余敬冬，曾子安，呂習(xí)超，榮軍，陸小劍，石萬里，樊友平

(1. 中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司柳州局，廣西 柳州545000；2. 武漢大學(xué)電氣與自動(dòng)化學(xué)院，武漢430072)

0 引言

基于電壓源型換流器的柔性直流輸電技術(shù)與常規(guī)直流輸電技術(shù)相比，主要有如下優(yōu)點(diǎn)：無功功率和有功功率解耦獨(dú)立控制；不會(huì)有換向失敗的情況；可以通過改變直流電流來改變潮流傳輸方向[1 - 2]。在柔性直流輸電的基礎(chǔ)上發(fā)展了混合多端直流輸電技術(shù)。混合多端直流輸電綜合了特高壓直流輸電技術(shù)、柔性直流輸電技術(shù)、多端直流輸電技術(shù)[3]的優(yōu)點(diǎn)。在快速發(fā)展的電力系統(tǒng)中，混合多端直流輸電日益成為了人們研究的焦點(diǎn)[4 - 9]。

在混合多端直流輸電系統(tǒng)柔性換流站中，一般采用MMC換流器。MMC子模塊具有輸出特性好，開關(guān)頻率低等特點(diǎn)[10 - 19]。目前MMC主要的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有半橋、全橋、半全混合等。在昆柳龍直流輸電工程中，實(shí)際采用的是混合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具有較好的自我清障能力與低成本優(yōu)點(diǎn)。

如今對(duì)于半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的控制策略已經(jīng)非常成熟。文獻(xiàn)[20]提出在MMC的橋臂中串入一個(gè)限流電阻，通過旁路開關(guān)來配合啟動(dòng)。文獻(xiàn)[21]針對(duì)雙端柔直輸電系統(tǒng)兩端啟動(dòng)時(shí)，逆變側(cè)電容電壓過低這一問題，提出一種雙站協(xié)調(diào)配合的預(yù)充電控制策略。文獻(xiàn)[22 - 23]綜合LCC和MMC的特點(diǎn)，基于混合輸電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)穩(wěn)態(tài)控制及啟動(dòng)策略?；旌贤?fù)浣Y(jié)構(gòu)的MMC相對(duì)于半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。借鑒于半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，文獻(xiàn)[24]對(duì)混合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提出了三段式啟動(dòng)充電策略，文獻(xiàn)[25]還介紹了混合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的直流側(cè)充電策略。上述文獻(xiàn)對(duì)半橋及混合MMC的啟動(dòng)策略作了介紹，但是都沒有針對(duì)實(shí)際工程中啟動(dòng)電阻沖擊能量進(jìn)行仿真計(jì)算

本文主要對(duì)不同MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)啟動(dòng)特性的影響進(jìn)行分析。首先是對(duì)柔性換流站的MMC啟動(dòng)回路作了介紹。再接著對(duì)半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、混合橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的啟動(dòng)特性都進(jìn)行了分析，得到他們?cè)诨诓豢卣鞒潆姷某潆娞匦?。最后針?duì)昆柳龍實(shí)際工程，結(jié)合混合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的啟動(dòng)特性，提出了對(duì)實(shí)際工程啟動(dòng)電阻沖擊吸收能力和對(duì)實(shí)際柔直系統(tǒng)啟動(dòng)的建議。

1 柔性換流站啟動(dòng)回路簡(jiǎn)介

在啟動(dòng)時(shí)，柔性換流站的MMC的直流側(cè)電容是通過換流器中的二極管充電的，交流側(cè)斷路器合閘時(shí)的過程與向容性回路送電的過程相似，在子模塊的電容值很大的條件下會(huì)在電容器上面產(chǎn)生巨大的沖擊。

因此，為了減小這種沖擊電流，降低系統(tǒng)上電時(shí)對(duì)二極管產(chǎn)生的應(yīng)力，可以在啟動(dòng)的過程中加上一個(gè)緩沖電路，通過在開關(guān)上并聯(lián)一個(gè)啟動(dòng)電阻實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)先通過啟動(dòng)電阻充電，再啟動(dòng)電阻旁路。

典型啟動(dòng)回路示意圖如圖1所示。當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，在t1時(shí)刻先合上開關(guān)K1，經(jīng)過一定的延遲時(shí)間到達(dá)t2后，再合上開關(guān)K2，此時(shí)電阻處于被旁路的狀態(tài)，開關(guān)K1斷開，結(jié)束直流充電的過程。

圖1 啟動(dòng)回路示意圖Fig.1 Start circuit diagram

啟動(dòng)電阻的參數(shù)會(huì)受到系統(tǒng)啟動(dòng)特性影響。因此，對(duì)于不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下的啟動(dòng)特性進(jìn)行分析是非常必要的。下面就先進(jìn)行理論分析。

