CN102354969B - 一种模块化多电平换流器柔性直流输电系统的控制装置 - Google Patents
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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控制装置，控制装置包括本站和对称设置的对站，本站和对站通过导线连接；本站和对站的控制装置包括分层设计的换流站级控制层、换流器级控制层和换流阀级控制层；换流站级控制层和换流器级控制层，保证系统运行可靠性；通过控制换流站级控制层、换流器级控制层和换流阀级控制层，实现对有功功率和无功功率的独立控制，抑制换流器上下桥臂、相间的环流，减小各子模块电容电压间的差异，保证换流器各子模块的电容电压保持一致。
Description
技术领域：
本发明涉及电力电子领域的控制装置，具体涉及一种模块化多电平换流器柔性直流输电系统的控制装置。
背景技术：
与基于相控换相技术的电流源换流器型直流输电不同，基于模块化多电平式柔性直流输电技术是一种以可控关断器件和阶梯波调制(SWM)技术为基础的新型直流输电技术。由于可控关断器件具备自关断能力，所以柔性直流输电系统能够工作在无源逆变方式下，不需要外加换相电压，受端系统可以为无源网络；柔性直流输电可以同时且相互独立地控制有功功率和无功功率，控制灵活方便；不需要交流侧提供无功功率且能够起到无功功率补偿的作用，动态补偿交流母线无功功率，稳定交流电压；换流站间无需通讯，且易于构成多端直流系统。是电力系统传输的发展方向之一。
由于模块化多电平式柔性直流输电系统的换流器拓扑结构不同于工程中用的三相两电平桥式结构，二极管钳位式三电平桥式结构，其调制方式并不采用脉宽调制(PWM)技术，而采用阶梯波调制(SWM)技术。因此模块化多电平式柔性直流输电系统的控制配置方式不同于其他柔性直流输电系统的控制，控制系统的设计必须满足阶梯波调制的要求。
在常规高压直流输电工程中，一个换流阀组由于采用电压源型换流器，根据其换流器结构，其控制系统采用分层控制，即有一台独立的控制装置完成系统/双极/极控制和对阀组的控制。包括功率/电流指令的计算和分配、整流站和逆变站间电流指令的协调、换流站内无功设备的投切控制、换流站及直流顺序控制、直流调制控制机多条直流线路之间的协调控制等。
模块化多电平式柔性直流输电由于其换流器所采用的器件不同，因此其控制不同于常规直流输电系统。设计出的控制系统必须满足柔性直流输电工程有功与无功可以独立控制的要求，并满足柔性直流输电工程各种运行方式要求。
发明人经长期研究和大量观察发现目前世界各国已有的柔性直流输电系统运行经验中，控制保护系统是影响直流输电系统能量可用率和运行可靠性的重要因素。为了保证模块化多电平式柔性直流输电系统的可靠运行，需要针对模块化多电平式柔性直流输电特殊的控制方式设计控制系统配置方案，使控制系统满足模块化多电平式柔性直流输电系统工程运行要求。
发明内容：
针对现有技术中存在上述不足，本发明根据模块化多电平柔性直流输电工程的特点，提出了一种冗余设计、分层设置的柔性直流输电控制系统配置方法，满足模块化多电平式柔性直流输电工程高可靠性的要求。
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控制装置，所述控制装置包括本站和对称设置的对站，所述本站和对站通过导线连接；所述本站和对站的所述控制装置包括依次连接的换流站级控制层、换流器级控制层和换流阀级控制层；其改进之处在于，
所述换流站级控制层包括顺序控制模块、有功功率控制模块、无功功率控制模块、直流电压控制模块、交流电压控制模块和电流指令计算控制模块、电流指令限制模块和交流电流控制模块；
所述换流器级控制层包括依次相连的电流平衡控制模块；
所述换流阀级控制层包括电压平衡控制模块和桥臂子模块脉冲分配模块；所述桥臂子模块脉冲分配模块与换流器连接；
