用于电网黑启动的MMC_HVDC系统换流站启动策略_李探

2018-12-09 23:49

第37卷 第9期2013年5月10日Vol.37 No.9

Ma10,2013y 

:/DOI10.7500AEPS201209099

用于电网黑启动的MMCVDC系统换流站启动策略-H

李 探1,赵成勇1,王朝亮1,庞 辉2,李泓志2,胡 静1

()1.新能源电力系统国家重点实验室,华北电力大学,北京市102206;2.国网智能电网研究院,北京市102200

摘要:详细分析了模块化多电平换流器(的典型两阶段启动过程,提出了一种限流电阻的近MMC)

似计算方法。重点研究了当基于MMC的高压直流输电(系统用于电网黑启动时停MMC-HVDC)

针对两端系统和多端系统,分别提出了相应的启动策略,所提出的策略电端换流站的黑启动策略,

能保证换流站黑启动的安全、可靠实现,并保证多端系统中剩余端运行不受影响。最后通过

/仿真结果验证了所提换流站黑启动策略的有效性。PSCADEMTDC构建仿真模型,关键词:模块化多电平换流器;黑启动;两端系统;多端系统;高压直流(输电HVDC)

0 引言

模块化多电平换流器(modularmultilevel ,MMC)是新型电压源换流器拓扑结converter

1]

,构[具有无需大量绝缘栅双极型晶体管(串IGBT)联、器件承受电压变化率低、输出波形谐波含量较低等优点。因此,基于MMC的高压直流输电(MMC-系统也是近年来直流输电领域的研究热点。HVDC)]文献[重点研究了MMC-HV19DC系统的运行原-理、控制与调制策略、电容均压与环流抑制等重点问题。

近年来,采用基于电压源换流器的高压直流输电(系统作为黑启动电源实现电网黑VSC-HVDC)

10]

,启动的研究受到广泛关注[并已经在TrollA钻 

井平台和美国E但国alePass工程中得到了应用, g内外有关柔性直流输电在黑启动中应用的文献并不

所要多见。MMC-HVDC系统用于电网黑启动时,

研究的首要问题是换流站的启动,包括换流站子模块电容的预充电和其他设备的启动等问题。MMC-HVDC系统换流站启动控制的目的是使换流器的直流电压快速上升到正常工作时的水

而不产生严重的过电压和过电流现象。换流站平,

启动的实质是MMC子模块内电容的预充电策略。

相较于两电平拓MMC的电容分散于各子模块中,

扑,其电容充电动态过程较为复杂。一般来说,

目MMC电容的充电方式可分为自励和他励2种,

前工程上大部分采用自励充电的方式。对于有源网

;修回日期:。收稿日期:2012091120121217----国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目

();;国家自然科学基金资助项目(2013AA05010551177042))。国家科技支撑计划重大项目(2010BAA01B01

络,MMC采用的自励充电方式与两电平VSC-都采用“不控整流—定直流HVDC系统原理相同,

的两阶段启动模式。电压控制”

当MMC用于电网黑启动时,停电端可等效为无源网络,此时需要借助有源端实现换流站的启动。对于两端网络,一端大停电则两端换流站同时退出

黑启动停电端换流站时,两端换流站同时启运行,动;对于多端网络,一端大停电退出运行后,其他端

此时黑启动停电端换流站时,直可继续稳态运行,

流母线电压已运行于额定值,此时的黑启动策略与

设计了一种两电平V两端系统不同。文献[11]SC-但不能直HVDC系统供电无源网络时的启动策略,

文献[详细介接应用于MMC-HVDC系统;1213]-绍了MMC的两阶段启动模式及其原理,但并未深入研究无源侧的启动问题和黑启动问题;文献[14]提出一种无源系统供电的MMC预充电控制策略,但未对多端系统的换流站黑启动策略进行详细研究。

本文重点分析了有源侧换流站的典型两阶段启动过程,提出了一种限流电阻的近似计算公式。重点研究了当MMC-HVDC系统用于电网黑启动时

针对两端系统和多端系停电端换流站的启动策略,

统,分别提出了相应的启动方案。最后仿真结果表

所提出的方案能安全可靠地实现换流站黑启动。明,

1 MMC的工作原理

单端MMC的拓扑结构如图1所示。MMC由

每个桥臂由若干个子模块和桥臂电6个桥臂组成,

抗器串联构成,上、下桥臂构成一个相单元。图中:UdUSM为子模块的输出电压;ic为直流电压;arm为桥臂电流;UC为子模块电容电压。

—117—

()2013,379

 

