CN102170140B - 一种模块化多电平换流器柔性直流输电系统的起动方法 - Google Patents

一种模块化多电平换流器柔性直流输电系统的起动方法 Download PDF

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Abstract

本发明为一种模块化多电平换流器柔性直流输电系统的起动方法，通过对开关、断路器和换流器等进行控制，保证子模块电压和直流电压达到额定值，并通过制定合适的控制策略抑制充电过程中产生的冲击电流。本发明还简化了充电控制方法，优化了调制算法，解决了一端交流系统向两站充电时，远端换流站子模块电容电压不足的问题，同时本发明解决了直流线路充电的问题。

Description

一种模块化多电平换流器柔性直流输电系统的起动方法
技术领域：
本发明涉及电力系统柔性直流输电技术领域，具体涉及一种模块化多电平换流器柔性直流输电系统的起动方法。
背景技术：
用于柔性直流输电的模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)采用目前国际上较为流行的新型多电平拓扑结构。其核心单元——子模块(Sub Module，SM)，如图1所示，是由两个带有反并联二极管的可自关断的电力电子开关器件和一个电容器构成的半桥结构。新型多电平拓扑结构的基本拓扑结构如图2所示，与H桥级联型多电平结构类似，其由三个相单元(Phase Module或Phase Unite，图2中的1)组成，每个相单元包含上下对称的换流桥臂(ConverterLeg)，而每个换流桥臂又由多个子模块和一个桥臂电抗器串联而成。
正常运行时，通过控制两个开关器件的触发信号，合理地控制各相子模块的投入和切除数，可以得到不同的交流输出电压。换流器各相投入的子模块构成了直流侧电压，而直流电压的稳定是柔性直流输电系统稳定运行的基础。因此在系统运行之前，需对换流器的电容进行预充电，保证换流器正常运行前各子模块的电容电压达到额定值。待子模块的电容电压达到额定值后，换流器的站级控制切换至正常运行时的控制方式。上述电容器充电到站级控制切换的一系列过程构成了柔性直流输电系统的起动过程，可以看出，电容器的充电过程是输电系统起动的主要内容。
为了完成模块化多电平式柔性直流输电系统的正常起动，也即保证换流器各子模块电容的平稳、快速充电，可采取自励充电的方式，也可采用它励的方式。在中低压领域，可采取辅助电源的它励方式。丁冠军等人的“新型模块化多电平VSC子模块电容参数与均压策略”(中国电机工程学报，2009，29(30)，1～6)提及了一种简要的利用辅助电源的它励充电方式。选取大约等于子模块额定电压的直流电压源，将其跨接于换流器直流侧正负极之间，通过控制子模块的投入和切除，使得子模块电容电压升至额定值附近。具体实施是给各相2N个子模块的IGBT1关断信号，除待充子模块，其余2N-1的IGBT2给予触发信号，如此直流电压仅加载在待充电子模块电容两端，该子模块充电，待该子模块电容电压达到所预定值附近，即完成该子模块的充电。随后给该子模块IGBT2触发信号，同时下一个待充子模块IGBT2予关断信号，充电对象转移，如此顺序进行，可实现各相子模块的电容充电。
徐政、屠卿瑞等人的“无需辅助直流电源的三相模块化多电平换流器起动方法”(专利申请阶段，申请公布号：CN 101795057 A)，提出了一种在无需辅助直流电源的情况下，三相模块化多电平换流器的自励充电方法，该方法用交流系统线电压替代上文中的直流电压源，通过检测桥臂电流流向和各子模块电容电压来，控制各桥臂子模块的开关状态，完成换流器的子模块的充电。具体过程为：通过限流电阻将交流电压引至换流器，给所有子模块上下开关器件予关断信号，检测各桥臂的电流，当电流与充电方向一致时，给待充电子模块下开关器件予触发信号，该子模块充电；当电流与充电方向相反时，给该子模块下开关器件予关断信号，该子模块电容电压得以保持，如此反复，待子模块电容电压达到额定时，触发开通该子模块下开关器件，该子模块的充电完毕，可转而对下一个子模块进行充电，重复上述步骤，直至桥臂所有的子模块电容电压均达到额定值附近，换流器完成充电。
上述两种的子模块的方式其共同点缺点在于：第一，换流器各桥臂/相充电过程中，仅单个子模块投入充电，在同样的限流电阻下，换流器的充电时间增倍；第二，无论是直流电压源的它励充电，还是交流系统的自励充电，需要特别设计用于换流器充电的控制程序，均增加了控制器设计的复杂程度；第三，从柔性直流输电系统起动的角度来说，上述技术仅仅针对换流器的充电方式，直流线路与系统其它设备的充电过程未能涉及。
发明内容：
