MMC‑HVDC黑启动模拟试验系统和试验方法

摘要

本发明涉及MMC‑HVDC黑启动模拟试验系统和试验方法，首先断开模拟试验开关，模拟其中一个电网失电，并断开两个电网对应的两个断路器；然后进行两个MMC的充电和启动操作，最后失电的电网对应的MMC输出的交流电压稳定后，检测第二电网的电压幅值和相位，并对第二电网的电压相位进行锁相，当第二电网的电压相位与第二MMC输出的交流电压的相位一致时，控制闭合第二断路器进行并网，实现黑启动的模拟试验。所以，该试验方法能够模拟在电网出现故障时有效实现电网的黑启动，实现对MMC‑HVDC黑启动的有效控制，并且能够对柔性直流输电系统进行黑启动性能研究，以指导换流器与控制保护系统的产品开发与工程实施。

说明书

技术领域

本发明涉及一种MMC-HVDC黑启动模拟试验系统和试验方法。

背景技术

随着全控型电力电子器件的发展和电力电子技术在电力系统中的应用，基于电压源换流器的高压直流输电技术(Voltage-Sourced Converter High Voltage DirectCurrent，VSC-HVDC)日益受到重视。模块化多电平换流器(MMC，Modular MultilevelConverter)是柔性直流输电系统应用中电压源换流器的一种，以其显著的优势广泛应用于柔性直流输电和新能源接入系统。

采用VSC-HVDC作为黑启动电源实现电网黑启动的研究受到广泛关注。所谓黑启动，是指整个系统因故障停运后，系统全部停电(不排除孤立小电网仍维持运行)，处于全“黑”状态，不依赖别的网络帮助，通过系统中具有自启动能力的发电机组启动，带动无自启动能力的发电机组，逐渐扩大系统恢复范围，最终实现整个系统的恢复。相比于利用系统中的自启动能力的发电机组进行黑启动，MMC换流器作为黑启动电源具有明显优势，它不存在黑启动机组自励磁问题，而且，可通过软启动控制使交流电压按设定曲线变化，避免空载线路合闸过电压问题。

首先，现有技术中针对MMC的黑启动能力的研究还处于起步阶段，而且现有的利用MMC进行电网黑启动的启动方式均是在真正的MMC-HVDC输电系统中，这种方式只有在真正的输电系统中实施过后才能够表明该启动方式正确与否，但是该启动方式如果一种错误的方式，那么，这不但会造成黑启动的失败，由于在真正的MMC-HVDC输电系统中进行黑启动，所以，一旦黑启动失败，供电区域内将会大面积地停电，会对企业生产造成巨大的经济损失，给居民日常生活带来很大的不便。

当MMC-HVDC用于电网黑启动时，停电端可等效为无源网络，此时需要借助有源端实现换流站的启动，继而带动整个电网的恢复。对于两端网络(I端等效为有源端换流站系统，II端为无源端换流站系统)，II端大停电则两端换流站同时退出运行。

发明内容

本发明的目的是提供一种MMC-HVDC黑启动模拟试验系统和试验方法。

为实现上述目的，本发明的方案包括：一种MMC-HVDC黑启动模拟试验系统，其特征在于，包括I端换流站系统和II换流站系统，所述I端换流站系统包括第一MMC和用于控制所述第一MMC的第一控制系统，所述II端换流站系统包括第二MMC和用于控制所述第二MMC的第二控制系统，所述第一MMC的直流侧通过线路模拟装置连接第二MMC的直流侧，所述第一MMC的交流侧用于连接第一电网，第二MMC的交流侧用于连接第二电网，所述第一MMC的交流侧与第一电网之间的连接线路上串设有第一断路器，第二MMC的交流侧与第二电网之间的连接线路上串设有第二断路器，所述第二断路器与第二电网之间的连接线路上串设有模拟试验开关，所述线路模拟装置用于模拟所述第一MMC的直流侧与第二MMC的直流侧之间的实际传输线路。

所述模拟试验系统还包括第一开关、第二开关和第三开关，所述第一电网通过所述第一开关供电连接所述第一控制系统，所述第二电网通过所述第三开关供电连接一个电动机，所述电动机与一个发电机机械传动连接，所述发电机的电能输出端连接到一个转换开关的一个动触点；所述第二断路器和模拟试验开关之间的连接点通过所述第二开关连接所述转换开关的另一个动触点，所述转换开关的静触点供电连接所述第二控制系统。

