CN106099909A - 一种统一潮流控制器拓扑及其配置、控制方法 - Google Patents

一种统一潮流控制器拓扑及其配置、控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种统一潮流控制器拓扑及其配置、控制方法，该拓扑以模块化多电平换流器作为电压源换流单元，在并联侧MMC各桥臂中串入一定数量的全桥型子模块，而串联侧MMC各桥臂仍采用半桥型子模块；通过并联侧MMC中FBSM的优化配置，辅以串并联侧MMC协调控制策略，可以显著提升UPFC三个方面的性能：首先是抑制串联侧MMC注入线路的谐波；其次是拓展并联侧MMC的功率控制能力；再次是提升并联侧MMC的电网高电压适应性。

Description

一种统一潮流控制器拓扑及其配置、控制方法
技术领域
本发明属于高压交流输电领域，具体涉及一种统一潮流控制器拓扑及其配置、控制策略。
背景技术
改革开放以来，我国经济增长迅速，电力作为经济增长的能源支撑，得到了快速发展，电网架构由于电力的大规模高速增长变得越来越复杂，带来的突出问题为：潮流分布不均且调控困难，交流电网N-1以后部分线路存在过载失稳风险。
灵活交流输电技术(Flexible Alternative Current Transmission Systems，FACTS)是综合电力电子技术、通信技术和控制技术而形成的交流输电新技术，可以实现对输电系统的电压、阻抗和相位角的灵活控制，从而大大提高电力系统的调控灵活性和运行稳定性，并使得现有输电线路的输送能力大幅提高。
UPFC作为FACTS家族功能强大的成员之一，由于其拥有并联补偿和串联补偿的双重作用，运行方式非常灵活，具有良好的潮流控制能力，同时在交流系统振荡抑制和阻尼补偿方面也具有得天独厚的优势，因此是FACTS发展的重要方向和应用重点。
UPFC的基本结构如图1所示，其中图中I、II分别是并联换流器和串联换流器，Tshunt是并联变压器，TSeries是串联变压器，Vs、Vr分别是受端和送端网络电源，Xs、Xr是两端电抗。UPFC还包含串联侧旁路晶闸管TBS、并联侧断路器K1、串联侧断路器K2、串联变压一次侧旁路开关K3、串联变二次侧旁路开关K4等。
UPFC包括一个并联侧换流器I，一个或多个串联侧换流器II，各串联侧换流器II的一端通过串联变压器TSeries接入不同的交流线路上，串联变压器TSeries在一二次侧配有旁路开关K3、K4，在二次侧还配有旁路晶闸管TBS；串联换流器II的另一端相并联后与并联换流器I通过直流系统相连接。
电压源型换流器作为UPFC核心单元，在高压容量场合，一般采用MMC结构，其主要优势在于：模块化设计便于电压和容量的提升，冗余容错控制提高了系统可靠性，多电平结构无需交流滤波器，因此极大提高了电压源型换流器技术性能。
考虑调制度对于MMC运行特性的限制因素，综合分析UPFC应用时的运行工况，需要解决MMC三个方面的控制问题：首先是潮流调节需求小，串联侧MMC输出电平数较低时带来的谐波问题；其次是并联侧MMC由于最高直流电压限制导致的功率调节范围受限问题；再次是交流电压偏高时并联侧UPFC调制度饱和带来的闭环失控问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种统一潮流控制器拓扑结构及其控制方法，用以解决串联侧谐波问题。进一步还能够解决并联侧运行范围问题和并联侧交流高电压适应能力的问题。同时，本发明还提供了适应于该拓扑结构的配置方法。
为实现上述目的，本发明的方案包括：
一种统一潮流控制器拓扑，包括一个并联侧换流器，一个或多个串联侧换流器；并联侧换流器的一端通过并联变压器连接电网；各串联侧换流器的一端通过串联变压器接入对应的交流线路上；各串联换流器的另一端相并联、与并联换流器的另一端通过直流母线连接；所述串联侧换流器与并联侧换流器均为MMC结构，并联侧换流器包括全桥子模块和半桥子模块，串联侧换流器仅包括半桥子模块。
