宋海彬;戴甲水;郭莉萨;姚传涛;莫跃;张威宇;金涛;王健
【摘 要】模块化多电平变流器(MMC)在柔性高压直流输系统在启动时由交流系统通过换流器中的二极管向直流侧电容进行充电可能会产生较大的冲击电流及冲击电压.因此,在柔性直流输电系统的启动回路的旁路隔离开关上并联一个启动电阻,这个电阻可以降低电容的充电电流,减小柔性直流系统上电时对交流系统造成的扰动和对换流器阀上二极管的应力.通过对鲁西背靠背换流站的工程及仿真计算与影响因素分析,确定启动电阻选型. 【期刊名称】《贵州电力技术》
【年(卷),期】2017(020)002
【总页数】5页(P65-69)
【关键词】柔性直流输电;启动回路;启动电阻;充电方式
【作 者】宋海彬;戴甲水;郭莉萨;姚传涛;莫跃;张威宇;金涛;王健
【作者单位】中国南方电网超高压输电公司天生桥局,贵州兴义562400;中国南方电网超高压输电公司天生桥局,贵州兴义562400;贵阳供电局,贵州贵阳550000;中国南方电网超高压输电公司天生桥局,贵州兴义562400;中国南方电网超高压输电公司天生桥局,贵州兴义562400;中国南方电网超高压输电公司天生桥局,贵州兴义562400;中国南方电网超高压输电公司天生桥局,贵州兴义562400;中国南方电网超高压输电公司天生桥局,贵州兴义562400
【正文语种】中 文
【中图分类】TM8
柔性高压直流输电与常规高压直流输电(HVDC)的主要区别在于其换流站( 换流器)采用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)等可关断器件， 而常规HVDC采用的是半控型开关器件晶闸管。 模块化多电平变流器 (MMC)以其模块化的结构易于扩展到高电压、大容量等级的换流站，输出电平数较多而谐波较小( 无需专门配备输出滤波器)[1-3]，故障容错运行能力强，可四象限运行等优点，MMC启动前功率模块的电容电压是否均衡以及是否达到了额定电压将直接影响MMC的正常启动，严重时可能造成功率器件的损坏。这就需要在柔性直流输电系统的启动过程中，需要加装一个缓冲电路-启动回路[5-8]。云南电网与南方主网异步联网工程鲁 西背靠背直流采用柔性直流和常规直流组合。主要分为云南侧交流场、广西侧交流场，通过柔性直流和常规直流构成的背靠背换流站。
柔性直流输电系统在启动时由交流系统通过换流器中的二极管向直流侧电容进行充电。由于MMC换流器中电容量较大，当交流侧断路器合闸时相当于向一个容性回路送电过程，在各个电容器上可能会产生较大的冲击电流及冲击电压。
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因此，在柔性直流输电系统的启动过程中，需要加装一个缓冲电路。通常考虑在断路器上并联一个启动电阻，这个电阻可以降低电容的充电电流，减小柔性直流系统上电时对交流系统造成的扰动和对换流器阀上二极管的应力。当系统进行启动时，先通过启动电阻充电，直流充电结束后，再启动电阻旁路。
典型的电路示意图如图1、图2所示。当系统进行启动时，在时刻先合上断路器K1，经过一定的延迟时间到达后，再合上断路器K2，此时电阻被旁路，开关K1也随之断开，直流充电过程结束。
启动电阻作用为限制阀侧电网对于功率模块直流储能电容的充电电流，使换流器相关设备
免受冲击电流与冲击电压影响，保证设备安全运行；限制充电速度，避免充电过程中功率模块电容器电压不平衡。
启动回路设置在联接变压器阀侧，启动电阻直接与隔离开关并联，启动电阻仅在系统启动时工作，启动结束后将启动电阻旁路，旁路开关采用隔离开关。
