柔性直流輸電工程起動(dòng)策略及時(shí)間定值整定

唐志軍

（國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司電力科學(xué)研究院，福州 350007）

目前國(guó)內(nèi)柔性直流領(lǐng)域研究處于起步階段，相關(guān)設(shè)計(jì)方案、控制策略、運(yùn)行方式和維護(hù)方法均處于摸索階段，急需提升柔性直流輸電可靠性和設(shè)計(jì)水平[1-3]。其中換流器起動(dòng)是柔直工程正常運(yùn)行的關(guān)鍵過程之一，亟需展開換流器起動(dòng)策略的相關(guān)研究[4-6]。

目前已有一些研究提出了柔性直流輸電的起動(dòng)方法和控制策略。例如，文獻(xiàn)[7]提出一種起動(dòng)協(xié)同調(diào)制策略用以匹配直流電壓和子模塊電壓。文獻(xiàn)[8]提出一種直流側(cè)充電起動(dòng)策略，可降低起動(dòng)時(shí)的沖擊電流。文獻(xiàn)[9]分析了向無源系統(tǒng)供電時(shí)起動(dòng)的動(dòng)態(tài)過程并提出相應(yīng)預(yù)充電控制策略。文獻(xiàn)[10]提出調(diào)制波預(yù)跟蹤策略用以減少解鎖時(shí)沖擊電流。以上研究集中在降低電壓和電流沖擊方面，但針對(duì)起動(dòng)的控制策略、操作過程及其時(shí)間定值的研究?jī)?nèi)容較少。

針對(duì)柔性直流輸電工程起動(dòng)策略及時(shí)間定值整定方法的實(shí)際需求，本文依托廈門柔性直流輸電工程，首先提出換流器的具體起動(dòng)時(shí)序，然后給出相關(guān)起動(dòng)時(shí)間定值整定方法，最后通過試驗(yàn)驗(yàn)證起動(dòng)策略和時(shí)間定值整定方法的正確性。

1 換流器起動(dòng)策略

以目前國(guó)內(nèi)電壓等級(jí)最高、容量最大的廈門柔性直流輸電工程為例，工程首次采用真雙極接線方式[11]，包括鷺島換流站和浦園換流站，每站有兩個(gè)閥廳（極Ⅰ、極Ⅱ），采用三相六橋臂主接線方式，子模塊采用半橋拓?fù)?，其電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

國(guó)內(nèi)已投運(yùn)的南匯、舟山、廈門等柔性直流輸電工程通常采用的起動(dòng)過程是，首先送端換流器閉合交流開關(guān)，通過不控整流向子模塊電容充電，受端換流器處于靜態(tài)直流充電狀態(tài)，然后受端換流器閉合交流開關(guān)，最后依次解鎖受端和送端換流器。以浦園站向鷺島站供電為例，浦園站采用定直流功率和無功功率、鷺島站采用定直流電壓和無功功率的控制方式（直流功率參考值為 0、無功功率參考

值為0、直流電壓參考值為320kV），其典型起動(dòng)策略如下：

1）合交流斷路器 1、2。通過充電電阻對(duì)浦園站換流器充電。

2）合交流斷路器 3、4。充電電流基本趨于零后斷開限流電阻，直流母線電壓為

式中，Udc為直流母線電壓；Ul為閥側(cè)交流線電壓有效值。此時(shí)浦園站換流器處于不控整流狀態(tài)、鷺島站換流器處于靜態(tài)直流充電狀態(tài)。

3）合交流斷路器 7、8。通過充電電阻對(duì)鷺島站換流器充電。由于限流電阻的存在，充電電流峰值不超過100A。

4）合交流斷路器 5、6。直流母線電壓基本穩(wěn)定后，斷開限流電阻，系統(tǒng)穩(wěn)定后直流母線電壓與式（1）一致。此時(shí)浦園站、鷺島站換流器均處于不控整流狀態(tài)。

