南澳柔性直流输电示范工程换流站启停策略与操作分析.doc

11南澳柔性直流输电示范工程换流站启停策略与操作分析陈 涛1，卢海明（广东电网公司汕头供电局，广东汕头 515041）摘 要：柔性直流输电是基于脉宽调制电压源型换流器的新一代直流输电，是实现大型风电场和主网之间稳定联结的最有潜质的电力传输方式南澳多端柔性直流输电工程是基于模块化多电平换流器拓扑结构的三换流站系统，其采取基于换流站自励充电的站间协调控制的启停策略本文对换流站的基本控制方式和启动回路分析，探讨了南澳多端柔性直流系统的启停策略和操作步骤，并通过对启停操作的分析获得表征状态变化的电量值关键词：柔性直流输电；模块化多电平换流器；启停策略；启停操作Start-stop Strategy and Operations Analysis of Nanao Multi-terminal HVDC-Flexible Converter StationCHEN Tao , LU Hai Ming（Guangdong Shantou 515041，Shantou Power Supply Bureau）Abstract: HVDC-Flexible is a new generation of HVDC power transmission based on PWM controlled voltage source converter (VSC) and it is stable links between the large-scale wind farms and the main network with the greatest potential power transmission mode. Multi-terminal HVDC flexible engineering in Nanao is the three station system based on a modular multilevel converter topology, the system adopted the coordinated control strategy between stations based on self-charging converter. The paper analyzes the basic control mode and starting circuit of the converter station, discusses the start and stop strategy and operation steps of the Nan'ao multi-terminal HVDC flexible system. And through the analysis of start stop operation to obtain the characterization of change of state power value.Keywords: HVDC-Flexible；modular multilevel converter；start and stop strategy；start and stop operation1 1 引言引言柔性直流输电（HVDC--Flexible）是基于电压源变流器和脉冲宽度调制技术的新一代直流输电，可以 独立快速控制所传输的有功功率和无功功率，是实现大型风电场和主网之间稳定联结的最有潜质的电力 传输方式[1-2]。

鉴于南澳岛近区海上风电资源丰富，并现已建设了多个陆上风电场，因此，南方电网承担 的国家高技术研究发展计划（863 计划） “大型风电场柔性直流输电接入技术研究与开发”项目选择在南 澳岛上进行风电场多端柔性直流输电示范工程建设[3] 本期南澳风电场多端柔性直流输电示范工程为三端柔性直流输电系统，包括三个采用模块化多电平 拓扑结构（modular multilevel level converter，MMC）换流站，直流电压为 ±160 kV，接入方案如图 1 所 示[3]项目建成后，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，将风电场电力安全 输出，保障南澳岛供电安全，减少风电功率波动对当地薄弱电网的影响1作者简介：陈涛（1980—） ，男，广东平远人，硕士，工程师，从事柔性直流换流站运行管理工作，E-mail:chentao_st@.com22图 1 南澳柔性直流输电示范工程系统接入方案 本文在对南澳多端柔性直流输电示范工程换流站基本控制方式和启动回路分析的基础上,讨论换流站 的启停策略和操作，并通过对关键操作项分析，获得换流站启停过程中表征状态变化的电气量2 2 换流站主接线及其控制方式换流站主接线及其控制方式南澳 HVDC--Flexible 系统 3 个换流站主接线相同，换流站采用单换流器双极接线[4]，采用 MMC 拓 扑结构，主要由换流阀、阀电抗器、启动电阻、联接变压器、开关装置、直流电抗器、测量装置等设备 构成（图 2 所示） ，其中：MMC 换流阀为 3 相 6 桥臂结构，每个桥臂由多个子模块级联构成（塑城 147 个，金牛、青澳 220 个） ，其由可关断功率器件和反向并联二极管、电容等元件构成。

联接变压器 启动电阻换流阀阀电抗器直流电抗器 测量装置图 2 换流站主接线图 通常，柔性直流换流站有 3 种基本控制方式：1）定直流电压控制，即控制直流极电压和接入交流系 统的无功功率；2）定功率控制，即控制接入交流系统的有功和无功功率；3）定交流电压控制，即控制 接入交流系统的电压和频率其中，方式 1） 、2）适用于与有源交流网络相联的情况，方式 3）适用于给 无源网络供电的情况 由于南澳三端 HVDC--flexible 系统为一个受端两个送端系统，不考虑直流电压控制的切换，而采用 单点直流电压控制策略，即选取其中一端换流站定直流电压控制若定直流电压控制的换流站交流侧发 生故障等暂态扰动，采用定功率控制的换流站仍将跟踪故障前有功功率指令，向直流系统注入(或汲取) 有功功率，此时功率的不平衡导致直流侧电容器快速充放电，从而使直流电压在很大范围内波动，因此 要求尽可能选择容量较大换流站采用定直流电压近制基于以上考虑南澳多端柔性直流系统的控制方式： 塑城站定直流电压，金牛站和青澳站定功率（若南澳为孤岛运行时，采用定交流电压控制） ，在此控制方 式下，塑城站故障或停运则整个系统必须停运3 3 换流站启停策略换流站启停策略HVDC--flexible 系统换流站启动时，直流侧首先要建立一定的直流电压，常采用自励的方式预充电，33其有二种预充电方式：1）闭锁所有的 IGBT，所有子模块电容同时充电。

