CN104065287A - 一种电压源型对称双极换流器的平衡控制方法 - Google Patents

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张�浩
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Abstract

本发明涉及一种电压源型对称双极换流器的平衡控制方法，分别对正极换流器和负极换流器进行控制；增加中性线电流闭环控制：以对中性线电流为零为控制目标，以中性线电流采样值为反馈，进行PI控制；中性线电流闭环控制的输出，用于与正极和/或负极控制中有功功率相关控制的指令进行叠加。本发明的一种电压源型对称双极换流器的平衡控制方法，通过平衡控制闭环，给定中性线电流指令为零，通过与采样值做差进行PI控制，实现中线电流的闭环控制。避免了大地回线运行的危害，对于金属回线型式的系统，采取本发明的平衡控制能够降低换流器系统损耗。

Description

一种电压源型对称双极换流器的平衡控制方法
技术领域
本发明涉及一种电压源型对称双极换流器的平衡控制方法。
背景技术
对称双极系统是柔性直流输电中电压源换流器一种常用拓扑。具有直流过电压水平低、单阀控制节点少、单极故障损失负荷减半、可以分期建设并和传统直流进行极混联等优点，因此在工程中具有一定的用武之地。
电压源型对称双极换流器的两极换流器采用单独控制器进行控制，容易受系统扰动影响，存在两极换流器输出电流不均衡的问题。对于大地回线的对称双极换流器系统，双极非平衡运行将产生对地电流，对地电流将对接地极附近的地下金属构件产生腐蚀，对接地极附近的电力系统产生影响：比如产生直流偏磁导致变压器饱和，也会在接地极附件产生跨步电压，危及人身安全。
双极型换流器系统主要分为金属回线和大地回线两类，其中金属回线双极系统(如图2)为中性线单点接地，以避免对地电流。大地回线双极系统(如图1)为两端换流器中性线分别接地，以构成大地回路。
对于大地回线型式，系统需要双极平衡控制及对地电流保护。若系统两极输出电流不平衡，将导致地电流过大，存在以下危害：对接地极附近的地下金属构件产生腐蚀；对接地极附近的电力系统产生影响(如直流偏磁导致变压器饱和)；在接地极附件产生跨步电压，危及人身安全。
对于金属回线型式，当双极不平衡运行时，直流中性线将流过电流。金属回线型式的系统可以运行在非对称状态下时，换流器系统损耗增大。
因上述危害，大地回线运行的工程必须进行对地电流进行限制，采用平衡控制；金属回线型进行平衡控制也能够起到积极效果。
发明内容
本发明的目的是提供一种电压源型对称双极换流器的平衡控制方法，用以避免输出电流不平衡。
为实现上述目的，本发明的方案包括：
一种电压源型对称双极换流器的平衡控制方法，分别对正极换流器和负极换流器进行控制；增加中性线电流闭环控制：以对中性线电流为零为控制目标，以中性线电流采样值为反馈，进行PI控制；中性线电流闭环控制的输出，用于与正极和/或负极控制中有功功率相关控制的指令进行叠加。
所述有功功率相关控制包括有功功率控制、交流电压控制或者直流母线电压控制。
定义直流母线流出的电流方向为正，换流器交流侧流出的电流方向为正；中性线电流闭环控制输出正向叠加在负极有功功率相关控制的指令上，负向叠加在负极有功功率相关控制的指令上。
本发明的一种电压源型对称双极换流器的平衡控制方法，通过平衡控制闭环，给定中性线电流指令为零，通过与采样值做差进行PI控制，实现中线电流的闭环控制。避免了大地回线运行的危害，对于金属回线型式的系统，采取本发明的平衡控制能够降低换流器系统损耗。
附图说明
图1(a)、图1(b)分别是对称双极大地回线形式和对称双极金属回线形式的换流器结构；
图2是对称双极换流器定有功功率控制的平衡控制框图；
图3是对称双极换流器非有功功率控制的备用平衡控制框图；
图4是仿真中网侧A相接地故障时中性线电流仿真波形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
本发明将以大地回线型式为例阐述平衡控制方法。本发明的基本思路在于：通过控制中性传输线电流为零，达到对称双极换流器平衡运行的目的。
