厦门柔性直流换流站启动过程分析论文_田存建

（国网福建检修公司福建福州 350013）

柔性直流输电与传统的高压直流输电技术相比，最主要的特点是采用了基于全控型大功率器件IGBT（绝缘栅双极晶体管）的电压源换流器（VSC）。由于IGBT是具有自关断能力的全控型器件，因而柔性直流输电系统无需交流系统提供换相电压，可以向有源或无源网络供电。

厦门±320kV柔性直流输电科技示范工程是世界上第一个采用真双极接线方案，电压等级最高，容量最大的柔性直流输电系统，直流输送容量1000MW，直流电流1600A，其典型系统结构如图1所示。

图1 厦门柔直工程系统结构图

1、换流阀结构

厦门柔直换流器拓扑采用模块化多电平换流器（Modular MultilevelConverter，简称MMC）结构，如图2所示。MMC拓扑与传统的两电平和三电平结构相比，换流器交流侧输出电压变化小，电平阶梯数量多，跨度小，更趋近于正弦波。

图2 MMC拓扑结构图

换流器有A、B、C三相上、下共6个桥臂，每个桥臂由216个子模块（其中16个作为冗余配置）级联而成。在换流器运行过程中，子模块可能出现如图3所示的四种运行状态，图中带箭头的虚线表示各种运行状态下，通过子模块的电流路径及方向。

换流器闭锁状态：即所有桥臂的子模块均处于图3（c）所示的闭锁状态，交流侧电压分别对上、下桥臂子模块进行周期性的循环充电，此时直流侧电压为交流侧线电压的包络线。

换流器运行状态：每一时刻各相上、下桥臂处于运行状态的子模块总数量均保持200个不变，其余子模块则处于冗余或旁路状态。例如，当某相桥臂电抗器交流侧交流电压为0时，该相上下桥臂各有100个子模块处于运行状态，输出高电平；其余子模块处于冗余或旁路状态，输出电压为0。考虑极限情况，则需要上桥臂或下桥臂有200个子模块随时能处于运行状态，因而三相上、下桥臂各配置了16个子模块作为冗余量，以提高换流器的可靠性。当旁路子模块数量达到16个时，换流器则失去冗余能力，可靠性降低。

2、换流阀启动过程分析

柔直系统启动过程分为两阶段：

（1）换流阀闭锁：换流器处于闭锁状态，网侧断路器合闸后，交流系统向各子模块进行不控整流充电，如图3（c）所示；

（2）换流阀解锁：换流器处于运行状态，交流系统继续对子模块进行可控整流充电，如图3（a）所示。

系统启动时，所有IGBT子模块均处于闭锁状态，所有子模块电容通过二极管进行不控整流充电；但电容电压不能在这一过程中达到稳定工作时的电压值，随后需要解锁IGBT进行可控整流充电。子模块电容电压的建立方法如下：

1）自励充电模式：利用交流电网对换流器进行不控整流充电，可充至约直流电压的0.7pu。

2）他励充电模式：利用多端柔直的直流电压对换流器进行充电，可充至约直流电压的0.35pu。

3）他励辅助充电模式：因他励充电模式存在充电不足问题，在解锁换流站时会有较大的冲击电流，因此需要采用他励辅助充电（IGBT可控充电）模式对子模块电容器继续充电。

厦门柔直为两端都是有源网络，故使用自励充电模式即可。

（d）旁路状态

图3 子模块运行状态

2.1 换流阀不控整流充电时序分析

对换流阀的子模块电容充电是换流阀启动所必需的步骤。在换流阀启动之前，各子模块电压为零，IGBT处于关断状态，且IGBT缺少触发所需能量不能开通，换流阀无法解锁。因此在启动之初，只能通过各子模块IGBT上的反并联二极管对其电容充电。

图4、换流阀不控整流波形图

如图4为三相不控整流波形图，一个电网周期（20ms）可分为6个区间段，各段角度均为；

在区间Ⅰ段时，换流阀交流侧相电压Ua＞Uc＞Ub，子模块电容充电电流图如图5所示，A相下桥臂充电，B相上桥臂充电，C相上、下桥臂同时充电。

图5、Ⅰ段换流阀电容充电电流方向

在区间Ⅱ段时，换流阀交流侧相电压Ua＞Ub＞Uc，子模块电容充电电流图如图6所示，A相下桥臂充电，B相上、下桥臂同时充电，C相上桥臂充电。

图6、Ⅱ段换流阀电容充电电流方向

由此可知，各区间段内换流阀各桥臂电容充电情况模式为：

（1）电位最高相：下桥臂充电；

（2）电位中间相：上、下桥臂均充电；

（3）电位最低相：上桥臂充电。

同一时刻共有4个桥臂处于充电状态；一个电网周期内各桥臂累积充电时间占2/3，如表1所示。

表1、换流阀各桥臂电容充电时序表

换流阀闭锁阶段，网侧断路器合闸后，不仅向本侧换流站进行不控整流充电，还可以通过直流线路向对侧换流站进行充电，如图7所示。

图7、对侧换流站不控整流充电电流图

以区间Ⅰ为例，本侧换流阀交流侧电压关系为：Ua＞Uc＞Ub，对侧换流阀的充电电流则通过电位最高相（A相）的上桥臂流出，经直流输电线路后项对侧换流阀电容充电，再从电位最低相（B相）的下桥臂回流。

2.2 换流阀不控充电分析

换流器闭锁时，交流系统通过SM（子模块）反并联二极管整流对电容器充电，为减小交流线路合闸时过冲电流对功率器件的影响，可在交流线路中串入带有旁路开关的限流电阻。为减少合闸时换流变压器的励磁涌流，将限流电阻接于换流变网侧。限流电阻的阻值选取由功率器件的耐流决定，假设限流电阻等效到换流变阀侧的值为R，如图8所示。