CN104659807B - 一种mmc型柔性直流换流器在线无缝并网的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种MMC型柔性直流换流器在线无缝并网的方法，属于电力电子技术领域，该方法包括：在待并网的MMC型换流器直流侧正负极并联电池储能系统，串联一组隔离刀闸与直流汇流母线相连；利用电池储能系统对待并入的MMC型换流器子模块进行轮换充电，待充电完成时，从MMC型换流器直流侧断开电池储能系统，并闭锁MMC型换流器；其子模块电容电压衰减；跟踪直流汇流母线电压值U_L和换流器直流侧正负极电压值U_{d_c}，当0＜U_{d_c}‑U_L＜ε时闭合换流器直流侧隔离刀闸，完成MMC型换流器的并网，解锁MMC型换流器，切换到正常运行模式，该发明具有安全可靠、性能优异、经济通用的特点，可广泛应用于多端柔性输电和柔性直流配网系统的实际工程中。

Description

一种MMC型柔性直流换流器在线无缝并网的方法

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，特别涉及一种MMC型柔性直流换流器在线无缝并网的方法。

背景技术

以可关断电力电子器件和脉宽调制技术(PWM)为基础的柔性直流输电技术发展迅速，相比常规基于晶闸管阀的直流输电(HVDC)，柔性直流输电其最大的特点是具有两个控制自由度，能够根据电网及负荷运行状况灵活控制换流站直流母线电压及功率情况，具有输出谐波小、交流场滤波设备少、对交流系统短路容量无要求、可与孤岛或海上平台联网、功率可四象限快速连续调节、便于组成多端直流网络等优点，随着大功率电力电子器件和电压源变流器技术的进一步成熟，柔性直流输电有望在大规模风电并网、海岛及钻井平台供电、负荷中心地区集中供电、大电网异步互联以及直流配网领域获得广泛应用。

西门子公司2010年在美国投运的400MW/±200kV跨湾工程首次采用了模块化多电平换流器(MMC)结构。如图1(a)所示，典型MMC拓扑结构包含三相，交流侧分别与三相交流电源v_sa,v_sb,v_sc连接，每相包含上下两个桥臂，每个桥臂串联多个子模块(SM)和一个电抗(Ls)，如图中虚线框所示；其中子模块(SM)拓扑结构如图1(b)所示，包含两个上下两个开关管S_u、S_d，其中每个开关管反并联一个二极管，每个SM并联一个电容C。

换流器一旦闭锁，即SM中上下开关管S_u、S_d均为关断状态，此时并联电容C通过放电电阻R放电，电容电压衰减，其衰减电路如图2所示，其中R为子模块放电电阻，P为子模块内取能元件功率，子模块电容电压U_C衰减规律可根据图2中的子模块等效放电电路表示为如下的方程形式：

采用MMC结构，避免了开关器件的直接串联，并且使直流输电变流器具备了多电平变流器的各种优点，使柔性直流输电技术进入了新的阶段。多端柔性直流输电技术在运行灵活性、可靠性上比两端柔性直流输电技术更有优势，同时构建多端柔性直流输电能够满足电网互联、城市电网供电、多个风电场(新能源)互联等需要，随着南澳三端柔性直流工程的成功投运，多端柔性直流输电系统在世界各地快速发展，而且，其技术可以借鉴到柔性直流配网领域。

但不论在多端柔性直流输电领域还是柔性直流配电领域，如何实现单个MMC型换流器平滑无缝地并入正在运行的柔性直流系统中是一个亟需解决的问题。尤其在柔性直流配电系统中，负荷端换流器投入与退出的频次更高，更需要有一种灵活、高效的并网方法。而基于MMC结构的柔性直流换流器要实现在线无缝并网存在以下问题：

若待并入的换流器位于孤岛或者海上平台等无源地区，由于没有交流电源可以给MMC换流器进行充电，只能直接闭合直流隔离刀闸，从直流线路侧(额定电压)给MMC的直流电容充电(初始电压为零)。合闸时刻的产生的过流可能引起整个直流系统的闭锁。若在直流侧加装充电限流电阻，充电过程有极大一部分能量损耗在限流电阻上，造成电能浪费。特别是在需要频繁并网的场合，如柔性直流配网领域，这种损耗累计起来造成的浪费也是非常可观的。

综上所述，研究一种灵活的MMC型柔型直流换流器在线无缝并网的方法，在多端柔性直流输电、柔性直流配电领域具有重要的意义和实用价值。

发明内容

本发明的目的是为解决已有技术存在的问题，提出一种MMC型柔性直流换流器在线无缝并网的方法，该方法利用小容量电池储能系统，为MMC型换流器充电，使其电容电压略高于额定值，然后切断充电电路，闭合换流器直流侧隔离刀闸，在不影响柔性直流系统稳定运行的前提下，实现MMC型换流器在线无缝并网。

为达到以上目的，本发明提出的一种MMC型柔性直流换流器在线无缝并网的方法，其特征在于，首先在待并网的MMC型换流器中加入由储能电池和DC/DC变换器组成的电池储能系统，电池储能系统中的储能电池通过DC/DC变换器与MMC换流器的直流侧正负极并联，MMC型换流器直流侧串联一组隔离刀闸与直流汇流母线相连；该方法包括以下步骤：

