CN104821712A - 一种mmc-mtdc系统协调启动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种MMC-MTDC系统协调启动控制方法，包括步骤如下：A、各换流站直流侧极连接，各站子模块闭锁，同时有源站闭合交流开关，进入不控充电阶段；B、各换流站在其子模块电压高于各自对应的充电门槛电压后分别投入可控均压充电方法，进入可控充电阶段，同时有源站切除交流侧软启电阻；C、各换流站子模块充电直至解锁运行。所述不控充电阶段，根据交、直流侧电源情况，分别投入交流侧预充电、直流侧预充电或者交直流侧混合预充电。在不控充电阶段明确各换流器充电模式，可以根据不同模式得到对应充电门槛电压，利于换流器适时进行充电模式转换。

Description

一种MMC-MTDC系统协调启动控制方法

技术领域

本发明涉及一种MMC-MTDC系统协调启动控制方法。

背景技术

多端柔性直流输电能实现多电源供电、多落点受电，是电力系统中一种灵活、可靠、快捷的输电方式。而模块化多电平换流器因其输出电压波形质量高、开关损耗低、易于扩容和故障穿越能力强等优势，逐渐成为多端柔性直流输电发展的趋势。

启动过程的顺利完成是多端系统正常运行的前提和基础，合适的启动策略应能对多端系统各换流器启动时序进行协调配置，抑制其因相互影响而产生的电气冲击，避免启动失败。但MMC-MTDC直流电容分散在各子模块中，其启动不仅要考虑换流器内部各子模块电容的均衡充电问题，还需要考虑换流站间直流耦合对MMC启动过程的影响。

因此，研究MMC-MTDC系统协调启动控制策略，解决换流站内子模块预充电均压和换流站间的有序解锁这两个关键问题就显得尤为重要。

然而目前，国内外对MMC-MTDC系统的协调启动研究较少。在多端系统的换流器子模块预充电均压方面，部分学者提出通过双闭环控制进行子模块可控阶段充电，此时交流侧无电源的换流站(简称无源站)的启动要求交流侧有电源的换流站(简称有源站)的交流软启电阻一直投入，增大了对软启电阻平均功率的需求，且解锁时会造成直流电压跌落；也有学者设计了载波移相的可控阶段启动方法，但控制实现复杂；还有学者提出一种半闭锁充电方法，可将子模块充电至额定值，但未对换流器预充电方式做全面考虑和研究。在换流站间有序解锁方面，现有研究主要着重于有源站的启动策略，或者换流器直流侧充电的有序解锁方案，未涉及到多端系统中交直流侧混合充电情况，且未对多端系统多换流站之间的有序解锁做深入研究。

申请号为201210462977.6的中国专利申请《一种模块化多电平柔性直流输电换流器的启动方法》披露了一种方案。该方法的主要步骤为:在启动过程中，对桥臂上的各子模块进行排序，切除电压较高的若干个子模块，而对其余子模块进行充电；并且不断重复以上过程直至充电到稳定状态。

该方法存有以下缺陷：

第一，上述充电方法为一种可控充电方法，仅对固定个数(理论切除数)的子模块进行切除。而实际工程中，充电稳态时，由于线路及子模块损耗、杂散参数等因素的影响会使按照理论切除数控制得到的子模块电压偏离额定值，则由当前子模块电压得到的等效阀侧交流电压不同于实际交流电压，线路中因为缺少足够大的阻尼元件，将引起较大的冲击电流。

第二，预充电前期，子模块电压较低，采用自取电方式的子模块控制电源无法工作，因此子模块只能闭锁，进行不控充电。根据换流器交、直流侧电源的不同，换流器具有不同的充电回路，各回路下对桥臂或相单元进行充电的电源电压不同，导致子模块稳态电压不同，也决定了充电门槛电压不同，若充电门槛电压设置随意，则会导致个别站过早、过慢甚至无法进入可控充电阶段，对应引起较大的电气冲击、增大了启动时间甚至造成启动失败。同时，若在可控阶段不区分充电模式，切除数设置随意，则会造成子模块充电各异，不能达到充电要求，甚至造成子模块过压损坏。

