一种混合型直流输电系统的停运控制方法.pdf

1、10申请公布号CN104201709A43申请公布日20141210CN104201709A21申请号201410404154722申请日20140815H02J3/3620060171申请人浙江大学地址310027浙江省杭州市西湖区浙大路38号72发明人徐政许烽张哲任74专利代理机构杭州天勤知识产权代理有限公司33224代理人胡红娟54发明名称一种混合型直流输电系统的停运控制方法57摘要本发明公开了一种混合型直流输电系统的停运控制方法，包括1将直流电流降低至设定值；2将换流变压器的分接头逐步调节至最大变比位置；3将逆变换流站与受端交流电网之间的无功功率调节至0并降低直流电压；4将直流电流从设

2、定值逐渐减小至0，进而将晶闸管换流器的触发角增大至120；5对晶闸管换流器和MMC进行闭锁，依次断开直流隔离开关、交流断路器和三相旁路开关；6将MMC中各子模块的电容电压快速泄放至UCS后再自行卸放至0。本发明能够保证停运过程平稳、快速，避免过电压或过电流的发生，此外在MMC电容放电环节通过再利用启动限流电阻的方式，省去了额外的断路器和放电电阻，节省了投资成本。51INTCL权利要求书2页说明书7页附图6页19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书2页说明书7页附图6页10申请公布号CN104201709ACN104201709A1/2页21一种混合型直流输电系统的停运控制方法

3、，所述的混合型直流输电系统包括通过直流输电线路连接的整流换流站和逆变换流站，整流换流站采用晶闸管换流器，逆变换流站采用MMC；所述的MMC每个桥臂均由多个子模块级联构成并串接有桥臂电抗器，多个子模块包括N个HBSM和M个FBSM，子模块的驱动电路板由子模块的电容电压供电，N和M均为大于0的自然数；所述的晶闸管换流器采用定直流电流控制，其交流侧依次通过换流变压器T1和交流断路器SAC1与送端交流电网连接，直流侧正极通过直流隔离开关SDC1与直流输电线路的一端相连，直流侧负极接地；所述的MMC采用定无功功率和定直流电压控制，其交流侧依次通过限流装置、换流变压器T2和交流断路器SAC2与受端交流电网

4、连接，直流侧正极通过直流隔离开关SDC2与直流输电线路的另一端相连，直流侧负极接地；所述的限流装置包括三相限流电阻以及分别与三相限流电阻并联的三相旁路开关；所述的停运控制方法，包括如下步骤1开始停运后，先将直流输电线路的直流电流降低至设定值IDCZ；2将换流变压器T2的分接头逐步调节至最大变比位置；3将逆变换流站与受端交流电网之间的无功功率调节至0，并降低直流输电线路的直流电压；4通过调节晶闸管换流器的定直流电流控制器，将所述的直流电流从设定值IDCZ逐渐减小至0，进而将晶闸管换流器的触发角增大至120；5对晶闸管换流器和MMC进行闭锁，然后先断开直流隔离开关SDC1和SDC2，再断开交流断路

5、器SAC1和SAC2，最后断开三相旁路开关；6将MMC中各子模块的电容电压泄放至UCS，UCS为子模块驱动电路板启动时对应的子模块电容电压；之后，各子模块的电容电压将自行泄放，从UCS降低至0，停运过程结束。2根据权利要求1所述的停运控制方法，其特征在于所述的步骤1中将直流电流降低至设定值IDCZ的方法为通过调节晶闸管换流器的定直流电流控制器，将直流电流从额定值IDCO逐渐减小至设定值IDCZ，IDCZ和IDCO满足如下关系式IDCZIDCO其中，为电流比例系数。3根据权利要求1所述的停运控制方法，其特征在于所述的步骤3的具体实现方法为首先，将MMC的定无功功率控制器的无功功率指令值调整为0，

