2.5 启动回路
2.5.1 启动回路简介
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。
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。当系统启动时，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2.39所示。当系统启动时，在t1时刻先合上开关S1，经过一定的延迟时间到达t2后，再合上开关S2，此时电阻被旁路，开关S1也随之断开，直流充电过程结束。
图2.39 带启动电阻的典型启动回路
本节主要结合换流阀的特性，提出合适的启动电阻技术要求、旁路开关的选型及技术要求，以及启动策略要求等。涉及对启动回路的接线及主要参数进行设计计算，具体如下：
1）不控整流启动特性。提出不同换流器拓扑结构下的柔直系统不控整流启动特性。
2）启动电阻选型。根据不控整流启动期间启动回路的电气量特征，提出启动电阻阻值及能量等要求。
3）旁路开关选型。提出与启动电阻并联的旁路开关参数选型。
4）对启动策略的建议与要求。
2.5.2 计算条件
下列计算以乌东德工程为例。
1.系统参数
换流站交、直流系统参数见表2.6、表2.7。
表2.6 交流系统参数
表2.7 直流系统参数
2.柔直变压器
高、低压阀组柔直变压器均采用YNy联结，参数见表2.8。空载损耗和负载损耗为假定值，后续应基于柔直变压器实际设备参数进行校核。
表2.8 变压器参数
3.换流阀
柳北和龙门换流站换流阀采用部分全桥和部分半桥的混合结构，换流器与本章计算相关的参数见表2.9。其中，换流阀放电电阻和高位取能电源功率为假定值，后续应基于换流阀实际设备参数进行校核。按最严苛的情况考虑，仿真中桥臂等效电容值和放电电阻值不考虑冗余数，高位取能电源桥臂等效电阻考虑冗余数。
表2.9 换流阀元件参数
4.电抗器
柳北和龙门换流站桥臂电抗器均取值75mH。
柳北换流站直流极线电抗器为100mH，中性线电抗器为200mH。
龙门换流站直流极线电抗器为75mH，中性线电抗器为75mH。
5.预充电方式
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，利用交流电网对换流站进行不控整流充电；②他励充电模式，利用另一端柔直的直流电压对换流站进行充电。对于采用不同拓扑结构的功率模块，其模块充电电压大小也不相同。
乌东德工程柔直充电方式考虑自励充电模式，预充电时建议断开与对侧柔直站的直流线路开关，不考虑本站充电时对对侧站的自然充电。
2.5.3 换流器拓扑结构对启动特性的影响
1.半桥拓扑
乌东德工程广东、广西侧为柔性直流换流站，且存在广西—广东双站运行方式，因此以输电系统双侧均为柔性直流换流结构为例进行分析。若采用半桥拓扑结构换流器，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如图2.40所示（乌东德工程采用双极双阀组结构，接线以单极单阀组为例，双极双阀组充电回路原理一致）。
自励充电回路：当A相电压瞬时值高于B相电压瞬时值时，电源经A相上桥臂功率模块下反并联二极管和B相上桥臂功率模块上反并联二极管向B相并联电容充电。其余各时刻的充电回路可类推。
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、下桥臂所有模块的并联电容同时充电。
根据零状态响应电路原理，启动充电过程中，电源供给的能量一部分转换成电场能量储存于电容中，一部分被电阻转变为热能消耗掉。不论RC串联回路中电阻R和电容C的数值为多少，在充电过程中，电源提供的能量只有一半转变成电场能量储存于电容中，另一半则被电阻所消耗。
图2.40 不控整流启动充电回路（半桥拓扑换流器结构）
根据对采用半桥拓扑结构换流器启动回路的分析，得出结论如下：
不控整流本侧电容充电电压kV（单桥臂）：
。
不控整流对侧电容充电电压kV（单桥臂）：
。
不控整流直流极线对地电压
。
不控整流直流极线极间电压
。
考虑仅对本侧换流器充电，单相启动电阻冲击吸收能量（MJ）：
。
考虑对本侧和对侧换流器充电，单相启动电阻冲击吸收能量（MJ）：
。