所述换流站级控制层的有功功率控制模块和所述直流电压控制模块、所述无功功率控制模块和所述交流电压控制模块分别通过选择开关K1和选择开关K2与所述电流指令计算控制模块连接；所述电流指令计算控制模块依次与所述电流指令限制模块和交流电流控制模块连接；
所述换流站级控制层的顺序控制模块分别与所述有功功率控制模块、无功功率控制模块、交流电流控制模块和电压平衡控制模块连接。
本发明提供的第一优选方案的控制装置，其改进之处在于，所述换流站级控制层包括主换流站级控制层和从换流站级控制层；所述换流器级控制层包括主换流器级控制层和从换流器级控制层；
所述主换流站级控制层和从换流站级控制层、主换流器级控制层和从换流器级控制层分别通过光纤相接，其中主换流站级控制层和从换流站级控制层互为冗余；主换流器级控制层和从换流器级控制层互为冗余。
本发明提供的第二优选方案的控制装置，其改进之处在于，所述换流站级控制层包括频率控制模块和负序电流抑制模块；所述频率控制模块和负序电流抑制模块分别与所述交流电流控制模块连接。
本发明提供的第三优选方案的控制装置，其改进之处在于，所述换流站级控制层包括功率调制模块；所述功率调制模块与有功功率控制模块连接。
本发明提供的第四优选方案的控制装置，其改进之处在于，所述顺序控制模块与系统保护装置和阀保护装置依次连接。
本发明提供的第五优选方案的控制装置，其改进之处在于，所述换流器一端通过变压器与电网连接，所述换流器的另一端与导线连接；所述换流器包括相连的子模块。
本发明提供的较优选方案的控制装置，其改进之处在于，所述子模块包括IGBT、二极管和电容；所述二极管与所述IGBT反并联，至少一个所述IGBT串联后与所述电容并联。
与现有技术比，本发明的有益效果为：
1.本控制系统配置采用冗余设计，保证系统运行可靠性；
2.本控制系统换流站控制功能、换流器控制功能、换流阀控制功能分开，采用分层设计，结构清晰；
3.换流站控制中实现了有功功率、无功功率、直流电压、交流电压、频率控制等，保证系统稳定运行；
4.换流器控制中采用电流平衡控制，抑制了换流器上下桥臂、相间的环流；
5.换流阀控制中采用电压平衡控制，减小各子模块电容电压间的差异。
附图说明
图1为本发明提供的模块化多电平式柔性直流输电系统功能配置示意图。
图2为本发明提供的模块化多电平式柔性直流输电系统冗余结构配置示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
如图1所示，本实施例的控制装置包括本站和对称设置的对站，本站又称为整流站，对站又称为逆变站，其中本站和对站使用的所有器件均相同，并且本站和对站通过导线连接，形成交-直-交结构。
换流站级控制层包括频率控制模块、负序电流抑制模块、功率调制模块、顺序控制模块、有功功率控制模块、无功功率控制模块、直流电压控制模块、交流电压控制模块和电流指令计算控制模块、电流指令限制模块和交流电流控制模块；其中，有功功率控制模块、无功功率控制模块、频率控制模块、直流电压控制模块、交流电压控制模块构成外环功率控制；电流指令计算控制模块、电流指令限值控制模块和负序电流抑制模块构成内环交流电流控制。
换流站级控制层的有功功率控制模块和直流电压控制模块、无功功率控制模块和交流电压控制模块分别通过选择开关K1和选择开关K2与电流指令计算控制模块连接，再经过电流指令限制控制环节与交流电流控制功能模块连接；频率控制和负序电流抑制环节分别与交流电流控制功能模块连接。其中，有功功率控制模块与功率调制模块连接。
换流器级控制层包括电流平衡控制模块。
换流阀级控制层包括电压平衡控制模块和桥臂子模块脉冲分配模块；桥臂子模块脉冲分配模块与换流器的桥臂子模块连接。
换流器为三相六桥臂结构，每个桥臂包括串联的电抗器和子模块，子模块包括IGBT、二极管和电容；二极管与IGBT反并联，至少一个所述IGBT串联后与所述电容并联。换流器的交流端通过变压器与电网连接；换流器的每个桥臂的直流端通过K7连接至对站换流器。
