基于混合式电网换相换流的直流输电系统启动回路及方法与流程

1.本发明涉及一种基于混合式电网换相换流的直流输电系统启动回路及方法，属于常规直流输电技术领域。


背景技术：

2.由于具有技术成熟度高、造价低、容量大的优点，基于晶闸管和电网换相换流器(line commutated converter，lcc)的常规直流输电系统(lcc-hvdc)是目前特高压远距离直流输电的主流技术路线。
3.近期国内在大力推进光伏基地化开发，积极推进以沙漠、戈壁荒漠地区为重点的大型风电光伏基地开发。特高压直流输电技术是实现大规模荒漠风电光伏基地送出的重要技术路线，但面临如下技术问题：
4.1)晶闸管换流器是半控型器件，其换相依赖交流系统电压，不适合新能源大规模馈入场合；
5.2)直流需要适应新能源波动，受端交流将参与送端新能源调峰调频，直流负荷曲线变化较多，则晶闸管换流器调档频繁、交流滤波器断路器切合频繁，对关键设备运行安全影响较大；
6.3)常规晶闸管换流器需要配置大量无功补偿设备，占地面积大、设备造价高，且当发生直流闭锁情况时，极易引发交流过电压问题。
7.目前已有相关报道，通过在常规晶闸管换流器与换流变压器之间配置并联的高压大容量svg，采用半控型器件与全控型器件相结合的方式，对现有晶闸管换流器进行改进，使得电网换相换流阀能够不依赖交流系统，可以实现新能源孤岛馈入，不需要额外配置无源滤波器，能够实现无功及谐波自补偿功能，大大减少换流站占地面积。但是，该混合式电网换相换流器的svg部分，通常采用模块化多电平级联技术，每个桥臂都配置有全桥子模块，然而在混合式电网换相换流器启动初期，全桥子模块的电容电压为零，子模块无法正常触发。如果直接对换流器进行充电，则会造成较大的暂态冲击电流，进而可能损坏svg桥臂igbt，因此亟需设计相应的限流措施和合理启动策略。