6、使MMC与受端交流电网之间不发生无功交换；然后，将MMC的定直流电压控制器的直流电压指令值从额定值逐渐减小至设定值UDCZ，UDCZ满足如下关系式其中，UAC2为换流变压器T2副边的额定线电压有效值，MAX为换流变压器T2的最大变比。4根据权利要求1所述的停运控制方法，其特征在于所述的步骤6中将MMC各子模块的电容电压泄放至UCS的具体实现方法如下权利要求书CN104201709A2/2页361将MMC所有上桥臂的子模块从闭锁状态切换至旁通状态；62对于任一相上桥臂，对该上桥臂的所有子模块进行分组；对于该上桥臂的任一组子模块，将该组子模块从旁通状态切换为投入状态，组内的子模块电容将通过三相限流

7、电阻耗能，从而降低其电容电压，待子模块电容电压减小至UCS时，将子模块从投入状态切换为旁通状态，逐次遍历该上桥臂的各组子模块；63根据步骤62逐次遍历各相上桥臂，待所有上桥臂的子模块电容电压均减小至UCS后，将所有上桥臂的子模块从旁通状态切换至闭锁状态；64将MMC所有下桥臂的子模块从闭锁状态切换至旁通状态，并根据步骤6263进行同样操作。5根据权利要求4所述的停运控制方法，其特征在于所述的步骤62中对上桥臂所有子模块进行分组的方法为将上桥臂所有子模块分成若干组，除最后一组外其余各组中的子模块个数均为K，且K满足如下关系式其中，FLOOR为小于中变量的最大正整数，UDCZ满足如下关系式UAC2

8、为换流变压器T2副边的额定线电压有效值，MAX为换流变压器T2的最大变比。权利要求书CN104201709A1/7页4一种混合型直流输电系统的停运控制方法技术领域0001本发明属于直流输电系统控制技术领域，具体涉及一种混合型直流输电系统的停运控制方法。背景技术0002整流站采用LCC电网换相换流器，逆变站采用由HBSM半桥子模块和FBSM全桥子模块混合级联构成的混杂式MMC模块化多电平换流器的LCCMMC混合型直流输电系统，整合了LCC和MMC两者的优势，不仅降低了系统造价和运行损耗，能够实现对无源孤岛供电，还有效避免了逆变站换相失败风险，拥有直流故障自清除能力，十分契合我国远距离大容量架空线

9、路输电要求。0003停运是任何一种直流输电技术都需要面临的关键性问题，停运过程要尽量避免出现不必要的过电压或过电流现象。赵婉君在专著高压直流输电工程技术中指出了LCCHVDC基于LCC的高压直流输电系统具体的停运时序和控制方式；周月宾等人在标题为模块化多电平换流器型直流输电系统的启停控制电网技术，2012，363204209的文献中提出了MMCHVDC基于MMC的高压直流输电系统的停运控制方法，需要在直流侧添加额外的断路器和放电电阻，实现电容快速放电。0004LCCMMC混合型直流输电系统是LCC和MMC两者的有机结合，因而在停运控制方面需要综合两者的特性。目前国内外的研究，关于LCCMMC混

10、合型直流输电系统的停运控制鲜有详细的分析；有人提出引入额外断路器和放电电阻的停运方法，但这种方法将引起额外的设备资本投入，不经济。发明内容0005针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种混合型直流输电系统的停运控制方法，能够保证停运过程平稳、可靠、快速，避免过电压或过电流的发生；此外，本发明在MMC电容放电环节通过再利用启动限流电阻的方式，省去了额外的断路器和放电电阻，节省了投资成本。0006一种混合型直流输电系统的停运控制方法，所述的混合型直流输电系统包括通过直流输电线路连接的整流换流站和逆变换流站，整流换流站采用晶闸管换流器，逆变换流站采用MMC；所述的MMC每个桥臂均由多个子模

