张 智 刘丽楠
MMC型柔性直流输电系统起动电阻器的选择研究
张 智1刘丽楠2
(1. 北京荣信慧科科技有限公司,北京 100193;2. 中国北方车辆研究所,北京 100072)
随着对直流输电灵活控制的要求的增加,大量以模块化多电平换流器(MMC)拓扑结构换流器的柔性直流输电工程投入建设及运行。国家“863”计划项目南方电网南澳多端柔性直流输电工程云南鲁西背靠背柔性直流输电工程,其换流器设备都是采用目前较为先进的MMC拓扑结构。而作为换流器起动前的预充电过程也得到了广泛的研究,而采用充电电阻的不控充电方式得到了大量柔直工程的青睐。本文研究了MMC换流器起动前的预充电过程,采用PSCAD仿真软件,结合某国外柔直项目工程设计参数,搭建了整体的系统模型,根据不控充电的方式搭建了充电电阻的模型,通过仿真结果给出了起动电阻的选择建议,并阐述了通过仿真的手段对柔直项目充电起动电阻器的选择的指导意义。
MMC;柔性直流输电;起动电阻器;PSCAD
我国近年来,基于电压源换流器的高压直流输电系统(VSC-HVDC),也叫柔性直流输电系统,得到了迅猛发展。从舟山的多端柔直项目到南澳多端柔直项目,再到云南鲁西背靠背柔直项目、渝鄂柔直项目以及即将开展的张北柔直项目,不但规模越来越大,电压等级越来越高,而且传输的电力容量也一次次的创世界新高。
柔性直流输电的换流器是采用高压大功率全控型电力电子器件。这种具有可控通断能力的器件,可以使换流器在四象限运行[1],对大型风电场(尤其海上风电)、新能源并网,向无源网络供电[2],以及不同区域的异步交流电网互联有着显著的优势。
早期投运的VSC-HVDC工程多为两电平和三电平拓扑,而这两种拓扑在电压高需要级联很多级H桥时,在动态均压、抗电磁干扰以及换流器的设计和布局上存在工程难点。
西门子公司为此设计了一种由多个子模块串联的模块化多电平换流器(modular multilevel converter, MMC)。这种结构的换流器可以使全控型功率器件运行在较低的开关频率,大大降低了电磁干扰和损耗;同时采用排序充放电电容的均压策略,可以轻松实现数量庞大的级联模块的动态均压;其模块化结构,也便于安装及日后的维护。因此,我国近几年的柔直工程换流器均采用MMC结构。
正是由于MMC的特殊模块化电力电子结构以及级联模块的数量非常庞大,因此MMC型换流器的电路等效模型非常复杂,并且随级数的增加会导致误差增大。这样使用传统的RC充电回路计算时间常数及预充电电阻就变的不准确。下文将介绍通过仿真建模手段解决上文的问题,对柔直工程充电电阻器的选择提出行之有效的方法。
图1为MMC型换流器拓扑。6个桥臂中每个桥臂均由图1右侧的半桥子模块(submodule, SM)串联构成。每个子模块有上下2个IGBT以及反并联二极管D1、D2。直流母线电压和子模块电容电压满足下式,即
式中,c为子模块电容电压,SM为每个桥臂串联的子模块级数,dc为直流母线电压。
换流器的每个桥臂由一个电抗器和个子模块串联而成。每个子模块可以根据触发脉冲来实现子模块的输出电压。每个子模块有投入、切除和闭锁3种状态[4]。MMC换流器正常工作需要两个必要条件[5]:①每相的上下桥臂的投入子模块数量和都相等,可以保证直流母线电压得以维持;②在满足第一个条件时,调节每相的上桥臂和下桥臂的投入子模块数量,可以实现对三相交流电压的输出的匹配。
图1 MMC基本结构
任何一个时刻,直流侧电压dc都由若干个子模块电容电压的总和以及电抗器的电压组成,即
式中,ai为a相第个子模块输出电压;为桥臂电抗器的电抗值;pa和na分别为换流器a相上、下桥臂的电流。
MMC-HVDC系统稳态模型如图2所示。MMC1为送端换流器,换流器结构如图1左侧,换流器从交流电网吸收有功和无功功率;MMC2为受端换流器,换流器向交流电网发出有功和无功功率。MMC型换流器具有输出的电压谐波含量少的特点,因此接入交流系统侧可以不配置滤波器。
以送端为例,换流器吸收的有功和无功功率分别为下式[6,9]
图2 MMC-HVDC电路图
式中,s1为换流站交流侧母线线电压;c1为换流器交流侧线电压基波分量;1为桥臂电抗器的等效电抗;为上述两个电压的相角差;为换流变压器的变比。
由式(3)可知,对于相角差的控制调节,可以实现对传输的有功功率方向和大小的控制。当>0时,MMC换流器运行在逆变模式,发出有功;当<0时,MMC换流器运行在整流模式,吸收有功。
对于基波幅值c1的控制调节,可以实现对传输的无功功率方向和大小的控制。当s1-c1cos>0时,MMC换流器吸收无功;当s1c1cos<0时,MMC换流器发出无功。
通常,MMC换流器子模块电容的预充电方式有两种,即他励和自励。自励方式是指直接利用交流侧电网向换流器子模块电容器进行充电;他励方式是指需要另外配置一套独立的辅助电源,来为流器子模块电容器进行充电。
他励方式不仅需要增加额外的充电功率,还需要给每个功率单元配备电容充电控制设备,实际的工程中换流阀的数目是相当庞大的,少则几百,多则几千个,这不但增加了换流设备运行维护成本,还带来了故障隐患,因此目前在工程中大部分采用自励充电的方式。