技术实现要素：

8.针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于混合式电网换相换流的直流输电系统启动回路及方法。
9.为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
10.第一方面，本发明提供一种基于混合式电网换相换流的直流输电系统启动回路，包括：
11.换流变压器，配置在所述换流变压器阀侧的混合式电网换相换流装置以及配置在所述换流变压器网侧的启动回路；
12.所述混合式电网换相换流装置包括晶闸管换流阀和svg，且所述晶闸管换流阀和
svg的各相接线端子对应连接后与所述换流变压器的三相相连；
13.所述启动回路包括第一交流断路器、第二交流断路器和启动电阻；所述第一交流断路器和第二交流断路器依次串联配置在所述换流变压器网侧进线处；所述启动电阻并联配置在所述第二交流断路器两端，且所述启动电阻与所述换流变压器连接处配置有隔离开关；所述启动电阻并联回路配置有旁路断路器。
14.进一步，所述隔离开关采用带有双地刀的隔离开关。
15.进一步，所述svg采用三相换流链星型连接形式，每相换流链由多个全桥型子模块级联并串接限流电抗器构成。
16.第二方面，本发明提供一种基于混合式电网换相换流的直流输电系统启动方法，包括以下步骤：
17.启动前，使得启动回路里的所有开关均处于断开状态；
18.对启动回路进行控制，使得svg依次进入不控充电阶段和分组有序轮换动态充电阶段，直至svg每相换流链所有子模块电容电压充电到设定值；
19.svg切换至正常控制模式，解锁晶闸管换流阀，启动整个直流输电系统。
20.进一步，所述对启动回路进行控制，使得svg依次进入不控充电阶段和分组有序轮换动态充电阶段，直至svg每相换流链所有子模块电容电压充电到设定值的方法，包括：
21.闭合隔离开关和第一交流断路器，进入不控充电阶段，交流系统通过启动电阻对svg的各相换流链子模块电容进行不控充电；
22.判断svg的换流链子模块电容电压平均值是否到达预设电容电压定值，若到达则进入下一步骤；
23.闭合第二交流断路器，将启动电阻旁路，然后将启动电阻串接的隔离开关断开，将启动电阻彻底断开；
24.解锁svg换流链子模块igbt触发脉冲，每相换流链进入分组有序轮换动态调整充电模式，逐步将每相换流链所有子模块电容电压充电到设定值。
25.进一步，所述判断svg的换流链子模块电容电压平均值是否到达预设电容电压定值的公式为：
26.u
cavg
≥δ
27.其中，u
cavg
为桥臂子模块电容电压平均值，δ为预设电容电压定值。
28.进一步，所述启动电阻根据svg单相换流链等值电容在不控充电阶段储存的最终能量确定，其最小耐受能量w2应满足：
29.w2≥2ηw130.其中，η为充电裕度系数；w1为svg单相换流链等值电容在不控充电阶段储存的最终能量。
31.进一步，所述分组有序轮换动态调整充电模式，包括：
32.将svg每相换流链内所有子模块分为m个集合；
33.选取第一个集合，闭锁该集合中所有的子模块即进行充电，旁路其余集合内的子模块，使得第一个集合内的所有子模块电容充电到某一设定值；
34.重复上一步骤，采用相同方式对其他集合内的子模块依次进行充电，直至svg每相换流链内所有子模块的电容电压均充电到设定值。
35.进一步，所述m为3。
36.本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
37.1、本发明提出的基于混合式电网换相换流技术的直流输电系统启动电阻配置方案，配置在换流变压器网侧，其中启动电阻替代进线交流断路器合闸电阻，兼顾抑制启动时暂态冲击电流和励磁涌流，较常规思路节省了套管和重复配置设备，具有所需设备数量少、作用明晰、配置紧凑、占地面积优化、经济性较高等优点。
38.2、本发明给出的启动电阻选取原则，并给出了最小能量耐受计算方法，具有公式清晰、计算方便的特点。
39.3、本发明提出的启动控制方法和流程，具有步骤简单易行、清晰明了等特点，可以有效解决阀侧svg模块电容有序充电问题。
40.因此，本发明可以广泛应用于直流输电技术领域。
附图说明
41.通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：
42.图1是本发明实施例提供的直流输电系统启动回路结构示意图；
43.图2是本发明实施例提供的直流输电系统启动方法流程图；
44.图3是本发明实施例提供的每相换流链子模块动态充电示意图；
45.图4是本发明实施例提供的分组有序动态调整充电流程示意图。
具体实施方式
46.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
47.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
48.本发明的一些实施例中，提供一种基于混合式电网换相换流的直流输电系统启动回路，包括：换流变压器，配置在换流变压器阀侧的混合式电网换相换流装置以及配置在换流变压器网侧的启动回路；混合式电网换相换流装置包括晶闸管换流阀和svg，且晶闸管换流阀和svg的各相接线端子对应连接后与换流变压器的三相相连；启动回路包括第一交流断路器、第二交流断路器和启动电阻；第一交流断路器和第二交流断路器依次串联配置在换流变压器网侧进线处；启动电阻并联配置在第二交流断路器两端，且启动电阻与换流变压器连接处配置有隔离开关；启动电阻并联回路配置有旁路断路器。其中，启动电阻替代进线交流断路器合闸电阻，兼顾抑制启动时暂态冲击电流和励磁涌流，较常规思路节省了套管和重复配置设备，具有所需设备数量少、作用明晰、配置紧凑、占地面积优化、经济性较高
等优点。
49.与之相对应地，本发明的另一些实施例中还提供一种基于混合式电网换相换流的直流输电系统启动方法，提出了基于分组轮换动态调整充电的启动控制流程，具有步骤简单易行、清晰明了等特点，可以有效解决阀侧svg模块电容有序充电问题；提出了启动电阻选取原则，并给出了最小能量耐受计算方法，具有公式清晰、计算方便的特点。
