无闭锁柔性直流输电系统样机实验研究

林卫星,张荣华,陈晶茹,刘亚涛,沈敏泉,刘伟增  

(特变电工新疆新能源股份有限公司,陕西省 西安市 710000)

摘要

针对现有的半桥型MMC难以应对直流故障,阻断型MMC直流故障时需要闭锁换流器的缺陷,提出了一种无闭锁柔性直流输电系统。实验展示了无闭锁柔直的直流故障无闭锁穿越、降直流电压运行、直流电压极性反转等能力,并进一步开展了无闭锁柔直互联传统柔直,以及无闭锁柔直串联构成阀组串联结构的实验研究。 实验验证了无闭锁柔直优异的控制性能。

关键词 : 模块化多电平换流器;直流故障;高压直流输电;无闭锁柔直

国家重点研发计划项目(2016YFB0901003)。

0 引言

基于电压源型换流器的高压直流输电技术(VSCHVDC)被广泛应用于新能源并网领域[1]。2002年,模块化多电平换流器技术(modular multilevel converters,MMC)提出[2],由于其模块化、大容量、高电压等级、低开关频率、低损耗、输出电压波形畸变小等优点[3-5], MMC-HVDC技术在国内外工程界得到了广泛的应用[6-7]。中国也依次投运了上海南汇、南澳三端、厦门两端、舟山五端、鲁西背靠背共计5个柔性直流输电工程。

上述MMC-HVDC工程均是基于半桥型子模块的MMC技术,它们不具备直流故障隔离功能。在直流侧发生短路故障时,交流系统通过每个子模块下臂的反并联二极管进行不控整流,持续给故障点充电,造成MMC过流[8-9]。这些工程大都输电距离短且输电线路主体部分为直流电缆,发生直流故障的概率较低,直流故障风险并不严重影响工程的稳定运行。

在内陆传输电能时,地下直流电缆的敷设非常困难且造价昂贵,特别是在多山、岩石、戈壁地区。此外,随着中国多端直流输电系统与直流电网技术的发展[10],电力传输的输电走廊越来越有限。因此,研究利用现有架空线路来进行电能传输非常有必要。

架空线路很容易受到气温变化、雷闪、雨淋、结冰、洪水、湿雾等自然条件的影响,故障率较高。为了保证系统的安全稳定运行,在发生直流故障后,需要立即隔离换流器与故障电流,避免烧毁电力电子器件。但目前应用于高压大功率场合的高压直流断路器技术[11]还不成熟。若通过开断交流断路器来切除故障,则不仅动作缓慢,造成换流器中电力电子器件的承载短时过流,而且还将大大延缓系统恢复供电的时间,不适合故障率相对较高的架空线路。因此,柔性直流输电系统中直流故障隔离问题成为研究热点[12-13]

基于全桥型[14]与箝位双型子模块[15]的MMC具有阻断直流故障电流的能力,但相比于半桥型子模块,全桥型子模块增加了近一倍的电力电子设备,箝位双型子模块结构复杂,增加了系统的控制复杂度与子模块封装、工业设计难度,降低了系统的可靠性。针对以上问题,本文提出了一种无闭锁柔性直流输电系统,并给出了其样机实验结果。

1 柔性直流输电系统直流故障应对措施

1.1 半桥型MMC配合交流断路器方案

图1示例了半桥型MMC+交流断路器方案,即目前主流采用的柔性直流输电系统应对直流故障的方案。为防止功率模块电容向直流故障点放电从而因过电流而烧毁IGBT,直流故障时将闭锁MMC的IGBT。IGBT闭锁后,半桥型MMC退化为三相六脉波不控整流桥,交流系统仍通过该不控整流桥向直流故障点提供直流短路电流。为防止二极管因过电流而损毁,需开断交流断路器。