第三，多端系统中，有且仅有一个站为定直流电压控制。多端系统运行需要一个稳定的直流电压，若有换流站站先于定直流电压控制站解锁运行，则其向直流线路注入或抽取有功会导致直流电压抬高或降低，不利于运行控制，甚至造成系统故障。

发明内容

本发明的目的是提供一种MMC-MTDC系统协调启动控制方法，用以解决上述问题二，在不控充电阶段不区分充电模式容易引起较大的电气冲击、增大了启动时间甚至造成启动失败的问题。

为实现上述目的，本发明的方案包括：

一种MMC-MTDC系统协调启动控制方法，包括步骤如下：

A、各换流站直流侧极连接，各站子模块闭锁，同时有源站闭合交流开关，进入不控充电阶段；

B、各换流站在其子模块电压高于各自对应的充电门槛电压后分别投入可控均压充电方法，进入可控充电阶段，同时有源站切除交流侧软启电阻；

C、各换流站子模块充电直至解锁运行。

进一步的，所述不控充电阶段，根据交、直流侧电源情况，分别投入交流侧预充电、直流侧预充电或者交直流侧混合预充电：交流侧预充电方式下，MMC最高线电压为u_ij(i,j＝a,b,c,i≠j)，i相下桥臂和j相上桥臂子模块上管续流二极管导通，为其子模块充电；直流侧预充电方式下，MMC直流电压u_pn为a、b、c三相所有子模块同时充电；交直流侧混合预充电方式下，MMC最高的线电压u_ij与直流电压u_pn一起为i相下桥臂和j相上桥臂子模块充电，其余桥臂则无电流。

进一步的，上述步骤C中，当站控方式为定直流电压控制的换流站子模块电压达到额定且稳定后，首先进入解锁运行阶段；当其余各站子模块电压达到额定且稳定后，分别解锁，进入解锁运行阶段。

进一步的，不控充电阶段，判断交流阀侧线电压峰值u_l的大小，并且与u_pn相比，从而确定预充电方式：

当u_l≥u_pn时，为交流侧预充电方式；

当u_l＝0且u_pn≠0时，为直流侧预充电方式；

当0<u_l<u_pn时，为交直流侧混合预充电方式。

进一步的，所述充电门槛电压高于使子模块驱动电源可靠上电的上电电压，并且对于有源站，所述充电门槛电压低于u_l/N；对无源站，所述充电门槛电压低于u_pn/2N；一个桥臂上有N个子模块，交流阀侧线电压峰值为u_l。

进一步的，可控均压充电方法：每个控制周期，对交流侧预充电方式或交直流侧混合预充电方式下，参与充电的MMC桥臂内N个子模块，或者直流侧预充电方式的MMC相单元2N个子模块按照电压排序，触发电压最高的m个子模块下管IGBT导通使其处于切除状态，同时其余子模块保持闭锁状态；可控均压充电方法确定的切除数m_ref计算方法如下，其中round为四舍五入取整函数，MMC子模块额定电压为U_sm：

      

进一步的，在不控充电阶段明确各换流器充电模式，可以根据不同模式得到对应充电门槛电压，利于换流器适时进行充电模式转换。

同时根据不控充电阶段充电模式和站控方式的不同，在可控充电阶段计算得到对应的理论切除数，能确保各换流器子模块均充电至额定值附近，实现可靠、有效的启动控制。

定直流电压控制站首先解锁可以稳定直流母线电压，确保多端系统的稳定运行。而且在可控充电后期，定直流电压控制站的交、直流侧电压均稳定意味着该站子模块充电处于稳态，其余站的直流侧电压额定且稳定意味着其余站子模块电压充电处于稳态，此时投入闭环充电控制，子模块电压与额定值较为接近，则切除数调整较小，可避免其大幅波动造成子模块充电不稳。

附图说明

图1是实施例1的三端MMC-MTDC系统示意图；

图2是实施例1的MMC预充电方式识别流程图；

图3-a、3-b、3-c是实施例1的不控充电阶段三种预充电方式下的预充电回路示意图；

图4是实施例1的MMC闭环均压充电控制原理图；

图5是实施例1的MMC-MTDC系统协调启动流程示意图；①～⑤为启动过程跳转条件；①各站启动；②最低子模块电压高于充电门槛电压U_t；③交、直流侧电压均稳定；④直流电压额定且稳定；⑤子模块充至额定且稳定；

