專利名稱：一種高壓直流輸電啟動和運行方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種改進的高壓直流輸電運行方式。
背景技術(shù)：
隨著經(jīng)濟和技術(shù)的不斷發(fā)展,電力系統(tǒng)已經(jīng)進入交直流混合輸電的大電網(wǎng)時代。
而電力系統(tǒng)的不斷擴大使得高壓直流輸電(HVDC)的作用顯得尤為突出。然而傳統(tǒng)的 高壓直流輸電(HVDC)其換流站廣泛采用晶閘管作為換流器件，由于晶閘管的半控性, 高壓直流輸電技術(shù)用于聯(lián)網(wǎng)存在一些固有缺陷
1. 傳統(tǒng)HVDC需要交流電網(wǎng)提供換相電流，此電流實際就是相間的短路電流，當(dāng) 交流電網(wǎng)發(fā)生故障或三相嚴(yán)重不對稱等導(dǎo)致交流電勢下降時，HVDC換流重疊角將增 大，導(dǎo)致?lián)Q相失敗。對多饋入HVDC的交流系統(tǒng)，交流系統(tǒng)故障和直流輸電線路發(fā)生故 障時，容易誘發(fā)其它直流線路的連鎖發(fā)應(yīng)，對直流系統(tǒng)的安全運行和交流系統(tǒng)的穩(wěn)定 均造成嚴(yán)重威脅。
2. 傳統(tǒng)HVDC需要交流電網(wǎng)提供換相電流，這就要求受端系統(tǒng)必須是有源網(wǎng)絡(luò)。 而且即使當(dāng)受端系統(tǒng)是有源網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)其不具有足夠的短路比時，HVDC也會發(fā)生連續(xù)換 相失敗的事故，在這種情況下，也只能令系統(tǒng)退出運行。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服普通HVDC系統(tǒng)固有的缺陷、提出一種當(dāng)HVDC停運時，能 夠使其平穩(wěn)重啟并能輸送一定功率的高壓直流輸電啟動和運行方法。 本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的
一種高壓直流輸電啟動和運行方法，它是在HVDC輸電系統(tǒng)上并聯(lián)VSC-HVDC子系 統(tǒng)，其共同受端為無源系統(tǒng)，所述HVDC輸電系統(tǒng)由送端交流系統(tǒng)Si、系統(tǒng)阻抗&、 換流變壓器L、 HVDC換流器及輸電線路DC1構(gòu)成，并通過斷路器BRK與母線B1相聯(lián); 所述VSC-HVDC子系統(tǒng)由送端交流系統(tǒng)S2、系統(tǒng)P且抗&、換流變壓器12、 VSC-HVDC換 流器及輸電線路DC2構(gòu)成，并直接與母線B1相聯(lián)；重啟按如下方法進行
所述VSC-HVDC整流側(cè)釆用定直流電壓和無功功率方式控制；
使HVDC整流側(cè)換流變壓器換流閥帶電；閉合BRK,使逆變側(cè)的換流站換流變壓器 Ts2與公共母線Bl相聯(lián)，并使逆變側(cè)換流變壓器換流閥帶電；
HVDC整流側(cè)和逆變側(cè)兩端換流站分別進行直流側(cè)開關(guān)設(shè)備的操作，實現(xiàn)直流回 路連接；
在觸發(fā)角等于90或大于90的條件下，先解鎖逆變器，后解鎖整流器； 逐步升高逆變側(cè)直流電壓直至運行整定值，使直流電壓升高到1. Opu; 逐漸升高整流側(cè)直流電流直至運行的整定值；所述電流整流值定為0.2pu; 當(dāng)直流電壓和直流電流均升到整定值時，啟動過程結(jié)束，直流輸電系統(tǒng)轉(zhuǎn)入正常 運行。
上述高壓直流輸電啟動和運行方法，所述VSC-HVDC整流側(cè)釆用的定直流電壓和 無功功率的控制方式為d軸和q軸解耦的控制策略。
上述高壓直流輸電啟動和運行方法，所述逆變器的調(diào)制度m:由下式確定
換流器輸出電壓的基波分量仏和交流母線電壓基波分量"間的相角差由下式確
定
《arctan^^"; "匈
上述高壓直流輸電啟動和運行方法，隨所述輸電系統(tǒng)重啟，逐步投入交流濾波器
和無功,M嘗裝置。
本發(fā)明提供了一種新型高壓直流輸電的啟動和運行方式，它能夠使停運的HVDC 系統(tǒng)不是依靠傳統(tǒng)的交流電網(wǎng)啟動和運行，而是依靠VSC-HVDC系統(tǒng)啟動和運行。傳統(tǒng) HVDC需要交流電網(wǎng)提供換相電流，所以當(dāng)其受端為無源網(wǎng)絡(luò)時，HVDC不能運行。而本 發(fā)明通過VSC-HVDC系統(tǒng)逆變側(cè)的定交流電壓的控制方式,可以使受端公共母線處的交 流電壓在額定值附M穩(wěn)定。此時投入HVDC及一些必要的濾波裝置，可以使HVDC正 常啟動且穩(wěn)定運行，并能輸送一定的功率。本發(fā)明投入相對較少，能有效提高電力系