本发明还提供了一种统一潮流控制器拓扑的配置方法，首先根据谐波特性要求，基于FFT分析确定串联侧换流器输出电压最小电平数，然后根据子模块最低运行电压确定串联侧换流器最低输出交流电压值，根据该最低交流电压值确定UPFC最低直流电压运行值，在最低直流电压运行条件下，分析并联侧换流器功率拓展所需FBSM数、高电压适应所需FBSM数和二者兼顾时所需FBSM数，取三者最大值作为FBSM最终配置数量。
本发明又提供了一种统一潮流控制器的控制方法，当串联侧换流器调制度小于最小设定值时，并联侧换流器投入全桥子模块，控制全桥子模块输出负电压降低直流电压，直到串联侧换流器调制度大于最小设定值或者全桥子模块数量耗尽；当串联侧换流器调制度大于最大设定值时，并联侧换流器逐渐释放全桥子模块投入个数以抬升直流电压，直到串联侧换流器调制度小于最大设定值或者全桥子模块数量全部释放。
当并联侧MMC由于功率控制范围拓展导致并联侧换流器调制度大于1时，并联侧换流器投入全桥子模块进一步抬升并联侧换流器调制度，当并联侧换流器调制度小于1时，维持全桥子模块均压控制最小投入数运行。
基于FBSM输出负电平的能力，结合控制方法能够显著改善串联侧MMC低电压下的谐波特性。
结合进一步的控制方案，还能够拓展并联侧MMC的功率运行范围、提升并联侧MMC交流高电压下的适应性，极大提高了UPFC的技术性能，有利于产业推广。
附图说明
图1是UPFC基本结构图；
图2是本发明实施例的并联侧MMC串入FBSM的UPFC新型拓扑结构；
图3为HBSM的拓扑结构；
图4为FBSM的拓扑结构；
图5为FBSM数量配置流程图；
图6为串联侧MMC谐波抑制流程图；
图7为并联侧MMC功率运行范围拓展+交流高电压适应性提升流程图；
图8是UPFC串并联MMC协调控制流程图。
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。
参考图1，本发明的UPFC的拓扑包括一个并联侧换流器，一个或多个串联侧换流器；并联侧换流器的一端通过并联变压器连接电网；各串联侧换流器的一端通过串联变压器接入对应的交流线路上；各串联换流器的另一端相并联、与并联换流器的另一端通过直流母线连接。
并联侧换流器、串联侧换流器均采用MMC结构，即为并联侧MMC和串联侧MMC。现有技术中，并联侧换流器、串联侧换流器均采用半桥子模块HBSM。本实施例的拓扑结构中，并联侧MMC配置一定数量的全桥子模块FBSM；串联侧MMC全部为HBSM。
如图2所示，该拓扑并联侧MMC各桥臂包含m+n个子模块(本实施例不考虑冗余的情况)，其中m表示FBSM的数量，n表示HBSM的数量，L0为桥臂电抗。
半桥子模块HBSM和全桥子模块FBSM以全控型电力电子器件(如IGBT)为基础构成，其拓扑结构如图3、图4所示，其中T代表全控型电力电子开关器件，D代表开关器件反并联二极管，S代表旁路开关，C代表子模块直流电容。
下面具体说明适用于本实施例拓扑结构的配置和控制策略。
图5给出了并联侧MMC中FBSM数量配置的流程：首先根据谐波特性要求，基于FFT分析确定串联侧MMC输出电压最小电平数，然后根据子模块最低运行电压确定串联侧MMC最低输出交流电压值，根据该最低交流电压值确定UPFC最低直流电压运行值，在最低直流电压运行条件下，分析并联侧MMC功率拓展所需FBSM数、高电压适应所需FBSM数和二者兼顾时所需FBSM数，取三者最大值，并考虑一定的冗余，作为FBSM最终配置数量。
上述分析、计算等过程使用的现有技术中成熟的技术手段，故不再具体说明。
串联侧MMC最低输出交流相电压峰值：
U a c - s e r - min = N l e v - min - 1 4 * U S M - min - - - ( 1 ) ;