其中，Uf为采用对称双极结构双阀组换流器的柔直变压器阀侧线电压kV；C为对称双极结构双阀组换流器单桥臂等效串联电容（mF），C=C0/N，C0为单模块电容值（mF），N为单桥臂功率模块数。
2.全桥拓扑
若采用全桥拓扑结构换流器，交流电源对本侧功率模块充电回路示意如图2.41所示。考虑到双极双阀组充电回路与单极单阀组一致，此处接线以单极单阀组为例进行说明。
图2.41 不控整流启动充电回路（全桥拓扑换流器结构）
根据对采用全桥拓扑结构换流器启动回路的分析，得出结论如下：
不控整流电容充电电压（单桥臂）为半桥结构的一半。不控整流直流极线对地电压和极间电压均为零，无法给对侧换流器充电。单极单相启动电阻冲击吸收能量为半桥结构的1/4。
3.混合拓扑
若采用混合拓扑结构换流器，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如图2.42所示。
图2.42 不控整流启动充电回路（混合拓扑换流器结构）
根据对采用混合拓扑结构换流器启动回路的分析，得出结论如下：
对于混合结构，由于不控整流充电阶段全桥电容始终在充电，而半桥电容只有一半的充电时间，因此全桥功率模块电容电压为半桥电容电压的2倍。
假设一个桥臂中有N1个全桥功率模块和N2个半桥功率模块。
全桥电容充电电压（单桥臂）：
。
半桥电容充电电压（单桥臂）：
。
不控整流单阀组端间：
。
不控整流双阀组直流极线对地：
。
考虑仅对本侧换流器充电，单相启动电阻冲击吸收能量：En（N1+N2）/（4N1+N2）。
考虑对本侧和对侧换流器充电，单相启动电阻冲击吸收能量：En（N1+N2）/（4N1+N2）+En（N2）2/2（4N1+N2）2。
以上均针对理想的不控整流充电回路进行分析。对于混合结构，由于全桥和半桥结构电容电压存在天然差异，且全桥功率模块和半桥功率模块数量也存在差异，当半桥功率模块数量占比较少时，半桥结构不控整流期间损耗等效桥臂电阻远小于全桥结构，造成半桥电容在充电后迅速放电，引起半桥电容电压下跌和全桥电容电压上升，如图2.43所示（图中半桥桥臂电压为×8后的数值）。
图2.43 混合模块不控整流充电阶段桥臂电压波形
由于全桥、半桥功率模块自然充电电压不均衡，换流阀阀控与子模块建立通信后，全桥VT4管导通，使全桥子模块对外特性与半桥子模块一致，形成和半桥一样的充电模式，系统对全部子模块进行二次充电，全桥、半桥电压共同升高，但由于初始电压不一致，无法充电至相同电压水平。后续启动自均压功能，例如实时监测模块电压并排序，按照自均压算法选定一定数量的高电压模块，通过IGBT旁路，均衡模块电压。
因此，混合结构启动充电步骤及对启动电阻影响如下：
1）不控整流充电，半桥模块电压为全桥模块电压的一半。
2）通过阀控控制全桥转半桥特性，进行二次充电，半桥模块和全桥模块电压共同升高。二次充电过程中，启动电阻仍需投入，因此混合结构启动电阻选型需考虑充电时功率模块全部为半桥模块外特性时的情况，且需考虑该过程中的功率模块损耗。
3）启动自均压功能。阀控采用合适的自均压算法，保证该过程中充电电流不会对设备造成影响，该过程中启动电阻可退出。
1）根据以上分析，在理想情况下，不同换流器拓扑结构下不控整流启动特性及启动电阻冲击能量见表2.10。
表2.10 不控整流启动特性及启动电阻冲击能量（对应不同换流器拓扑结构）
2）对于混合结构，由于全桥和半桥子模块在不控整流阶段充电电压不均匀，半桥仅为全桥一半，且半桥模块由于等效损耗电阻较小引起电压迅速下跌，对后续控制提出了较高的要求。阀控需快速介入将全桥模块控制为半桥模块充电模式，进行二次充电。该过程对于启动电阻吸收能量影响很大。
2.5.4 启动回路设计
1.启动电阻设置位置
大容量柔直输电系统一般采用双极双阀组对称结构。启动电阻设置在柔直变压器网侧或阀侧均可。启动电阻设置在网侧时可降低励磁涌流，但需承受励磁涌流在其上产生的能量，能量要求相对略高；设置在阀侧时能量要求较低，但高、低压启动回路设备分别需承受一定的直流偏置电压，高压启动回路设备对绝缘的要求较高。根据乌东德工程设计，柔直变压器阀侧套管按伸入阀厅考虑，若启动电阻设置在变压器阀侧，相关设备也要放在阀厅内。综合考虑，启动电阻暂选择设置在连接变压器网侧，布置于户外。
2.启动电阻选型