統(tǒng)大停電后的恢復(fù)速度，縮短大停電時間，具有較大的實用價值。
圖1為VSC-HVDC原理圖2為本發(fā)明系統(tǒng)原理圖3為VSC-HVDC整流側(cè)控制框圖4為VSC-HVDC逆變側(cè)控制框圖5為HVDC從啟動前一秒到穩(wěn)定運行期間整流側(cè)的直流電壓和直流電流標(biāo)么值 艦
圖6為HVDC從啟動前一秒到穩(wěn)定運行期間逆變側(cè)的直流電壓和直流電流標(biāo)么值 艦
圖7為HVDC從啟動前一秒到穩(wěn)定運行期間向無源網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)挠泄β什ㄐ危?圖8為HVDC從啟動前一秒到穩(wěn)定運行期間逆變側(cè)的關(guān)斷角波形(穩(wěn)定在29. 7度); 圖9為HVDC從啟動前一秒到穩(wěn)定運行期間整流側(cè)的觸發(fā)角波形(穩(wěn)定在21. 2度); 圖10為HVDC從啟動前一秒到穩(wěn)定運行期間逆變側(cè)交流電壓有效值的標(biāo)么值波
形；
圖11為HVDC從啟動前一秒到穩(wěn)定運行期間逆變側(cè)交流電壓瞬時值的標(biāo)么值波形 在一個很小區(qū)間的細致1^見；
圖12為HVDC從啟動前一秒到穩(wěn)定運行期間VSC-HVDC傳輸?shù)挠泄β什ㄐ巍?圖中各標(biāo)號表示為Z、換流電捐器等效電感；A VSC功率損耗等效電阻；"、系 統(tǒng)電壓；S!,HVDC系統(tǒng)的送端交流系統(tǒng)；HVDC系統(tǒng)的送端系統(tǒng)阻抗&; Tsl、 HVDC系統(tǒng) 的送端換流變壓器；DC1、 HVDC系統(tǒng)輸電線路；Tri、 HVDC系統(tǒng)的逆變側(cè)變壓器；Zr、 無源網(wǎng)絡(luò)側(cè)的等值阻抗；Lr、交流輸電線路等值電感；S2、 VSC-HVDC子系統(tǒng)的送端交 流系統(tǒng)；《2、 VSC-HVDC子系統(tǒng)的系統(tǒng)阻抗；Ts2、 VSC-HVDC子系統(tǒng)始換流變壓器；DC2、 VSC-HVDC輸電線路；Tr2、 VSC-HVDC子系統(tǒng)逆變側(cè)變壓器；AC Filter、交流濾波器； BRK、斷路器；Bl、母線；Ps、無源網(wǎng)絡(luò)所需有功功率;Qs、無源網(wǎng)絡(luò)所需無功功率； "ref、直流母線電壓參考衝l直流母線電壓測量值；/ltef、整流側(cè)交流電流參考值； "整流側(cè)交流電流測量值的d軸分量；"dd、整流側(cè)系統(tǒng)交流電壓d軸分量；wslq、整 流側(cè)系統(tǒng)交流電壓q軸分量；"dd.整流換流器輸出電壓d軸分量；"14、整流換流，
出電壓q軸分量；單元l、表示函數(shù)關(guān)系m,2^^ + "乙;單元2、表示函數(shù)關(guān)系為:
^arctan!^; (^為整流側(cè)交流系統(tǒng)輸出無功功率參考值；UBlref. VSC-HVDC逆變側(cè)交 "
流電壓參考值；
具體實施例方式
本發(fā)明利用VSC-HVDC子系統(tǒng)協(xié)助HVDC系統(tǒng)進行重啟和運行。在此過程中，HVDC 已經(jīng)由于某種原因退出運行，通過斷路器BRK與母線B1相聯(lián)。如圖2所示，VSC-HVDC 子系統(tǒng)正常運行，供電無源網(wǎng)絡(luò)。
VSC-HVDC (Voltage Source Converter based High Voltage Direct Current, VSC-HVDC)以全控型器件為開關(guān)器件，具有以下主要優(yōu)點
a.能給無源網(wǎng)^^供電源；b.能對有功和無功進行獨立快速的控制，可運行在有 功和無功四個象限狀態(tài);C.能為交流側(cè)提供快速的無功支持，起到STATCOM的作用;d. 整流惻和逆變側(cè)不需要進行通信，可以分別獨立控制。
圖中，聯(lián)網(wǎng)的VSC-HVDC整流側(cè)釆用了定直流電壓和無功功率的控制方式，具體釆 用d軸和q軸解耦的控制策略，即通過派克變換，推導(dǎo)出VSC-HVDC在dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系