针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是在柔性直流输电系统正常运行前，保证子模块电容电压和直流电压达到额定值，并通过制定合适的控制策略抑制充电过程中产生的冲击电流。
本发明提供的一种模块化多电平换流器柔性直流输电系统的起动方法，所述换流器由三相六个桥臂构成，各桥臂由一个电抗器和若干结构相同的子模块串联而成，所述子模块包括电容和IGBT；其改进之处在于，所述方法包括如下步骤：
(1)设定站1为直流电压控制，无功功率控制；设定站2为无源交流电压控制；
(2)断开站1、站2交流系统侧断路器S1、S2，断开限流电阻的旁路开关SR1，闭合限流电阻的旁路开关SR2，闭合站1和站2直流隔离开关Sdc1、Sdc2，关断所有子模块的IGBT开关器件T1和开关器件T2；
(3)闭合站1交流系统侧的断路器S1；
(4)监测各站子模块电容电压，当子模块电容电压趋于稳定后，解锁站2换流器；如没有趋于稳定，则重复上一步骤；
(5)监测站1交流侧相电流、站1和站2各子模块电容电压，当电流、电压趋于稳定，闭合旁路开关SR1；如没有趋于稳定，则重复此步骤；
(6)设定站1直流电压控制初始参考值为当前时刻直流电压值，并解锁站1换流器；
(7)监测站1交流侧电流及两站子模块电容电压，当电压、电流趋于稳定后进行步骤(8)；
(8)设定站1换流器直流电压指令值为额定值，并加入斜率控制；
(9)监测站1和站2的子模块电容电压及直流电压，达到控制要求，设定站2无源交流电压控制指令值为系统侧电压值，并加入斜率控制，进行步骤(10)；
(10)站2换流器交流出口电压幅值和相位与系统电压相同后，闭合站2断路器S2。
本发明提供的第一优选方案的起动方法，其改进之处在于，所述步骤(1)的所述无功功率指令值为0。
本发明提供的第二优选方案的起动方法，其改进之处在于，所述步骤(1)的所述交流电压指令值为0。
本发明提供的第三优选方案的起动方法，其改进之处在于，所述步骤(4)所述解锁站2换流器是给站2三相六桥臂各子模块触发信号，选取各相上下桥臂共n个子模块，开通这n个子模块的IGBT上开关器件T1，开通其余2N-n个子模块下开关器件T2。并在单位控制周期内，将电压最低子模块的上开关器件T1开通，并关断其下开关器件T2，将电压最高子模块的上开关器件T1关断，并开通其下开关器件T2。
本发明提供的第四优选方案的起动方法，其改进之处在于，步骤(4)趋于稳定是指Uc1与Uc2近似为1/N倍的线电压峰值。
本发明提供的第五优选方案的起动方法，其改进之处在于，所述的步骤(6)进行解锁时，直流电压控制器指令值为解锁时刻直流电压实际值。
本发明提供的第六优选方案的起动方法，其改进之处在于，所述步骤(7)的控制要求是指Uc1、Uc2分别与参考电压误差百分比小于用户设定的最小值；直流电压与直流电压参考值误差百分比小于所述用户设定的最小值。
本发明提供的较优选方案的起动方法，其改进之处在于，所述n个子模块是指一个相单元内投入工作的子模块数；所述N为一个桥臂的子模块数。
与现有技术比，本发明的有益效果为：
(1)本发明有效地抑制了换流器充电过程的第二阶段，换流器解锁时的冲击电流；
(2)本发明简化了充电控制方法，优化了调制算法；
(3)本发明解决了模块化多电平式柔性直流输电系统一端交流系统向两站充电时，远端换流站子模块电容电压不足的问题；
(4)本发明解决了直流线路充电的问题。
附图说明
图1：本发明提供的子模块结构示意图；
图2：本发明提供的三相六桥臂结构示意图；
图3：本发明提供的模块化多电平式柔性直流输电系统结构示意图；
图4：本发明提供的起动方法操作流程图；
图5：本发明提供的站1、站2子模块电容电压波形图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
用于柔性直流输电的模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)采用目前国际上较为流行的新型多电平拓扑结构(新型多电平和下面的三相模块化是否是一个概念，可否替换)。其核心单元——子模块(Sub Module，SM)，如图1所示，所有子模块结构相同，均采用半桥式结构，其核心结构如图1所示，是由具有自关断能力的开关器件T1、T2，和与开关器件分别反并联的二极管D1、D2以及一个直流电容C组成。三相模块化多电平换流器的基本拓扑结构如图2所示，与H桥级联型多电平结构类似，三相模块化多电平式换流器由上下三相共六个换流桥臂构成，每个桥臂则由一个电抗器L和N个子模块串联而成。规定的桥臂的参考方向ixyz如图2所示，其中x＝a，b，c分别对应交流系统的a，b，c三相，y＝p，n分别对应上下桥臂，z＝1，2分别对应站1，站2；Ucx为子模块电容电压，其中x＝1，2分别为站1和站2。当桥臂电流方向与用户定义的参考方向一致，即ixyz＞0，子模块具备充电的电流条件。