所述第一MMC的交流侧与第一电网之间的连接线路上还串设有第一软启动装置，第二MMC的交流侧与第二电网之间的连接线路上还串设有第二软启动装置。

所述线路模拟装置包括第一电阻组、第一电感组、第二电阻组、第二电感组、第一电容组、第二电容组、第三电容组和第四电容组，该线路模拟装置的正极输入端与正极输出端之间串设所述第一电阻组和第一电感组，该线路模拟装置的负极输入端与负极输出端之间串设所述第二电阻组和第二电感组，该线路模拟装置的正极输入端与负极输入端之间的连接线路上串设有第一电容组和第三电容组，正极输出端与负极输出端之间的连接线路上串设有第二电容组和第四电容组，第一电容组和第三电容组之间的连接点与第二电容组和第四电容组之间的连接点接地；所述第一电阻组和第二电阻组均由至少一个变阻器串联构成，所述第一电感组和第二电感组均为一个有若干个抽头的可调电感，所述第一电容组、第二电容组、第三电容组和第四电容组中的至少一个电容组为一个电容或者由至少两个电容并联构成。

一种专用于上述MMC-HVDC黑启动模拟试验系统的MMC-HVDC黑启动模拟试验方法，包括以下步骤：

(1)、断开模拟试验开关，模拟第二电网失电，并且断开第一断路器和第二断路器；

(2)、闭合第一断路器，有源启动第一MMC，第二MMC处于无源启动状态，第一MMC和第二MMC中的子模块开始充电；

(3)、在第一MMC和第二MMC中的子模块充电完成后，解锁第一MMC，并控制启动第一MMC；

(4)、待第一MMC直流侧的直流电压稳定后，解锁第二MMC，并控制启动第二MMC；

(5)、当第二MMC输出的交流电压稳定后，检测第二电网的电压幅值和相位，并对第二电网的电压相位进行锁相，当第二电网的电压相位与第二MMC输出的交流电压的相位一致时，控制闭合第二断路器进行并网，实现黑启动的模拟试验。

在所述步骤(1)和步骤(2)之间，所述试验方法还包括以下步骤：闭合第一开关和第三开关，使第一电网通过第一开关为第一控制系统供电，使发电机发出的电能通过转换开关为第二控制系统供电。

所述步骤(5)中，当所述第二MMC输出的交流电压稳定时，闭合模拟试验开关和第二开关，断开第三开关，通过转换开关使第二电网依次通过模拟试验开关和第二开关为第二控制系统供电。

所述步骤(3)中，所述控制启动第一MMC时，第一MMC为定直流电压、定无功功率控制模式；所述步骤(4)中，所述控制启动第二MMC时，第二MMC为定交流电压、定交流频率控制模式。

所述步骤(4)中，当第二MMC以定交流电压、定交流频率控制模式运行时，控制第二MMC交流侧的交流电压按照设定的电压增长率增大。

本发明提供一种MMC-HVDC黑启动模拟试验系统，该试验系统能够对MMC-HVDC的黑启动能力进行模拟试验，不必专门在真正的MMC-HVDC输电系统中进行黑启动测试，利用该试验系统能够及时准确获知MMC-HVDC的黑启动能力，而且，即使模拟的黑启动试验失败，也不会产生严重的后果，避免了真正的MMC-HVDC输电系统在黑启动失败时造成的供电区域内的大面积停电。

而且，本发明提供的黑启动模拟试验方法是对MMC-HVDC黑启动的模拟研究得到，利用该试验系统进行黑启动试验时，首先断开模拟试验开关，模拟其中一个电网失电，并断开两个电网对应的两个断路器；然后进行两个MMC的充电和启动操作，最后失电的电网对应的MMC输出的交流电压稳定后，检测第二电网的电压幅值和相位，并对第二电网的电压相位进行锁相，当第二电网的电压相位与第二MMC输出的交流电压的相位一致时，控制闭合第二断路器进行并网，实现黑启动的模拟试验。所以，该试验方法能够模拟在电网出现故障时有效实现电网的黑启动，实现对MMC-HVDC黑启动的有效控制，并且能够对柔性直流输电系统进行黑启动性能研究，以指导换流器(阀)与控制保护系统的产品开发与工程实施。

附图说明

图1是MMC-HVDC黑启动模拟试验系统结构示意图；

图2是转换开关的其中一个实施方式的结构示意图；

图3是MMC结构示意图；

图4-a是半桥子模块的结构示意图；

图4-b是全桥子模块的结构示意图；

图4-c是箝位式双子模块的结构示意图；

图5是线路模拟装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

实施例1

如图1所示，MMC-HVDC黑启动模拟试验系统包括I端换流站系统和II换流站系统，I端换流站系统通过线路模拟装置连接II换流站系统，其中，I端换流站和II端换流站中的核心部分均为MMC，分别是MMC1和MMC2。I端换流站系统和II换流站系统均是真正的换流器系统，I端换流站系统和II换流站系统中的电网均是真正电网。