启动电阻应满足各种运行方式下的不同启动要求，包括一端交流电源对本端换流器功率模块电容充电以及一端换流站交流电源对两端换流器功率模块电容同时充电等。
换流阀功率模块电容预充电方式：充电时闭锁所有的IGBT，所有功率模块电容同时充电，此过程相当于通过不控二极管充电，但电容电压不能在这一过程中达到稳定工作时的电压值，随后需要转入直流电压控制。
子模块电容电压的建立方法有两种：①自励充电模式[4-6]，利用交流电网对换流站进行不控整流充电，可充至约直流电压的0.7 p.u.；②他励充电模式[7-8]，利用另一端柔直的直流电压对换流站进行充电，可充至约0.35 p.u.。
交流电源对本侧功率模块充电和对对侧功率模块充电回路示意见图 3。
自励充电回路：当 U 相电压瞬时值高于 V 相电压瞬时值，电源经 U 相上桥臂功率模块下反并联二极管和 V 相上桥臂功率模块上反并联二极管给 V 相并联电容充电。各时刻充电回路可类推。
他励充电回路：直流电压通过功率模块上反并联二极管对上下桥臂所有模块并联电容同时充电。
鲁西背靠背换流站运行方式有：①联网运行方式1：两侧的交流网络、直流侧都联接。②联网运行方式2：两侧其中一侧的交流网络联接，直流侧联接。③STATCOM方式：换流站的直流极断开，交流侧与电网相连。
在联网运行方式1下启动时，单侧交流电源将线路直流电压和本站功率模块电容电压充至不控整流稳态值，同时也将对侧的电容电压充至一半的不控整流稳态值。
在联网运行方式2下启动时，单侧交流电源将线路直流电压和本站功率模块电容电压充至不控整流稳态值，并将对侧的电容电压充至一半的不控整流稳态值。其后，对侧换流器开始可控充电，对侧电容电压最后也充至不控整流稳态值。对启动电阻的吸收能量提出了更高的要求。
当各站作STATCOM方式运行，系统启动预充电时为本站交流电源对本站阀功率模块电容充电，此时充电速度快，启动电阻吸收能量要求较低。
3.1 未加/加入启动电阻的比较
以单侧交流电源对两侧充电为例，对启动时未加/加入启动电阻进行比较。仿真计算条件：t=1s合单侧交流开关，另一侧未合交流系统电源。
回路中未加入启动电阻时，阀电抗器两端电压和换流器功率模块二极管电流波形见图4、图5。考虑合闸相角的影响，启动瞬间阀电抗器两端冲击电压可达200 kV，功率模块二极管电流峰值可达6 kA。换流器功率模块二极管峰值电流能力约为3～4 kA，未加入启动电阻启动时的二极管峰值电流超过二极管额定电流，根据换流器厂家要求，设备启动电流至少应低于50%额定电流，故应采取设置启动电阻的措施予以降低。未加入启动电阻启动时，阀电抗器两端电压峰值大大高于正常运行峰值电压，也应通过加入启动电阻限制其冲击幅值。
加入5 000 Ω启动电阻后，阀电抗器两端电压和换流器功率模块二极管电流波形见图6、图7。此时，阀电抗器两端冲击电压降至不超过3 kV，功率模块二极管电流峰值降至不超过60 A。
3.2 加入启动电阻时各影响因素
脂肪酸酰胺根据理论分析与仿真计算，启动电阻两端峰值电压URq主要与系统电压有关；启动电阻峰值电流IRq大致反比于启动电阻阻值。阀电抗器两端电压UL随启动电阻阻值增加而降低。功率模块二极管电流IDiode不仅与启动电阻值相关，还与电容值相关，电阻值与电容值越大，IDiode越小。
启动时影响充电速度的主要因素为启动电阻值和所充电的功率模块电容量。判断充电速度，主要看直流电压上升速度与达到稳定的时间长短。不控整流时，直流电压稳态值Udc=Uacv，Uacv为联接变阀侧线电压有效值。电路近似为RC串联回路，时间常数τ=RC，充电时间正比于启动电阻阻值与功率模块串联电容量。启动过程换流器件总串联电容值越大，充电速度越慢，充电时间越长。此外，启动电阻阻值越大，充电时间也越长，故可通过调节启动电阻阻值以调节充电速度。
