CN105811751A - 一种柔性直流输电换流器的解锁启动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种柔性直流输电换流器的解锁启动控制方法，所述控制方法包括：将柔性直流输电换流器输出的三相电压、三相母线电流以及限流电抗器均通过abc/dq坐标进行转换；用电流前馈解耦内环切换PID参数组，并用PID参数组控制柔性直流输电系统的解锁启动；用电压定值斜率控制外环对直流电压进行控制。本发明提供的技术方案减小换流器并网启动冲击电流，并减少并网启动调试工作量。

Description

一种柔性直流输电换流器的解锁启动控制方法

技术领域

本发明涉及一种直流输电换流器的控制方法，具体讲涉及一种柔性直流输电换流器的解锁启动控制方法。

背景技术

柔性直流输电技术是一种新型的直流输电技术，运用该技术研制建造的直流输电系统不仅可以实现电力能量的双向四象限流动，而且可以实现运行过程中电力功率的大小完全可控，该技术是构成坚强智能电网的基础技术之一，可以被广泛应用于分布式新能源并网、岛屿及海上平台供电、区域电网的支撑、交流电网之间的互联等等。

目前新投运的柔性直流输电系统一般采用基于MMC(模块级联多电平)的电压源换流器进行设计建造(MMC结构换流器参考附图1)，采用电流前馈解耦内环和电压外环作为换流器的控制方式(控制环参考图2、3)。

作为系统正常运行的前提和基础，柔性直流换流器的启动过程有2个主要目标：换流器交流出口电压的建立和额定直流电压的建立。其中额定直流电压的建立是中心环节，其实质是电容器额定电压的建立，也就是换流器的预充电过程，这个过程可分为他励和自励2种。自励是指由与换流器相连交流系统向电容器充电，他励是由辅助电源提供充电功率，目前工程中大部分采用自励充电的方式。考虑到MMC电容器结构上分布式的特点，在自励充电过程中，需要保持各换流阀单元模块电容能量的相对均衡，同时为限制充电电流，需要控制注入MMC的功率大小。

从目前国内外已经公布的技术方案来看，在柔性直流输电技术领域，基于MMC技术的柔性直流换流器一般都采用经典控制方式(参考图1虚线框外部分)，该控制方法普遍存在启动电流大，并网启动参数与正常运行参数共用，造成并网控制环PID参数调校工作复杂的情况。经典MMC换流器的解锁启动会形成幅值超过0.7pu的冲击电流(参照图4)，该电流主要是为换流阀塔在不控充电后升压到额定直流电压提供充电能量，其能量大小取决于充电前后的直流母线的电压差和充电时间的长短，启动过程控制的主要需求是减少对电网的冲击。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种柔性直流输电换流器的解锁启动控制方法，该方法减小换流器并网启动冲击电流，并减少并网启动调试工作量。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

本发明提供一种柔性直流输电换流器的解锁启动控制方法，所述柔性直流输电换流器由三相构成，每相由串联的结构相同的上下两桥臂构成；上下两桥臂的中点处连接柔性直流输电换流器的交流端；所述柔性直流输电换流器通过星角绕组的换流变压器并入电网；

所述上下两桥臂中每个桥臂包括1个限流电抗器和N个结构相同的子模块；每个桥臂的子模块级联后一端通过限流电抗器与柔性直流输电换流器的交流端连接；每个桥臂的子模块级联后另一端与另两相桥臂的级联的子模块一端连接，形成柔性直流输电换流器直流端的正负极母线；在所述正负极母线上均串联有平波电抗器；

所述子模块由半桥与其并联的蓄能平波电容器支路构成，所述半桥由上桥臂和下桥臂构成，所述上桥臂和下桥臂均由绝缘栅双极型晶体管IGBT以及与其并联的续流二极管FWD组成；其改进之处在于，

所述控制方法包括下述步骤：

A、将柔性直流输电换流器输出的三相电压、三相母线电流以及限流电抗器均通过abc/dq坐标进行转换；

B、用电流前馈解耦内环切换PID参数组，并用PID参数组控制柔性直流输电系统的解锁启动；

C、用电压定值斜率控制外环对直流电压进行控制。

进一步地，所述步骤A中，将柔性直流输电换流器输出的三相电压Ua、Ub和Uc通过abc/dq坐标转换后变为Ud和Uq，将柔性直流输电换流器的三相母线电压ia、ib、ic通过abc/dq坐标转换后变为id和iq，将柔性直流输电换流器的限流电抗器L1、L2、L3、L4、L5和L6通过abc/dq坐标转换后变为L；其中：Ud为d轴的电压，Uq为q轴的电压，id为d轴的电流，iq为q轴的电流。

