輸電工程的建成,為柔性直流輸電的大規(guī)模推廣起到良好示范作用。以上通過(guò)試驗(yàn)研究分析舟山VSC-MTDC系統(tǒng)的環(huán)流抑制效果,試驗(yàn)結(jié)果表明橋臂內(nèi)部環(huán)流得到了有效抑制。

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        2015-08-12。

        萬(wàn)家建(1988-),男,助理工程師,主要從事電力系統(tǒng)變電運(yùn)行工作,email:gaoqiang242@163.com。

        高 強(qiáng)(1985-),男,工程師,主要從事電力系統(tǒng)調(diào)控運(yùn)行工作。

        馬偉東(1970-),男,大專,主要從事電力系統(tǒng)變電運(yùn)行工作。

        欒伊斌(1978-),男,助理工程師,主要從事電力系統(tǒng)變電檢修工作。

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