CN103308869B - 模块化多电平多端柔性直流输电系统启动试验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及模块化多电平多端柔性直流输电系统启动试验方法，该系统包括并联的多个模块化多电平换流器，每个换流器对应于一个换流站并且包括多个子模块，所述方法的特征在于：当任一远端换流站解锁时，控制投入两倍正常运行子模块数量后逐渐减少投入子模块数量至正常运行数量，使该站解锁时充电等效回路不突变。

Description

模块化多电平多端柔性直流输电系统启动试验方法
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多端柔性直流输电系统启动试验方法，尤其涉及并联式多端换流站柔性直流输电模块化多电平换流器的充电试验方法。
背景技术
用于柔性直流输电的模块化多电平换流器(MMC)采用目前国际上较为流行的新型模块化多电平拓扑结构。其核心单元——子模块(SM)是由两个带有反并联二极管的可关断的电力电子开关器件和一个电容器构成的半桥结构。图1为模块化多电平换流器的结构示意图，其由三个相单元1组成，每个相单元包含上下对称的换流桥臂，而每个换流桥臂又由多个子模块2(图1中以三个为例)和一个桥臂电抗器L串联而成。多端连接方式与两电平和三电平柔性直流输电方式相同，采用T接换流站并联方式连接。
正常运行时，模块化多电平换流器通过控制子模块中两个开关器件的开通关断，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。系统正常运行之前，需对换流器的电容进行预充电，保证换流器各站的各子模块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。
为了完成模块化多电平式柔性直流输电系统的正常启动，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。
目前国内外关于柔性直流输电系统启动控制主要的研究对象为两端系统，这些在控制策略上有共同之处，即均将换流器的充电过程分为闭锁和解锁两阶段。在闭锁情况下，交流系统通过与换流器自关断器件反并联的二极管，进行整流式充电，但经历此阶段，换流器电容电压和直流电压一般不会达到额定值，为了使电容电压和直流电压满足系统运行的要求，一种可行的办法即解锁换流器，通过直流电压控制器提升电容器和直流线路的电压。
多端模块化多电平换流器亦可采用与两端系统相似的充电控制策略，在换流器的闭锁阶段，闭合交流线路断路器，由交流系统对换流器进行整流式充电。多端柔性直流输电此过程的动态特性与两端系统一致，采取相同的限流措施，即在线路中串入一定阻值的限流电阻。当柔性直流输电系统用于向无源系统供电或作为黑启动电源时，须由一端交流系统同时向另外几个站充电，考虑到系统拓扑结构特点，同时考虑到远端几个站存在解锁先后的顺序问题，后解锁的换流站由于解锁造成充电回路等效电容发生变化，从而将引起后解锁换流站和已解锁换流站间电流震荡，震荡形成过程较为复杂。以三端系统启动过程为例，站1将交流系统引至换流器，站1充电并通过直流线路给其余两个远端换流站充电。此时远端(相对于交流系统)的两个换流站其子模块电容电压将小于或等于站1的一半。假设站2已解锁将其子模块电容充电至额定值，当远端站3解锁控制投入正常运行的子模块数量时，由于会造成远端站3的充电回路中串联等效电容个数减少至少一半，该站直流侧电压也降低至少一半。此时，充电回路突变，站1、站2同时向站3馈入能量，造成站间电流过冲及震荡。
专利“无需辅助直流电源的三相模块化多电平换流器启动方法”(专利号ZL201010141636.X)，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。此方法只涉及了换流器的充电启动过程，没有涉及系统中直流线路与其他设备的充电过程。