11、块级联构成并串接有桥臂电抗器，多个子模块包括N个HBSM和M个FBSM，子模块的驱动电路板由子模块的电容电压供电，N和M均为大于0的自然数；0007所述的晶闸管换流器采用定直流电流控制，其交流侧依次通过换流变压器T1和交流断路器SAC1与送端交流电网连接，直流侧正极通过直流隔离开关SDC1与直流输电线路的一端相连，直流侧负极接地；0008所述的MMC采用定无功功率和定直流电压控制，其交流侧依次通过限流装置、换流变压器T2和交流断路器SAC2与受端交流电网连接，直流侧正极通过直流隔离开关SDC2与说明书CN104201709A2/7页5直流输电线路的另一端相连，直流侧负极接地；0009所述的限流

12、装置包括三相限流电阻以及分别与三相限流电阻并联的三相旁路开关。0010所述的停运控制方法，包括如下步骤00111开始停运后，先将直流输电线路的直流电流降低至设定值IDCZ；00122将换流变压器T2的分接头逐步调节至最大变比位置；00133将逆变换流站与受端交流电网之间的无功功率调节至0，并降低直流输电线路的直流电压；00144通过调节晶闸管换流器的定直流电流控制器，将所述的直流电流从设定值IDCZ逐渐减小至0，进而将晶闸管换流器的触发角增大至120；00155对晶闸管换流器和MMC进行闭锁，然后先断开直流隔离开关SDC1和SDC2，再断开交流断路器SAC1和SAC2，最后断开三相旁路开关；0

13、0166将MMC中各子模块的电容电压泄放至UCS，UCS为子模块驱动电路板启动时对应的子模块电容电压；之后，各子模块的电容电压将自行泄放，从UCS降低至0，停运过程结束。0017所述的步骤1中将直流电流降低至设定值IDCZ的方法为通过调节晶闸管换流器的定直流电流控制器，将直流电流从额定值IDCO逐渐减小至设定值IDCZ，IDCZ和IDCO满足如下关系式0018IDCZIDCO0019其中，为电流比例系数。0020所述的步骤3的具体实现方法为首先，将MMC的定无功功率控制器的无功功率指令值调整为0，使MMC与受端交流电网之间不发生无功交换；然后，将MMC的定直流电压控制器的直流电压指令值从额定值

14、逐渐减小至设定值UDCZ，UDCZ满足如下关系式00210022其中，UAC2为换流变压器T2副边的额定线电压有效值，MAX为换流变压器T2的最大变比。0023所述的步骤6中将MMC各子模块的电容电压泄放至UCS的具体实现方法如下002461将MMC所有上桥臂的子模块从闭锁状态切换至旁通状态；002562对于任一相上桥臂，对该上桥臂的所有子模块进行分组；对于该上桥臂的任一组子模块，将该组子模块从旁通状态切换为投入状态，组内的子模块电容将通过三相限流电阻耗能，从而降低其电容电压，待子模块电容电压减小至UCS时，将子模块从投入状态切换为旁通状态，逐次遍历该上桥臂的各组子模块；002663根据步骤6

15、2逐次遍历各相上桥臂，待所有上桥臂的子模块电容电压均减小至UCS后，将所有上桥臂的子模块从旁通状态切换至闭锁状态；002764将MMC所有下桥臂的子模块从闭锁状态切换至旁通状态，并根据步骤6263进行同样操作。0028所述的步骤62中对上桥臂所有子模块进行分组的方法为将上桥臂所有子模块分成若干组，除最后一组外其余各组中的子模块个数均为K，且K满足如下关系式说明书CN104201709A3/7页600290030其中，FLOOR为小于中变量的最大正整数。0031所述的步骤6中各子模块的电容电压将通过与其并联的大电阻自行泄放，由于电阻值较大，故放电过程将持续较长的时间。0032本发明的有益技术效果

16、如下00331本发明的停运控制方法能够平稳、可靠、快速地实现系统停运，能够有效防止过电压过电流等不利现象的出现。00342本发明通过变压器分接头的调节，能够较大程度地降低直流电压，将存储在直流系统中的能量较大程度地馈入交流电网。00353本发明通过启动限流电阻的再投入使用，省去了额外的断路器和放电电阻，大大节省了投资成本。附图说明0036图1为混合型直流输电系统的结构示意图。0037图2为十二脉动桥式晶闸管换流器结构示意图。0038图3为混杂式MMC的结构示意图。0039图4为本发明停运控制方法的步骤流程示意图。0040图5A为正向电流流向下全桥子模块桥臂闭锁状态时的等效电路图。0041图5B