第一电网与I端换流站系统中的MMC1的交流侧之间的连接线路上依次串接有第一断路器QF1、第一软启动装置和变压器T1，II换流站系统中的MMC2的交流侧与模拟电网之间的连接线路上依次串接有变压器T2、第二软启动装置、第二断路器QF2和模拟试验开关K4。

I端换流站系统中还包括用于控制MMC1的第一控制系统，II端换流站系统中还包括用于控制MMC2的第二控制系统。第一电网通过第一开关K1连接第一控制系统的供电端；如图1所示，第二断路器QF2和模拟试验开关K4之间的连接点通过第二开关K2连接转换开关的一个动触点，模拟电网通过第三开关K3供电连接电动机M，该电动机M与发电机G机械传动连接，发电机G的电能输出端连接转换开关的另一个动触点。电动机M和发电机G均为单相电机，转换开关的静触点连接第二控制系统的供电端，发电机G能够为第二控制系统提供工作电压。如图2所示，给出了转换开关的一个具体实施例，其相当于一个单刀双掷开关，其中，d1为静触点，d2和d3为两个动触点，通过选择d1与d2导通或者d1和d3导通能够使开关打向第二开关K2或者发电机G。另外，通常情况下，控制系统与用于对MMC进行冷却的冷却系统放置在一块，在为控制系统进行供电时，也相应地为冷却系统进行了供电，冷却系统属于常规技术，关于其具体结构以及工作过程属于现有技术，而且与本发明的技术方案无关，本实施例不做详细描述。

如图3所示，该试验系统中的MMC1和MMC2均为六桥臂MMC，每相包括上、下两个桥臂，每个桥臂上的子模块并不局限于如图4-a所示的半桥子模块，也可以是如图4-b所示的全桥子模块和如图4-c所示的箝位式双子模块，另外，这三种子模块中的开关器件T0，T1，T2，T3，T4，T5，T6，T11，T12，T21，T22不局限于IGBT器件，还可以是MOSFET器件或者其他的全控型开关器件或者半控型开关器件，以适应不同电压功率等级及降低系统成本考虑。

如图5所示，线路模拟装置用于实现对短距离(数公里)到长距离(数千公里)的架空线，电缆以及架空线+电缆混联的柔性直流输电线路的模拟。该线路模拟装置的结构和复杂程度根据实际情况进行设置。本实施例给出一个具体实施方式，它整体上由等效电阻、等效电感和等效电容组成，具体包括第一电阻组R1、第一电感组L1、第二电阻组R2、第二电感组L2、第一电容组C1、第二电容组C2、第三电容组C3和第四电容组C4。该线路模拟装置的正极输入端与正极输出端之间串设第一电阻组R1和第一电感组L1，负极输入端与负极输出端之间串设第二电阻组R2和第二电感组L2；该线路模拟装置的正极输入端与负极输入端之间的连接线路上串设第一电容组C1和第三电容组C3，正极输出端与负极输出端之间的连接线路上串设第二电容组C2和第四电容组C4，其中，第一电容组C1和第三电容组C3之间的连接点与第二电容组C2和第四电容组C4之间的连接点接地。这两个电阻组R1和R2均由至少一个变阻器串联构成，通过相应地调节能够实现整个电阻组的阻值的变化；第一电感组和第二电感组均为一个有若干个抽头的可调电感，通过抽头的调节实现电感值的变化；第一电容组、第二电容组、第三电容组和第四电容组中的至少一个电容组为一个电容，或者由至少两个电容并联构成，通过投入或者切除不同个数的电容，实现每个电容组的电容值的变化。综上，通过调节，能够使该线路模拟装置中的电阻值、电感值和电容值进行相应地改变，也即通过对不同电气组件档位的取值实现对不同长度、不同类型输电线路的模拟。

在利用该试验系统进行黑启动模拟试验方法之前，需要进行以下准备：

首先将I端，II端断路器开关QF1、QF2断开，MMC1和MMC2闭锁，将线路模拟装置接入系统，调节线路模拟装置中的电阻值、电感值和电容值，来模拟不同的直流线路长度。具体为：改变电阻组R1、R2中的电阻阻值，以及L1、L2的抽头接线，可以改变接入系统中电阻值和电感值；改变并联电容个数可以改变接入系统中电容容值，不同的电阻、电感和电容组合在一起，能够等效出不同的输电线路。

利用该试验系统进行黑启动模拟试验方法，具体为以下步骤：

1、断开模拟试验开关K4，模拟II端系统电网失电，并且断开断路器开关QF1和QF2。

2、闭合第一开关K1，I端控制系统与冷却系统带电且处于正常工作状态；I端控制系统与冷却系统正常工作后，设置I端极控为双端HVDC运行模式，有源启动，极连接状态，且设置I端为定直流电压控制、定无功功率控制模式，即设置MMC1的控制模式为定直流电压控制、定无功功率控制模式。