图1 MMC拓扑结构Fi.1 ToolostructureofMMC  gpgy 

子模块的运行状态如表1所示。稳态运行时为

模式1至4,故障时闭锁,启动时不可控整流为模式每个相单元总的导通模块个数恒5,6。稳态运行时,定,通过对上、下桥臂中处于投入状态的子模块数进行分配来实现换流器交流侧输出多电平波形。

表1 MMC子模块的工作状态

Table1 OeratinstatusofMMCsub-module    pg 

模式123456

T1导通导通关断关断关断关断

T2 关断关断导通导通关断关断

图2 ab相间充电回路示意图

haseFi.2 Sketchofcharecircuitbetweenaandb        pgg

iarm

>0<0>0<0>0<0

USMUCUC

00

状态投入投入切除切除闭锁闭锁

UC

2 有源侧MMC的两阶段启动策略

典型的有源侧MMC两阶段启动过程分为不可

控启动阶段和可控启动阶段。

)不可控启动阶段1

换流站子模块从交流系统在不可控启动阶段,

取能给电容充电。此时全站闭锁,即MMC各子模块工作在模式5,6。由于MMC拓扑结构具有严格的对称性,因此每相的输出端交流电流在上、下桥臂

因此均分为2个部分。单端启动时直流电流为0,

每相上、下桥臂电流大小相等、方向相反。当桥臂电流i图1中标出的方向为正方向)时,桥臂电0(arm>

流将流过二极管D电容充电,此时子模块1和电容,工作状态为模式5;当桥臂电流i桥臂电流0时,arm<流过二极管D电容不会充电,此时子模块工作状2,态为模式6。

以a其充电电路b相间充电回路为例进行说明,如图2所示。图中:ucsum为任一时刻单个桥臂电容电压之和。—118—

线电压ua相ab通过a相上桥臂和b相上桥臂、

下桥臂和b相下桥臂形成2个回路。由于三相对称

可近似认为任意时刻6个桥臂的电容电压充电,uuua相下桥臂和b相上桥臂csum相等。ab>csum时,的子模块电容将被充电;uua相上桥臂和ab<csum时,b相下桥臂的子模块电容将被充电。

在不可控启动阶段,由于充电回路阻尼较小,需在换流站出口侧串入限流电阻,限流电阻的取值原则是令系统电流和桥臂电流均不能过流。交流电流和桥臂电流的最大值出现在开始充电的一个周期内,而此时子模块电容充电量很小,近似计算时可忽

若系统强度足够大,则此时的等效电略电容的压降,

路如图3所示。图中:LR0为桥臂电抗;lim为限流电阻;L为连接电抗。

图3 开始充电忽略电容电压降后的系统等效电路

Fi.3 Sstemeuivalentcircuitatthebeinninof     gyqgg 

charinnelectincaacitorvoltaedro  ggggpgp  

桥臂电流的峰值及视在功率需满足:烄Iarmeak=p 烅S=烆2Us槡122

2R 3 ω L+L0lim+

槡[2 

()]2

I≤arm_max

U2s

槡1R+ωL+L0

2lim

()2

≤SN

()1

·研制与开发· 李 探,等 用于电网黑启动的MMC-HVDC系统换流站启动策略

式中:Us为额定线电压;Iarm_max为桥臂电流允许的

最大值;SN为系统额定容量。

)由式(求得R1lim为:ax  Rlim≥m

无源端上、下桥臂电流大小相等、方向相  此时,

同,因此2个桥臂电容同时充电。若无源侧换流站

则最终的启动结果是使子模块充闭锁全部子模块,

无法完成换流站的启动。电到额定电压值的一半,

为此,本文提出的换流站启动步骤如下。

由基尔霍夫定律可知,不可控启动阶段的充电的最大值是使每个桥臂子模块电容之和上升至交流

下桥臂子模块始终交母线线电压的峰值。由于上、

因此充电的最大值为:替输出正电平和零电平,

()_UdUs_3cuncontrolled=eakp

式中:_Us_Udeak为交流系统线电压的峰值;cuncontrolled为p

不可控启动阶段直流电压最大值。

)可控充电阶段2

在可控充电阶段,限流电阻被旁路,换流站解

[,]