换流站级控制层的交流电流控制模块与换流器级控制层的电流平衡控制模块连接；换流站级控制层的顺序控制模块分别与选择开关K1、选择开关K2、交流电流控制和电流平衡控制模块连接。
其中，如图2所示，换流站级控制层包括互为冗余的主换流站级控制层和从换流站级控制层；换流器级控制层包括互为冗余的主换流器级控制层和从换流器级控制层；主换流站级控制层和从换流站级控制层、主换流器级控制层和从换流器级控制层分别通过光纤相接。
本实施例以图1和图2装置进行控制的详细说明，如下：
本实施例的控制装置可以处于有源和无源两种运行方式。当装置处于有源时，启用有功功率输入；处于无源时，从频率控制模块起动。
本站或对站控制系统中至少有一站选为直流电压控制，直流电压控制与无功功率控制(或交流电压控制)配合或有功功率控制模块与无功功率控制(或交流电压控制)配合。本实施例以开关K1选择有功功率控制，选择开关K2选择交流电压控制为例说明。
运行人员在工作站对换流站级控制层的有功功率控制器进行有功功率参考值设定，电压互感器将电网侧的电压Uac与设定值经过交流电压控制模块形成无功控制信号，测量得到的有功功率与有功指令值经过有功功率控制模块形成有功控制信号，两类控制信号一起传给电流指令计算控制模块，再经电流指令限制环节将输出电流限制在限定范围内后，将电流指令传给交流电流控制模块，转换形成交流电压指令值，送到控制换流器级控制层。换流器级控制层将换流站级控制层给定的电压参考值转化为各个半桥臂电压参考值送至换流阀级控制层，其中电流平衡控制模块作用为抑制换流器中各个桥臂及两站换流器间的不平衡电流。换流阀级控制层中的电压平衡控制器选择此时需要投入或退出的子模块，通过桥臂子模块脉冲分配模块根据子模块额定电压确定桥臂中投入的子模块数目，或者电平台阶数目，再将相应脉冲触发信号下发至子模块，作为子模块的IGBT开通和关断控制指令。
换流站级控制层还包括顺序控制功能模块，其作用是控制系统中的开关或功能模块动作顺序，使其在检修状态和运行状态间进行切换。顺序控制功能模块依次与系统保护装置和阀保护装置连接。
在开关K3、K4、K7闭合，K5、K6、K8断开，换流器处于运行状态时，顺序控制功能模块控制整个装置的起动和停止；当出现故障，阀保护装置和系统保护装置对换流器进行保护闭锁动作时，开关K3或K7断开；在开关K3、K7断开，K5、K6、K8闭合时，换流器进入检修状态。
需要说明的是：
(1)有功功率控制模块与功率调制模块连接。当电网有需求时，可直接对有功功率控制模块进行指定的功率输出；
(2)当装置为无源运行方式时，装置从频率控制开始起动；
(3)两站同时设置有功或直流电压控制，无功或交流电压控制功能，无功与交流电压控制能够手动进行切换，相连接的多个换流站中在直流运行时至少有一个站采用直流电压控制；
(4)交流电压控制功能模块将交流电压控制在设定值，一旦换流器输出容量达到上限也无法维持交流电压，则需设计为斜率控制，同时附加电压闪变控制；
(4)无功功率控制功能模块需要设计电压越限控制，一旦交流电压越限，需要相应改变无功定值；
(5)电流设定值计算按照dq轴有功无功计算的矢量控制；
(6)换流器的输出电流应限制到限定范围内，当输出电流设定矢量超出该范围时，应按照以下标准进行限幅：①直流电压控制侧应保证有功电流的输出；②有功控制侧按照固定的dq轴电流比例进行限幅。
(7)本实施例主要控制器的功能：①顺序控制模块：由多个逻辑单元组成，根据起动、停运、开关联动等先后逻辑顺序，依次将相应动作信号送至各个相关功能模块执行；②负序电流抑制模块：将dq分解的负序电压、电流分量引入交流电流控制模块；③交流电流控制模块：实现内环交流电流计算；④电流平衡控制模块：通过计算得到桥臂中直流电流分量，与设定值比较得到误差，经过信号处理得到附加输出电压设定，同时计算得到子模块电容电压波动预估值，加上子模块基准电压后，用于得到实际子模块输出数量设定；⑤电压平衡控制模块：快速监测子模块电容电压值，按照一定的控制逻辑确定投入或旁路哪个子模块；⑥桥臂子模块脉冲分配模块：将参考电压转变成投入电平数的过程，子模块基准电压去除输出电压设定值得到实际子模块输出数量设定，将确定投入或旁路的触发信号下发至换流阀子模块。
