不同拓撲結(jié)構(gòu)的換流器對啟動特性影響

余敬冬，曾子安，呂習超，榮軍，陸小劍，石萬里，樊友平

(1. 中國南方電網(wǎng)有限責任公司超高壓輸電公司柳州局，廣西 柳州545000；2. 武漢大學電氣與自動化學院，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：無功功率和有功功率解耦獨立控制；不會有換向失敗的情況；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。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[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[10 - 19]。目前MMC主要的拓撲結(jié)構(gòu)有半橋、全橋、半全混合等。在昆柳龍直流輸電工程中，實際采用的是混合拓撲結(jié)構(gòu)，具有較好的自我清障能力與低成本優(yōu)點。

如今對于半橋拓撲結(jié)構(gòu)的控制策略已經(jīng)非常成熟。文獻[20]提出在MMC的橋臂中串入一個限流電阻，通過旁路開關(guān)來配合啟動。文獻[21]針對雙端柔直輸電系統(tǒng)兩端啟動時，逆變側(cè)電容電壓過低這一問題，提出一種雙站協(xié)調(diào)配合的預充電控制策略。文獻[22 - 23]綜合LCC和MMC的特點，基于混合輸電系統(tǒng)的數(shù)學模型，設(shè)計穩(wěn)態(tài)控制及啟動策略。混合拓撲結(jié)構(gòu)的MMC相對于半橋拓撲結(jié)構(gòu)比較復雜。借鑒于半橋拓撲結(jié)構(gòu)，文獻[24]對混合拓撲結(jié)構(gòu)提出了三段式啟動充電策略，文獻[25]還介紹了混合拓撲結(jié)構(gòu)的直流側(cè)充電策略。上述文獻對半橋及混合MMC的啟動策略作了介紹，但是都沒有針對實際工程中啟動電阻沖擊能量進行仿真計算

本文主要對不同MMC拓撲結(jié)構(gòu)對啟動特性的影響進行分析。首先是對柔性換流站的MMC啟動回路作了介紹。再接著對半橋拓撲結(jié)構(gòu)、全橋拓撲結(jié)構(gòu)、混合橋拓撲結(jié)構(gòu)的啟動特性都進行了分析，得到他們在基于不控整流充電的充電特性。最后針對昆柳龍實際工程，結(jié)合混合拓撲結(jié)構(gòu)的啟動特性，提出了對實際工程啟動電阻沖擊吸收能力和對實際柔直系統(tǒng)啟動的建議。

1 柔性換流站啟動回路簡介

在啟動時，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)上電時對二極管產(chǎn)生的應(yīng)力，可以在啟動的過程中加上一個緩沖電路，通過在開關(guān)上并聯(lián)一個啟動電阻實現(xiàn)，系統(tǒng)先通過啟動電阻充電，再啟動電阻旁路。

典型啟動回路示意圖如圖1所示。當系統(tǒng)啟動時，在t1時刻先合上開關(guān)K1，經(jīng)過一定的延遲時間到達t2后，再合上開關(guān)K2，此時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 啟動回路示意圖Fig.1 Start circuit diagram

啟動電阻的參數(shù)會受到系統(tǒng)啟動特性影響。因此，對于不同拓撲結(jié)構(gòu)下的啟動特性進行分析是非常必要的。下面就先進行理論分析。

2 不同MMC拓撲結(jié)構(gòu)下的啟動特性

根據(jù)零響應(yīng)電路的原理，在MMC啟動充電的過程中，由電源提供的能量一部分會轉(zhuǎn)化為電場能量被電容儲存，另一部分會轉(zhuǎn)化為熱能被電阻消耗。下面分別對半橋子模塊、全橋子模塊、混合子模塊的啟動進行分析，得到對應(yīng)的啟動特性。

2.1 半橋拓撲結(jié)構(gòu)的啟動特性

采用半橋拓撲結(jié)構(gòu)換流器，交流電源對本側(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行分析。當A相電壓瞬時值高于B相電壓瞬時值，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 不控整流啟動充電回路Fig.2 Uncontrolled rectification start charging circuit

根據(jù)對半橋拓撲結(jié)構(gòu)換流器啟動回路的分析，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地電壓Udch為：

(3)

僅對本側(cè)換流器充電，單相啟動電阻沖擊吸收能量En為：

(4)

對本側(cè)和對側(cè)換流器充電，此時單相啟動電阻沖擊吸收能量End為：

(5)

換流器單橋臂等效串聯(lián)電容C為：

(6)

式中：C0為單個模塊電容值；N為單橋臂功率模塊數(shù)。

2.2 全橋拓撲結(jié)構(gòu)的啟動特性

采用對稱雙極結(jié)構(gòu)雙閥組全橋拓撲結(jié)構(gòu)換流器，交流電源對本側(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)。

對全橋拓撲結(jié)構(gòu)換流器啟動回路的分析，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地電壓和極間電壓均為0，且無法給對側(cè)換流器充電；單極單相啟動電阻沖擊吸收能量為半橋結(jié)構(gòu)的四分之一。

2.3 混合拓撲結(jié)構(gòu)的啟動特性

采用混合拓撲結(jié)構(gòu)換流器，對混合拓撲結(jié)構(gòu)換流器啟動回路的分析，可以得出以下公式。

假設(shè)一個橋臂中有N1個全橋功率模塊和N2個半橋功率模塊。

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地電壓Udc為：

(10)

僅對本側(cè)換流器充電，單相啟動電阻沖擊吸收能量Enh為：

(11)

式中：En為半橋拓撲結(jié)構(gòu)情況下僅對本側(cè)換流器充電，單相啟動電阻沖擊吸收能量。

對本側(cè)和對側(cè)換流器充電，單相啟動電阻沖擊吸收能量Enhd為：

(12)

對于混合拓撲結(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行二次充電，該過程與半橋拓撲結(jié)構(gòu)的不控充電過程相似，對啟動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

首先對兩站采用半橋結(jié)構(gòu)進行分析。分別對廣東、廣西側(cè)進行充電，可以得到其啟動電阻沖擊能量的波形，如圖4所示。當系統(tǒng)采用全橋拓撲結(jié)構(gòu)，通過仿真可以分別得到廣東、廣西側(cè)此時的啟動電阻沖擊能量如圖5所示。

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

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

當采用混合拓撲結(jié)構(gòu)時，廣東、廣西側(cè)啟動電阻沖擊能量如圖6所示。

圖6 啟動電阻沖擊能量(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)在不同拓撲結(jié)構(gòu)下的啟動特性(10 s時，啟動電阻能量)如表2所示。

表2 柔性直流站不同拓撲結(jié)構(gòu)下不控整流啟動特性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算結(jié)果與理論計算均相符。二次充電過程中，啟動電阻仍需扔入，因此計算混合結(jié)構(gòu)啟動電阻沖擊能量時需考慮充電時功率模塊全部為半橋模塊外特性的情況。

正常啟動之外，故障情況下?lián)Q流站啟動，也對啟動電阻有吸收能量的要求[26]。當閃絡(luò)發(fā)生在電阻與柔性直流變壓器之間，相關(guān)的保護會及時動作。流經(jīng)電阻的短路電流會在短時間內(nèi)被快速切除。對于5 000 Ω的啟動電阻，100 ms的保護時間，故障時吸收的沖擊能量為2MJ。正常啟動中，啟動電阻還未退出，就發(fā)生單相接地故障。此時廣東、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，啟動電阻初步設(shè)計沖擊吸收能量取 20 MJ/15 MJ(廣東側(cè)/廣西側(cè))。實際工程中廣東、廣西側(cè)啟動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。

對于混合結(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，當半橋功率模塊數(shù)量占比較少時，半橋結(jié)構(gòu)不控整流期間損耗等效橋臂電阻遠小于全橋結(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，當帶對側(cè)站啟動時，本側(cè)半橋電壓不僅要供給本側(cè)損耗，還要供給對側(cè)損耗，半橋電容電壓未充至理想值便開始下降，且比不帶對側(cè)啟動時下降更快。廣西側(cè)模塊損耗與廣東側(cè)相當，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

本文首先對不同拓撲結(jié)構(gòu)的MMC的啟動特性進行了分析，得到了不同換流器拓撲結(jié)構(gòu)下不控整流啟動特性；基于啟動特性分析，對昆柳龍工程中廣東、廣西的啟動電阻設(shè)計以及啟動策略提出了如下建議和要求：

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

2)綜合不同工況，啟動電阻初步設(shè)計沖擊吸收能量取20 MJ/15 MJ(廣東側(cè)/廣西側(cè))。啟動電阻最終技術(shù)參數(shù)要求應(yīng)根據(jù)之后換流閥參數(shù)及具體啟動策略進行再次核算，實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，為后續(xù)工程啟動電阻設(shè)計提供了有力的參考價值。