17、为反向电流流向下全桥子模块桥臂闭锁状态时的等效电路图。0042图5C为正向电流流向下半桥子模块桥臂闭锁状态时的等效电路图。0043图5D为反向电流流向下半桥子模块桥臂闭锁状态时的等效电路图。0044图5E为MMC电容快速放电阶段的等效电路图。0045图6A为本发明停运控制方法下系统直流电压的响应曲线图。0046图6B为本发明停运控制方法下系统直流电流的响应曲线图。0047图6C为本发明停运控制方法下整流换流站触发角的响应曲线图。0048图6D为本发明停运控制方法下逆变侧换流变压器阀侧交流电压有效值的响应曲线图。0049图6E为本发明停运控制方法下整流侧交流电流瞬时值的响应曲线图。0050图6F

18、为本发明停运控制方法下逆变侧交流电流瞬时值的响应曲线图。0051图7A为本发明停运控制方法下混杂式MMC内A相上桥臂电容电压的响应曲线图。0052图7B为本发明停运控制方法下混杂式MMC内B相上桥臂电容电压的响应曲线图。0053图7C为本发明停运控制方法下混杂式MMC内C相上桥臂电容电压的响应曲线图。0054图7D为本发明停运控制方法下混杂式MMC内A相下桥臂电容电压的响应曲线图。说明书CN104201709A4/7页70055图7E为本发明停运控制方法下混杂式MMC内B相下桥臂电容电压的响应曲线图。0056图7F为本发明停运控制方法下混杂式MMC内C相下桥臂电容电压的响应曲线图。具体实施方式

19、0057为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案及其相关原理进行详细说明。0058如图1所示，混合型直流输电系统包括与送端交流电网连接的整流换流站以及与受端交流电网连接的逆变换流站，整流换流站经直流隔离开关SDC1、直流输电线路和直流隔离开关SDC2与逆变换流站连接；整流换流站包含有交流断路器SAC1、换流变压器和换流单元，换流单元依次通过换流变压器和交流断路器SAC1与送端交流电网连接；逆变换流站包含有交流断路器SAC2、换流变压器、限流装置和换流单元，换流单元依次通过限流装置、换流变压器和交流断路器SAC2与受端交流电网连接。0059整流换流站的换流变压器为一

20、台接线方式为Y0/Y/的三绕组变压器或由两台接线方式分别为Y0/和Y0/Y的两绕组变压器构成；逆变换流站的换流变压器为一台接线方式为Y0/的两绕组变压器。换流变压器用于将交流系统提供的三相交流电进行电压等级变换；承受直流偏置电压，并起到隔离直流偏置电压进入交流电网的作用；隔离零序分量。0060限流装置包括启动限流电阻RC以及与其并行连接的交流旁路开关SR，一般在MMC启动阶段投入使用。当交流旁路开关SR闭合时，启动限流电阻RC不投入电网，限流装置不起作用；当交流旁路开关SR断开时，启动限流电阻RC将投入电网，起限流作用。0061如图2所示，整流换流站的换流单元采用十二脉动桥式晶闸管换流器，其用

21、于将送端交流电网的三相交流电转换为直流电，并通过直流输电线路将该直流电输送至逆变换流站；其每个桥臂串联多个晶闸管。0062如图3所示，逆变换流站的换流单元采用混杂式MMC，其采用三相六桥臂结构，每个桥臂均由N个半桥子模块HBSM和M个全桥子模块FBSM混合级联构成并串接有一个桥臂电抗器，N和M均为大于0的自然数。其中，UDC为直流电压，UVJJA,B,C为换流器交流出口处三相电压，UPJ和UNJ分别为J相上、下桥臂级联子模块的输出电压，IPJ和INJ分别为J相上、下桥臂电流，UC为子模块电容电压。0063半桥子模块由两个IGBT管T1T2，电容C1和电阻R1构成；其中，IGBT管T1的集电极与