如图2所示，现有技术的双极换流器控制结构包括：正极双闭环控制和负极双闭环控制，正极控制与负极控制是对称的：对于正极，正极控制包括由正极无功功率闭环控制、正极有功功率闭环控制构成的功率外环，以及正极q轴电流闭环控制、正极d轴电流闭环控制构成的电流内环。无功功率闭环控制的输出做为q轴电流闭环控制的输入，有功功率闭环控制的输出做为d轴电流闭环控制的输入；对于负极，负极控制包括由负极无功功率闭环控制、负极有功功率闭环控制构成的功率外环，以及负极q轴电流闭环控制、负极d轴电流闭环控制构成的电流内环。无功功率闭环控制的输出做为q轴电流闭环控制的输入，有功功率闭环控制的输出做为d轴电流闭环控制的输入。电流闭环控制的输出通过旋转坐标变换后进行调制、输出控制。
在现有技术的基础上，本发明增加了一个中性线电流闭环控制，如图2所示平衡控制环：以对中性线电流为零为控制目标，以中性线电流采样值为反馈，进行PI控制；中性线电流闭环控制的输出，用于与有功功率闭环控制的输入指令进行叠加。
具体叠加方式视情况而定：定义直流母线流出的电流方向为正，换流器交流侧流出的电流方向为正。控制原理为当中性线电流为正时，表明负极换流器输出电流偏低，需要增加其输出功率，正向叠加在负极有功功率闭环指令上，正极换流器输出电流偏高，需要降低其输出功率，负向叠加在负极有功功率闭环指令上，反之亦然。即：中性线电流闭环控制输出正向叠加在负极有功功率相关控制的指令上，负向叠加在负极有功功率相关控制的指令上。
以上实施例中的平衡控制方法基于电压源换流器的有功功率控制器，构成平衡控制闭环，给定中性线电流指令为零，通过与采样值做差进行PI控制，实现中线电流的闭环控制。
而对于其他非有功功率控制的换流器，可将平衡控制环的输出作为备用叠加在外环指令上，当转换为有功功率控制模式时触发该控制器投入闭环控制。图3给出了该情况的控制结构图。非有功功率控制指直流母线电压控制或者交流母线电压控制等。有功功率控制、非有功功率控制在本申请中统称有功功率相关控制，因为它们的输出都作为d轴电流闭环的输入。
为使平衡控制更加快速、可靠，图2、图3控制框图中将平衡控制环的输出作为偏置同时叠加在正负极两个换流器的控制变量指令上。但也可简化控制，仅将平衡控制环的输出作用于其中一极控制器上。
随着全控型电力电子器件的发展和电力电子技术在电力系统中的应用，基于电压源换流器的柔性直流输电技术日益受到重视。模块化多电平换流器(Modular multilevel converter，MMC)是柔性直流输电系统应用中电压源换流器的一种，具备制造难度低、损耗小、波形质量高、故障处理能力强等优点，得到了广泛的应用。本发明以MMC为例进行电压源换流器的分析、仿真。
仿真系统是采用额定直流电压为400kV，额定有功传输功率为2*100MW的模型。两极换流器均采用每桥臂250个子模块，额定交流阀侧电压为208.2kV，仿真周期为12.5us，控制周期为50us。
为了制造明显的中性线电流不为零的工况，本文采用系统额定功率运行中，在0.6s至0.8s时间段，定功率侧正极换流器网侧A相电压低落到零的故障工况。
由图4可知，未使能平衡控制的工况下，故障时段中性线电流具有约-60A的直流偏置。而当使能平衡控制的工况下，对地电流控制到了零附近，且无直流偏置。
由以上仿真可以证明本发明的平衡控制方法能够起到将两极换流器控制到平衡状态，中性线平均电流控制到零的作用。
以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种电压源型对称双极换流器的平衡控制方法，分别对正极换流器和负极换流器进行控制；其特征在于，增加中性线电流闭环控制：以对中性线电流为零为控制目标，以中性线电流采样值为反馈，进行PI控制；中性线电流闭环控制的输出，用于与正极和/或负极控制中有功功率相关控制的指令进行叠加。
2.根据权利要求1所述的一种电压源型对称双极换流器的平衡控制方法，其特征在于，所述有功功率相关控制包括有功功率控制、交流电压控制或者直流母线电压控制。
3.根据权利要求1所述的一种电压源型对称双极换流器的平衡控制方法，其特征在于，定义直流母线流出的电流方向为正，换流器交流侧流出的电流方向为正；中性线电流闭环控制输出正向叠加在负极有功功率相关控制的指令上，负向叠加在负极有功功率相关控制的指令上。
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