图6是实施例1的三端MMC-MTDC系统协调启动仿真波形。

具体实施方式

以下几个实施例中，均以图1所示的MMC-MTDC系统为例进行说明。图1为三端MMC-MTDC系统。定义MMC1和MMC3为有源站，分别采用定直流电压控制和定交流功率控制，MMC2为无源站，采用定交流电压控制。当然，本发明的方法不仅适应于三端系统，也可以直接应用到三端以上的多端系统。多端系统中，有且仅有一个站为定直流电压控制。

如图3所示，MMC1、MMC2、MMC3均包含6个桥臂，单个桥臂包含N个额定电压为U_sm的半桥式子模块，交流阀侧线电压峰值为u_l，直流母线电压为u_pn，额定值为U_dc。参数如表1。

表1

      

      

半桥式子模块具有投入(上管IGBT导通，下管IGBT关断)、切除(上管IGBT关断，下管IGBT导通)和闭锁(上、下管IGBT均关断)等三种工作状态。

除了半桥式子模块，作为其他实施方式，MMC也可以采用H桥拓扑等结构。

实施例1

模块化多电平柔性直流输电换流器启动方法，包括步骤如下：

A、各换流站直流侧极连接，各站子模块闭锁，同时有源站闭合交流开关，进入不控充电阶段；

B、各换流站在其子模块电压高于各自对应的充电门槛电压后分别投入可控均压充电方法，进入可控充电阶段，同时有源站切除交流侧软启电阻；

C、当站控方式为定直流电压控制的换流站交、直流侧电压均稳定后，该站投入闭环均压充电方法；当其子模块电压达到额定且稳定后，该站解锁脉冲，并启动带有斜率控制器的直流电压控制，进入解锁运行阶段；

D、当其余各站直流侧电压稳定在额定值后，分别投入闭环均压充电方法，当其子模块电压达到额定且稳定后，分别解锁，进入解锁运行阶段。

从整个过程来看，各换流站依次经过不控充电阶段、可控充电阶段和闭环均压充电以至解锁运行；并且站控方式为定直流电压控制的换流站首先进入解锁运行阶段。下面对上述各个步骤的原理和工作过程进行详细介绍。

步骤A所述不控充电阶段，MMC根据交、直流侧电源情况，分别投入交流侧预充电、直流侧预充电或者交直流侧混合预充电，这三种预充电方式具体的识别流程如图2所示：每个控制周期，判断u_l的大小，并且与u_pn相比，从而确定预充电方式：

当u_l≥u_pn时，为交流侧预充电方式；

当u_l＝0且u_pn≠0时，为直流侧预充电方式；

当0<u_l<u_pn时，为交直流侧混合预充电方式。

交流侧预充电方式下，MMC最高线电压为u_ij(i,j＝a,b,c,i≠j)，则i相上桥臂和j相下桥臂子模块下管反并联二极管导通，使得直流母线电压为u_ij，而i相下桥臂和j相上桥臂子模块上管续流二极管导通，为其子模块充电，其他相电容充电情况类似。

直流侧预充电方式下，MMC直流电压u_pn为a、b、c三相所有子模块同时充电。

交直流侧混合预充电方式下，MMC最高的线电压u_ij与直流电压u_pn一起为i相下桥臂和j相上桥臂子模块充电，其余桥臂则无电流。

不控充电阶段稳态时，根据图3所示充电形式计算，所述三种充电方式下子模块电压如下所示，均不到额定值：

      

具体到图1的三端系统，由于MMC1交流阀侧线电压峰值u_l1＝290kV，高于MMC3交流阀侧线电压峰值u_l3＝288kV，因此不控充电阶段直流母线电压为u_pn＝u_l1，当MMC1解锁运行后直流母线电压为U_dc＝400kV。结合图2所示本发明协调启动控制策略中MMC预充电方式识别流程，则MMC1为交流侧预充电方式，MMC2为直流侧预充电方式，MMC3为交直流侧混合预充电方式。在MMC1解锁前，由于直流电压与MMC3交流侧电压相差不大，MMC3的混合充电现象不会太明显。