此方式通过不控二极管充电， 电容电压不能在这一过程中达到稳定工作时的电压值，随后转入直流电压控制；2）桥臂子模块逐次充电 此方式通过控制子模块的开关元件，待测量到的充电子模块电容电压到达额定电压值时，再对下一个子 模块充电 南澳柔性工程拟采用方式一启动前，MMC 各子模块电容电压为零，换流阀中 IGBT 处于关断状态， 因 MMC 换流器中电容量较大，交流侧断路器合闸时回路中将产生较大的冲击电流及冲击电压为防止 因冲击电流及冲击电压过大损坏 MMC 换流阀，必须设置启动回路MMC换流阀子模块交流进线开关启动回路图 3 MMC 换流器启动时电流回路图 启动回路如图 3 中标示，由启动电阻 R 和旁路开关并联构成启动电阻 R 用于限制子模块电容充电 电流，减少柔性直流系统上电时对交流系统造成的扰动和对换流器阀上二极管的应力其选择依据为： 充电电流小于等于一次设备的额定电流；换流器启动过程中电流和电压平稳过渡；启动电阻的吸收能量 要满足对三站同时充电的要求根据南网科研院换流站启动回路研究专题报告所述的计算结果[5]，启动 电阻拟选择的阻值如表 1 所示；旁路开关则用于待 MMC 换流器电容电压稳定后，短接旁路电阻以减少 损耗，本工程选用具有合 2A 容性电流的隔离开关。

此外，启动过程中电容充电速度和充电电流的大小还取决于交流系统短路容量、换流变压器和连接 电抗器电抗、直流侧等效电容大小、变压器二次侧电压和投入时刻等因素，如果换流站采用有载调压变 压器，启动时可以调节分接头使阀侧电压最低，以减小启动电流[6] 表 1 各换流站启动电阻值换流站青澳站金牛站塑城站 启动电阻（欧姆）1000080005000 充电电流峰值 （A）3030504 4 换流站启停策略换流站启停策略HVDC--flexible 系统换流站启动回路的设置限制了启动中电容充电过程出现的过电流和过电压换流 站在直流电压达到某个阈值后将启动电阻短路，电容充电结束，但相对于正常运行直流电压，此时电容 器有可能出现欠充现象，若在此状态下直接解除脉冲封锁并切换到正常运行模式，可能会出现较大的瞬 态过电流，危及设备安全 为解决此问题，采用基于换流站自励充电的站间协调控制的两阶段换流站充电启动策略其基本思 想是：在启动第一阶段，通过串接充电电阻对 MMC 换流阀直流电容器充电，限制启动初期的过电流， 待直流电压到达阈值后充电结束，启动转入第二阶段此时换流器已经有了一定的可控性，实施充电任 务的换流站转入定直流电压控制模式完成对电容器继续充电的任务，直至直流电压达到预设水平，进而 为系统其它换流站由启动控制模式切换到正常运行模式做好准备，消除切换工作模式时可能出现的过电44流等现象的不良影响。

对于南澳 HVDC--flexible 工程，系统只在塑城站无故障下才投入运行，故设计的启动策略为：在直 流线路保持接通状态下，塑城、金牛及青澳站按上述第一阶段对电容充电，然后塑城站按上述第二阶段 对电容充电至额定值（即定直流电压，无功功率参考值可设为零） ，待直流电压达到额定值后金牛及青澳 站直接按定功率控制方式运行5 5 南澳三端换流站的启动操作分析南澳三端换流站的启动操作分析设换流站启动前，南澳电网和汕头澄海电网交流联网运行，换流站启动后，按正常运行工况的控制 方式进入交直流并列运行,在此控制模式下，有功功率的传输在三站之间保持平衡，无功功率则在各站和 所接入交流系统间交换为保持柔性直流输电系统功率的平衡关系，启动操作须遵循先启动逆变站、再 启动整流站，假设启动前直流线路已在接通状态，启动流程如图 4 所示，操作步骤分析如下： 1)闭锁各换流站 2)合塑城站交流进线开关，塑城站交流电源对塑城换流站阀子模块电容器充电假设交流侧 b 相 电压高于 a 相电压，得到充电电流的方向如图 3 中箭头所示设 Ulm为塑城站交流线电压的峰值，则 MMC 换流器各子模块电容电压可充至 2Ulm / x（x为 MMC 换流器单相子模块的数量） ，直流 母线电压为 Ulm；同时，Ulm通过直流线路对金牛站和青澳站 MMC 换流器子模块电容电压充电， 其值可充至 Ulm / x。

3)合金牛和青澳交流进线开关，金牛站和青澳站交流电源将继续对本站阀子模块电容充电 4)待充电电流小于 2A 时，合各换流站启动电阻旁路隔离开关 5)直流电压稳定后，塑城站解锁解锁后塑城站进行定直流电压（320 kV）控制，各子模块电容 电压则充至要求值，南澳工程即为 320 kV / x，此时青澳、金牛站各子模块电容电压也将达到要 求值 6)直流电压控制在额定电压后，金牛和青澳站解锁解锁后按调度下达的功率设定值进行定有功 功率和无功功率控制 至此，整个系统启动完毕，HVDC--flexible 系统接入电网另外，若直流线路处检修状态，则各换流 站可作为独立的 STATCOM 方式并入电网，启动则以本站交流电源对本站阀子模块电容充电，然后将各 自换流站进行定直流电压、无功功率或交流电压控制，启动流程如图 5 所示依次合各站交流开关 MMC子模块电容充电充电是否完毕 电流<2Ａ合各。