图1 半桥型MMC+交流断路器方案
Fig. 1 The scheme of Half-bridge MMC + ACCB

由于需要闭锁MMC并且开断交流断路器,图1方案在直流故障清除后,需要排查MMC闭锁的原因以及交流断路器跳闸的原因,并且需要确定直流故障清除后才重合闸。故而图 1方案在实际运行中一般不采用自动重合闸,而是采用人工重合闸的方式,因此图1方案在直流故障后恢复供电时间长。图1目前主要应用于采用直流电缆的柔性直流输电系统。直流电缆发生接地故障的概率低(约1次/10 a),且其发生的短路故障一般为永久性故障。由于直流电缆已发生永久性短路故障,进一步闭锁MMC并开断交流断路器并不会进一步降低图 1方案的可用率。

在架空柔性直流输电系统中,架空线路发生直流故障的概率远高于直流电缆线路(约数次/a),采用开断交流断路器应对直流故障将大大延长系统恢复供电的时间,从而大大降低柔直输电系统的可用率与供电可靠性。

1.2 阻断型MMC方案

图2为阻断型MMC方案。该方案中每个桥臂的部分功率模块或全部功率模块采用可阻断直流故障的功率模块拓扑,如全桥子模块、箝位双子模块、自阻型子模块等。

该方案在系统发生直流故障时将闭锁IGBT的触发脉冲,通过将功率模块的电容电压反向接入至故障电流通路中从而阻断直流故障。

该方案在直流故障时需要闭锁换流器,切换换流器的工作状态。故而直流故障清除后,重新启动换流器前,需要排查清楚闭锁的原因后才能重新启动换流器,换流器重启动时间长。

在阻断直流故障电流期间,子模块电容电压将会被桥臂电感残留的储能以及交流电网馈入的能量充电,故而连续阻断直流故障电流的次数有限。当换流站尝试过一定次数的重启动后,将因子模块电容电压过高而丧失进一步阻断直流故障电流的能力,从而丧失重启动能力。

图2 阻断型MMC方案
Fig. 2 The scheme of blocking MMC

1.3 半桥型MMC配合快速直流断路器方案

图3 所示为半桥型MMC配合快速直流断路器方案。发生直流故障时,将通过快速直流断路器开断故障的直流线路。若直流故障距离MMC电气距离较远,则MMC不会因过电流而闭锁,MMC可持续运行于STATCOM模式。若直流故障距离MMC电气距离较近,则MMC可能会因桥臂过电流而闭锁。闭锁后,重新启动MMC将需要较长时间。

由于直流故障期间,故障电流上升速率快,该方案要求系统在较短的时间内(通常为2 ms)快速甄别直流故障,并快速开断直流故障。开断直流故障期间需要利用避雷器吸收开断期间直流系统给故障点注入的能量以及限流电抗器上残留的能量,故而对避雷器吸收的能量提出了很高的要求。

开断线路后,根据MMC是否已闭锁,采用对应的重合闸策略也是该方案需要解决的难题。

图3 半桥型MMC配合快速直流断路器方案
Fig. 3 The scheme of half-bridge MMC with fast DC CB

1.4 无闭锁MMC方案

上述图1~图3方案中,换流器在发生直流故障时,均需要闭锁换流器(半桥型MMC配合快速直流断路器方案中,快速直流断路器的开断也可视为闭锁的一种类型)。由于换流站在直流故障期间停止运行,重启系统前需要查明换流器闭锁的原因才可重新启动换流器,故而上述图1~图3所示的3种方案恢复供电时间较长。

为提高系统运行的可靠性,减少直流故障后恢复供电的时间,降低未来直流电网对高速直流断路器的依附程度及降低直流断路器的技术参数需求,本文提出了利用无闭锁柔直配合隔离式直流断路器应对直流故障的方法,如图4所示。

图4中无闭锁柔直的每个桥臂由半桥子模块与全桥子模块混联而成。发生直流故障时,无闭锁柔直可以维持不间断运行,通过换流站的控制可以将直流线路以及故障通道中的能量反向馈入至交流电网从而主动熄灭电弧。正常运行以及直流故障期间,无闭锁柔直无需切换运行模式。

图4 无闭锁MMC配合隔离直流断路器方案
Fig. 4 MMC-uninterrupted with DC isolator

2 无闭锁柔直样机实验系统

2.1 无闭锁柔直实验系统

为验证无闭锁柔直系统的运行性能,搭建了±10 kV/5 MW无闭锁柔直实验平台。实验电气接线如图5所示。无闭锁柔直参数见表1。图6为对应的实验装置实物。除特别说明,实验样机中每个桥臂包含12个半桥功率模块、12个全桥功率模块,控制策略参考文献[16]。