22、电容C1的一端以及电阻R1的一端相连，电容C1的另一端以及电阻R1的另一端与IGBT管T2的发射极相连且为半桥子模块的低压端，IGBT管T2的集电极与IGBT管T1的发射极相连且为半桥子模块的高压端；两个IGBT管T1T2的基极均接收外部设备提供的控制信号。半桥子模块有投入、旁通、闭锁三种运行状态，分别对应于T1导通T2关断，T1关断T2导通，T1和T2都关断。0064全桥子模块由四个IGBT管G1G4，电容C2和电阻R2构成；其中，IGBT管G1的集电极与IGBT管G2的集电极和电容C2的一端以及电阻R2的一端相连，IGBT管G1的发射极与IGBT管G3的集电极相连且为全桥子模块的高压端，I

23、GBT管G3的发射极与IGBT管G4的发射极和电容C2的另一端以及电阻R2的另一端相连，IGBT管G2的发射极与IGBT管G4的说明书CN104201709A5/7页8集电极相连且为全桥子模块的低压端；四个IGBT管G1G4的基极均接收外部设备提供的控制信号。全桥子模块有正投入、负投入、旁通、闭锁四种运行状态，分别对应G1G4导通G2G3关断，G1G4关断G2G3导通，G1G2导通G3G4关断或G1G2关断G3G4导通，G1G4都关断。0065整流换流站采用定直流电流控制，逆变换流站采用定直流电压控制和定无功功率控制。稳态运行时，直流电流和直流电压分别由整流换流站和逆变换流站控制。0066如图

24、4所示，本实施方式混合型直流输电系统的停运控制方法，具体包括如下步骤00671启动停运指令后，调节十二脉动桥式晶闸管换流器的定直流电流控制器，将直流电流从额定值IDCO逐渐减小至另一值IDCZ。IDCZ和IDCO满足如下关系式0068IDCZIDCO0069其中，为电流比例系数，一般取值为01。上式的限制条件主要用于防止直流电流过小而引起电流断续现象，电流断续将会在换流变压器、平波电抗器等电感元件上产生很高的过电压。直流电流的减少为后续操作做准备，防止过电流。00702调整逆变换流站内换流变压器原边的分接头，将其调节至最大变比位置，由于分接开关至今都是机械式的，转换过程较为缓慢，对交直流系统的

25、冲击影响较小。待分接头置于最大变比位置时，此时，换流变压器阀侧的交流电压亦达到额定最小值，为后续直流电压的降落作准备。00713将混杂式MMC内定无功功率控制器的无功功率指令值调整为0，使其与交流系统之间不发生无功交换；同时调节MMC内定直流电压控制器的直流电压指令值，将其从额定值UDC0逐渐减小至UDCZ。UDC0基本满足如下关系式00720073其中，UAC2为换流变压器副边额定线电压有效值，K为电压调制比，满足K1。0074UDCZ满足如下关系式00750076其中，MAX为换流变压器最大变比。0077那么，子模块电容电压将从原先的额定值UC0降低至UCZ。007800794调节十二脉动

26、桥式晶闸管换流器的定直流电流控制器，将直流电流从IDCZ逐渐减小至0，而后将触发角增大至120，完全隔绝整流换流站和逆变换流站之间的功率传递。00805闭锁十二脉动桥式晶闸管换流器和MMC，如此，交直流系统之间将不会再有功率交换，流入换流器的交流电流变为0；而后断开直流隔离开关SDC1和SDC2，断开交流断路器SAC1和SAC2，再断开交流旁路开关SR，将启动限流电阻RC投入。00816进入子模块电容电压快速卸放阶段，具体步骤如下008261将MMC中A、B、C每相上桥臂MN个子模块从闭锁状态切换至旁通状态，MMC内说明书CN104201709A6/7页9状态变量不会发生变化。008362将每