专利申请“一种模块化多电平换流器柔性直流输电系统的启动方法”(申请号：201110100456.1)中提出了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的方法，简化了充电控制方法，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。具体实现方法是：通过限流电阻将交流电压引至换流器，并通过直流线路给站1、直流线路及远端站站2充电，检测子模块电容电压及电流，待稳定达到预定值后，控制远端站投入子模块电容个数，使站2电容充电至与站1接近，退出站1启动电阻，解锁站1，通过直流电压控制充电，使两站电容继续充至额定值附近后，解锁远端站，合交流侧开关，完成一站带两站启动过程。此方法虽能够涉及换流站及整个系统的启动过程，并实现一站给无源站充电启动，但并未涉及多端系统启动。
上述两种方法均是基于两端换流站的启动过程，均未考虑到模块化多电平换流器在多端情况下与两端系统的差异。
发明内容
本发明提供了一种模块化多电平多端柔性直流输电系统启动试验方法，其解决了上述问题和其他问题。
根据一个方面，提供了一种模块化多电平多端柔性直流输电系统启动试验方法，该系统包括并联的多个模块化多电平换流器，每个换流器对应于一个换流站并且包括多个子模块，所述方法的特征在于：当任一远端换流站解锁时，控制投入两倍正常运行子模块数量后逐渐减少投入子模块数量至正常运行数量，使该站解锁时充电等效回路不突变。
在优选实施例中，所述方法包括空载启动试验步骤，其中，在系统上电前，采用相角补偿方法计算补偿测量和控制的系统时间延迟。
在优选实施例中，空载启动试验步骤包括如下步骤：
(1)按照正常启动流程完成系统充电过程，未解锁换流器，待子模块电容电压稳定；
(2)按照网侧交流电压计算并设置合适的控制系统Ud、Uq值；
(3)手动分开交流合闸开关，此时仍旁路启动电阻；
(4)手动设置阀检测使能信号将其置“1”，此时上层控制系统维持闭锁状态；
(5)上层控制系统发解锁命令，阀基控制器执行投切阀子模块实现电压波形输出；
(6)解锁后，上层控制系统触发录波，包括网侧交流电压和阀侧交流电压；
(7)手动将阀检测使能信号置“0”，关闭阀检测，上层控制系统发闭锁命令；
(8)待子模块电容放电结束，试验完成；
(9)根据录波结果，对比网侧交流电压和阀侧交流电压相序与相位；
(10)将相位在控制系统中进行补偿后，重复进行步骤(1)～(9)，验证相位补偿正确性。
在优选实施例中，在完成空载启动试验步骤后，包括如下步骤：
(1)断开限流电阻的旁路开关，闭合多站直流隔离开关，关断多站所有子模块的开关器件T1、T2，为换流器的充电做准备；
(2)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、站3的相单元构成充电回路，当站1各桥臂电流每次共N个子模块充电时，站2、站3上下桥臂充电电流大小相等，方向一致，桥臂电流每次为相单元共2N个子模块充电；
(3)检测各站子模块电压，当站2子模块电容电压达到控制要求时，给站2六桥臂各子模块触发信号，开通各相上下桥臂所有2N个子模块的上开关器件T1，并关断其下开关器件T2，经过一个控制周期后，检测各相子模块电压，将电压最低子模块的上开关器件开通T1，并关断其下开关器件T2，同时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，如此反复，每隔由系统参数确定的i个控制周期，控制触发信号只执行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，即减少相单元中开通桥臂子模块上开关器件的个数，如此反复，直至相单元中有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开通，其中若换流器的输出电压的电平数为n+1，则n≤N；
(4)当站3子模块电容电压达到控制要求时，站3操作同步骤(3)，若有多站，则依次同步骤(3)操作；
(5)检测各站子模块电容电压，当它们之间的差别小于预定值时，闭合旁路开关SR，限流电阻退出，各站子模块电容电压小幅上升；
(6)稳定后，各站子模块电容电压仅为1/N倍的线电压峰值，解锁站1换流器以提升电压，借助带有斜率控制的直流电压控制器以限制换流器解锁时的冲击电流，期间各站子模块保持相对一致，电容电压稳定上升；
(7)检测各站子模块电容电压及直流电压，当子模块电容电压达到额定值，完成各站换流器的充电过程，此时抑制充电过程控制不满足条件退出；
(8)启动站2预设的无源交流电压控制方式建立交流出口电压，待站2换流器交流出口电压满足合闸条件后，闭合站2断路器S2；
(9)站3操作同步骤(8)；
