专利名称：一种多端柔性直流输电系统及其启动方法
技术领域：
本发明是一种多端柔性直流输电系统及其启动方法，属于多端柔性直流输电系统的启动方法的创新技术。
背景技术：
柔性直流输电基于电压源变流器(VSC)和脉冲宽度调制技术(PWM)将直流电压逆变为幅值和相位都可控的交流电压，并可以独立快速控制所传输的有功功率和无功功率，极大地增强了输电的灵活性，成为实现区域电网互联，大型风电场及交流弱电网与主网之间的稳定联结的最有潜质的电力传输方式。自ABB公司1997年第一个试验性的轻型直流输电工程在Hellsjon投运，迄今为止国际上已经有十几条轻型直流输电线路投入了运行。在国内，南方电网公司承担的863重大专项课题“大型风电场柔性直流输电接入技术研究与开发”及其南澳岛示范工程，即规划建成一个电压等级为±160kV，输送容量为20(MW的4端柔性直流输电系统，服务于青澳、牛头岭、云澳和塔屿风电场。项目建成后,主要作用在于实现风电场通过柔性直流输电系统与南澳电网及汕头主网的联接，将电场电力安全送出，保障南澳岛供电安全，并减少风电功率的波动对当地薄弱电网的影响。多端柔性直流输电系统(MMC-MTDC)的启动控制，是系统正常运行的前提和重要基础。MMC-MTDC系统启动过程包括从交流侧电网合闸到额定直流电压建立一系列的动态过程。目前国内外的研究，研究重点普遍放在对VSC-HVDC稳态运行时的控制策略进行研究，此时的直流侧电压已达到额定值，而对启动过程的鲜有详细的分析。然而，该启动过程如控制不当，将在MMC换流阀交流侧和直流侧产生严重的过压和过流，甚至导致系统振荡，影响交流系统正常运行，危及设备及人身安全。
发明内容
本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种设计合理，方便实用的多端柔性直流输电系统。本发明适用于采用模块化多电平拓扑结构的多端柔性直流输电工程，能实现在多端换流站解锁的瞬间，减小交直流侧的冲击电流，直流电压平稳建立到额定电压。本发明的另一目的在于提供一种启动过程平稳，安全可靠性高，适用范围广的多端柔性直流输电系统的启动方法。本发明的技术方案是本发明的多端柔性直流输电系统，包括有第一送端换流站、第二送端换流站、受端换流站，风电场接入第一送端换流站及第二送端换流站，第一送端换流站及第二送端换流站将电能转换成直流后通过直流线路传输到受端换流站，受端换流站逆变成交流后再接入大电网，且第一送端换流站通过直流隔离开关Sdcl与第二送端换流站及受端换流站连接，第二送端换流站通过直流隔离开关Sdc2与第一送端换流站及受端换流站连接，受端换流站通过直流隔离开关Sdc3与第一送端换流站及第二送端换流站连接。上述第一送端换流站还连接有交流旁路开关Sbl，第二送端换流站还连接有交流旁路开关Sb2，受端换流站还连接有交流旁路开关Sb3。上述交流旁路开关Sbl中设置有送端限流电阻Rxl，交流旁路开关Sb2中设置有送端限流电阻Rx2，交流旁路开关Sb3中设置有受端限流电阻Rx3。上述第一送端换流站还连接有交流断路器Sacl,第二送端换流站还连接有交流断路器Sac2，受端换流站还连接有交流断路器Sac3。上述第一送端换流站、第二送端换流站及受端换流站所用的换流器均是MMC换流器。上述MMC换流器的每个桥臂由#个功率模块SM级联构成，上下桥臂间分别串联一个电抗器Zs，同相上下两个桥臂构成一个相单元。上述功率模块SM包括有功率管兄和S2，二极管仏和久，电阻TP1和弋，功率模块电容G，快速旁路开关&，晶闸管&，其中D1和D2为相应的反并联二极管，功率管兄和S2串联后与功率模块电容G并联，快速旁路开关A和晶闸管A与功率管并联。本发明多端柔性直流输电系统的启动方法，包括如下步骤
1)系统中所有开关处于断开状态，第一送端换流站、第二送端换流站、受端换流站均闭