27、相上桥臂的MN个子模块进行分组，除最后一组外，每组子模块个数均为X，最后一组的子模块个数将小于等于X。分组可以按照子模块编号从小到大来分。008463将A相上桥臂的第一组子模块从旁通状态切换为投入状态，子模块电容将通过限流电阻RC耗能，从而降低其电压。待子模块电容电压从UCZ减小至UCS时，将此子模块从投入状态切换为旁通状态，其中，UCS为子模块电路板启动电压对应的子模块电容电压，可取01KV。008564待第一组内所有子模块的电容电压减小至UCS，同时已转变为旁通状态后，依次投入第二组、第三组最后一组子模块，每组子模块的处理方式同步骤63。008665待A相上桥臂所有组别子模块的电容电压已卸

28、放至UCS后，依次对B相和C相上桥臂的子模块以步骤6364进行处理。0087当子模块进行分组放电时，图5AD给出了全桥子模块和半桥子模块闭锁状态下，不同桥臂电流下的桥臂等效电路。图5E给出了三相下桥臂闭锁，A相上桥臂和C相上桥臂旁通，B相上桥臂一组子模块投入的等效电路，从图中可以看出，回路和将启动限流电阻RC引入放电回路，回路和的流通将导致对下桥臂子模块电容充电而不利于电容能量的快速释放，因而，要阻止回路和的形成。根据电路特性，可知X需要满足如下关系式00880089其中，FLOORX表示小于变量X的最大正整数。009066待每相上桥臂子模块的电容电压均已减小至UCS后，将其从旁通状态切换至闭

29、锁状态，然后，将每相下桥臂MN个子模块从闭锁状态切换至旁通状态。同样地，通过步骤6265，实现对下桥臂子模块电容电压的快速放电。待每相下桥臂子模块的电容电压均已减小至UCS后，将其从旁通状态切换至闭锁状态。00917进入子模块电容电压自行卸放阶段。子模块通过与其并行连接的电阻R1或R2自行放电，由于电阻R1和R2的阻值较大，放电过程将持续较长的时间，待子模块电容电压降低至0时，停运过程结束。0092为了进一步验证本实施方式的有效性和可行性，在电力系统电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC中搭建了如图1所示的模型，额定直流电压200KV，额定直流电流1KA，额定功率200MW。整流换流站换流变压

30、器的变比为345KV/90KV，逆变换流站换流变压器的变比为350KV/110KV。换流变压器分接头档位为18/6，每档电压变化125。MMC中，每个桥臂含有16个全桥子模块，24个半桥子模块，子模块电容为5000F，电容额定电压5KV，桥臂电感为15MH。0093图6AF分别给出了直流电压，直流电流，整流换流站触发角，逆变侧换流变压器阀侧交流电压，整流侧交流电流以及逆变侧交流电流的响应曲线。其中，为直流电流下降过程，直流电流从额定值1KV逐渐减小至03KV，于此同时，触发角相应增大；为逆变侧换流变压器分接头调整过程，伴随着分接头的变动，阀侧交流电压的有效值逐渐减少为898KV；为直流电压降低

31、过程，直流电压从额定值逐渐降低至140KV；为直流电流从说明书CN104201709A7/7页1003KV降低至0的过程；过程中，触发角先增大至120，而后闭锁晶闸管换流器和混杂式MMC，再断开直流隔离开关SDC1和SDC2，交流断路器SAC1和SAC2，以及交流旁路开关SR，为后续电容电压放电作准备。此过程中，电压电流的变化平稳快速，无过电压过电流现象发生。0094图7AF给出三相每个桥臂上电容电压的快速放电过程。从图中可以看出，在电容电压进入快速卸放阶段前，随着直流电压的下降，电容电压已从额定的5KV降低至36KV，快速卸放阶段，电容电压能够平稳降低，无过电压现象发生。说明书CN104201709A101/6页11图1图2说明书附图CN104201709A112/6页12图3说明书附图CN104201709A123/6页13图4说明书附图CN104201709A134/6页14图5说明书附图CN104201709A145/6页15图6说明书附图CN104201709A156/6页16图7说明书附图CN104201709A16