(10)站1、站2和站3的站级控制分别切换至正常运行时的控制方式。
在优选实施例中，附加控制使能条件，使得在子模块电容电压未达到额定值时控制起作用，否则控制不启动。
在优选实施例中，控制周期的个数i的值被确定为使得每次开通子模块数减少后，电容电压变化量引起的系统电流震荡幅值小于预定阈值。
在优选实施例中，当直流电流震荡幅值超过预设范围时，将直流设定电流与直流实际电流比较，并进行信号处理以得到所需要的附加输出电压设定，由此获得实际的子模块开通上开关器件数量设定值。
一个优点在于有效地抑制了换流器充电过程中多端换流器解锁时的冲击电流及振荡电流。
另一优点在于该试验方法结果直观性强，便于计算补偿系统时间延迟，防止由于延迟过大造成的换流器解锁瞬间电流过大。
另一优点在于优化了充电控制方法，适用于多端系统。
另一优点在于解决了多端充电时，远端多个换流站子模块电压不足的问题。
另一优点在于解耦了多端系统充电过程中，各站之间的相互影响，使各站可以独立启动，从而加快了系统启动速度。
本领域技术人员在阅读和理解以下详细描述的基础上将认识到本发明的更多优点。
附图说明
通过以下参考附图描述的示例性优选实施例，本发明的这些和其他方面将会显而易见并且得以阐明。在附图中：
图1为模块化多电平换流器的结构示意图；
图2为多端柔性直流输电系统的结构示意图；
图3为柔性直流输电系统空载输出试验的流程图；
图4为多端柔性直流输电系统启动步骤的流程图；
图5示出了附加电压Uref1的产生方法；
图6示出了输出电压参考值的产生方法。
具体实施方式
下面将参考附图详细地描述本发明，但是该图示和描述应被视为是说明性和示例性的而非限制性的；本发明并不局限于所公开的实施例。权利要求中的任何附图标记不应被解读为限制其范围。
多端模块化多电平柔性直流输电系统启动时，特别要注意保证输电系统启动动态过程中设备及运行人员的安全性，需要尽可能地对系统启动过程中，系统主要设备(如换流器)的电压和电流应力形成机理进行分析，制定相应的控制策略。
直流电压的建立是系统启动的核心内容，其最基本的步骤是对系统中的电容进行充电。而柔性直流输电系统所采用的电压源换流器，其充电过程因其具体的拓扑结构而有所差异。由于模块化多电平采用结构上电容分布式的特点，与传统基于两电平及多电平换流器的多端柔直系统相比，其电容器的充电过程要复杂得多，具体表现在电容电压不平衡、能量分配不均和各换流站间存在能量波动等问题。
针对多端换流器启动试验过程中的电流过冲和震荡问题，本发明设计了适用于多端的自励充电的控制方法和附加控制器两种方案。
方案一为当任一远端站解锁时，控制投入两倍正常运行子模块数量后逐渐减少投入子模块数量至正常运行数量，使该站解锁时充电等效回路不突变，从而有效抑制了充电过程中各个换流站中冲击电流和站间电流振荡。
方案二为在子模块电容电压未达额定值期间，通过直流电流附加控制环节抑制电流过冲及震荡。
通过两种方案的配合，本发明提升了充电时系统的安全稳定性，减小了设备过流，优化了控制器设计，解决了多个换流站远端换流器解锁过流震荡等问题。
本发明设计的方案一为图2～4示意性示出的柔性直流输电系统的启动试验操作流程。图2为多端柔性直流输电系统的结构示意图；图3为柔性直流输电系统空载输出试验的流程图；图4为多端柔性直流输电系统启动步骤的流程图。下面结合图2～4，说明详细步骤。
试验前保证换流站内交流侧母线带电，系统处于可正常启动的状态，将网侧电压、阀侧电压测量量进行检测并实现录波功能。
试验具体步骤为：
(1)按照正常启动流程完成系统充电过程，未解锁换流器，待子模块电容电压稳定；
(2)按照网侧交流电压Uac网侧计算并设置合适的控制系统d轴电压Ud、q轴电压Uq值；
(3)手动分开交流合闸开关3，此时仍旁路启动电阻；
(4)手动设置阀检测使能信号将其置“1”，此时上层控制系统维持闭锁状态；
(5)上层控制系统发解锁命令，阀基控制器执行投切阀子模块实现电压波形输出；
(6)解锁后，上层控制系统触发录波，包括网侧交流电压Uac网 侧和阀侧交流电压Uac阀侧；
(7)手动将阀检测使能信号置“0”，关闭阀检测，上层控制系统发闭锁命令；
(8)待子模块电容放电结束，试验完成；
(9)根据录波结果，对比网侧交流电压和阀侧交流电压相序与相位；
(10)将相位在控制系统中进行补偿后，重复进行步骤(1)～(9)，验证相位补偿正确性。