5）鷺島站換流器解鎖。系統(tǒng)穩(wěn)定后直流母線電壓達(dá)到額定值，其計(jì)算式為

式中，UdcN為解鎖后直流母線電壓額定值；Up為交流出口相電壓有效值；M為電壓調(diào)制比。

鷺島站換流器由于已解鎖，所以每個(gè)時(shí)刻每相只有n個(gè)模塊投入工作。而浦園站每個(gè)橋臂電壓被直流電壓和交流相電壓所箝位，其電壓隨著直流母線電壓的提升而增大，當(dāng)直流母線電壓達(dá)到額定值時(shí)，橋臂電壓（即橋臂上各子模塊電壓和）為

6）浦園站換流器解鎖。系統(tǒng)穩(wěn)定后直流母線電壓仍為額定值。至此，鷺島、浦園換流站均已解鎖，起動(dòng)過程結(jié)束，換流器進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)。

圖1 廈門柔性直流輸電工程主電路拓?fù)?/p>

2 起動(dòng)過程時(shí)間定值整定

2.1 限流電阻工作時(shí)間

限流電阻可限制起動(dòng)過程中沖擊電流，但其長(zhǎng)時(shí)間工作易發(fā)生過熱故障。因此，第1節(jié)中起動(dòng)過程步驟1）與步驟2）、步驟3）與步驟4）之間的限流電阻工作時(shí)間應(yīng)通過時(shí)間定值來保護(hù)。

根據(jù)充電回路的作用時(shí)間，任意橋臂約有 1/3的工頻周期處于充電狀態(tài)，近似估算時(shí)可以認(rèn)為充電時(shí)間常數(shù)為

為確保各子模塊電容充分充電，限流電阻工作時(shí)間可設(shè)置為10～40倍時(shí)間常數(shù)。

2.2 直流充電耐受時(shí)間

當(dāng)一端換流器不控整流充電時(shí)，另一端換流器處于直流充電狀態(tài)。此時(shí)處于直流充電狀態(tài)的換流器將由上下橋臂的全部子模塊分配直流母線電壓，即子模塊平均電壓為

此時(shí)子模塊平均電壓較低，各子模塊由于功率、均壓電阻等差異性將導(dǎo)致均壓劣化。根據(jù)圖2試驗(yàn)數(shù)據(jù)所示，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行時(shí)子模塊電容電壓發(fā)生兩極分化，部分子模塊甚至處于反復(fù)起停狀態(tài)。取能電源反復(fù)開關(guān)易降低其使用壽命，因此應(yīng)增設(shè)相應(yīng)保護(hù)策略，用以提高取能電源的可靠性。本文提出增加直流充電耐受時(shí)間保護(hù)，用以控制換流器靜態(tài)直流充電時(shí)間，在較短的靜態(tài)直流充電時(shí)間內(nèi)，子模塊電壓兩極分化程度較小，可大幅減小反復(fù)起停取能電源的數(shù)量，提高子模塊運(yùn)行可靠性。

圖2 子模塊電壓兩極分化時(shí)電壓波形

直流充電耐受時(shí)間定值整定方法如下：

1）最短耐受時(shí)間。靜態(tài)直流充電時(shí)間越短，子模塊均壓劣化程度越低，但考慮到目前換流站起動(dòng)基本采用人工操作方式，最短耐受時(shí)間應(yīng)滿足人工操作所需時(shí)間，因此其值不應(yīng)小于5min。

2）最長(zhǎng)耐受時(shí)間。最長(zhǎng)耐受時(shí)間應(yīng)滿足每個(gè)橋臂處于反復(fù)起停狀態(tài)的子模塊不超過子模塊總數(shù)量一半的要求。