锁；
2)开始启动，合上直流隔离开关Sdcl、Sdc2和Sdc3；
3)合上受端换流站的交流 断路器Sac3，从受端换流站的交流侧给第一送端换流站、第二送端换流站及受端换流站的功率模块电容G充电；
4)受端换流站的桥臂电压达到受端换流站的交流侧线电压峰值，第一送端换流站及第二送端换流站的桥臂电压达到受端换流站的交流侧线电压峰值的1/2时，合上受端换流站的交流旁路开关Sb3，受端限流电阻Rx3退出；
5)分别合上第一送端换流站及第二送端换流站的交流断路器Sacl、Sac2，继续给第一送端换流站及第二送端换流站的功率模块电容G充电，当第一送端换流站及第二送端换流站的桥臂电压同样达到对应交流侧线电压峰值，合上旁路开关Sbl、Sb2，第一送端换流站
(I)及第二送端换流站的送端限流电阻Rxl、Rx2退出；直流隔离开关Sdc3 ；
6)受端换流站采用直流电压控制方式解锁，设定直流电压控制初值，即为不控整流后电压值；
7)第一送端换流站、第二送端换流站设置有功、无功类参考值为0，解锁；
8)受端换流站直流电压控制启用斜率控制，使直流电压控制初值从不控整流后电压值缓慢上升到额定值；
9)系统启动完成。上述步骤6)中直流电压控制初值为O. 735pu。本发明由于采用启动过程中先采用自励充电方式，然后通过启动控制策略的调整，实现了在多端换流站解锁的瞬间，减小交直流侧的冲击电流，直流电压平稳建立到额定电压的整个过程。本发明通过控制方式和辅助措施使多端柔性直流系统的直流电压快速上升到额定电压，但在交直流侧又不产生过大的电流冲击和电压过冲，启动过程平稳，安全可靠性高，适用范围广。本发明多端柔性直流输电系统启动方法具有如下优点
I)本发明采用交流侧通过限流电阻预充电方式结合换流器解锁过程的控制策略，极大的减小了交直流侧冲击电流；2)本发明适用于包括两端柔直系统的各种多端柔性直流输电系统的拓扑，特别是采用多点直流电压控制的拓扑结构，各换流站均可通过此种启动方式实现平稳启动。3)本发明换流器解锁瞬间的直流电压控制值较低，避免了在额定直流电压下解锁MMC换流器的电压及电流冲击。4)本发明不需要在直流侧配置额外的限流电路。本发明一种方便实用的多端柔性直流输电系统及其启动方法。
图1为多端柔性直流输电系统的示意图。图2为三端柔直系统启动过程受端换流站交流侧电压实时仿真示意图。图3为三端柔直系统启动过程受端换流站交流侧电流实时仿真示意图。图4为三端柔直系统启动过程受端换流站直流侧电压实时仿真示意图。图5为三端柔直系统启动过程受端换流站直流侧电流实时仿真示意图。
具体实施方式
·实施例
本发明的结构示意图如图1所示，本发明的多端柔性直流输电系统，包括有第一送端换流站1、第二送端换流站2、受端换流站3，风电场接入第一送端换流站I及第二送端换流站2，第一送端换流站I及第二送端换流站2将电能转换成直流后通过直流线路传输到受端换流站3，受端换流站3逆变成交流后再接入大电网，且第一送端换流站I通过直流隔离开关Sdcl与第二送端换流站2及受端换流站3连接，第二送端换流站2通过直流隔离开关Sdc2与第一送端换流站I及受端换流站3连接，受端换流站3通过直流隔离开关Sdc3与第一送端换流站I及第二送端换流站2连接。本实施例中，上述第一送端换流站I还连接有交流旁路开关Sbl，第二送端换流站2还连接有交流旁路开关Sb2，受端换流站3还连接有交流旁路开关Sb3。上述交流旁路开关Sbl中设置有送端限流电阻Rxl，交流旁路开关Sb2中设置有送端限流电阻Rx2，交流旁路开关Sb3中设置有受端限流电阻Rx3。上述第一送端换流站I还连接有交流断路器Sacl,第二送端换流站2还连接有交流断路器Sac2，受端换流站3还连接有交流断路器Sac3。本实施例中，上述第一送端换流站1、第二送端换流站2及受端换流站3所用的换流器均是MMC换流器。本实施例中，上述MMC换流器的每个桥臂由#个功率模块SM级联构成，上下桥臂间分别串联一个电抗器Zs，同相上下两个桥臂构成一个相单元。本实施例中，上述功率模块SM包括有功率管兄和S2, 二极管仏和久，电阻TP1和弋，功率模块电容G，快速旁路开关4，晶闸管4，其中仏和久为相应的反并联二极管，功率管