2 不同MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下的啟動(dòng)特性

根據(jù)零響應(yīng)電路的原理，在MMC啟動(dòng)充電的過程中，由電源提供的能量一部分會(huì)轉(zhuǎn)化為電場(chǎng)能量被電容儲(chǔ)存，另一部分會(huì)轉(zhuǎn)化為熱能被電阻消耗。下面分別對(duì)半橋子模塊、全橋子模塊、混合子模塊的啟動(dòng)進(jìn)行分析，得到對(duì)應(yīng)的啟動(dòng)特性。

2.1 半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的啟動(dòng)特性

采用半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)換流器，交流電源對(duì)本側(cè)功率模塊充電回路如圖2所示(以單極單閥組接線為例，雙極雙閥組充電回路原理一致)。以A、B相構(gòu)成充電回路為例子進(jìn)行分析。當(dāng)A相電壓瞬時(shí)值高于B相電壓瞬時(shí)值，電源經(jīng)A相上橋臂功率模塊的下反并聯(lián)二極管和B相上橋臂功率模塊上反并聯(lián)二極管向B相并聯(lián)電容充電。

圖2 不控整流啟動(dòng)充電回路Fig.2 Uncontrolled rectification start charging circuit

根據(jù)對(duì)半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)換流器啟動(dòng)回路的分析，可以得出以下公式。

不控整流本側(cè)電容充電電壓Uch_b(單橋臂)為：

(1)

式中Uf為柔性直流變壓器閥側(cè)相電壓。

不控整流單閥組端間電壓Uph為：

(2)

不控整流雙閥組極對(duì)地電壓Udch為：

(3)

僅對(duì)本側(cè)換流器充電，單相啟動(dòng)電阻沖擊吸收能量En為：

(4)

對(duì)本側(cè)和對(duì)側(cè)換流器充電，此時(shí)單相啟動(dòng)電阻沖擊吸收能量End為：

(5)

換流器單橋臂等效串聯(lián)電容C為：

(6)

式中：C0為單個(gè)模塊電容值；N為單橋臂功率模塊數(shù)。

2.2 全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的啟動(dòng)特性

采用對(duì)稱雙極結(jié)構(gòu)雙閥組全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)換流器，交流電源對(duì)本側(cè)功率模塊充電回路如圖2所示(以單極單閥組接線為例，雙極雙閥組充電回路原理一致)。

對(duì)全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)換流器啟動(dòng)回路的分析，可以得出：不控整流電容充電電壓(單橋臂)為半橋結(jié)構(gòu)的一半；不控整流直流極線對(duì)地電壓和極間電壓均為0，且無法給對(duì)側(cè)換流器充電；單極單相啟動(dòng)電阻沖擊吸收能量為半橋結(jié)構(gòu)的四分之一。

2.3 混合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的啟動(dòng)特性

采用混合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)換流器，對(duì)混合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)換流器啟動(dòng)回路的分析，可以得出以下公式。

假設(shè)一個(gè)橋臂中有N1個(gè)全橋功率模塊和N2個(gè)半橋功率模塊。

全橋電容充電電壓Ucf(單橋臂)為：

(7)

半橋電容充電電壓Uch(單橋臂)為：

(8)

不控整流單閥組端間電壓Up為：

(9)

不控整流雙閥組極對(duì)地電壓Udc為：

(10)

僅對(duì)本側(cè)換流器充電，單相啟動(dòng)電阻沖擊吸收能量Enh為：

(11)

式中：En為半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)情況下僅對(duì)本側(cè)換流器充電，單相啟動(dòng)電阻沖擊吸收能量。

對(duì)本側(cè)和對(duì)側(cè)換流器充電，單相啟動(dòng)電阻沖擊吸收能量Enhd為：

(12)

對(duì)于混合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由于不控整流充電階段全橋電容始終在充電，而半橋電容只有一半的充電時(shí)間，因此在不控整流充電結(jié)束后，全橋子模塊電容電壓約為半橋子模塊電容電壓的2倍，且半橋模塊由于等效損耗電阻較小引起電壓迅速下跌，對(duì)后續(xù)控制提出了較高的要求。閥控需快速介入將全橋模塊控制為半橋模塊充電模式進(jìn)行二次充電，該過程與半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不控充電過程相似，對(duì)啟動(dòng)電阻吸收能量影響很大。

3 算例仿真

為了能夠確定昆柳龍直流輸電系統(tǒng)中廣西、廣東側(cè)的柔性換流站啟動(dòng)電阻沖擊能量。在PSCAD中搭建了如圖3所示的電磁暫態(tài)模型進(jìn)行分析。算例中，換流閥的基本參數(shù)如表1所示。

圖3 柔性直流輸電啟動(dòng)特性仿真模型Fig.3 Simulation model for the start-up characteristics of VSC-HVDC

表1 換流閥元件參數(shù)Tab.1 Converter valve element parameters

首先對(duì)兩站采用半橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。分別對(duì)廣東、廣西側(cè)進(jìn)行充電，可以得到其啟動(dòng)電阻沖擊能量的波形，如圖4所示。當(dāng)系統(tǒng)采用全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過仿真可以分別得到廣東、廣西側(cè)此時(shí)的啟動(dòng)電阻沖擊能量如圖5所示。

圖4 啟動(dòng)電阻沖擊能量(半橋)Fig.4 Impact energy of starting resistance (half bridge)

