不同拓扑结构的换流器对启动特性影响

2022-03-24余敬冬曾子安吕习超荣军陆小剑石万里樊友平

南方电网技术 2022年2期

余敬冬，曾子安，吕习超，荣军，陆小剑，石万里，樊友平

(1. 中国南方电网有限责任公司超高压输电公司柳州局，广西柳州545000；2. 武汉大学电气与自动化学院，武汉430072)

0 引言

基于电压源型换流器的柔性直流输电技术与常规直流输电技术相比，主要有如下优点：无功功率和有功功率解耦独立控制；不会有换向失败的情况；可以通过改变直流电流来改变潮流传输方向[1 - 2]。在柔性直流输电的基础上发展了混合多端直流输电技术。混合多端直流输电综合了特高压直流输电技术、柔性直流输电技术、多端直流输电技术[3]的优点。在快速发展的电力系统中，混合多端直流输电日益成为了人们研究的焦点[4 - 9]。

在混合多端直流输电系统柔性换流站中，一般采用MMC换流器。MMC子模块具有输出特性好，开关频率低等特点[10 - 19]。目前MMC主要的拓扑结构有半桥、全桥、半全混合等。在昆柳龙直流输电工程中，实际采用的是混合拓扑结构，具有较好的自我清障能力与低成本优点。

如今对于半桥拓扑结构的控制策略已经非常成熟。文献[20]提出在MMC的桥臂中串入一个限流电阻，通过旁路开关来配合启动。文献[21]针对双端柔直输电系统两端启动时，逆变侧电容电压过低这一问题，提出一种双站协调配合的预充电控制策略。文献[22 - 23]综合LCC和MMC的特点，基于混合输电系统的数学模型，设计稳态控制及启动策略。混合拓扑结构的MMC相对于半桥拓扑结构比较复杂。借鉴于半桥拓扑结构，文献[24]对混合拓扑结构提出了三段式启动充电策略，文献[25]还介绍了混合拓扑结构的直流侧充电策略。上述文献对半桥及混合MMC的启动策略作了介绍，但是都没有针对实际工程中启动电阻冲击能量进行仿真计算

本文主要对不同MMC拓扑结构对启动特性的影响进行分析。首先是对柔性换流站的MMC启动回路作了介绍。再接着对半桥拓扑结构、全桥拓扑结构、混合桥拓扑结构的启动特性都进行了分析，得到他们在基于不控整流充电的充电特性。最后针对昆柳龙实际工程，结合混合拓扑结构的启动特性，提出了对实际工程启动电阻冲击吸收能力和对实际柔直系统启动的建议。

1 柔性换流站启动回路简介

在启动时，柔性换流站的MMC的直流侧电容是通过换流器中的二极管充电的，交流侧断路器合闸时的过程与向容性回路送电的过程相似，在子模块的电容值很大的条件下会在电容器上面产生巨大的冲击。

因此，为了减小这种冲击电流，降低系统上电时对二极管产生的应力，可以在启动的过程中加上一个缓冲电路，通过在开关上并联一个启动电阻实现，系统先通过启动电阻充电，再启动电阻旁路。

典型启动回路示意图如图1所示。当系统启动时，在t1时刻先合上开关K1，经过一定的延迟时间到达t2后，再合上开关K2，此时电阻处于被旁路的状态，开关K1断开，结束直流充电的过程。

图1 启动回路示意图Fig.1 Start circuit diagram

启动电阻的参数会受到系统启动特性影响。因此，对于不同拓扑结构下的启动特性进行分析是非常必要的。下面就先进行理论分析。

2 不同MMC拓扑结构下的启动特性

根据零响应电路的原理，在MMC启动充电的过程中，由电源提供的能量一部分会转化为电场能量被电容储存，另一部分会转化为热能被电阻消耗。下面分别对半桥子模块、全桥子模块、混合子模块的启动进行分析，得到对应的启动特性。

2.1 半桥拓扑结构的启动特性

采用半桥拓扑结构换流器，交流电源对本侧功率模块充电回路如图2所示(以单极单阀组接线为例，双极双阀组充电回路原理一致)。以A、B相构成充电回路为例子进行分析。当A相电压瞬时值高于B相电压瞬时值，电源经A相上桥臂功率模块的下反并联二极管和B相上桥臂功率模块上反并联二极管向B相并联电容充电。

图2 不控整流启动充电回路Fig.2 Uncontrolled rectification start charging circuit

根据对半桥拓扑结构换流器启动回路的分析，可以得出以下公式。

不控整流本侧电容充电电压Uch_b(单桥臂)为：

(1)

式中Uf为柔性直流变压器阀侧相电压。

不控整流单阀组端间电压Uph为：

(2)

不控整流双阀组极对地电压Udch为：

(3)

仅对本侧换流器充电，单相启动电阻冲击吸收能量En为：

(4)

对本侧和对侧换流器充电，此时单相启动电阻冲击吸收能量End为：

(5)