进一步地，所述步骤B中，所述PID参数组包括PID_G1和PID_G2，所述PID_G1是用于换流器启动控制环进行升压充电时所用的PID参数组；所述PID_G2使用于换流器启动结束后即直流电压Udc达到设定值电压Udref所用的PID参数组。

进一步地，所述步骤C包括：逐渐施加给定值，按照一定斜率逐步将Udref给予电流内环，待电流内环将直流电压控制稳定后再逐渐升压给柔性直流输电换流器进行充电。

与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有的优异效果是：

1、利用专用的解锁启动PID参数组控制柔性直流输电系统的解锁启动过程，利用专用的运行PID参数组控制控制柔性直流输电系统的正常运行，这样令换流器在获得优良的运行控制效果的同时，解耦时启动冲击电流小，对所并网电力系统冲击小；

2、利用控制器的外环采用斜率递增的方式设置直流控制电压目标值，从而有效延长换流阀电容器的充电时间，这样就降低了每次充电所需要的功率，从而降低了充电电流。

附图说明

图1是本发明提供的MMC柔性直流换流器系统结构原理图；

图2是本发明提供的MMC控制器的内环控制原理图；

图3是本发明提供的MMC控制器的外环控制原理图；

图4是本发明提供的控制效果比较图；

图5是本发明提供的控制方法实施例系统结构图；

图6是本发明提供的柔性直流输电换流器的解锁启动控制方法的流程图。

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。

本发明提供一种柔性直流输电换流器的解锁启动控制方法，本发明所工作的系统如附图1所示，是基于MMC技术设计的柔性直流换流器。所述柔性直流换流器由三相构成，每相由串联的结构相同的上下两桥臂构成；上下两桥臂的中点处连接柔性直流输电换流器的交流端；所述柔性直流输电换流器通过星角绕组的换流变压器并入电网；

所述上下两桥臂中每个桥臂包括1个限流电抗器和N个结构相同的子模块；每个桥臂的子模块级联后一端通过限流电抗器与柔性直流输电换流器的交流端连接；每个桥臂的子模块级联后另一端与另两相桥臂的级联的子模块一端连接，形成柔性直流输电换流器直流端的正负极母线；在所述正负极母线上均串联有平波电抗器；

所述子模块由半桥与其并联的蓄能平波电容器支路构成，所述半桥由上桥臂和下桥臂构成，所述上桥臂和下桥臂均由绝缘栅双极型晶体管IGBT以及与其并联的续流二极管FWD组成；

所述控制方法的流程图如图6所示，包括下述步骤：

A、将柔性直流输电换流器输出的三相电压、三相母线电流以及限流电抗器均通过abc/dq坐标进行转换；

如图1所示，其中ea、eb、ec为电网侧三相母线电压，Ua、Ub、Uc为换流器输出三相电压(对应等效并经abc/dq坐标转换后为附图2中的Ud、Uq)，ia、ib、ic为三相母线电流(对应等效并经abc/dq坐标转换后为附图2中的id、iq)，L1、L2、L3、L4、L5、L6为换流器限流电抗器(对应等效为附图2中L)，Udc为换流器输出的直流电压，Idc为输出的直流电流。图中虚线框内为换流器换流阀单元，简称SM，图中仅绘制出2级换流阀单元，但本发明可以扩展到多级单元，SM中的C为蓄能平波电容器，换流器建立直流电压的充电过程的实质就是对所有SM中的电容C进行充电达到额定电压的过程。

B、用电流前馈解耦内环切换PID参数组，并用PID参数组控制柔性直流输电系统的解锁启动；

如图2是基于本发明所创新的控制方法构造的新型电流前馈解耦控制环，图中省略经典abc/dq坐标转换部分，但其仍在本发明所实现的功能之内。图中虚线框内PID_G1是专用于换流器启动控制环进行升压充电时所用的PID参数组，PID_G2是专用于换流器启动结束后(直流电压Udc达到Udref)所用的PID参数组，虽然图中两个虚线框内使用了同样的参数组名，但在实际中并不限于2组参数，也可以是多组参数。如图2所示，PID_G1和PID_G2是由系统运行状态控制切换的，在控制流程中切入对应的PID参数组位置。