不控充电阶段MMC1、MMC2和MMC3预充电回路分别如图3-a、3-b和3-c所示。图中均假定u_ab为各站当前最大线电压。

图3-a中，由功率模块续流二极管的导通条件可知，a相上桥臂和b相下桥臂的子模块上管续流二极管导通，使得直流母线电压为u_ab的峰值u_l1，同时a相下桥臂和b相上桥臂的子模块上管续流二极管导通，为其子模块电容充电，其他相的电容充电情况类似。

图3-b中，直流母线电压u_l1为MMC的三个相单元所有子模块同时充电。

图3-c中，直流母线电压u_l1与MMC交流阀侧线电压u_ab同向串联，为a相下桥臂和b相上桥臂子模块电容充电，而此时a相上桥臂和b相下桥臂则无电流流通。

不控充电阶段稳态时，三站子模块电压分别为：u_sm1＝u_l1/N＝0.67pu，u_sm2＝u_l1/2N＝0.34pu，u_sm3＝(u_l1+u_l2)/2N＝0.67pu，均无法达到额定值，且MMC2的电压约为MMC1和MMC3的一半。

步骤B所述可控充电阶段，子模块电压(这里子模块电压为子模块最低电压，作为其他实施方式，也可以选择如平均电压)高于充电门槛电压后分别投入可控均压充电方法，进入可控充电阶段。

充电门槛电压是用来区分MMC不控充电阶段与可控充电阶段，对于有源站而言应略低于u_l/N，无源站则略低于u_pn/2N，同时也应高于使子模块驱动电源可靠上电的上电电压。

可控均压充电方法目的在于实现子模块电压抬升并保证子模块间电压均衡，通过切除一部分子模块以减小串入充电回路中的子模块电容数目，同时为了实现子模块均压，每个控制周期下选取回路中电压较高的那部分子模块进行切除。具体方法为：每个控制周期，对交流侧预充电方式或交直流侧混合预充电方式下，参与充电的MMC桥臂内N个子模块(参见图3-a，图3-c)，或者直流侧预充电方式的MMC相单元2N个子模块(参见图3-b，相单元为对应的上、下两个桥臂)按照电压排序，触发电压最高的m个子模块下管IGBT导通使其处于切除状态，同时其余子模块保持闭锁状态。所述切除数m自零开始逐渐增长至理论值m_ref，所述理论切除数m_ref计算方法如下，其中round为四舍五入取整函数：

      

可控均压充电的方法关键在于切除数量的设定，作为其他实施方式，也可以采用背景技术中文献(申请号201210462977.6)那样不区分预充电方式的方法，亦或是其他切除方式。

具体到图1的系统，MMC1、MMC3这两个有源站和无源站MMC2的充电门槛电压分别设为1000V和530V。由于MMC1为定直流电压控制站，其将首先解锁运行，为了通过交流电源使子模块充至额定，MMC1的桥臂子模块理论切除数依照其计算公式设为89。MMC2和MMC3在解锁前直流母线电压已达稳定，使得图3-b和图3-c中u_pn＝U_dc，因此，对于无源侧预充电方式的MMC2，其相单元子模块理论切除数为290，对于交直流侧混合预充电方式的MMC3，其桥臂子模块理论切除数为55。

步骤C、D所述闭环均压充电方法，是基于切除设定个数子模块数的可控均压充电方法，根据闭环控制结果调整子模块切除数；闭环控制以子模块额定电压为输入，以子模块实际电压为反馈，输出子模块切除数调整量。

具体策略为：将MMC子模块额定电压U_sm与实际值u_sm的偏差Δu_sm经过一门槛电压为±ΔU_sm的滞环比较器，得到切除数调整量Δm，将Δm经过一个初值为m_ref、时间常数为τ的积分调节器并对输出取整，得到最终切除数。所述滞环比较器控制逻辑为：