启动电阻的选型主要考虑两个方面：首先应能有效地保护其他重要设备，防止过电压和过电流；其次，应满足经济性。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。
（1）启动电阻阻值
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电压及功率模块二极管上的过电流。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地提高设备体积，且将一定程度地提高造价，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，根据工程经验并考虑设备制造情况，乌东德工程的广东侧和广西侧启动电阻值均取5000Ω。
（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。同时，还需要综合考虑电阻的偏差特性以及单相电阻短路失效等情况。
（3）启动电阻吸收能量
由前述分析可知，换流器拓扑结构和启动控制方式对启动电阻选型影响极大。
对于混合结构，全桥转半桥充电模式，实际由于二次充电前，全桥、半桥充电不均且半桥电压快速下跌，若二次充电开始时间较晚，二次充电后全桥、半桥电压不均衡仍将较严重。按最苛刻的情况考虑，假设电压都加在全桥模块上，启动电阻吸收能量与真正的全半桥相比，将增大1.25倍。
除正常启动时，同时还要考虑故障情况下启动电阻吸收能量要求。若启动过程中电阻与柔直变压器之间的母线突然闪络，连接变压器网侧交流开关由保护跳闸切断流经电阻的短路电流。对应于启动电阻值5000 Ω，考虑保护时间100ms，启动电阻在故障期间吸收能量为2MJ。如在正常启动后，旁路开关还未关合时，母线发生单相接地故障，吸收能量应叠加该能量。
综合以上工况，启动电阻的设计冲击吸收能量取20 MJ/15 MJ（广东侧/广西侧）。
（4）启动电阻稳态电流
启动回路设置在柔直变压器网侧，充电末期整个回路中仍有一定数值的电流存在，主要原因：①充电末期阀功率模块上放电电阻、高位取能电源损耗等引起交流电源需继续给模块电容充电，在启动回路上流过持续的电流；②变压器网侧流过稳定的励磁电流。
根据不控整流末期启动电阻上的最大稳态电流计算结果，取一定裕度，设计取值10A。
启动电阻稳态电流流过时间需根据换流器二次充电所需时间及二次充电前所需时间确定。启动电阻最终技术参数要求应根据工程参数及具体启动策略进行再次核算。
3.启动电阻旁路开关选型
启动回路接线示意图如图2.44所示，设置在连接变压器网侧，启动电阻R直接与旁路开关S并联。在流过启动电阻R的电流达到稳态后被旁路，旁路开关S应具有能关合合闸前回路电流10A、合闸前两端电压50kV、合闸时冲击电流400A的能力。
图2.44 启动回路接线
旁路开关最终技术参数要求应根据实际换流阀参数及具体启动策略进行再次核算，实际工程中建议采用断路器。
2.5.5 结论
针对±800kV特高压柔直换流站，考虑换流器拓扑结构对启动过程的影响，进行计算分析，得出关于启动回路的结论如下：
1）研究提出了不同换流器拓扑结构下不控整流启动特性及启动电阻技术参数要求。不同换流器拓扑结构下不控整流启动特性各异，换流器拓扑结构和启动控制方式对启动电阻选型影响极大。
2）全桥拓扑结构下启动电阻冲击能量最低，混合（半桥）拓扑结构下启动电阻冲击能量最高。对于混合结构，由于全桥和半桥子模块在不控整流阶段充电电压不均匀，半桥仅为全桥一半，且半桥模块由于等效损耗电阻较小会引起电压下跌，对启动控制提出了较高的要求。阀控需快速介入将全桥模块控制为半桥模块充电模式进行二次充电，该过程对于启动电阻吸收能量影响很大。
3）启动电阻的选型主要考虑两个方面：首先应能有效地保护其他重要设备，防止过电压过电流；其次应满足经济性。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）对采用混合结构换流器柔直系统启动策略的建议如下：由于不控整流时混合结构中全桥电压为半桥电压的两倍，且半桥因损耗较小，电压存在下跌现象可能造成失电压，建议阀控尽快将全桥转为半桥状态，开展二次充电以免模块间电压过于不均匀影响启动。带对侧柔直站启动时，混合结构中半桥电压下降迅速，且将增大启动电阻吸收能量，不建议带对侧站启动，建议两个柔直站分别启动后再连接直流侧。