柔性直流输电工程起动策略及时间定值整定

唐志军

（国网福建省电力有限公司电力科学研究院，福州 350007）

目前国内柔性直流领域研究处于起步阶段，相关设计方案、控制策略、运行方式和维护方法均处于摸索阶段，急需提升柔性直流输电可靠性和设计水平[1-3]。其中换流器起动是柔直工程正常运行的关键过程之一，亟需展开换流器起动策略的相关研究[4-6]。

目前已有一些研究提出了柔性直流输电的起动方法和控制策略。例如，文献[7]提出一种起动协同调制策略用以匹配直流电压和子模块电压。文献[8]提出一种直流侧充电起动策略，可降低起动时的冲击电流。文献[9]分析了向无源系统供电时起动的动态过程并提出相应预充电控制策略。文献[10]提出调制波预跟踪策略用以减少解锁时冲击电流。以上研究集中在降低电压和电流冲击方面，但针对起动的控制策略、操作过程及其时间定值的研究内容较少。

针对柔性直流输电工程起动策略及时间定值整定方法的实际需求，本文依托厦门柔性直流输电工程，首先提出换流器的具体起动时序，然后给出相关起动时间定值整定方法，最后通过试验验证起动策略和时间定值整定方法的正确性。

1 换流器起动策略

以目前国内电压等级最高、容量最大的厦门柔性直流输电工程为例，工程首次采用真双极接线方式[11]，包括鹭岛换流站和浦园换流站，每站有两个阀厅（极Ⅰ、极Ⅱ），采用三相六桥臂主接线方式，子模块采用半桥拓扑，其电路结构如图1所示。

国内已投运的南汇、舟山、厦门等柔性直流输电工程通常采用的起动过程是，首先送端换流器闭合交流开关，通过不控整流向子模块电容充电，受端换流器处于静态直流充电状态，然后受端换流器闭合交流开关，最后依次解锁受端和送端换流器。以浦园站向鹭岛站供电为例，浦园站采用定直流功率和无功功率、鹭岛站采用定直流电压和无功功率的控制方式（直流功率参考值为 0、无功功率参考

值为0、直流电压参考值为320kV），其典型起动策略如下：

1）合交流断路器 1、2。通过充电电阻对浦园站换流器充电。

2）合交流断路器 3、4。充电电流基本趋于零后断开限流电阻，直流母线电压为

式中，Udc为直流母线电压；Ul为阀侧交流线电压有效值。此时浦园站换流器处于不控整流状态、鹭岛站换流器处于静态直流充电状态。

3）合交流断路器 7、8。通过充电电阻对鹭岛站换流器充电。由于限流电阻的存在，充电电流峰值不超过100A。

4）合交流断路器 5、6。直流母线电压基本稳定后，断开限流电阻，系统稳定后直流母线电压与式（1）一致。此时浦园站、鹭岛站换流器均处于不控整流状态。

5）鹭岛站换流器解锁。系统稳定后直流母线电压达到额定值，其计算式为

式中，UdcN为解锁后直流母线电压额定值；Up为交流出口相电压有效值；M为电压调制比。

鹭岛站换流器由于已解锁，所以每个时刻每相只有n个模块投入工作。而浦园站每个桥臂电压被直流电压和交流相电压所箝位，其电压随着直流母线电压的提升而增大，当直流母线电压达到额定值时，桥臂电压（即桥臂上各子模块电压和）为

6）浦园站换流器解锁。系统稳定后直流母线电压仍为额定值。至此，鹭岛、浦园换流站均已解锁，起动过程结束，换流器进入正常运行状态。

图1 厦门柔性直流输电工程主电路拓扑

2 起动过程时间定值整定

2.1 限流电阻工作时间

限流电阻可限制起动过程中冲击电流，但其长时间工作易发生过热故障。因此，第1节中起动过程步骤1）与步骤2）、步骤3）与步骤4）之间的限流电阻工作时间应通过时间定值来保护。