和串联后与功率模块电容G并联，快速旁路开关&和晶闸管&与功率管并联。如图1所示，MMC换流器每个桥臂由#个功率模块SM级联构成。上下桥臂间分别串联一个电抗器Zs，同相上下两个桥臂构成一个相单元。D1和久为相应的反并联二极管。功率模块电容G的电压化。快速旁路开关A用于切除故障子模块，晶闸管A为保护晶闸管。如果功率模块直流电容电压已经被控制为Vc，MMC换流器的每个换流单元可以输出O和Kc两种电压，则桥臂输出电压的状态将在O，Vc, 2Kc,. . NKc之间变化，即具有N+1个电平状态。多端柔性直流输电系统启动过程中，主要包括预充电以及换流器解锁启动过程。预充电一般分他励和自励两种方式。自励是指由与换流器相连交流系统向MMC换流器中功率模块的电容器充电；他励是由辅助电源提供充电功率。本发明适用于采用自励充电方式的工程。在预充电过程中，MMC换流器功率模块电压为零，功率管兄和S2处于关断状态，MMC换流器不解锁。各站交流系统通过各MMC换流器中功率模块功率管兄和S2上的反并联二极管对其电容充电。对于MMC拓扑来说，仅靠交流电压从交流侧通过续流二极管对电容充电是无法达到电容的额定电压的。如图1所示，Vsa、Vsb、Vsc分别为a、b、c相的相电压，比如当Vsa> Vsb时，充电电流通过a相上桥臂各功率模块的反并联二极管D2、b相上桥臂各功率模块的反并联二极管Dl向b相上桥臂各功率模块电容充电，同时通过a相下桥臂各功率模块的反并联二极管Dl、b相下桥臂各功率模块的反并联二极管D2向a相下桥臂各功率模块电容充电；当Vsa < Vsb时，充电电流通过a相上桥臂各功率模块的反并联二极管D1、b相上桥臂各功率模块的反并联二极管D2向a相上桥臂各功率模块电容充电，同时通过a相下桥臂各功率模块的反并联二极管D2、b相下桥臂各功率模块的反并联二极管Dl向b相下桥臂各功率模块电容充电。其余情况均与此类似。本发明启动方式的具体过程分析，主要包括以下三个阶段
第一阶段，预充电过程开始前，直流线路已合闸，各换流站闭锁，送端换流站I和送端换流站2交流侧断开，受端换流站3交流系统向该站换流器的电容充电，通过带旁路开关的送端限流电阻Rxl、Rx2来抑制交流侧合闸瞬间的过冲电流。受端换流站的MMC换流器的桥臂充电状态为串联RLC回路的零状态响应，相当于交流侧同时刻给两个桥臂的功率模块电容以并联方式充电。通常以过阻尼方式充电，各功率模块电容G的电压相等，有
权利要求
1.一种多端柔性直流输电系统，其特征在于包括有第一送端换流站(I)、第二送端换流站(2)、受端换流站(3)，风电场接入第一送端换流站(I)及第二送端换流站(2)，第一送端换流站(I)及第二送端换流站(2)将电能转换成直流后通过直流线路传输到受端换流站(3)，受端换流站(3)逆变成交流后再接入大电网，且第一送端换流站(I)通过直流隔离开关Sdcl与第二送端换流站(2)及受端换流站(3)连接，第二送端换流站(2)通过直流隔离开关Sdc2与第一送端换流站(I)及受端换流站(3)连接，受端换流站(3)通过直流隔离开关Sdc3与第一送端换流站(I)及第二送端换流站(2)连接。
2.根据权利要求1所述的多端柔性直流输电系统，其特征在于上述第一送端换流站(I)还连接有交流旁路开关Sbl，第二送端换流站(2)还连接有交流旁路开关Sb2，受端换流站(3 )还连接有交流旁路开关Sb3。