不控整流充电分为两个阶段，第一阶段为从开始充电到充电电压基本稳定，第二阶段为充电电压稳定到解锁。
第一阶段充电期间启动电阻吸收能量EnRq的主要影响因素为所充电的功率模块电容量。
第二阶段充电期间启动电阻吸收能量EnRq的主要影响因素为不控整流末期流过启动电阻的稳态电流的大小。此电流的产生原因为交流电源需供给流过直流母线对地杂散电容的漏电流、以及换流阀内并联电阻与高位取能电源等元件损耗。这一阶段启动电阻的吸收能量与时间成正比。
3.3 不同充电方式的影响
因实际运行时，存在单侧交流电源对单侧充电以及单侧交流电流对两侧同时充电的情况，故需要对不同充电方式进行研究，以使选取的启动电阻参数能同时满足不同充电方式下的需求。
启动电阻取5 kΩ，根据换流阀参数，对各站不同充电方式下的计算结果比较见下表。表中URq、IRqpeak和EnRq分别为单相启动电阻的两端电压峰值、电流峰值和吸收能量值(20 s)，IRqsteady为不控整流末期流过启动电阻的稳态电流有效值，IDiode为功率模块二极管电流峰值，UL为阀电抗器两端电压峰值，dUc/dt为电容器两端电压变化率，TU95为自交流断路器闭合至达到不控整流直流电压95%的时间。
单侧交流电源对双侧换流阀电容充电时的启动电阻吸收能量明显大于对单侧充电时，因此选取启动电阻吸收能量值时应按对双侧充电进行考虑。
不控整流末期流过启动电阻的稳态电流也为对双侧充电时高于对单侧充电时，故也应考虑对双侧充电时的值。
启动电阻值增大时，充电速度显著变慢；对两侧同时充电时，充电速度也显著低于对单侧充电时。考虑到运行的灵活性，对于同一个电阻值，需同时满足对单侧充电和对两侧充电时的要求。
主回路电阻为限制电压电流上升速度，减少对设备的冲击，充电时间不应太短；同时，为便于运行，充电时间也不宜太长；且充电速度太快或太慢，都可能造成功率模块电压的不平衡。
对于启动电阻的选型，主要考虑两个方面。首先应能有效的保护其他重要设备，防止过压过流；其次，应满足经济性，不盲目提高设备性能指标，增加设备造价。经咨询设备制造厂家，影响启动电阻造价和制造难度的主要为启动电阻的吸收能量大小，吸收能量大小相同时阻值增加也将提高体积，且造价略有上升。
4.1 启动电阻阻值
卧式挤压机启动电阻的作用主要考虑限制对电容器充电时启动瞬间在阀电抗器上的过压及功率模块二极管上的过流。同时，也要考虑充电速度，不宜太快，以免电压电流上升率过高，电容电压不均衡。因启动电阻阻值增加将较明显的提高设备体积，且将一定程度的提高造价。同时本工程换流站场地也较紧张，所以在满足其他要求的前提下应尽量降低启动电阻阻值。为控制启动时的冲击电流电压，且控制充电速度，并考虑设备制造情况，云南侧和广西侧启动电阻值均取5 000 Ω。
4.2 启动电阻峰值电流
启动电阻上的峰值电流主要取决于启动电阻阻值，启动电阻阻值越小，峰值电流越大。对应于启动电阻值5 000 Ω，根据理论计算，并考虑电阻存在5 %偏差特性，启动电阻最大峰值电流为70 A。
4.3 启动电阻冲击吸收能量
可利霉素作用与用途在一端交流电源对两端换流器同时充电的情况下，交流电源取最大值时启动电阻上的吸收
能量较大。各种启动方式下启动电阻上的电压电流及吸收能量波形见附录。橙子去皮机
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