投入定直流电压控制18。直流电压将升至额锁,定值,子模块电容电压也将被充电到额定值。由于直流电压的突变会对电缆的绝缘造成较大危害,因此在可控充电阶段引入斜率控制,使直流电压沿特定斜率直线缓慢上升至参考电压。斜率应根据交流电流和桥臂电流的限制选取,斜率越大,交流电流和桥臂电流越大。

无功量的控制采用定无功功率控制并将参考值设为0,可降低可控启动阶段的交流电流及桥臂电流的大小。由于此时电容按照斜率控制的特定曲线缓慢充电,即交流系统向换流站传送的有功功率Pc一定时,定无功功率Qc为0,即降低了视在功率Sc,从而尽可能降低电流大小。

(U1-ωL+L(2))S槡4

s2N

2 

20

(槡U21s2

-ω L+L02

26Iarm_max

),

()2

步骤1:启动有源侧换流站的同时闭合直流线

路隔离刀闸,同时向无源侧换流站充电。步骤2:在电容充电过程中,时刻监测无源侧各相上、下桥臂子模块电容电压值,将每相2个桥臂2N个子模块电容电压以给定轮换周期T进行排 序,选出电容电压最小的N个子模块闭锁,其余子模块触发T的取能采用2。若子模块控制器(SMC)自取能方式,则可全站闭锁充电至SMC达到其工作电压后再进行排序触发。

步骤3:无源侧子模块电容电压与有源侧同步

预充电过程结束,此时闭锁换逐渐上升至额定值后,

流站;短暂闭锁换流站是为了避免控制模式直接切

换时造成的暂态冲击。

步骤4:解锁换流站,投入定交流电压控制器,此时采用“软启动”联结变压器与空载线路的方法,定交流电压控制器采用斜率控制使交流电压从0逐渐上升至额定值,以避免空充变压器和空载线路时造成的励磁涌流和过电压等问题。换流站启动结束。

3.2 多端系统换流站黑启动策略

在多端柔性直流输电工程中,若一端由于事故

及时切断故障端可实现剩余其他端正发生大停电,

需用常运行。而通过MMC实现故障端黑启动时,

稳态运行的有源端启动停电端换流站,此时直流母线电压已经建立起来,直流电压为额定值,可假定停电端换流站的启动可等效为图5所Udc恒定不变,

示的等效电路。其充电电能来自定直流电压端。

3 MMC换流站黑启动策略

3.1 两端系统换流站黑启动策略

对于两端MMC-HV一端由于故障发DC系统,生大停电后,另一端换流站也将停运,这种情况下,停电端无交流电源对子模块电容充电,因此需要有源端交流电源同时向两端换流站充电,其黑启动策略同样适用于供电无源网络时的换流站启动。此时的充电等效电路如图4所示。

图5 多端系统中黑启动停电端换流站时的等效电路Fi.5 Euivalentcircuitwhenbackstartinblackout   -gqg 

converterstationinmultiterminalsstem   - y

图4 两端系统中黑启动换流站时的等效电路

Fi.4 Euivalentcircuitwhenblackstartin   -gqg

stationintwoterminalsstemconverter   - y

采用3忽略桥臂.1节所提出的触发控制方案,

若直接合闸充电,此时每相都相当于一个直电抗器,

/流电压源并联在容值CCN(Ce00为单个子模块q=

—119—

()2013,379

 

电容值,若不考虑冗余,下桥臂子模块N为每相上、、个数)电阻值为Rerrrd+Nt(d为单个二极管q=N的R启内阻,rGBT通态电阻)C串联电路上,t为I动过程可等效为一阶电路的零状态响应。则停电端MMC等效电容充电电压ucearm的值q和桥臂电流i为:

-τue1-ec(q=Ud)烄c

()4duUdcec-tq烅ieτ=arm=Ceq

dtReq烆()C5τ=Reeqq

由于电力电子器件的通态电阻很小,若直接连接会使时间常数τ很小,导致i进而损坏桥arm很大,

臂中的电力电子器件及电容。必须采取一定的措施实现电容的缓慢充电,避免过大的桥臂电流。本文提出的充电策略是在直流母线上无源端正、负极均

如图5所示。串联一个黑启动电阻Rx,

t4 仿真研究

/本文基于PSCADEMTDC搭建了两端21电平MMC-HVDC系统和并联树枝式三端21电平

其中停电端可等效为无源系MMC-HVDC系统,

其系统结构如图6所示。统,

此时整个无源端换流站充电电路可等效为

/桥臂电流Re2Rx,CCN的RC串联电路,e0q=q=3

可计算得:

NtUdc-

()e6C0Rx6

6Rx

)根据式(及桥臂电流要求,选取合适的黑启动6

电阻Rx,其取值需满足:

图6 仿真模型系统结构

Fi.6 Structureofsimulationmodel   g

()图6中,aMMC1启动时采用第2节介绍的有

源侧启动策略,采用3MMC2为停电端,.1节提出()中,的启动策略。图6bMMC1采用定直流电压控制,MMC3采用定有功功率控制,MMC2为停电端,黑启动MMC2换流站时,MMC1和MMC3稳态运行。仿真系统部分主要参数见附录A表A1。

图7为两端系统黑启动换流站时的仿真波形。

iarm=

Udc

()Rx≥7

6Iarm_max

预充电过程中消耗在黑启动电阻上的电能WRx

可计算得: WRx=

)由式(可知,增加黑启动电阻Rx的值不会增8

加电阻上的额外电能损耗。

显然,在多端系统的每一端出口侧的正负极均

其他端串联Rx可保证对任何一端进行黑启动时,均可保持稳态运行,保证了供电的可靠性。因此,多端MMC-HVDC系统用于电网黑启动时停电端换

流站的启动步骤如下。

步骤1:断开Rx上并联的旁路开关,闭合直流母线上的隔离刀闸。步骤2:采用3.1节提出的触发方案控制触发停电端换流站。步骤3:停电端换流站充电至额定值后,合上开关将Rx短路。步骤4:启动步骤与两端系统中黑启动步骤3和步骤4相同。—120—

图7 两端系统中黑启动换流站时的仿真波形

Fi.7 Simulationwaveformswhenblackstartin   -gg

converterstationintwoterminalsstem   - y

U3CUe2Rdt=

)2 2RN∫(0

)itRdt=R(∞

dc

t-N6C0Rx

dc

()8

·研制与开发· 李 探,等 用于电网黑启动的MMC-HVDC系统换流站启动策略

_uu  图7中:dcm为直流母线电压;cactive为有源端

子模块电容电压;_ucassive为停电端子模块电容电压;p

通过典型urms为停电端交流电压。从仿真结果可知,

有源端子模块电容充电至额定值,直流两阶段启动,

电压也缓慢上升至额定值,同时采用本文提出的控

停电端换流站子模块电容与有源端电制触发策略,

容同步充电至额定值。切换至定交流电压控制后,交流电压通过“软启动”缓慢上升至额定值,完成换流站的黑启动。

图8为三端模型中每端换流站的出口均串联电

阻Rx时的仿真波形。图中:updcm为直流母线电压;

为MMC_3传输的有功功率;ucassive为停电端子模块p

直流电容电压;iarm为桥臂电流。从仿真结果可知,

电压和非故障端的功率传输在黑启动过程中始终稳定在额定值,即正常运行状态,采用本文提出的启动策略可使停电侧电容电压充电至额定值。通过串联

串联Rx后Rx与直接合闸这2种情况的对比可知,

能够减小电容的充电速度,降低直流线路的冲击电流。Rx大小应根据系统对过流的要求来设定。

所提出的方案同样适用于供换流站的策略和步骤,

电无源网络的启动策略;提出了多端系统中黑启动停电端换流站的策略和步骤,通过在每端出口侧串

实现停电端电容的缓慢充电并避免联黑启动电阻,

桥臂过电流。

//附录见本刊网络版(httaes.seri.scc.p:pgpg

///)。aeschindex.asxcom.cnpp

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[]ofanew multilevelVSCmodularJ.ProceedinsoftheCSEE,       g

图8 三端系统出口侧均串联电阻Rx时的黑启动波形

Fi.8 SimulationwaveformsofblackstartwhenRs      xig

inseriesateverterminalconnected    y 

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//PC]roceedinsfEEEransmissionndfacilit o I T agy[