上式中：Nlev-min为串联侧MMC输出最小电平数，USM-min为子模块最低允许运行电压值。
最低直流电压运行值：
U d c - U P F C - m i n = U a c - s e r - m i n m s e r - m a x - - - ( 2 ) ;
上式中：mser-max为串联侧MMC调制度最大允许值，考虑HBSM-MMC的动态控制裕量，一般取0.95。
本实施例的统一潮流控制器拓扑的控制策略主要包括三个方面：抑制串联侧MMC谐波，拓展并联侧MMC功率运行范围，并联侧MMC交流高电压适应能力提升。图8给出了考虑上述三个方面优先级时的UPFC串并联侧MMC协调控制策略，即首先抑制串联侧MMC谐波，其次拓展并联侧MMC功率运行范围，再次为提升并联侧MMC交流高电压适应能力。通过上述协调控制策略，可以改善串联侧MMC低电压下的谐波特性、拓展并联侧MMC的功率运行范围、提升并联侧MMC交流高电压下的适应性。
下面对这三个方面进行分别介绍。
图6给出了串联侧MMC谐波抑制流程，包括：检测串联侧MMC调制度，如果小于最小设定值，在FBSM还未耗尽时，投入FBSM使其输出负电平降低直流电压，直至串联侧MMC调制度回升到允许范围或FBSM耗尽(即FBSM全部投入)。
还包括：给并联侧MMC调制提供FBSM裕量，当检测到串联侧MMC调制度大于最大设定值时，逐步释放FBSM(即FBSM退出)，直流电压回升。
不考虑冗余和故障子模块影响的情况下，串联侧MMC最小调制度为：
m s e r - m a x ≥ N l e v - min - 1 2 ( m + n ) - - - ( 3 ) ;
图7给出了并联侧MMC功率运行范围拓展+交流高电压适应性提升流程：当并联侧MMC调制度大于1时，投入FBSM以进一步抬升并联侧MMC调制度，拓展并联侧MMC控制范围，当调制度小于1时，维持FBSM均压控制最小投入数运行。
以上给出了本发明涉及的具体实施方式，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 (4)

1.一种统一潮流控制器拓扑，其特征在于，包括一个并联侧换流器，一个或多个串联侧换流器；并联侧换流器的一端通过并联变压器连接电网；各串联侧换流器的一端通过串联变压器接入对应的交流线路上；各串联换流器的另一端相并联、与并联换流器的另一端通过直流母线连接；所述串联侧换流器与并联侧换流器均为MMC结构，并联侧换流器包括全桥子模块和半桥子模块，串联侧换流器仅包括半桥子模块。
2.如权利要求1所述统一潮流控制器拓扑的配置方法，其特征在于，首先根据谐波特性要求，基于FFT分析确定串联侧换流器输出电压最小电平数，然后根据子模块最低运行电压确定串联侧换流器最低输出交流电压值，根据该最低交流电压值确定UPFC最低直流电压运行值，在最低直流电压运行条件下，分析并联侧换流器功率拓展所需FBSM数、高电压适应所需FBSM数和二者兼顾时所需FBSM数，取三者最大值作为FBSM最终配置数量。
3.如权利要求1所述统一潮流控制器的控制方法，其特征在于，当串联侧换流器调制度小于最小设定值时，并联侧换流器投入全桥子模块，控制全桥子模块输出负电压降低直流电压，直到串联侧换流器调制度大于最小设定值或者全桥子模块数量耗尽；当串联侧换流器调制度大于最大设定值时，并联侧换流器逐渐释放全桥子模块投入个数以抬升直流电压，直到串联侧换流器调制度小于最大设定值或者全桥子模块数量全部释放。
4.如权利要求3所述的控制方法，其特征在于，当并联侧MMC由于功率控制范围拓展导致并联侧换流器调制度大于1时，并联侧换流器投入全桥子模块进一步抬升并联侧换流器调制度，当并联侧换流器调制度小于1时，维持全桥子模块均压控制最小投入数运行。
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