如图3所示的一个简单的模块化多电平式柔性直流输电系统，站1、站2均采用模块化多电平式换流器，且站1和站2结构对称，站1交流侧三相各串入一定阻值的限流电阻R，各限流电阻两端均并联有一个旁路开关SR，两端换流站直流侧正负极线路中均串入直流隔离开关SK。图中虚框内为图2所示的三相模块化多电平换流器。
图4给出了本发明的关于柔性直流输电系统的起动方式操作流程。
(1)设定站1为直流电压控制，无功功率控制，无功功率指令值为0。设定站2为无源交流电压控制，交流电压指令值为0；
(2)断开站1、站2交流系统侧断路器S1、S2，断开限流电阻的旁路开关SR1，闭合限流电阻的旁路开关SR2，闭合双站直流隔离开关Sdc1、Sdc2，断开双站所有子模块的开关器件T1、T2，为换流器的充电做准备；
(3)闭合站1交流系统侧的断路器S1，交流系统电压经限流电阻引至换流器，交流系统线电压、站1换流器桥臂、直流线路和站2的相单元构成充电回路。当站1各桥臂电流ixy1＞0时，电流经反并联二极管D1，对电容器C充电，每次共N个子模块充电；当站1桥臂电流ixy1＜0时，电流经反并联二极管D2流出，子模块对外不表现出电压，电容器不充电，电压保持不变。站2上下桥臂充电电流ixy2大小相等，方向一致，且当ixy2＞0时，相单元共2N个子模块充电，当ixy2＜0时，相单元子模块电容电压得以保持；
(4)监测各站子模块电容电压，当站2子模块电容电压趋于稳定后，解锁换流器，具体操作为：给站2三相六桥臂各子模块一定的触发信号，选取各相上下桥臂共n个(若换流器的输出电压的电平数为n+1，正常运行时各相投入子模块数为n，一般n≤N)子模块，开通这n个子模块的上开关器件T1，开通其余2N-n个子模块下开关器件T2，此时线电压加载在n个子模块上，子模块电容电压得以提升，为了保持各桥臂子模块电容电压均衡，在单位控制周期内，将电压最低子模块的上开关器件T1开通，并关断其下开关器件T2，将电压最高子模块的上开关器件T1关断，并开通其下开关器件T2；
(5)监测站1交流侧相电流及两站各子模块电容电压，当相电流趋于稳定，Uc1与Uc2近似为1/N倍的线电压峰值后，闭合旁路开关SR1，退出限流电阻；
(6)设定站1直流电压控制初始参考值为当前时刻直流电压值，并解锁换流器(具体操作详见步骤(4))，冲击电流得到抑制；
(7)待稳定后，设定直流电压参考值为额定值，并按照一定的斜率缓慢提升，充电电流得到限制，期间站1和站2子模块电容电压保持相对一致，并稳定上升；
(8)监测两站子模块电容电压及直流电压，当达到额定值时(如图5所示，其中ε由控制要求而定)，即完成站1、站2换流器的充电过程，设定站2无源交流电压控制指令值为系统侧电压值，并按照一定的斜率提升；
(9)待站2换流器交流出口电压幅值和相位与系统电压相同后，闭合站2断路器S2，站1和站2分别切换至正常运行时的控制方式，至此整个柔性直流输电系统的启动过程结束。
图5给出按照所设计的启动方式操作流程，所得到的站1、站2子模块电容电压波形，其中Uc1、Uc2分别为站1、站2的子模块电容电压。按照所设计的操作流程，各阶段子模块电容电压相对稳定，并最终达到额定值。
步骤(4)控制过程的实现，可以利用换流器正常运行时阀级控制层的控制程序，而无需另外设计；为了抑制步骤(5)站1解锁时的冲击电路，本发明对直流电压控制策略及调制算法进行适当改进，即：以直流电压实际值为直流电压初始参考值，使其不至于因直流电压参考值变化太快，而生产较大的冲击电流；另一方面，改进了调制算法，在上下桥臂投入模块数的生成环节，子模块电容电压参考电压是根据直流电压的实际值来确定，例如当直流电压为0.8p.u.时，对应的子模块参考电压为0.8倍的子模块额定电压，以尽可能地保证了换流器出口电压幅值的不变，减少了换流器解锁时冲击电流。
具体实施方式二：
本实施例与实施例一的步骤基本相同，不同之处在于，所述的步骤(1)～(9)既可适用于两端为均为有源交流系统的场合，也适用于一端为无源交流系统的场合。两端均为有源交流系统时，也可将站2作为直流电压控制站，相应地应将上述启动步骤中站1和站2控制策略及操作对调；一端为无源交流系统时，站1应为位于有源侧，与前者不同，上述控制步骤(8)、(9)中无源交流电压控制指令值视无源侧负荷要求而定。
最后应该说明的是：结合上述实施例仅说明本发明的技术方案而非对其限制。所属领域的普通技术人员应当理解到：本领域技术人员可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，但这些修改或变更均在申请待批的权利要求保护范围之中。