綜上所述，直流充電耐受時(shí)間整定式為

式中，T50%為50%子模塊處于反復(fù)起停狀態(tài)所需時(shí)間。

以廈門柔性直流輸電工程為例，子模塊反復(fù)起停時(shí)周期約為1～1.5min；在30min后，子模塊電壓兩極分化程度較嚴(yán)重，約有一半子模塊電壓已跌落、取能電源反復(fù)起停。此后取能電源反復(fù)起停的子模塊數(shù)量變化較小，占比保持在50%左右。因此，廈門柔性直流輸電工程換流站靜態(tài)直流充電過程的耐受時(shí)間整定范圍應(yīng)在5～30min為佳。

2.3 一端解鎖耐受時(shí)間

在一端換流器被解鎖后，另一端換流器子模塊電容電壓可根據(jù)式（3）計(jì)算出子模塊平均電壓：

此時(shí)，子模塊電容電壓遠(yuǎn)大于換流器處于靜態(tài)直流充電狀態(tài)時(shí)的電壓值。根據(jù)圖3試驗(yàn)數(shù)據(jù)所示，子模塊電容電壓較大，子模塊間電壓分布會(huì)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，不會(huì)導(dǎo)致部分子模塊因電壓跌落而反復(fù)起停。

圖3 子模塊電壓達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)波形

因此，當(dāng)一端換流器解鎖、另一端不控整流時(shí)，可長(zhǎng)時(shí)間保持在此狀態(tài)，用以提醒運(yùn)維人員另一端換流器未解鎖，可設(shè)置一端解鎖耐受時(shí)間為2h。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文提出的起動(dòng)時(shí)序和時(shí)間定值的有效性，現(xiàn)對(duì)廈門柔性直流輸電工程進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。

1）限流電阻充電試驗(yàn)

廈門柔性直流輸電工程限流電阻為 2kΩ，子模塊電容為10mF，單個(gè)橋臂子模塊數(shù)量為216，根據(jù)式（4）計(jì)算時(shí)間常數(shù)為0.56s。試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示：充電0.5s后，充電電流和橋臂電流基本為零，電容電壓已建立；同時(shí)由于限流電阻的存在，充電電流峰值不超過100A；任意橋臂約有1/3的工頻周期處于充電狀態(tài)。廈門柔直工程限流電阻工作時(shí)間可選取10～40倍時(shí)間常數(shù)范圍內(nèi)，最終設(shè)置為20s，可確保子模塊電容充電完全。

圖4 充電瞬間電流波形

2）直流充電耐受時(shí)間試驗(yàn)

當(dāng)浦園站不控整流、鷺島站處于靜態(tài)直流充電時(shí)，其子模塊反復(fù)起停的數(shù)量見表 1?？梢姡陟o態(tài)直流充電運(yùn)行30min后，約有50%子模塊處于反復(fù)起停狀態(tài)，且反復(fù)起停的子模塊數(shù)量基本恒定。最終將直流充電耐受時(shí)間設(shè)置為30min。

表1 靜態(tài)直流充電時(shí)子模塊反復(fù)起停數(shù)

3）一端解鎖耐受時(shí)間試驗(yàn)

當(dāng)鷺島站解鎖、浦園站處于不控整流狀態(tài)時(shí)，浦園站子模塊電壓值和反復(fù)起停數(shù)量見表2?？梢?，子模塊間電壓分布會(huì)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，不會(huì)導(dǎo)致部分子模塊因電壓跌落而反復(fù)起停。最終將一端解鎖耐受時(shí)間定值設(shè)置為2h。

表2 一端解鎖時(shí)對(duì)端子模塊狀態(tài)

4 結(jié)論

本文首先提出廈門柔性直流輸電工程起動(dòng)控制時(shí)序，包括限流充電、靜態(tài)直流充電、一端解鎖充電、雙端解鎖運(yùn)行等階段；然后提出限流電阻充電時(shí)間、直流耐受時(shí)間、一端解鎖耐受時(shí)間等保護(hù)定值的整定方法；最后試驗(yàn)驗(yàn)證了起動(dòng)時(shí)序和時(shí)間定值整定方法的有效性。試驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的起動(dòng)策略和時(shí)間定值整定方法可使換流器正常起動(dòng)。

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