C、用电压定值斜率控制外环对直流电压进行控制：

如图3是基于本发明所创新的控制方法构造的新型电压定值斜率控制环，目的是按照一定斜率逐步将Udref给予电流内环，待电流环将直流电压控制稳定后再逐渐升压。电压的控制是从控制原理上，是控制dq坐标下的id分量；解锁就是启动dq控制，不解锁时回路是不控整流充电的，参照“PWM整流”。

电压的控制就是，如不控整流时，获得Ud为432kV，要调节的额定值为640kV，一般的控制方法是直接将ΔU＝640-432给控制环，从而柔性直流输电系统会有一个很大的充电电流，本方法是将ΔU按照一定的斜率比率，比如斜率0.1逐步给电压控制环。

实施例1

本发明的实施例中，Udref调节范围0.7pu～1.0pu，升压速率10kV/s，充电电流可以控制在0.5pu交流电流以下，不采用本发明的经典控制控制环换流器直流电压从0.7pu直接跃升到1.0pu，充电电流超过0.7额定值，如图4为采用本方法的控制效果的比较图，图中0.4s之前的冲击波形为换流器没有解锁启动控制环时并网后的不控整流充电过程，0.5s之后的冲击波形为启动控制环进行可控整流充电的过程。

实施例2

本发明所涉及到控制方法经过在柔性直流控制保护系统和RTLAB实验系统上实际运行验证，实施例所采用的测试回路如图5所示：根据所创新的控制方法编制的控制程序软件在柔性直流控制保护系统上运行，该控制保护系统通过接口设备与RTLAB主机互联，RTLAB主机上运行标准电力系统软件模型和MMC型柔性直流输电系统模型，两套系统均通过人机界面进行数据观测和波形记录。利用本发明提供的方法减小了启动充电电流，就是结论。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (4)

1.一种柔性直流输电换流器的解锁启动控制方法，所述柔性直流输电换流器由三相构成，每相由串联的结构相同的上下两桥臂构成；上下两桥臂的中点处连接柔性直流输电换流器的交流端；所述柔性直流输电换流器通过星角绕组的换流变压器并入电网；

所述上下两桥臂中每个桥臂包括1个限流电抗器和N个结构相同的子模块；每个桥臂的子模块级联后一端通过限流电抗器与柔性直流输电换流器的交流端连接；每个桥臂的子模块级联后另一端与另两相桥臂的级联的子模块一端连接，形成柔性直流输电换流器直流端的正负极母线；在所述正负极母线上均串联有平波电抗器；

所述子模块由半桥与其并联的蓄能平波电容器支路构成，所述半桥由上桥臂和下桥臂构成，所述上桥臂和下桥臂均由绝缘栅双极型晶体管IGBT以及与其并联的续流二极管FWD组成；其特征在于，

所述控制方法包括下述步骤：

A、将柔性直流输电换流器输出的三相电压、三相母线电流以及限流电抗器均通过abc/dq坐标进行转换；

B、用电流前馈解耦内环切换PID参数组，并用PID参数组控制柔性直流输电系统的解锁启动；

C、用电压定值斜率控制外环对直流电压进行控制。

2.如权利要求1所述的解锁启动方法，其特征在于，所述步骤A中，将柔性直流输电换流器输出的三相电压Ua、Ub和Uc通过abc/dq坐标转换后变为Ud和Uq，将柔性直流输电换流器的三相母线电压ia、ib、ic通过abc/dq坐标转换后变为id和iq，将柔性直流输电换流器的限流电抗器L1、L2、L3、L4、L5和L6通过abc/dq坐标转换后变为L；其中：Ud为d轴的电压，Uq为q轴的电压，id为d轴的电流，iq为q轴的电流。

3.如权利要求1所述的解锁启动方法，其特征在于，所述步骤B中，所述PID参数组包括PID_G1和PID_G2，所述PID_G1是用于换流器启动控制环进行升压充电时所用的PID参数组；所述PID_G2使用于换流器启动结束后即直流电压Udc达到设定值电压Udref所用的PID参数组。

4.如权利要求1所述的解锁启动方法，其特征在于，所述步骤C包括：逐渐施加给定值，按照一定斜率逐步将Udref给予电流内环，待电流内环将直流电压控制稳定后再逐渐升压给柔性直流输电换流器进行充电。