Claims (7)

1.一种模块化多电平换流器柔性直流输电系统的起动方法，所述换流器由三相六个桥臂构成，各桥臂由一个电抗器和若干结构相同的子模块串联而成，所述子模块包括电容和IGBT；其特征在于，所述方法包括如下步骤：
（1）设定站1为直流电压控制，无功功率控制；设定站2为无源交流电压控制；
站1、站2均采用模块化多电平式换流器，且站1和站2结构对称；
站1交流侧交流系统与交流侧断路器S1、限流电阻R1、变压器1依次串联后与站1交流端相连，限流电阻R1两端并联有一个旁路开关SR1；
站1直流侧的一端串接直流隔离开关Sdc1后与直流输电线路1的一端相连接，站2直流侧的一端串接直流隔离开关Sdc2后与直流输电线路1的另一端相连接；站1直流侧的另一端串接直流隔离开关S'dc1后与直流输电线路2的一端相连接，站2直流侧的另一端串接直流隔离开关S'dc2后与直流输电线路2的另一端相连接；
站2交流侧交流系统与交流侧断路器S2、限流电阻R2、变压器2依次串接后与站2交流端相连，限流电阻R2两端并联有一个旁路开关SR2；
（2）断开站1、站2交流侧断路器S1、S2，断开限流电阻R1的旁路开关SR1，闭合限流电阻R2的旁路开关SR2，闭合站1和站2的直流隔离开关Sdc1、S'dc1、Sdc2、S'dc2，关断所有子模块的IGBT上开关器件T1和下开关器件T2；
（3）闭合站1交流侧断路器S1；
（4）监测各站子模块电容电压，当站2子模块电容电压趋于稳定后，解锁站2换流器；
（5）监测站1交流侧相电流及两站各子模块电容电压，当电流、电压趋于稳定，闭合旁路开关SR1；
（6）设定站1直流电压控制初始参考值为当前时刻直流电压值，并解锁站1换流器；
（7）监测站1交流侧电流、站1和站2子模块电容电压，当电流、电压趋于稳定后进行步骤（8）；
（8）设定站1换流器直流电压指令值为额定值，并加入斜率控制；
（9）监测各站子模块电容电压及直流电压，达到控制要求后，设定站2无源交流电压控制指令值为交流系统侧电压值，并加入斜率控制，进行步骤（10）；
（10）站2换流器交流出口电压幅值和相位与交流系统侧电压值相同后，闭合站2交流侧断路器S2。
2.如权利要求1所述的起动方法，其特征在于，所述步骤（1）的无功功率指令值为0。
3.如权利要求1所述的起动方法，其特征在于，所述步骤（1）的交流电压指令值为0。
4.如权利要求1所述的起动方法，其特征在于，所述步骤（4）中所述解锁站2换流器是给站2三相六桥臂各子模块触发信号，选取各相上下桥臂共n个子模块，开通这n个子模块的IGBT上开关器件T1，开通其余2N-n个子模块下开关器件T2，并在单位控制周期内，将电压最低子模块的上开关器件T1开通，并关断其下开关器件T2，将电压最高子模块的上开关器件T1关断，并开通其下开关器件T2，所述n个子模块是指一个相单元内投入工作的子模块数；所述N为一个桥臂的子模块数。
5.如权利要求1所述的起动方法，其特征在于，步骤（4）中趋于稳定是指站1子模块电容电压Uc1与站2子模块电容电压Uc2近似为1/N倍的线电压峰值。
6.如权利要求1所述的起动方法，其特征在于，所述的步骤（6）中进行换流器解锁时，直流电压控制器指令值为解锁时刻直流电压实际值。
7.如权利要求1所述的起动方法，其特征在于，所述步骤（7）的控制要求是指站1子模块电容电压Uc1、站2子模块电容电压Uc2分别与参考电压误差百分比小于用户设定的最小值；直流电压与直流电压参考值误差百分比小于所述用户设定的最小值。
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