在实际工程中,采用自励方式给换流器子模块电容预充电,分为两个步骤:①换流器处于闭锁状态,电网侧的交流电通过子模块中的反并联二极管,向电容器进行不控整流充电,但是此阶段电容器电压不会升到额定工作电压,会比额定工作电压低;②换流器进行解锁,电容电压平衡控制策略会将每个子模块电容的电压控制到额定工作电压[7]。
上述的第①步骤中,当交流线路合闸时,可以等效为对大电容进行充电,合闸瞬间是短路效果。不仅对交流电网有冲击,冲击电流也会对子模块造成影响。因此会在电网和换流器之间串联一个限流电阻,并配有一个旁路开关,如图3所示。
不控充电时,断路器2断开,断路器1闭合,经过充电电阻对MMC换流器子模块电容器进行充电。待子模块电容电压能量满足取能要求后,断路器2闭合,断路器1断开,电阻被旁路,电阻充电过程结束。
图3 MMC-HVDC充电电阻电路图
实际工程中,充电电阻作为柔直输电系统的一个组成部分,是不参与正常输电工作的,仅仅参与MMC起动之前的预充电过程[10]。
本文着重对充电电阻参数选择进行研究,电阻阻值过小,起不到保护换流阀的作用,甚至可能会损坏电阻本身;电阻阻值过大,会加大整个充电过程的时间。因此如何选择合适的电阻阻值,既能起到保护换流阀作用,又能不浪费充电时间,还能兼顾节约成本就显得至关重要了。
近年来,任何大型柔直项目的设计与分析,无论是设计公司还是换流阀生产公司,都会广泛采用仿真手段,通过仿真建模来分析各种静态和动态的问题。本文以下将采用仿真分析的方法,对充电电阻的选择给出合适的参考。
采用PSCAD仿真软件进行仿真建模,使用的工程原始数据为国外某柔直项目,系统接线形式为对称单极,如图4所示。工程的主回路参数见表1。
图4 对称单极柔直系统接线示意图
系统的PSCAD仿真模型搭建如图5所示。
MMC换流器模型如图6所示,每个换流阀包括3个相模块部分(见图7—图9),每个相模块包括上下桥臂两部分,每个桥臂包含一个桥臂电抗器和61级功率单元。
仿真过程:1s时交流侧断路器闭合送电,充电电阻并联的断路器始终断开,观察不同阻值时充电电阻的特性。
表1 柔直工程主回路参数
图5 PSCAD系统建模
图6 换流阀模型
图7 相模块模型
图9 起动电阻模型
1)边界电阻值仿真波形
从表1柔直工程主回路参数中可以得知,换流阀的最大有功功率为85MW,最大无功功率为39.6Mvar,因而可知阀交流侧持续最大电流峰值为1129A。当充电电阻选取39W时,可从图10看出冲击电流峰值为1129A。
2)典型电阻值1000W仿真波形(如图11所示)
3)典型电阻值3000W仿真波形(如图12所示)
4)典型电阻值5000W仿真波形(如图13所示)
总结仿真结果见表2。
表2 充电电阻器不同阻值时的特性参考参数
从表2可以得出以下结论:
1)充电时不同阻值的电阻器端对地的最高电压相同。
2)阻值越小时充电时间越少。
3)阻值越小时冲击的能量越大。
4)不同阻值时的吸收能量基本相同。
上面得出的结论其实是显而易见的,本文的研究目的不是为了仅仅得出上述的简单结论,而是想通过介绍这种方法,来展现如何为柔直工程起动电阻器的选择提供参数依据。
目前对于换流阀制造公司,对换流阀充电还有一些非通用的限制条件,比如我公司设计的换流阀的功率单元,其驱动电能就是取自充电电能。如果充电过快,就会对驱动电路造成冲击,导致对IGBT触发脉冲错位,从而使得换流阀无法进入待起动状态。因此规定当充电时,功率单元驱动电路的工作电压从零上升到额定值得时间不小于0.5s,整体充电时间控制在10s左右。基于这个限制条件并结合表2,本工程充电电阻可选择3000W,650kJ。
表2的参数也可以通过计算给出,但在上文提到,MMC换流阀的结构比较复杂,每相串联的功率模块数目庞大,尤其是当要给出不同阻值时的各个参数时,计算复杂而且计算量很大。而采用仿真的手段就比较直观而且简单,目前任何柔直工程都会建立仿真模型进行各种静态和动态的研究,起动电阻的选择可以顺便进行研究,建模时甚至无需搭建换流阀的控制部分,只需将换流阀整体闭锁即可,简单有效。
综上所述,通过仿真手段对柔直项目充电电阻器的选择有着重要的指导意义。
[1] 李庚银, 吕鹏飞, 李广凯, 等. 轻型高压直流输电技术的发展与展望[J]. 电力系统自动化, 2003, 27(4): 77-81.
[2] 陈海荣, 徐政. 向无源网络供电的VSC-HVDC系统的控制器设计[J]. 中国电机工程学报, 2006, 26(23): 42-48.
[3] Dorn J, Huang H, Retzmann D. A new multilevel voltage sourced converter topology for HVDC appli- cations[C]//CI-GRE Session. Paris, France: CIGRE, 2008.
[4] GEMMELL B, DORN J, RETZM ANN D, et al. Prospects of mul-tilevel VSC technologies for power transmission//Proceedings of IEEE PES Transmission and Exposition, April 21-24, 2008, Chicago, IL, USA: 16p.
[5] PEREZ M, RODRIGUEZ J, PONT J, et al. Power distribution in hybrid multilevel convectors with nearest level modulation[J]//Proceedings of IEEE International Symposium on Industrial Electronics, June 4-7, 2007, Vigo, Spain: 736-741.
[6] 王姗姗, 周孝信, 汤广福, 等. 交流电网强度对模块化多电平换流器HVDC运行特性的影响[J]. 电网技术, 2011, 35(2): 17-24.
[7] 陈海荣, 张静, 潘武略. 电压源换流器型直流输电系统的启动控制[J]. 高电压技术, 2009, 35(5): 1164- 1169.
[8] 张静, 徐政, 陈海荣. VSC-HVDC系统启动控制[J]. 电工技术学报, 2009, 24(9): 159-165.
[9] 杨小磊. 多端柔性直流输电系统接入某海岛电网的研究[J]. 电气技术, 2015, 16(5): 12-16, 21.
[10] 顾伟峰, 赵新龙, 杨志千. 直驱风电机组并网变流器预充电电路设计方法优化[J]. 电气技术, 2014, 15(6): 90-92.
Study on selection of starting resistor for MMC flexible HVDC transmission system
Zhang Zhi1Liu Li’nan2
(1. Beijing Rongxin HUICO Technology Co., Ltd, Beijing 100193; 2. China North Vehicle Research Institute, Beijing 100072)
With the increasing demand for flexible control of DC transmission, a large number of flexible HVDC transmission projects with MMC (modular multilevel converter) topology converter are put into construction and operation. Such as the national "863" project of China Southern Power Grid Nan'ao flexible HVDC project, and Yunnan Luxi back-to-back flexible HVDC project, the converter equipment are based on the topological structure of MMC is more advanced at present. And pre-charging of the converter has been widely studied, charging resistance of the uncontrolled charging method has been a large number of flexible engineering favor. In this paper, the basic structure and working principle of the modular multilevel converter DC transmission are introduced. The principle of MMC-HVDC is introduced, and the pre charging process of MMC converter is introduced. Finally, by PSCAD simulation, combined with the design parameters of a foreign flexible project. The selection of starting resistance is obtained by the simulation results the guiding significance of the selection of the charging starting resistor for the flexible HVDC project is described.
MMC; flexible HVDC; starting resistor; PSCAD
2018-03-23
张 智(1978-),男,吉林省吉林市人,硕士研究生,工程师,主要研究方向为柔性直流输电、电力电子及无功补偿技术。