1)当Δusm≥ΔUsm时，Δm＝1；

2)当Δusm≤-ΔUsm时，Δm＝-1；

3)否则，Δm不变。

所述积分调节器时间常数τ可在数十毫秒至数秒之间取值，如τ＝1。所述滞环门槛电压可用下式近似计算：

       ${\mathrm{\&Delta;U}}_{\mathrm{sm}}\&ap;\frac{0.5U_{\mathrm{sm}}}{\mathrm{kN}-m_{\mathrm{ref}}},$       

滞环门槛电压与预充电方式有关。积分调节器时间常数τ可在数十毫秒至数秒之间取值。滞环比较器的门槛电压可用如10V。

以上不控充电阶段、可控充电阶段和闭环充电阶段，它们是相互独立的。而且每个过程都是由若干控制周期构成，类似图2所示的不控充电方法，在每个控制周期均进行比较、判断、执行。

本实施例中，通过在可控充电之后增加闭环充电方式，可以根据当前子模块电压实时调整切除数，将子模块电压通过闭环控制稳定在额定值，避免了解锁运行时的电气冲击。

在不控充电阶段明确各换流器充电模式，可以根据不同模式得到对应充电门槛电压，利于换流器适时进行充电模式转换。同时根据不控充电阶段充电模式的不同，在可控充电阶段计算得到对应的理论切除数，能确保各换流器子模块均充电至额定值附近，实现可靠、有效的启动控制。

定直流电压控制站首先解锁可以稳定直流母线电压，确保多端系统的稳定运行。而且在可控充电后期，定直流电压控制站的交、直流侧电压均稳定意味着该站子模块充电处于稳态，其余站的直流侧电压额定且稳定意味着其余站子模块电压充电处于稳态，此时投入闭环充电控制，子模块电压与额定值较为接近，则切除数调整较小，可避免其大幅波动造成子模块充电不稳。

根据图5所示的本实施例的协调启动控制策略，设置仿真关键时间点为：0s时同时启动三站，闭合各站直流开关，三站子模块脉冲封锁，同时闭合MMC1和MMC3交流开关，进入不控充电阶段；10s时MMC1已通过可控均压充电和闭环均压充电两种模式将其子模块充至额定，为此解锁MMC1，使其进行直流电压斜坡控制；13s时MMC2和MMC3子模块电压已经在额定直流电压和闭环均压充电方法的作用下达到额定值，为此解锁MMC2和MMC3；14s时将MMC2和MMC3的指令斜坡增大，使其进入正常运行状态。仿真结果如图6所示，图中各量均为标幺值，子模块电压选取a相上下桥臂各1个子模块。

由图6可以看出，在不控充电阶段，处于交流侧预充电方式的MMC1与处于混合预充电方式的MMC3充电相似，充电值约为直流侧预充电方式的MMC2的2倍，与理论分析一致。当MMC1和MMC3的子模块电压分别达到1000V门槛电压以及MMC2的子模块电压达到530V门槛电压后，三站自动进入可控充电阶段，同时MMC1和MMC3切除软启电阻。进入可控充电阶段后，三站在可控均压充电方法和闭环均压充电方法的控制下逐渐切除子模块，充电速率增大，MMC1子模块电压抬升至额定值，MMC2和MMC3子模块电压则因直流母线电压未达到额定值而分别稳定为0.71pu和0.83pu。10s时，MMC1解锁，随后直流母线电压跟随指令斜坡上升，最终稳定为额定，与此同时，MMC2和MMC3子模块电压跟随上升，在直流电压的激励和闭环均压充电策略的作用下达到额定值。13s时MMC2与MMC3解锁运行，并在14s开始分别斜坡控制交流电压与交流功率直至达到设定值。

从仿真结果看来，三个换流站启动过程中时序配合良好，能按计划对子模块进行均衡充电，并保证启动过程中电压与电流冲击满足要求。由此可见，本发明设计的MMC-MTDC系统协调启动控制策略有效、可行。

本实施例提出的MMC-MTDC系统协调启动控制策略，能自动适应MMC各种预充电方式并将子模块电压充至额定值，为MMC平滑解锁奠定基础，同时能通过多端系统站间有序解锁方案和直流电压斜坡控制方式有效的抑制启动过程中电气冲击，实现多端系统快速平稳的启动。