,ADistributionConferenceandExositionril2124,2008,    -pp

5 结语

本文研究了MMC-HVDC系统用于电网黑启

动时的换流站启动策略,提出了一种典型有源端启

重点研究了大停电动中限流电阻的近似计算公式,

后两端系统和多端系统换流站的黑启动方案,具有实际的工程意义。

本文详细分析了典型两阶段启动过程,提出了限流电阻的近似计算方法;提出了两端系统黑启动

—121—

()2013,379

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:方向:高压直流输电与柔性直流输电技术。E-maillitanb7101@126.com

,赵成勇(男,博士,教授,博士生导师,主要研究1964—)

直流输电、电能质量分析与控制。方向:

,王朝亮(男,硕士研究生,主要研究方向:柔性1986—)直流输电技术。

编辑 孔丽蓓)(StartuSchemesforConverterStationofMMCVDCSstemAliedinGridBlackStart     -H      pypp 

111221

,,,LI TanZHAO ChenonWANG ChaolianPANG HuiLI HonzhiHU Jingyg,g,gg(1.StateKeLaboratorofAlternateElectricalPowerSstem withRenewableEnerSources,       yyygy   

,NorthChinaElectricPowerUniversitBeiin102206,China;    yjg ,)2.StateGridSmartGridResearchInstituteBeiin102200,China     jg 

,Abstract:Aticaltwostaestarturocessofmodularmultilevelconverter(MMC)isanalzedindetailandthearoximate  -          ypgpyppp methodofthelimitinresistanceisstudiesareontheblackstartschemeoftheblackoutcalculationroosed.Detailediven            -    gppg 

ridterminalconverterwhenMMCbasedhihvoltaedirectcurrent(HVDC)transmissionsstemisusedinblackstart.The     - -       gggystartuschemesforthetwoterminalsstemandmultiterminalsstemareroosed.Theroosedschemescancorresondin-   -   -      pppppyypg  uaranteethesecureandreliablerealizationoftheconverterblackstartwithoutinfluencintheoerationofotherterminals.                ggp 

,roosedFinallsimulationmodelsareestablishedinPSCAD/EMTDC,thesimulationresultsvalidatetheefficiencofthe            ppyy blackstartschemesfortheconverteroftheblackoutterminal.         

ThisworkissuortedbNationalHihTechnoloResearchandDevelomentProramofChina(863Proram)           ppyggypgg  

,N,(No.2013AA050105)ationalNaturalScienceFoundationofChina(No.51177042)andNationalKeTechnoloiesR&D        yg 

Proram(No.2010BAA01B01).g;;bKewords:modularmultilevelconverter(MMC)lackstarttwoterminalsstem;multiterminalsstem;hihvoltae   - - -yyggy directcurrent(HVDCtransmission-櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧()上接第33页 continuedfromae33   pg

ANetworkPartitionMethodforPowerSstemReactivePowerControlBasedonPowerFlowTracin              yg

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,,GONG YiuWU HaoYANG Kenany,,H(1.ColleeofElectricalEnineerinZheianUniversitanzhou310027,China;    gggjgyg 

,)2.BeiinElectricPowerComanBeiin100031,China  jgpyjg  

owerartitionowerroosed.ThrouhAbstract:Anetworkmethodbasedonflowtracinandalomerativealorithmis             pppppggggg 

,owerowerflowtracinthemethodcanbeusedtoidentifthereactivefromeachsourcetoeachloadandhencereactive                   pgyp ,uantifowerthedereeofreactivecoulinbetweendifferentnodesandthedistancebetweennodescanbethusdefined.               qygppg  

Alomerativealorithmisthenusedtoareatenodesandthebestnumberofcanbeidentified.Themethodisartition                  ggggggpthrouhcasestudiesusintheIEEE39busandIEEE118bussstem.Theobtainedartitioncanensureabasicallvalidated      -   -       ggypy balancedreactiveowerwithineachareaandchaneassstemoerationconditionchanes.Themethodhashihcomutational                pgypggpotentialracticalefficiencandhencehastheofalication.       ppypp 

workissuortedbNationalNaturalScienceFoundationofChina(No.50707029).This         ppy 

;Kewords:networkartitionforreactiveowercontrol;owerflowtracinalomerativealorithm;reactiveowervoltae          pppggggpgy control

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