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 (6)
1.一种模块化多电平换流器柔性直流输电系统的控制装置，所述控制装置安装在本站和对称设置的对站，所述本站和对站通过导线连接；所述本站和对站的所述控制装置包括依次连接的换流站级控制层、换流器级控制层和换流阀级控制层；其特征在于，
所述换流站级控制层包括顺序控制模块、有功功率控制模块、无功功率控制模块、直流电压控制模块、交流电压控制模块和电流指令计算控制模块、电流指令限制模块和交流电流控制模块；
所述换流器级控制层包括依次相连的电流平衡控制模块；
所述换流阀级控制层包括电压平衡控制模块和桥臂子模块脉冲分配模块；所述桥臂子模块脉冲分配模块与换流器连接；
所述换流站级控制层的有功功率控制模块和所述直流电压控制模块、所述无功功率控制模块和所述交流电压控制模块分别通过选择开关K1和选择开关K2与所述电流指令计算控制模块连接；所述电流指令计算控制模块依次与所述电流指令限制模块和交流电流控制模块连接；
所述换流站级控制层的顺序控制模块分别与选择开关K1、选择开关K2、交流电流控制模块和电流平衡控制模块连接；
所述换流站级控制层包括主换流站级控制层和从换流站级控制层；所述换流器级控制层包括主换流器级控制层和从换流器级控制层；
所述主换流站级控制层和从换流站级控制层、主换流器级控制层和从换流器级控制层分别通过光纤相接，其中主换流站级控制层和从换流站级控制层互为冗余；主换流器级控制层和从换流器级控制层互为冗余。
2.如权利要求1所述的控制装置，其特征在于，所述换流站级控制层包括频率控制模块和负序电流抑制模块；所述频率控制模块和负序电流抑制模块分别与所述交流电流控制模块连接。
3.如权利要求1所述的控制装置，其特征在于，所述换流站级控制层包括功率调制模块；所述功率调制模块与有功功率控制模块连接。
4.如权利要求1所述的控制装置，其特征在于，所述顺序控制模块与系统保护装置和阀保护装置依次连接。
5.如权利要求1所述的控制装置，其特征在于，所述换流器一端通过变压器与电网连接，所述换流器的另一端与导线连接；所述换流器包括相连的子模块。
6.如权利要求5所述的控制装置，其特征在于，所述子模块包括IGBT、二极管和电容；所述二极管与所述IGBT反并联，至少一个所述IGBT串联后与所述电容并联。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: STATE ELECTRIC NET CROP. Effective date: 20130521 |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20130521 Address after: 100192 Beijing city Haidian District Qinghe small Camp Road No. 15 Applicant after: China Electric Power Research Institute Applicant after: State Grid Corporation of China Address before: 100192 Beijing city Haidian District Qinghe small Camp Road No. 15 Applicant before: China Electric Power Research Institute |
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |