柔性直流輸電工程起動策略及時間定值整定

唐志軍

（國網福建省電力有限公司電力科學研究院，福州 350007）

目前國內柔性直流領域研究處于起步階段，相關設計方案、控制策略、運行方式和維護方法均處于摸索階段，急需提升柔性直流輸電可靠性和設計水平[1-3]。其中換流器起動是柔直工程正常運行的關鍵過程之一，亟需展開換流器起動策略的相關研究[4-6]。

目前已有一些研究提出了柔性直流輸電的起動方法和控制策略。例如，文獻[7]提出一種起動協同調制策略用以匹配直流電壓和子模塊電壓。文獻[8]提出一種直流側充電起動策略，可降低起動時的沖擊電流。文獻[9]分析了向無源系統供電時起動的動態過程并提出相應預充電控制策略。文獻[10]提出調制波預跟蹤策略用以減少解鎖時沖擊電流。以上研究集中在降低電壓和電流沖擊方面，但針對起動的控制策略、操作過程及其時間定值的研究內容較少。

針對柔性直流輸電工程起動策略及時間定值整定方法的實際需求，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時序，然后給出相關起動時間定值整定方法，最后通過試驗驗證起動策略和時間定值整定方法的正確性。

1 換流器起動策略

以目前國內電壓等級最高、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，子模塊采用半橋拓撲，其電路結構如圖1所示。

國內已投運的南匯、舟山、廈門等柔性直流輸電工程通常采用的起動過程是，首先送端換流器閉合交流開關，通過不控整流向子模塊電容充電，受端換流器處于靜態直流充電狀態，然后受端換流器閉合交流開關，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），其典型起動策略如下：

1）合交流斷路器 1、2。通過充電電阻對浦園站換流器充電。

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為閥側交流線電壓有效值。此時浦園站換流器處于不控整流狀態、鷺島站換流器處于靜態直流充電狀態。

3）合交流斷路器 7、8。通過充電電阻對鷺島站換流器充電。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定后，斷開限流電阻，系統穩定后直流母線電壓與式（1）一致。此時浦園站、鷺島站換流器均處于不控整流狀態。

5）鷺島站換流器解鎖。系統穩定后直流母線電壓達到額定值，其計算式為

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為電壓調制比。

鷺島站換流器由于已解鎖，所以每個時刻每相只有n個模塊投入工作。而浦園站每個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，當直流母線電壓達到額定值時，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。系統穩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，起動過程結束，換流器進入正常運行狀態。

圖1 廈門柔性直流輸電工程主電路拓撲

2 起動過程時間定值整定

2.1 限流電阻工作時間

限流電阻可限制起動過程中沖擊電流，但其長時間工作易發生過熱故障。因此，第1節中起動過程步驟1）與步驟2）、步驟3）與步驟4）之間的限流電阻工作時間應通過時間定值來保護。

根據充電回路的作用時間，任意橋臂約有 1/3的工頻周期處于充電狀態，近似估算時可以認為充電時間常數為

為確保各子模塊電容充分充電，限流電阻工作時間可設置為10～40倍時間常數。

2.2 直流充電耐受時間

當一端換流器不控整流充電時，另一端換流器處于直流充電狀態。此時處于直流充電狀態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致均壓劣化。根據圖2試驗數據所示，長時間運行時子模塊電容電壓發生兩極分化，部分子模塊甚至處于反復起停狀態。取能電源反復開關易降低其使用壽命，因此應增設相應保護策略，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間保護，用以控制換流器靜態直流充電時間，在較短的靜態直流充電時間內，子模塊電壓兩極分化程度較小，可大幅減小反復起停取能電源的數量，提高子模塊運行可靠性。

圖2 子模塊電壓兩極分化時電壓波形

直流充電耐受時間定值整定方法如下：

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

2）最長耐受時間。最長耐受時間應滿足每個橋臂處于反復起停狀態的子模塊不超過子模塊總數量一半的要求。

綜上所述，直流充電耐受時間整定式為

式中，T50%為50%子模塊處于反復起停狀態所需時間。

以廈門柔性直流輸電工程為例，子模塊反復起停時周期約為1～1.5min；在30min后，子模塊電壓兩極分化程度較嚴重，約有一半子模塊電壓已跌落、取能電源反復起停。此后取能電源反復起停的子模塊數量變化較小，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直流充電過程的耐受時間整定范圍應在5～30min為佳。

2.3 一端解鎖耐受時間

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式（3）計算出子模塊平均電壓：

此時，子模塊電容電壓遠大于換流器處于靜態直流充電狀態時的電壓值。根據圖3試驗數據所示，子模塊電容電壓較大，子模塊間電壓分布會達到動態平衡，不會導致部分子模塊因電壓跌落而反復起停。

圖3 子模塊電壓達到動態平衡時波形

因此，當一端換流器解鎖、另一端不控整流時，可長時間保持在此狀態，用以提醒運維人員另一端換流器未解鎖，可設置一端解鎖耐受時間為2h。

3 試驗驗證

為了驗證本文提出的起動時序和時間定值的有效性，現對廈門柔性直流輸電工程進行相關試驗。

1）限流電阻充電試驗

廈門柔性直流輸電工程限流電阻為 2kΩ，子模塊電容為10mF，單個橋臂子模塊數量為216，根據式（4）計算時間常數為0.56s。試驗結果如圖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。廈門柔直工程限流電阻工作時間可選取10～40倍時間常數范圍內，最終設置為20s，可確保子模塊電容充電完全。

圖4 充電瞬間電流波形

2）直流充電耐受時間試驗

當浦園站不控整流、鷺島站處于靜態直流充電時，其子模塊反復起停的數量見表 1?？梢?，在靜態直流充電運行30min后，約有50%子模塊處于反復起停狀態，且反復起停的子模塊數量基本恒定。最終將直流充電耐受時間設置為30min。

表1 靜態直流充電時子模塊反復起停數

3）一端解鎖耐受時間試驗

當鷺島站解鎖、浦園站處于不控整流狀態時，浦園站子模塊電壓值和反復起停數量見表2?？梢?，子模塊間電壓分布會達到動態平衡，不會導致部分子模塊因電壓跌落而反復起停。最終將一端解鎖耐受時間定值設置為2h。

表2 一端解鎖時對端子模塊狀態

4 結論

本文首先提出廈門柔性直流輸電工程起動控制時序，包括限流充電、靜態直流充電、一端解鎖充電、雙端解鎖運行等階段；然后提出限流電阻充電時間、直流耐受時間、一端解鎖耐受時間等保護定值的整定方法；最后試驗驗證了起動時序和時間定值整定方法的有效性。試驗結果表明，本文提出的起動策略和時間定值整定方法可使換流器正常起動。

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