根据充电回路的作用时间，任意桥臂约有 1/3的工频周期处于充电状态，近似估算时可以认为充电时间常数为

为确保各子模块电容充分充电，限流电阻工作时间可设置为10～40倍时间常数。

2.2 直流充电耐受时间

当一端换流器不控整流充电时，另一端换流器处于直流充电状态。此时处于直流充电状态的换流器将由上下桥臂的全部子模块分配直流母线电压，即子模块平均电压为

此时子模块平均电压较低，各子模块由于功率、均压电阻等差异性将导致均压劣化。根据图2试验数据所示，长时间运行时子模块电容电压发生两极分化，部分子模块甚至处于反复起停状态。取能电源反复开关易降低其使用寿命，因此应增设相应保护策略，用以提高取能电源的可靠性。本文提出增加直流充电耐受时间保护，用以控制换流器静态直流充电时间，在较短的静态直流充电时间内，子模块电压两极分化程度较小，可大幅减小反复起停取能电源的数量，提高子模块运行可靠性。

图2 子模块电压两极分化时电压波形

直流充电耐受时间定值整定方法如下：

1）最短耐受时间。静态直流充电时间越短，子模块均压劣化程度越低，但考虑到目前换流站起动基本采用人工操作方式，最短耐受时间应满足人工操作所需时间，因此其值不应小于5min。

2）最长耐受时间。最长耐受时间应满足每个桥臂处于反复起停状态的子模块不超过子模块总数量一半的要求。

综上所述，直流充电耐受时间整定式为

式中，T50%为50%子模块处于反复起停状态所需时间。

以厦门柔性直流输电工程为例，子模块反复起停时周期约为1～1.5min；在30min后，子模块电压两极分化程度较严重，约有一半子模块电压已跌落、取能电源反复起停。此后取能电源反复起停的子模块数量变化较小，占比保持在50%左右。因此，厦门柔性直流输电工程换流站静态直流充电过程的耐受时间整定范围应在5～30min为佳。

2.3 一端解锁耐受时间

在一端换流器被解锁后，另一端换流器子模块电容电压可根据式（3）计算出子模块平均电压：

此时，子模块电容电压远大于换流器处于静态直流充电状态时的电压值。根据图3试验数据所示，子模块电容电压较大，子模块间电压分布会达到动态平衡，不会导致部分子模块因电压跌落而反复起停。

图3 子模块电压达到动态平衡时波形

因此，当一端换流器解锁、另一端不控整流时，可长时间保持在此状态，用以提醒运维人员另一端换流器未解锁，可设置一端解锁耐受时间为2h。

3 试验验证

为了验证本文提出的起动时序和时间定值的有效性，现对厦门柔性直流输电工程进行相关试验。

1）限流电阻充电试验

厦门柔性直流输电工程限流电阻为 2kΩ，子模块电容为10mF，单个桥臂子模块数量为216，根据式（4）计算时间常数为0.56s。试验结果如图4所示：充电0.5s后，充电电流和桥臂电流基本为零，电容电压已建立；同时由于限流电阻的存在，充电电流峰值不超过100A；任意桥臂约有1/3的工频周期处于充电状态。厦门柔直工程限流电阻工作时间可选取10～40倍时间常数范围内，最终设置为20s，可确保子模块电容充电完全。

图4 充电瞬间电流波形

2）直流充电耐受时间试验

当浦园站不控整流、鹭岛站处于静态直流充电时，其子模块反复起停的数量见表 1。可见，在静态直流充电运行30min后，约有50%子模块处于反复起停状态，且反复起停的子模块数量基本恒定。最终将直流充电耐受时间设置为30min。

表1 静态直流充电时子模块反复起停数

3）一端解锁耐受时间试验

当鹭岛站解锁、浦园站处于不控整流状态时，浦园站子模块电压值和反复起停数量见表2。可见，子模块间电压分布会达到动态平衡，不会导致部分子模块因电压跌落而反复起停。最终将一端解锁耐受时间定值设置为2h。

表2 一端解锁时对端子模块状态

4 结论

本文首先提出厦门柔性直流输电工程起动控制时序，包括限流充电、静态直流充电、一端解锁充电、双端解锁运行等阶段；然后提出限流电阻充电时间、直流耐受时间、一端解锁耐受时间等保护定值的整定方法；最后试验验证了起动时序和时间定值整定方法的有效性。试验结果表明，本文提出的起动策略和时间定值整定方法可使换流器正常起动。

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