表1 无闭锁柔直参数
Table 1 Parameters of MMC-uninterrupted

图5 无闭锁MMC电气接线图
Fig. 5 Circuit diagram of MMC-uninterrupted

图6 无闭锁MMC实验装置
Fig .6 Circuit diagram of MMC-uninterrupted

2.2 LCC-MMC混合直流输电系统

图7 为LCC-MMC混合直流输电样机拓扑接线图。其中LCC的额定电压及功率为±10 kV/10 MW,采用真双极接线拓扑,MMC额定电压及功率为±10 kV/5 MW,采用伪双极接线拓扑,无闭锁MMC参数与表1一致。图 8为LCC-MMC混合输电样机。

图7 LCC-MMC混合直流输电样机拓扑接线图
Fig. 7 Circuit diagram of LCC-MMC hybrid system

图8 LCC-MMC混合输电样机
Fig. 8 LCC-MMC hybrid system

2.3 高、低阀串联样机系统

与传统特高压直流输电类似,当柔性直流输电的电压等级升至特高压等级时,受限于变压器的制造水平,特高压柔性直流输电也将采用高、低阀组串联接线的方式。为实验验证高、低阀串联系统的技术可行性,搭建了高、低阀串联样机,其拓扑接线图如图9所示。

图9 高、低阀串联样机拓扑接线图
Fig. 9 Circuit diagram of series valve system

该高、低阀串联样机由图 5中的两个MMC串联而成。为了匹配实验中换流变压器、线缆等的绝缘设计,MMC1、MMC2每个桥臂的功率模块各硬件旁路12个,只保留12个功率模块处于运行状态。此时每个MMC的额定直流电压由±10 kV(极间20 kV)降为±5 kV(极间10 kV)。由于直流侧一次线缆的对地绝缘为10 kV,而MMC1、MMC2串联后,最大对地电压为20 kV。为绝缘匹配,通过使MMC1、MMC2的额定直流调制比控制在0.5附近,进一步将MMC1、MMC2降50%直流电压运行,而后开展MMC1、MMC2的无功对拖实验。

3 MMC-MMC无闭锁柔直实验结果

3.1 直流故障无闭锁穿越实验

图10为直流故障无闭锁穿越实验结果。从上到下依次为正、负极直流电压,正、负极直流电流,桥臂电流,子模块电容电压最大、最小值。

实验过程为,初始时MMC-HVDC系统运行于满功率状态。5s时,向交流断路器BRK发合闸指令,BRK短接正、负极直流母线,从而模拟极对极直流故障。此后两侧的无闭锁MMC自动控制直流故障电流至零。12.5s左右,向BRK发分闸指令,模拟直流故障的清除,做定直流电压控制的MMC将系统直流电压控制至额定值,做定有功功率控制的MMC恢复系统功率传输。

图10 (a)表明,直流故障时,正、负极直流母线的电压由额定±10 kV降为零,系严重的直流短路故障。图 10 (b)表明故障前直流电流值为250 A,对应的直流功率为5 MW,直流故障期间以及故障后重启动期间,均未见直流过电流。

图10 (c)及 (d)表明整个实验期间,未见桥臂过电流以及功率模块过电压/欠电压。由于桥臂电流为1/2阀侧交流电流叠加1/3直流电流而成,故图10 (c)中桥臂电流正向峰值与负向峰值不对称。

图10 直流故障无闭锁穿越实验结果
Fig. 10 Experimental results of DC fault ride through

3.2 双端潮流反转实验

图11 为双端系统潮流反转实验结果。实验时每个桥臂由12个半桥功率模块以及12个全桥功率模块构成。由实验结果可知,无闭锁柔直可成功实现潮流反转这类常规柔直中的通用功能。