50.实施例1
51.如图1所示，本实施例提供一种基于混合式电网换相换流的直流输电系统启动回路，包括：换流变压器，配置在换流变压器阀侧的混合式电网换相换流装置以及配置在换流变压器网侧的启动回路。其中，混合式电网换相换流装置包括晶闸管换流阀和svg，且晶闸管换流阀和svg的各相接线端子对应连接后与换流变压器的三相相连；启动回路包括第一交流断路器q1、第二交流断路器q2和启动电阻r1；第一交流断路器q1和第二交流断路器q2依次串联配置在换流变压器网侧进线处；启动电阻r1并联配置在交流断路器q2两端，且启动电阻r1与换流变压器连接处配置有隔离开关q11；启动电阻r1并联回路配置有旁路断路器t1。
52.优选地，混合式电网换相换流装置还包括yy/yd换流变压器。
53.优选地，隔离开关q11采用带有双地刀q21和q22的隔离开关。
54.优选地，旁路断路器t1采用带单地刀q23的旁路断路器。实际上，根据实际检修范围，旁路断路器也可以不配置单地刀。
55.优选地，svg采用三相换流链星型连接形式，每相换流链由多个全桥型子模块级联并串接限流电抗器构成。svg的作用可以实现有源滤波、动态无功补偿、增加换相电压等作用，可无需配置交流场大量无源滤波器设备，节省占地。
56.优选地，启动电阻r1的选取原则主要有四个：1)限制换流变压器充电时的励磁涌流；2)限制启动时的充电电流，为了保证svg等一次设备的安全，阀侧充电电流一般不超过额定电流的50％；3)控制充电时间，降低启动过程中sgv换流链子模块电容电压发散风险；4)限制故障时短路电流。
57.本实施例以十二脉动混合式电网换相换流装置为例进行介绍。该十二脉动混合式电网换相换流装置由两个六脉动换流单元构成，每个六脉动换流单元均包括yy/yd换流变压器、六脉动晶闸管换流阀以及svg等关键组件构成。
58.实施例2
59.如图2所示，基于实施例1提供的一种基于混合式电网换相换流的直流输电系统启动回路，本实施例提供一种基于混合式电网换相换流的直流输电系统启动方法，包括以下步骤：
60.(1)启动前，使得启动回路里的所有开关均处于断开状态。
61.(2)对启动回路进行控制，使得svg依次进入不控充电阶段和分组有序轮换动态充电阶段，直至svg每相换流链所有子模块电容电压充电到设定值。
62.(3)svg切换至正常控制模式，解锁晶闸管换流阀，启动整个直流输电系统。
63.优选地，上述步骤(2)包括以下步骤：
64.(2.1)闭合隔离开关q11和第一交流断路器q1，进入不控充电阶段，交流系统通过启动电阻r1对svg的各相换流链子模块电容进行不控充电。
65.(2.2)判断svg的换流链子模块电容电压平均值是否到达预设电容电压定值，若到达则进入步骤(2.3)。
66.当svg的换流链子模块电容电压达到线电压峰值后，svg的子模块电容电压基本处于稳定状态、无法再有效充电，启动电阻r1内流过的尾流(极小的电流)，此时有：
67.u
cavg
≥δ(1)
68.其中，u
cavg
为桥臂子模块电容电压平均值，δ为预设电容电压定值。
69.(2.3)闭合第二交流断路器q2，将启动电阻r1旁路，然后将启动电阻r1串接的隔离开关q11断开，将启动电阻r1彻底断开。
70.(2.4)解锁svg换流链子模块igbt触发脉冲，每相换流链进入分组有序轮换动态调整充电模式，逐步将每相换流链所有子模块电容电压充电到设定值。
71.优选地，上述步骤(2.1)中，不控充电阶段(到该阶段末期充电电流降至非常低的水平)，svg单相换流链等值电容在不控充电阶段储存的最终能量w1为：
[0072][0073]
式中，n为每相换流链的子模块数量，ce为子模块电容，u
cmax
为不控充电阶段子模块电容电压的最大充电电容电压。
[0074]
其中，不控充电阶段子模块电容电压的最大充电电容电压由下式确定：
[0075][0076]
式中，u
smax
为交流系统最大稳态运行线电压有效值，u
vn
为换流变压器阀侧额定相电压有效值，u
sn
为换流变压器网侧额定相电压有效值，n为每相换流链的子模块数量，ce为子模块电容，u
cmax
为不控充电阶段子模块电容电压的最大充电电容电压。
[0077]
在不控充电阶段，启动电阻r1消耗能量与svg子模块电容储存的能量趋于一致。此时系统等值电路为二阶电路，可近似认为每相启动电阻消耗能量w与两个六脉动换流器svg单相换流链等值电容在不控充电阶段储存的能量近似相等，因此单相启动电阻r1最小耐受能量w2应该满足如下约束：
[0078]
w2≥2ηw1(4)
[0079]
式中，η为充电裕度系数(一般优选在1.5～2左右)。
[0080]
优选地，上述步骤(2.4)中，对不控充电阶段进行分析可知，不控充电阶段电容无法充电到额定值的原因有二：一是由于二极管箝位作用使得充电回路等效电容电压高于系统线电压幅值时无法继续充电；二是子模块数量众多导致单个子模块电容获取的充电能量有限。
[0081]
为此，本发明提出了分组有序轮换动态调整充电策略，其实质是将每相换流链分为几组，通过控制子模块充电顺序或投切状态，改变充电回路等效电容和等效内电势以完成电容电压预充电目标。
[0082]
如图3、图4所示，为动态充电策略的示意和流程图。具体包括以下步骤：
[0083]
(2.4.1)将svg每相换流链内所有子模块分为m个集合；
[0084]
(2.4.2)选取第一个集合，闭锁该集合中所有的子模块即进行充电，旁路(即使得模块输出电平为零)其余集合内的子模块，使得第一个集合内的所有子模块电容充电到某
一设定值(比如额定值)；其中，i
arm
为换流链的电流。
[0085]
(2.4.3)重复步骤(2.4.2)，采用相同方式对其他集合依次进行充电，直至svg每相换流链内所有子模块的电容电压均充电到设定值。
[0086]
假设每个集合中含有的子模块数目相同，则桥臂等效电容和等效内电势形式上将分别变为原来不控阶段的m和1/m。
[0087]
优选地，m可以选择3。
[0088]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。