实施例2

模块化多电平柔性直流输电换流器启动方法，包括步骤如下：

A、进入不控充电阶段；根据交、直流侧电源情况，分别投入交流侧预充电、直流侧预充电或者交直流侧混合预充电。

B、各换流站在其子模块电压高于各自对应的充电门槛电压后分别投入可控均压充电方法，进入可控充电阶段，同时有源站切除交流侧软启电阻。

C、当站控方式为定直流电压控制的换流站子模块电压达到额定且稳定后，首先进入解锁运行阶段；当其余各站子模块电压达到额定且稳定后，分别解锁，进入解锁运行阶段。

步骤A、B与实施例1相同，步骤C中，不经历闭环均压充电过程，直接过渡到解锁运行。通过仿真能够证明这种方法也能基本达到发明目的。

实施例3

本实施例与实施例2过程基本相同，与实施例2区别仅在于，步骤C闭环充电至解锁运行，不区分定直流电压控制站和其他换流站，各换流站子模块电压稳定后解锁。

以上给出了本发明具体的三个实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。在本发明给出的思路下，采用对本领域技术人员而言容易想到的方式对上述实施例中的技术手段进行变换、替换、修改，并且起到的作用与本发明中的相应技术手段基本相同、实现的发明目的也基本相同，这样形成的技术方案是对上述实施例进行微调形成的，这种技术方案仍落入本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种MMC-MTDC系统协调启动控制方法，其特征在于，包括步骤如下：

A、各换流站直流侧极连接，各站子模块闭锁，同时有源站闭合交流开关，进入不控充电阶段；

B、各换流站在其子模块电压高于各自对应的充电门槛电压后分别投入可控均压充电方法，进入可控充电阶段，同时有源站切除交流侧软启电阻；

C、各换流站子模块充电直至解锁运行；

所述不控充电阶段，根据交、直流侧电源情况，分别投入交流侧预充电、直流侧预充电或者交直流侧混合预充电：交流侧预充电方式下，MMC最高线电压为u_ij(i,j＝a,b,c,i≠j)，i相下桥臂和j相上桥臂子模块上管续流二极管导通，为其子模块充电；直流侧预充电方式下，MMC直流电压u_pn为a、b、c三相所有子模块同时充电；交直流侧混合预充电方式下，MMC最高的线电压u_ij与直流电压u_pn一起为i相下桥臂和j相上桥臂子模块充电，其余桥臂则无电流。

2.根据权利要求1所述的一种MMC-MTDC系统协调启动控制方法，其特征在于，

上述步骤C中，当站控方式为定直流电压控制的换流站子模块电压达到额定且稳定后，首先进入解锁运行阶段；当其余各站子模块电压达到额定且稳定后，分别解锁，进入解锁运行阶段。

3.根据权利要求1或2所述的一种MMC-MTDC系统协调启动控制方法，其特征在于，不控充电阶段，判断交流阀侧线电压峰值u_l的大小，并且与u_pn相比，从而确定预充电方式：

当u_l≥u_pn时，为交流侧预充电方式；

当u_l＝0且u_pn≠0时，为直流侧预充电方式；

当0<u_l<u_pn时，为交直流侧混合预充电方式。

4.根据权利要求3所述的一种MMC-MTDC系统协调启动控制方法，其特征在于，所述充电门槛电压高于使子模块驱动电源可靠上电的上电电压，并且对于有源站，所述充电门槛电压低于u_l/N；对无源站，所述充电门槛电压低于u_pn/2N；一个桥臂上有N个子模块，交流阀侧线电压峰值为u_l。

5.根据权利要求4所述的一种MMC-MTDC系统协调启动控制方法，其特征在于，可控均压充电方法：每个控制周期，对交流侧预充电方式或交直流侧混合预充电方式下，参与充电的MMC桥臂内N个子模块，或者直流侧预充电方式的MMC相单元2N个子模块按照电压排序，触发电压最高的m个子模块下管IGBT导通使其处于切除状态，同时其余子模块保持闭锁状态；可控均压充电方法确定的切除数m_ref计算方法如下，其中round为四舍五入取整函数，MMC子模块额定电压为U_sm：