图11 双端系统潮流反转实验结果
Fig. 11 Experimental results of DC power reversal

3.3 降直流电压实验

图12 为降直流电压运行实验结果。降压前系统运行电压为±10 kV,某时刻给MMC施加降直流电压命令,MMC直流电压值降至±5 kV。

图12 降直流电压运行实验结果
Fig. 12 Experimental results with reduced DC voltage

图12表明无闭锁柔直可成功实现降直流电压运行,为未来柔性直流输电系统运用于远距离架空直流输电线路的降直流电压运行提供了良好的基础。

3.4 直流电压极性反转实验

图13为直流电压极性反转实验结果。实验时,每个桥臂包含24个全桥功率子模块。图13表明该全桥系统可成功实现直流电压极性反转,无闭锁柔直可以方便地互联传统直流输电。

图13 降直流电压运行实验结果
Fig. 13 Experimental results with reduced DC voltage

4 LCC-MMC混合直流输电及高低阀串联样机实验结果

4.1 LCC-MMC混合直流输电实验结果

图14~15为LCC-MMC混合直流输电实验结果。实验过程为轻载下,短接混合直流输电系统的正、负极直流母线,而后通过LCC以及MMC的控制将直流故障电流降为零,此后打开交流断路器BRK,模拟直流故障清除,LCC以及MMC恢复正常运行。直流故障期间以及系统恢复过程中,LCC及MMC均不闭锁,维持不间断运行状态。图14实验结果表明无闭锁MMC可以无缝对接LCC。

稳态时LCC采用定直流电压控制,MMC采用定有功功率控制,直流故障时LCC与MMC均将直流电流控制为零。

图14 MMC侧实验结果
Fig. 14 Experimental results at MMC side

图15 LCC侧实验结果
Fig. 15 Experimental results at LCC side

图16 串联阀组实验结果
Fig. 16 Experimental results of series MMC valves

4.2 高、低阀串联样机实验结果

图16 为串联阀组实验结果。实验时,串联阀组处于STATCOM运行模式,MMC1与MMC2无功对拖,串联阀组的直流侧开路。实验系统接线及实验项目见2.3节。图16(a)表明MMC2的极对地电压维持在5 kV左右,图16(b)及图16(c)表明直流电流为零,而由于MMC1、MMC2间的无功循环,MMC1、MMC2的交流电流不为零。实验电路参考图 9,MMC控制参考文献[16]。

5 结论

本文对比柔性直流输电系统应对直流故障的不同方法,提出了一种无闭锁柔性直流输电技术,实验验证了无闭锁柔性直流输电技术的可行性与先进性。

无闭锁柔直在直流故障时无需闭锁换流站,可以维持不间断运行,可将直流故障通道的能量抽取并耗散至交流电网从而主动熄灭电弧。

无闭锁柔直可以方便地实现降直流电压运行以及高、低阀串联结构的阀组在线投退问题,从而为柔性直流输电技术应用于远距离架空直流输电线路提供强有力支撑。

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Experimental Research of Prototype MMC-uninterrupted

LIN Wei-xing, ZHANG Rong-hua, CHEN Jing-ru, LIU Ya-tao, SHEN Min-quan, LIU Wei-zeng
(TBEA China Xinjiang Sunoasis Co., Ltd, Xi’an 710000, Shaanxi Province, China)

Abstract: To overcome the drawbacks that half-bridge MMC is not able to isolate DC fault, the blocking type MMC needs to block MMC during DC fault, MMC with un-interrupted operation capability is proposed in this article. Experimental results of DC fault ride through without blocking the MMC,operation with reduced DC voltage and reversal of DC voltage are reported. The experimental results of hybrid MMC-LCC system and series valve with series connection of MMC valves are also presented. Experiment results show the advanced control performance of MMC-uninterrupted.

Key words: modular multilevel converter; DC fault; HVDC;MMC-uninterrupted


Project Supported by the National Key Research and Development Program of China (2016YFB0901003).


作者简介:

林卫星

林卫星(1986),男,博士,主要从事直流—直流自耦变压器,直流—直流变换器、直流输电、直流电网、MMC、风力发电的研究,E-mail:weixinglin@foxmail.com。

张荣华(1982),男,硕士,主要从事柔性直流输电系统控制保护的开发工作。

陈晶茹(1985),女,硕士,主要从事柔性直流输电系统控制保护的开发工作。

(责任编辑 赵杨)

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    图1