下的連續(xù)時間狀態(tài)空間模型，來實現(xiàn)定直流電壓和無功功率控制的目的，控制框圖如 圖3所示。圖3中除PWM觸JJc沖模塊和鎖相環(huán)夕卜其余部分為控制算法關(guān)系示意圖，單元 l和單元2為控制函數(shù)關(guān)系，由于VSC-HVDC供電無源網(wǎng)絡(luò)，所以逆變側(cè)釆用的是定交流 電壓的控制方式，控制框圖如圖4所示。
圖中，若IL為換流器輸出電壓的基波分量；Us為交流母線電壓基波分量；5為仏和
仏間的相角差；換流器采用PWM控制，m為調(diào)制度。usld， u^分別為整流側(cè)系統(tǒng)交流電 壓d軸和q軸分量；iw 11。14分別為整流換流器輸出電壓d軸和q軸分量；單元1的函 數(shù)關(guān)系為2外+《,單元2的函數(shù)關(guān)系為[arctan^。
在重啟HVDC時，VSC-HVDC子系統(tǒng)已經(jīng)穩(wěn)定運行。由于VSC-HVDC子系統(tǒng)逆變側(cè)
采用定交流電壓的控制方式，通過其控制系統(tǒng)的作用，母線Bl處的交流電壓穩(wěn)定在
1. Opu，此時閉合斷路器BRK,然后啟動HVDC。 HVDC啟動步驟為
1 HVDC整流側(cè)的換流站換流變壓器L與送端交流系統(tǒng)(Sl)之間的斷路器合上, 使整流側(cè)換流變壓器換流閥帶電；同時閉合BRK,使逆變側(cè)的換流站換流變壓器Ts2與 公共母線B1相聯(lián)，使逆變側(cè)換流變壓器換流閥帶電；
2 HVDC整流側(cè)和逆變側(cè)兩端換流站分別進行直流側(cè)開關(guān)設(shè)備的操作，以實現(xiàn)直流 回路的連接(為了突出本發(fā)明的關(guān)鍵，開關(guān)設(shè)備并未在圖2中表示出，圖2只是HVDC 啟動時的中間狀態(tài))；
3 HVDC整流側(cè)和逆變側(cè)兩端換流站分別投入適量的交流濾波器支路；
4在觸發(fā)角等于90或大于90的條件下，先解鎖逆變器，后解鎖整流器;由于仿真 軟件本身有一定的理想化，為了使仿真時的啟動條件惡劣些，在仿真時整流器和逆變 側(cè)同時解鎖；
5逆變側(cè)的直流電壓調(diào)節(jié)器(或關(guān)斷角調(diào)節(jié)器)按啟動過程對直流電壓變化規(guī)律 (一般為直線變化)的要求,逐步升高直流電壓直至運行的整定值(或關(guān)斷角整定衝。在 本仿真中，直流電壓升高到500kV (l.Opu);
6與此同時,整流側(cè)的電流調(diào)節(jié)器按啟動過程中對直流電流變化規(guī)律(一般為直線 變化)的要求,逐漸升高直流電流直至運行的整定值;考慮到HVDC與VSC-HVDC電壓等級 和容量的配合，以及為了保證HVDC啟動和運行時VSC-HVDC子系統(tǒng)也能正常運行，電 流整流值定為0. 2pu。
7在直流電壓和直流電流均升到整定值時,啟動過程結(jié)泉直流輸電系統(tǒng)轉(zhuǎn)入正常 運行。
在投入HVDC時，逐步投入交流濾波器和無功,M嘗裝置。
針對圖2所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行仿真分析。初始狀態(tài)時,VSC-HVDC對無源網(wǎng)絡(luò)供電， 負荷大小為300MW, 5秒前已處于穩(wěn)態(tài)，且母線B1處的交流電壓在額定值附近。在5 秒時閉合斷路器BRK, 5. 04秒給HVDC觸發(fā)脈沖。
HVDC的系統(tǒng)容量為IOOOMW，額定直流電壓為500kV,額定直流電流為0. 2KA?？?制策略為，整流側(cè)為定直流電流控制和最小觸發(fā)角(5度)控制，逆變側(cè)為定關(guān)斷角
和定直流電流控制，且設(shè)有低壓限流環(huán)節(jié)(VDCOL)。為了保證HVDC系統(tǒng)能啟動成功， 設(shè)定初始運行功率小些。在這里整流側(cè)直流電流設(shè)定值在0.2pu (對應(yīng)的功率設(shè)定值 為200MW)。在10秒左右，整個系統(tǒng)達到穩(wěn)定。此時，HVDC整流側(cè)的直流電壓在1. Opu, 直流電流在0.2pu,整流側(cè)觸發(fā)角為21.2度，逆變側(cè)關(guān)斷角為29. 7度，母線B1處的 交流電壓很穩(wěn)定且畸變很小，HVDC和VSC-HVDC共同承擔(dān)300MW的負荷需求。