闭合第三开关K3，断开第二开关K2，电网为单相电动机M提供电能，电动机M运转进而带动发电机G，发电机发出单相220V交流电，并通过转换开关使发电机G为II端控制系统与冷却系统提供电能。

II端控制系统与冷却系统处于正常工作状态后，设置II端极控系统为无源启动模式，且设置II端为定交流电压、定交流频率控制模式，即MMC2的控制模式是定交流电压，定交流频率控制模式。

3、I端极控下发启动命令，断路器QF1闭合，端I系统处于有源软启动状态，MMC1中的子模块开始充电；同时端II系统处于无源启动状态，MMC2中的子模块开始充电。

双端系统充电阶段包含不控整流和定直流电压充电阶段。在充电阶段，为保持子模块电压一致性，可实行软启均压策略(利用开关KM1、KM2以及与KM1和KM2并联的电阻实现软启动)，即在充电阶段，电容电压最高子模块处于切除状态，切除个数及切除速率受子模块电容充放电特性影响。MMC1中的子模块电压达到设定值时，极控执行软启接触器KM1闭合策略，将软启电阻切除。

4、MMC1和MMC2中的子模块电容电压稳定后，即充电完成后，极控下发解锁命令，I端系统解锁，即解锁MMC1，由于前面已对I端系统的控制方式进行了事先设置，所以这里直接控制I端系统的MMC1处于定直流电压控制、定无功功率控制模式，即在无功功率按照固定斜率从零缓慢上升到一定值之后以该无功功率定值进行控制。

MMC1启动之后，直流侧的直流端电压逐渐上升，当MMC1的直流侧的直流电压达到设定的直流电压值时会稳定于该直流电压值，这时，II端系统解锁，即解锁MMC2，同样地，由于前面已对II端系统的控制方式进行了事先设置，所以这里直接控制II端系统的MMC2处于定交流电压控制、定交流频率控制模式。极控设置MMC2交流侧输出的交流电压按照设定的斜率从零缓慢上升，实现对变压器的软启动。

5、MMC2交流侧的交流电压逐渐上升，当到达设定的交流电压值时会稳定于该交流电压值，这时，闭合模拟试验开关K4和第二开关K2，转换开关实现电源的无缝平滑切换，使II端控制系统及冷却系统电源由发电机G供电转化为电网通过第二开关提供，电源稳定后，断开第三开关K3。

6、II端极控检测II端电网电压的幅值和相位，通过软件锁相环来锁定II端电网电压的相位，待II端电网电压的相位与MMC2输出的交流电压相位一致时，下发断路器QF2闭合命令，实施并网。

至此基于MMC-HVDC黑启动物理模拟试验完成。

上述实施例中，在断路器QF1闭合之前，设置MMC1为定直流电压控制、定无功功率控制，MMC2为定交流电压，定交流频率控制，这里只是事先设置好MMC1和MMC2的控制模式，并不对其进行实际操作控制，而在两个MMC中的子模块充电完成之后再对其分别进行实际控制，所以，这两个MMC的控制模式可以在实际控制之前的任意时刻进行事先设置，当然，还可以在实际控制的同时进行设置。而且，定直流电压控制、定无功功率控制的控制模式和定交流电压，定交流频率控制的控制模式均属于MMC的常规控制模式，这里就不再对这两个控制模式本身做详细地说明。

上述实施例中，第一和第二软启动装置均为进一步优化的技术特征，当然，作为其他的实施例，这两个软启动装置均可以省略，同样地，该模拟试验系统中的变压器也可以不设置。

实施例2

与上述实施例相比，该实施例中，MMC-HVDC黑启动模拟试验系统不包括电动机和发电机，那么II端控制系统供电的方式只有一种——电网，相应地，转换开关就无需设置，那么，基于该系统的黑启动模拟试验方法中就没有II端控制系统的供电电源的切换的相关步骤。

所以，基于本实施例中的模拟试验系统，黑启动模拟试验方法整体包括以下步骤：

(1)、断开模拟试验开关K4，模拟II端系统电网失电，并且断开断路器开关QF1和QF2；

(2)、闭合断路器QF1，有源启动MMC1，无源启动MMC2，这两个MMC中的子模块开始充电；

(3)、MMC1和MMC2中的子模块充电完成后，解锁MMC1，并控制启动MMC1；

(4)、待MMC1直流侧的直流电压稳定后，解锁MMC2，并控制启动MMC2；

(5)、当MMC2输出的交流电压稳定后，检测II端电网的电压幅值和相位，并对II端电网的电压相位进行锁相，当II端电网的电压相位与MMC2输出的交流电压的相位一致时，控制闭合断路器QF2进行并网，实现黑启动的模拟试验。

由于实施例1中已对上述试验方法中的各步骤进行了详细地描述，这里就不再具体说明。

以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。