(11)待完成相位补偿后，断开限流电阻的旁路开关，闭合多站直流隔离开关，关断多站所有子模块的开关器件T1、T2，为换流器的充电做准备；
(12)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、站3的相单元构成充电回路，当站1各桥臂电流每次共N个子模块充电时，站2、站3上下桥臂充电电流大小相等，方向一致，桥臂电流每次为相单元共2N个子模块充电；
(13)检测各站子模块电压，当站2子模块电容电压达到控制要求时，给站2六桥臂各子模块触发信号，开通各相上下桥臂所有2N个子模块的上开关器件T1，并关断其下开关器件T2，经过一个控制周期后，检测各相子模块电压，将电压最低子模块的上开关器件开通T1，并关断其下开关器件T2，同时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，如此反复，每隔由系统参数确定的i个控制周期，控制触发信号只执行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，即减少相单元中开通桥臂子模块上开关器件的个数，如此反复，直至相单元中有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开通，其中若换流器的输出电压的电平数为n+1，则n≤N；
(14)当站3子模块电容电压达到控制要求时，站3操作同步骤(13)，若有多站，则依次同步骤(13)操作；
(15)检测各站子模块电容电压，当它们之间的差别小于预定值时，闭合旁路开关SR，限流电阻退出，各站子模块电容电压小幅上升；
(16)稳定后，各站子模块电容电压仅为1/N倍的线电压峰值，解锁站1换流器以提升电压，借助带有斜率控制的直流电压控制器以限制换流器解锁时的冲击电流，期间各站子模块保持相对一致，电容电压稳定上升；
(17)检测各站子模块电容电压及直流电压，当子模块电容电压达到额定值，完成各站换流器的充电过程，此时抑制充电过程控制不满足条件退出；
(18)启动站2预设的无源交流电压控制方式建立交流出口电压，待站2换流器交流出口电压满足合闸条件后，闭合站2断路器S2；
(19)站3操作同步骤(18)；
(20)站1、站2和站3的站级控制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。
通过此试验方法步骤(1)～(10)，可有效补偿由于模拟量采集和控制系统计算处理过程造成的时间延迟，防止由于延迟过大造成的换流器解锁瞬间电流过大。
步骤(13)中的设计附加了控制使能条件，即在子模块电容电压未达到额定值时控制起作用，否则控制不启动，以避免对正常运行及故障态的影响。控制周期i的取值确定原则为每次开通子模块数减少后，电容电压变化量引起的系统电流震荡幅值ΔIdc≤ε，其中ε是足够小的值。
本发明设计的启动试验方案二为在子模块电容电压未充电至额定值时，设计抑制换流器间电流过冲和震荡的控制步骤如下。
当直流电流震荡幅值超过预设范围，将直流设定电流与直流实际电流比较，得到误差，经过一定的信号处理(典型为一个比例调节器与积分调节器)得到所需要的附加输出电压设定Uref1，参见图5，其示出了附加电压Uref1的产生方法。
综合基本的电压输出设定Uref0与直流电压，可以得到实际的桥臂投入电压Uref设定。其中Uref0由启动方案中步骤(13)的控制得到，参见图6，其示出了输出电压参考值的产生方法。
将最终的输出电压设定Uref除以子模块电压平均值得到实际的子模块开通上开关器件数量设定值n1。
此试验方法在输出电压不超出限幅范围时对震荡电流和过冲电流进行有效抑制，本发明为了避免对正常运行及故障态的影响，附加了控制使能条件，即在子模块电容电压未达到额定值时控制起作用，否则控制不启动。
已经通过参考优选实施例描述了本发明。在阅读和理解前面的详细描述的基础上，其他人员可以进行修改和变化。本发明意在被解读为包括所有这些修改和变化，只要它们处于所附的权利要求及其等价物的范围内。

Claims (6)

1.一种模块化多电平多端柔性直流输电系统启动试验方法，该系统包括并联的多个模块化多电平换流器，每个换流器对应于一个换流站并且包括多个子模块，所述方法的特征在于：
当任一远端换流站解锁时，控制投入两倍正常运行子模块数量后逐渐减少投入子模块数量至正常运行数量，使该站解锁时充电等效回路不突变；