圖5 啟動(dòng)電阻沖擊能量(全橋)Fig.5 Impact energy of starting resistance (full bridge)

當(dāng)采用混合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)，廣東、廣西側(cè)啟動(dòng)電阻沖擊能量如圖6所示。

圖6 啟動(dòng)電阻沖擊能量(混合)Fig.6 Impact energy of starting resistance (hybrid)

綜上所述，廣東、廣西側(cè)柔性直流系統(tǒng)在不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下的啟動(dòng)特性(10 s時(shí)，啟動(dòng)電阻能量)如表2所示。

表2 柔性直流站不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下不控整流啟動(dòng)特性Tab.2 Start-up characteristics of uncontrolled rectifiers under different topologies of VSC stations

以上沖擊吸收能量仿真計(jì)算結(jié)果與理論計(jì)算均相符。二次充電過程中，啟動(dòng)電阻仍需扔入，因此計(jì)算混合結(jié)構(gòu)啟動(dòng)電阻沖擊能量時(shí)需考慮充電時(shí)功率模塊全部為半橋模塊外特性的情況。

正常啟動(dòng)之外，故障情況下?lián)Q流站啟動(dòng)，也對(duì)啟動(dòng)電阻有吸收能量的要求[26]。當(dāng)閃絡(luò)發(fā)生在電阻與柔性直流變壓器之間，相關(guān)的保護(hù)會(huì)及時(shí)動(dòng)作。流經(jīng)電阻的短路電流會(huì)在短時(shí)間內(nèi)被快速切除。對(duì)于5 000 Ω的啟動(dòng)電阻，100 ms的保護(hù)時(shí)間，故障時(shí)吸收的沖擊能量為2MJ。正常啟動(dòng)中，啟動(dòng)電阻還未退出，就發(fā)生單相接地故障。此時(shí)廣東、廣西側(cè)吸收能量應(yīng)該為：

廣東側(cè)：13+3.2+2=18.2 MJ。

廣西側(cè)：7.4+1.6+2=11 MJ。

綜合以上工況，考慮1.1倍裕度，啟動(dòng)電阻初步設(shè)計(jì)沖擊吸收能量取 20 MJ/15 MJ(廣東側(cè)/廣西側(cè))。實(shí)際工程中廣東、廣西側(cè)啟動(dòng)電阻沖擊吸收能量考慮了更高裕度情況，采取32 MJ/25 MJ(廣東側(cè)/廣西側(cè))的設(shè)計(jì)。

對(duì)于混合結(jié)構(gòu)，由于全橋和半橋結(jié)構(gòu)電容電壓存在天然差異，且全橋功率模塊和半橋功率模塊數(shù)量也存在差異，當(dāng)半橋功率模塊數(shù)量占比較少時(shí)，半橋結(jié)構(gòu)不控整流期間損耗等效橋臂電阻遠(yuǎn)小于全橋結(jié)構(gòu)，造成半橋電容在充電后迅速放電引起半橋電容電壓下跌，具體仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 子模塊電容電壓仿真圖Fig.7 Simulation diagram of sub-module capacitor voltage

從圖7可以看出，當(dāng)帶對(duì)側(cè)站啟動(dòng)時(shí)，本側(cè)半橋電壓不僅要供給本側(cè)損耗，還要供給對(duì)側(cè)損耗，半橋電容電壓未充至理想值便開始下降，且比不帶對(duì)側(cè)啟動(dòng)時(shí)下降更快。廣西側(cè)模塊損耗與廣東側(cè)相當(dāng)，但橋臂電容小，廣西側(cè)半橋模塊放電更快，電容電壓下降更快。

4 結(jié)論

本文首先對(duì)不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的MMC的啟動(dòng)特性進(jìn)行了分析，得到了不同換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下不控整流啟動(dòng)特性；基于啟動(dòng)特性分析，對(duì)昆柳龍工程中廣東、廣西的啟動(dòng)電阻設(shè)計(jì)以及啟動(dòng)策略提出了如下建議和要求：

1)帶對(duì)側(cè)柔性直流站啟動(dòng)時(shí)，混合結(jié)構(gòu)中半橋電壓下降迅速，且將增大啟動(dòng)電阻吸收能量，因此不建議帶對(duì)側(cè)站啟動(dòng)，建議兩個(gè)柔性直流站分別啟動(dòng)后再連接直流側(cè)；

2)綜合不同工況，啟動(dòng)電阻初步設(shè)計(jì)沖擊吸收能量取20 MJ/15 MJ(廣東側(cè)/廣西側(cè))。啟動(dòng)電阻最終技術(shù)參數(shù)要求應(yīng)根據(jù)之后換流閥參數(shù)及具體啟動(dòng)策略進(jìn)行再次核算，實(shí)際工程考慮了更高裕度情況，采取32 MJ/25 MJ(廣東側(cè)/廣西側(cè))設(shè)計(jì)，為后續(xù)工程啟動(dòng)電阻設(shè)計(jì)提供了有力的參考價(jià)值。