3.根据权利要求2所述的多端柔性直流输电系统，其特征在于上述交流旁路开关Sbl中设置有送端限流电阻Rxl，交流旁路开关Sb2中设置有送端限流电阻Rx2，交流旁路开关Sb3中设置有受端限流电阻Rx3。
4.根据权利要求2所述的多端柔性直流输电系统，其特征在于上述第一送端换流站(I)还连接有交流断路器Sacl，第二送端换流站(2)还连接有交流断路器Sac2，受端换流站(3)还连接有交流断路器Sac3。
5.根据权利要求1至4任一项所述的多端柔性直流输电系统，其特征在于上述第一送端换流站(I)、第二送端换流站(2)及受端换流站(3)所用的换流器均是MMC换流器。
6.根据权利要求5所述的多端柔性直流输电系统，其特征在于上述MMC换流器的每个桥臂由#个功率模块SM级联构成，上下桥臂间分别串联一个电抗器Zs，同相上下两个桥臂构成一个相单元。
7.根据权利要求6所述的多端柔性直流输电系统，其特征在于上述功率模块SM包括有功率管兄和S2，二极管仏和久，电阻TP1和弋，功率模块电容G，快速旁路开关&，晶闸管4，其中仏和久为相应的反并联二极管，功率管兄和串联后与功率模块电容G并联，快速旁路开关A和晶闸管A与功率管S2并联。
8.一种多端柔性直流输电系统的启动方法，其特征在于包括如下步骤 1)系统中所有开关处于断开状态，第一送端换流站(I)、第二送端换流站(2)、受端换流站(3)均闭锁； 2)开始启动，合上直流隔离开关Sdcl、Sdc2和Sdc3； 3)合上受端换流站(3)的交流断路器Sac3，从受端换流站(3)的交流侧给第一送端换流站(I)、第二送端换流站(2 )及受端换流站(3 )的功率模块电容G充电； 4)受端换流站(3)的桥臂电压达到受端换流站(3)的交流侧线电压峰值，第一送端换流站(I)及第二送端换流站(2)的桥臂电压达到受端换流站(3)的交流侧线电压峰值的1/2时，合上受端换流站(3)的交流旁路开关Sb3，受端限流电阻Rx3退出； 5)分别合上第一送端换流站(I)及第二送端换流站(2)的交流断路器Sacl、Sac2，继续给第一送端换流站(I)及第二送端换流站(2)的功率模块电容G充电，当第一送端换流站(I)及第二送端换流站(2)的桥臂电压同样达到对应交流侧线电压峰值，合上旁路开关Sbl、Sb2，第一送端换流站(I)及第二送端换流站(2)的送端限流电阻Rxl、Rx2退出；直流隔尚开关Sdc3 ；6)受端换流站(3)采用直流电压控制方式解锁，设定直流电压控制初值，即为不控整流后电压值； 7)第一送端换流站(I)、第二送端换流站(2)设置有功、无功类参考值为O，解锁； 8)受端换流站(3)直流电压控制启用斜率控制，使直流电压控制初值从不控整流后电压值缓慢上升到额定值； 9)系统启动完成。
9.根据权利要求8所述的多端柔性直流输电系统的启动方法，其特征在于上述步骤6)中直流电压控制初值为O. 735pu。
全文摘要
本发明是一种多端柔性直流输电系统及其启动方法。包括两个送端换流站及一个受端换流站，风电场接入两个送端换流站，两个送端换流站将电能转换成直流后通过直流线路传输到受端换流站，受端换流站逆变成交流后再接入大电网，两个送端换流站中的第一送端换流站通过直流隔离开关Sdc1与第二送端换流站及受端换流站连接，第二送端换流站通过直流隔离开关Sdc2与第一送端换流站及受端换流站连接，受端换流站通过直流隔离开关Sdc3与第一送端换流站及第二送端换流站连接。本发明启动过程平稳，安全可靠性高，适用范围广，用于采用模块化多电平拓扑结构的多端柔性直流输电工程,实现在多端换流站解锁的瞬间减小交直流侧的冲击电流，平稳建立直流电压到额定值。
文档编号H02M1/36GK103066614SQ20121058861
公开日2013年4月24日 申请日期2012年12月31日 优先权日2012年12月31日
发明者朱喆, 陈俊, 饶宏, 黎小林, 许树楷 申请人:南方电网科学研究院有限责任公司