1)利用电池储能系统对待并入的MMC型换流器子模块进行轮换充电，其目标值为U_t，U_t＞U_n,其中U_n为子模块电压额定值；

2)待充电完成时，从MMC型换流器直流侧断开电池储能系统，并闭锁MMC型换流器；其子模块电容电压衰减；

3)跟踪直流汇流母线电压值U_L和换流器直流侧正负极电压值U_{d_c}，当0＜U_{d_c}-U_L＜ε时闭合换流器直流侧隔离刀闸，完成MMC型换流器的并网，其中ε为电压裕度；

4)解锁MMC型换流器，切换到正常运行模式，实现MMC型换流器在线无缝并网。

所述电池储能系统通过控制MMC型换流器开关器件脉冲，可以对MMC型换流器的各个子模块进行轮换充电。

该方法还包括通过控制电池储能系统中的DC/DC脉冲，可以将MMC型换流器中的电容能量回馈至储能电池中，一方面实现电能循环利用，节能减排，另一方面可以通过控制MMC型换流器的放电电流，加速MMC型换流器停运转检修的过程。

所述MMC型换流器为交流侧连接有源网络的MMC换流器或连接无源网络的MMC换流器；MMC换流器可以并网到多端柔性直流输电系统中或并网到柔性直流配网系统中。

所述裕度ε为隔离刀闸闭合时能承受的最大电压差。

本发明的技术特点是：本发明兼顾多端柔性直流输电系统及柔性直流配网系统对单个MMC型换流器灵活并网的要求，借助电池储能系统和MMC型换流器的结构特性，利用电池储能系统为待并入的MMC型换流器充电，实现MMC型换流器在线无缝并入柔性直流系统。在并网过程中产生的电流很小，不会造成换流器的过流闭锁。该发明对MMC型换流器具有通用性，无论MMC型换流器是否有源，无论在多端柔性直流输电系统或者柔性直流配网系统中，都可以用此方法实现MMC型换流器在线无缝并网。应用本发明方法，当需要并入多个MMC型换流器时，其并入顺序不分先后。

本发明的有益效果是：本发明方法中由于是对MMC型换流器子模块进行轮换充电，可利用小储能系统实现MMC型换流器在线无缝并入柔性直流系统，同时通过控制储能系统，还可以将电容能量回馈至储能电池，一方面实现电能循环利用，节能减排，另一方面通过控制放电电流，可以加速MMC换流器转检修的过程。该发明具有安全可靠、性能优异、经济通用的特点，可广泛应用于多端柔性输电和柔性直流配网系统的实际工程中。

附图说明

图1为已有的模块化多电平变流器(MMC)换流器结构。(a)为MMC型换流器拓扑图，(b)为子模块拓扑结构图；

图2子模块电容等效放电电路；

图3为本发明中电池储能系统与MMC型换流器的连接拓扑图；

图4为本发明的MMC换流器在线无缝并网方法流程图；

图5为采用本发明方法的包括待并网MMC型换流器和正常运行换流器的多端柔性直流输电系统示意图(以四端柔性直流输电系统为例说明)。

具体实施方式

以下将结合附图及具体实施，对本发明提出的基于电池储能系统的MMC型换流器在线无缝并网的一种方法进行详细说明。

本发明提出的一种MMC型柔性直流换流器在线无缝并网的方法，首先在MMC型换流器中加入由储能电池和DC/DC变换器组成的电池储能系统(如虚线框所示)，其拓扑结构如图3所示，电池储能系统中的储能电池通过DC/DC变换器与MMC换流器的直流侧正负极并联；

基于电池储能系统的MMC型换流器在线无缝并网的方法流程如图4所示，采用以下步骤：

1)利用电池储能系统对待并入的MMC型换流器子模块进行轮换充电，其目标值为U_t，U_t＞U_n,其中U_n为子模块电压额定值；

2)待充电完成时，从MMC型换流器直流侧断开电池储能系统，并闭锁MMC型换流器；其子模块电容电压衰减；

3)跟踪直流汇流母线电压值U_L和换流器直流侧正负极电压值U_{d_c}，当0＜U_{d_c}-U_L＜ε时闭合换流器直流侧隔离刀闸，完成MMC型换流器的并网，其中ε为电压裕度；

4)解锁MMC型换流器，切换到正常运行模式，实现MMC型换流器在线无缝并网。

实施例

以多端柔性直流输电系统为实施例，如图5所示，包括待并网MMC型换流器和正常运行换流器的多端柔性直流输电系统结构，以四端柔性直流输电系统为例说明：换流器A、B、C为正在稳定运行的换流器，换流器D为待并网的MMC型换流器，其交流侧相连的为无源系统，直流侧并联电池储能系统，串联一组隔离刀闸QS1、QS2与直流汇流母线相连，其中QS1和QS2处在分位，U_{d_c}为换流器D直流侧电压，U_L为汇流母线电压。