所述方法还包括空载启动试验步骤，其中，在系统上电前，采用相角补偿方法计算补偿测量和控制的系统时间延迟；
所述空载启动步骤包括：
(1)按照正常启动流程完成系统充电过程，未解锁换流器，待子模块电容电压稳定；
(2)按照网侧电压计算并设置合适的控制系统d轴电压Ud、q轴电压Uq值；
(3)手动分开交流合闸开关，此时仍旁路启动电阻；
(4)手动设置阀检测使能信号将其置“1”，此时上层控制系统维持闭锁状态；
(5)上层控制系统发解锁命令，阀基控制器执行投切阀子模块实现电压波形输出；
(6)解锁后，上层控制系统触发录波，包括网侧交流电压和阀侧交流电压；
(7)手动将阀检测使能信号置“0”，关闭阀检测，上层控制系统发闭锁命令；
(8)待子模块电容放电结束，试验完成。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，空载启动试验步骤还包括：
(9)根据录波结果，对比网侧交流电压和阀侧交流电压相序与相位；
(10)将相位在控制系统中进行补偿后，重复进行上述步骤(1)～(9)，验证相位补偿正确性。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，在完成空载启动试验步骤后，包括如下步骤：
(1)断开限流电阻的旁路开关，闭合多站直流隔离开关，关断多站所有子模块的开关器件T1、T2，为换流器的充电做准备；
(2)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、站3的相单元构成充电回路，当站1各桥臂电流每次共N个子模块充电时，站2、站3上下桥臂充电电流大小相等，方向一致，桥臂电流每次为相单元共2N个子模块充电；
(3)检测各站子模块电压，当站2子模块电容电压达到控制要求时，给站2六桥臂各子模块触发信号，开通各相上下桥臂所有2N个子模块的上开关器件T1，并关断其下开关器件T2，经过一个控制周期后，检测各相子模块电压，将电压最低子模块的上开关器件开通T1，并关断其下开关器件T2，同时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，如此反复，每隔由系统参数确定的i个控制周期，控制触发信号只执行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，即减少相单元中开通桥臂子模块上开关器件的个数，如此反复，直至相单元中有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开通，其中若换流器的输出电压的电平数为n+1，则n≤N；
(4)当站3子模块电容电压达到控制要求时，站3操作同步骤(3)，若有多站，则依次同步骤(3)操作；
(5)检测各站子模块电容电压，当它们之间的差别小于预定值时，闭合旁路开关SR，限流电阻退出，各站子模块电容电压小幅上升；
(6)稳定后，各站子模块电容电压仅为1/N倍的线电压峰值，解锁站1换流器以提升电压，借助带有斜率控制的直流电压控制器以限制换流器解锁时的冲击电流，期间各站子模块保持相对一致，电容电压稳定上升；
(7)检测各站子模块电容电压及直流电压，当子模块电容电压达到额定值，完成各站换流器的充电过程，此时抑制充电过程控制不满足条件退出；
(8)启动站2预设的无源交流电压控制方式建立交流出口电压，待站2换流器交流出口电压满足合闸条件后，闭合站2断路器S2；
(9)站3操作同步骤(8)；
(10)站1、站2和站3的站级控制分别切换至正常运行时的控制方式。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，附加控制使能条件，使得在子模块电容电压未达到额定值时控制起作用，否则控制不启动。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，控制周期的个数i的值被确定为使得每次开通子模块数减少后，电容电压变化量引起的系统电流震荡幅值小于预定阈值。
6.根据权利要求3所述的方法，其中，当直流电流震荡幅值超过预设范围时，将直流设定电流与直流实际电流比较，并进行信号处理以得到所需要的附加输出电压设定，由此获得实际的子模块开通上开关器件数量设定值。
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