上述實施例的仿真實驗表明，本發(fā)明提供的高壓直流輸電運行方式完全可行，當(dāng) 受端系統(tǒng)是無源網(wǎng)絡(luò)時，HVDC可以依靠VSC-HVDC順利啟動和穩(wěn)定運行，并且能向無 源網(wǎng)絡(luò)傳送一定的功率。
權(quán)利要求
1.一種高壓直流輸電啟動和運行方法，其特征在于，在HVDC輸電系統(tǒng)上并聯(lián)VSC-HVDC子系統(tǒng)，其共同受端為無源系統(tǒng)，所述HVDC輸電系統(tǒng)由送端交流系統(tǒng)(S1)、系統(tǒng)阻抗(Zs1)、換流變壓器(Ts1)、HVDC換流器及輸電線路(DC1)構(gòu)成，并通過斷路器(BRK)與母線(B1)相聯(lián)；所述VSC-HVDC子系統(tǒng)由送端交流系統(tǒng)(S2)、系統(tǒng)阻抗(Zs2)、換流變壓器(Ts2)、VSC-HVDC換流器及輸電線路(DC2)構(gòu)成，并直接與母線(B1)相聯(lián)；重啟按如下方法進行所述VSC-HVDC整流側(cè)采用定直流電壓和無功功率方式控制，逆變側(cè)采用定交流電壓方式控制；使HVDC整流側(cè)換流變壓器換流閥帶電；閉合BRK，使逆變側(cè)的換流站換流變壓器Ts2與公共母線B1相聯(lián)，并使逆變側(cè)換流變壓器換流閥帶電；HVDC整流側(cè)和逆變側(cè)兩端換流站分別進行直流側(cè)開關(guān)設(shè)備的操作，實現(xiàn)直流回路連接；在觸發(fā)角等于90或大于90的條件下，先解鎖逆變器，后解鎖整流器；逐步升高逆變側(cè)直流電壓直至運行整定值，使直流電壓升高到1.0pu；逐漸升高整流側(cè)直流電流直至運行的整定值；所述電流整流值定為0.2pu；當(dāng)直流電壓和直流電流均升到整定值時，啟動過程結(jié)束，直流輸電系統(tǒng)轉(zhuǎn)入正常運行。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高壓直流輸電啟動和運行方法，其特征在于，所述 VSC-HVDC逆變側(cè)采用定交流電壓的控制策略。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的高壓直流輸電啟動和運行方法，其特征在于，所述 VSC-HVDC整流側(cè)釆用的定直流電壓和無功功率的控制方式為d軸和q軸解耦的控制策 略。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的高壓直流輸電啟動和運行方法，其特征在于，所述逆變 器的調(diào)制度iih由下式確定<formula>formula see original document page 2</formula>換流器輸出電壓的基波分量"。和交流母線電壓基波分量"間的相角差由下式確定<formula>formula see original document page 3</formula>
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高壓直流輸電啟動和運行方法，其特征在于，隨所述輸 電系統(tǒng)重啟，逐步投入交流濾波器和無功凈hf嘗裝置。
全文摘要
一種高壓直流輸電啟動和運行方法，它是在HVDC輸電系統(tǒng)上并聯(lián)VSC-HVDC子系統(tǒng)，其共同受端為無源系統(tǒng)，所述HVDC輸電系統(tǒng)由送端交流系統(tǒng)S<sub>1</sub>、系統(tǒng)阻抗Z<sub>s1</sub>、換流變壓器T<sub>s1</sub>、HVDC換流器及輸電線路DC1構(gòu)成，并通過斷路器BRK與母線B1相聯(lián)；所述VSC-HVDC子系統(tǒng)由送端交流系統(tǒng)S<sub>2</sub>、系統(tǒng)阻抗Z<sub>s2</sub>、換流變壓器T<sub>s2</sub>、VSC-HVDC換流器及輸電線路DC2構(gòu)成，并直接與母線B1相聯(lián)；通過VSC-HVDC的作用使HVDC平穩(wěn)重啟，并能和VSC-HVDC共同為無源網(wǎng)絡(luò)提供功率支持。本發(fā)明投入相對較少，能有效提高電力系統(tǒng)大停電后的恢復(fù)速度，縮短大停電時間，具有較大的實用價值。
文檔編號H02J1/00GK101359828SQ20081007947
公開日2009年2月4日 申請日期2008年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月28日
發(fā)明者趙成勇, 郭春義 申請人:華北電力大學(xué)(保定)