换流器单桥臂等效串联电容C为：

(6)

式中：C0为单个模块电容值；N为单桥臂功率模块数。

2.2 全桥拓扑结构的启动特性

采用对称双极结构双阀组全桥拓扑结构换流器，交流电源对本侧功率模块充电回路如图2所示(以单极单阀组接线为例，双极双阀组充电回路原理一致)。

对全桥拓扑结构换流器启动回路的分析，可以得出：不控整流电容充电电压(单桥臂)为半桥结构的一半；不控整流直流极线对地电压和极间电压均为0，且无法给对侧换流器充电；单极单相启动电阻冲击吸收能量为半桥结构的四分之一。

2.3 混合拓扑结构的启动特性

采用混合拓扑结构换流器，对混合拓扑结构换流器启动回路的分析，可以得出以下公式。

假设一个桥臂中有N1个全桥功率模块和N2个半桥功率模块。

全桥电容充电电压Ucf(单桥臂)为：

(7)

半桥电容充电电压Uch(单桥臂)为：

(8)

不控整流单阀组端间电压Up为：

(9)

不控整流双阀组极对地电压Udc为：

(10)

仅对本侧换流器充电，单相启动电阻冲击吸收能量Enh为：

(11)

式中：En为半桥拓扑结构情况下仅对本侧换流器充电，单相启动电阻冲击吸收能量。

对本侧和对侧换流器充电，单相启动电阻冲击吸收能量Enhd为：

(12)

对于混合拓扑结构，由于不控整流充电阶段全桥电容始终在充电，而半桥电容只有一半的充电时间，因此在不控整流充电结束后，全桥子模块电容电压约为半桥子模块电容电压的2倍，且半桥模块由于等效损耗电阻较小引起电压迅速下跌，对后续控制提出了较高的要求。阀控需快速介入将全桥模块控制为半桥模块充电模式进行二次充电，该过程与半桥拓扑结构的不控充电过程相似，对启动电阻吸收能量影响很大。

3 算例仿真

为了能够确定昆柳龙直流输电系统中广西、广东侧的柔性换流站启动电阻冲击能量。在PSCAD中搭建了如图3所示的电磁暂态模型进行分析。算例中，换流阀的基本参数如表1所示。

图3 柔性直流输电启动特性仿真模型Fig.3 Simulation model for the start-up characteristics of VSC-HVDC

表1 换流阀元件参数Tab.1 Converter valve element parameters

首先对两站采用半桥结构进行分析。分别对广东、广西侧进行充电，可以得到其启动电阻冲击能量的波形，如图4所示。当系统采用全桥拓扑结构，通过仿真可以分别得到广东、广西侧此时的启动电阻冲击能量如图5所示。

图4 启动电阻冲击能量(半桥)Fig.4 Impact energy of starting resistance (half bridge)

图5 启动电阻冲击能量(全桥)Fig.5 Impact energy of starting resistance (full bridge)

当采用混合拓扑结构时，广东、广西侧启动电阻冲击能量如图6所示。

图6 启动电阻冲击能量(混合)Fig.6 Impact energy of starting resistance (hybrid)

综上所述，广东、广西侧柔性直流系统在不同拓扑结构下的启动特性(10 s时，启动电阻能量)如表2所示。

表2 柔性直流站不同拓扑结构下不控整流启动特性Tab.2 Start-up characteristics of uncontrolled rectifiers under different topologies of VSC stations

以上冲击吸收能量仿真计算结果与理论计算均相符。二次充电过程中，启动电阻仍需扔入，因此计算混合结构启动电阻冲击能量时需考虑充电时功率模块全部为半桥模块外特性的情况。

正常启动之外，故障情况下换流站启动，也对启动电阻有吸收能量的要求[26]。当闪络发生在电阻与柔性直流变压器之间，相关的保护会及时动作。流经电阻的短路电流会在短时间内被快速切除。对于5 000 Ω的启动电阻，100 ms的保护时间，故障时吸收的冲击能量为2MJ。正常启动中，启动电阻还未退出，就发生单相接地故障。此时广东、广西侧吸收能量应该为：

广东侧：13+3.2+2=18.2 MJ。

广西侧：7.4+1.6+2=11 MJ。

综合以上工况，考虑1.1倍裕度，启动电阻初步设计冲击吸收能量取 20 MJ/15 MJ(广东侧/广西侧)。实际工程中广东、广西侧启动电阻冲击吸收能量考虑了更高裕度情况，采取32 MJ/25 MJ(广东侧/广西侧)的设计。

对于混合结构，由于全桥和半桥结构电容电压存在天然差异，且全桥功率模块和半桥功率模块数量也存在差异，当半桥功率模块数量占比较少时，半桥结构不控整流期间损耗等效桥臂电阻远小于全桥结构，造成半桥电容在充电后迅速放电引起半桥电容电压下跌，具体仿真结果如图7所示。