由于换流器D交流侧为无源系统，所以不能从交流侧为换流器D充电，为了实现换流器D成功并入柔直输电系统而不影响其他换流器的正常运行，需要对换流器D采取以下措施：

首先在MMC型换流器D中加入由储能电池和DC/DC变换器组成的电池储能系统，其拓扑结构如图3中的虚线框所示，电池储能系统中的储能电池通过DC/DC变换器与MMC换流器的正负极并联。通过选取合适的DC/DC变换器和储能电池容量，最终可以实现全体子模块电容电压均充电至额定值以上。当MMC换流器D停运时，储存在直流电容的能量可以回馈至储能系统。即需要放电的子模块下开关管S_d关断，上开关管S_u开通，同一个桥臂的其他子模块下开关管导通，上开关管关断。控制DC/DC脉冲，将电容能量回馈至储能电池，一方面实现电能循环利用，节能减排，另一方面通过控制放电电流，可以加速MMC换流器停运转检修的过程。

其次对MMC型换流器D在线无缝并网的方法包括以下步骤：

1)利用电池储能系统对待并入的MMC型换流器D子模块进行轮换充电，其目标值为U_t，U_t＞U_n；

储能系统向MMC换流器轮换充电过程：子模块上开关管S_u和下开关管S_d的状态互补，对充电的那个子模块下开关管S_d工作于关断状态，同一个桥臂内其他子模块下开关管S_d均工作于导通状态。即储能系统通过二极管或者并联的开关管S_u对子模块进行充电。因此，同一时刻电池储能系统只需要向一个子模块充电，大大减小了储能系统的容量。而通过控制MMC换流器开关器件脉冲，可以对各个子模块进行轮换充电。

2)待充电完成后，控制电池储能系统，使其与换流器D断开，并且闭锁换流器D，换流器D子模块直流电压衰减。

3)当换流器D的直流侧正负极电压U_{d_c}满足0＜U_{d_c}-U_L＜ε时，闭合换流器直流侧隔离刀闸QS1和QS2。其中的裕度ε为隔离刀闸闭合时能承受的最大电压差，可根据不同型号的隔离刀闸确定其裕度。

由于汇流母线电压值U_L低于换流器直流侧电压值U_{d_c}，无法向子模块充电，另一方面，MMC换流器闭锁，各个开关管均处于关断状态，电压高的子模块电容也无法通过反向二极管向汇流母线线路放电，所以，整个操作过程产生的电流很小，不会造成换流器的过流闭锁。

4)解锁换流器D，切换到正常运行模式。

至此，本发明提出的一种MMC型柔性直流换流器在线无缝并网的方法任务全部完成。

Claims (6)

1.一种MMC型柔性直流换流器在线无缝并网的方法，其特征在于，首先在待并网的MMC型换流器中加入由储能电池和DC/DC变换器组成的电池储能系统，电池储能系统中的储能电池通过DC/DC变换器与MMC型换流器直流侧正负极并联，MMC型换流器直流侧串联一组隔离刀闸与直流汇流母线相连；该方法包括以下步骤：

1)利用电池储能系统对待并入的MMC型换流器子模块进行轮换充电，其子模块的充电电压目标值为U_t，U_t>U_n,其中U_n为子模块电压额定值；

2)待充电完成时，从MMC型换流器直流侧断开电池储能系统，并闭锁MMC型换流器；其子模块电容电压衰减；

3)跟踪直流汇流母线电压值U_L和换流器直流侧正负极电压值U_{d_c}，当0<U_{d_c}-U_L<ε时闭合换流器直流侧隔离刀闸，完成MMC型换流器的并网，其中ε为电压裕度；

4)解锁MMC型换流器，切换到正常运行模式，实现MMC型换流器在线无缝并网。

2.根据权利要求1所述的一种MMC型柔性直流换流器在线无缝并网的方法，其特征在于，所述电池储能系统通过控制MMC型换流器开关器件脉冲，对MMC型换流器的各个子模块进行轮换充电。

3.根据权利要求1所述的一种MMC型柔性直流换流器在线无缝并网的方法，其特征在于，还包括通过控制电池储能系统中的DC/DC脉冲，将MMC型换流器中的电容能量回馈至储能电池中，一方面实现电能循环利用，节能减排，另一方面可以通过控制MMC型换流器的放电电流，加速MMC型换流器停运转检修的过程。

4.根据权利要求1所述的一种MMC型柔性直流换流器在线无缝并网的方法，其特征在于，所述MMC型换流器为交流侧连接有源网络的MMC型换流器或连接无源网络的MMC型换流器；MMC型换流器并网到多端柔性直流输电系统中或并网到柔性直流配网系统中。

5.根据权利要求1所述的一种MMC型柔性直流换流器在线无缝并网的方法，其特征在于，所述步骤3)中，电压裕度ε为隔离刀闸闭合时能承受的最大电压差。

6.根据权利要求1所述的一种MMC型柔性直流换流器在线无缝并网的方法，其特征在于，当需要并入多个MMC型换流器时，其并入顺序不分先后。