CN107659192A - 一种换流站及其阀组投退过程中子模块均压控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种换流站及其阀组投退过程中子模块均压控制方法，阀组投入/退出过程中，控制增大该阀组的无功电流的指令值，从而使得阀组工作在阀侧交流电流的幅值大于三分之二倍的直流母线电流幅值的工况下，从而创造正、负交替的桥臂电流，实现子模块的均压控制。该控制方法避免因桥臂电流持续为正或持续为负时造成半桥子模块和/或钳位双子模块电压过压或欠压现象，从而解决了因子模块电压不均引起电流冲击的问题。本发明只针对控制策略进行了改进，并不需要增加全桥子模块的数目，有效降低了设备成本，具有很强技术经济性。而且，该控制方法对交流系统影响较小，具有较强的实用性。

Description

一种换流站及其阀组投退过程中子模块均压控制方法
技术领域
本发明属于柔性直流输电技术领域，具体涉及一种换流站及其阀组投退过程中子模块均压控制方法。
背景技术
随着现代电网的快速发展及电力电子技术的更新换代，基于模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)技术的柔性直流输电系统取得了长足进步。MMC具有可独立控制有功无功功率、不存在换相失败、可为无源孤岛供电等诸多优点，同时，MMC系统还具备开关频率较低、开关损耗小、无需交流滤波器组和扩展性强等优点，这使得MMC逐步实现了工程应用，并可以运用于高直流电压、大功率输电的场合。
目前，受开关器件耐压水平和控制系统设计难度等限制，MMC应用于特高压直流系统时，多采用两个阀组串联运行的结构形式；同时，为了增加系统运行灵活性和可靠性，要求单个阀组可在线投入/退出而不影响其余阀组正常运行。为此，在特高压直流工程中，单阀组的自动投入/退出控制成为重要的控制环节之一。
单阀组的自动投入控制包含阀组直流电压和直流功率的逐步建立，在直流电压和直流功率建立之初，待投入的阀组需要运行于如下特殊工况下：零直流电压/低直流电压，以及高直流电流和零交流电流/低交流电流。同样的，单阀组的自动退出控制也涉及此特殊运行工况。
为了适应零直流电压/低直流电压工况，MMC阀组单个桥臂中全桥子模块数目占比需至少达到50％。该占比进一步增加将会增大设备成本，占比减小则无法保证零直流电压运行要求。
在高直流电流和零交流电流/低交流电流的工况下，桥臂电流会持续为正(MMC逆变工况)或持续为负(MMC整流工况)，此时半桥子模块和钳位双子模块参与MMC调制时必然会出现子模块电压持续充电或持续放电问题，进而导致子模块过、欠压故障。此后，随着输出功率和交流电流的增大，桥臂电流出现过零点，此时电压已经异常的半桥子模块和钳位双子模块在排序均压的作用下会快速的放电或充电，其电压的骤变必然引起阀侧电压突变，从而造成交流电流、桥臂电流等电流冲击，同样威胁换流阀设备安全。
针对以上问题，现有的解决方法是提高全桥子模块数目以减少单阀组投入/退出过程中其余子模块参与调制的时间，从而减轻子模块电容充、放电程度和电压失衡度，进而降低电流冲击。然而，基于此方法，在保障设备安全的要求下，目前业界推荐的全桥子模块占比高达80％之多，相比于正常情况下50％的全桥子模块占比，这必然导致设备成本的极大增加。鉴于单阀组投入/退出是系统运行的小概率工况，因此上述解决方案使得直流系统的经济性大幅降低，且依然无法从根本上避免上述问题。
以如图1所示的一个双端高压柔性直流系统单级系统为例来进行说明。送、受端换流站均由两个MMC阀组串联构成高低阀组拓扑型式，其中MMC11和MMC12为高阀组，MMC21和MMC22为低阀组。每个阀组直流侧均含有一套直流开关，用于投入或切除该阀组。四个MMC均为由全桥、半桥两种子模块构成的混合子模块式MMC。
下面对调制时，半桥子模块出现过压或欠压现象进行分析。
以下以高端阀组投入工况为例来进行分析。而对于退出工况，由于它是投入工况的逆过程，故不再进行分析。阀组投入包括三个阶段：1)投入前，仅低端阀组运行，此时直流场开关设备旁路刀闸BPI、隔离开关Q1、Q2以及高速旁路开关BPS的状态分别为1,0,0,0(1代表开关合闸，0代表开关断开)；2)投入初期，在MMC零直流电压运行状态下，通过直流场开关的操作，使得直流线路电流由旁路刀闸逐渐转移至MMC高阀组，最终直流场开关设备旁路刀闸BPI、隔离开关Q1、Q2以及高速旁路开关BPS的状态分别为0,1,1,0；3)此后，MMC高阀组逐渐抬升直流电压及有功功率直至正常运行水平。
在上述阶段3)的前期，MMC高阀组的直流电压为较低数值，直流电流为直流线路电流Idc(流入直流正母线为正方向)，以A相为例，其阀侧交流电流(流入换流器为正方向)为较低数值，其中Iac为电流幅值，可由有功分量id和无功分量iq计算得到，即：ω为角频率，为相位。
当时，送端MMC高阀组的A相上、下桥臂电流为并且恒定为负；受端MMC高阀组的A相上、下桥臂电流则为并且恒定为正。
在上述这样的桥臂电流作用下，MMC高阀组的全桥子模块可通过输出正、负交替电平进行自身电容的均压控制；但对于送端MMC高阀组而言，负向的桥臂电流会造成半桥子模块持续放电，从而引起子模块电压失衡甚至欠压故障；而对于受端MMC高阀组而言，正向的桥臂电流则会造成半桥子模块持续充电，同样会引起子模块电压失衡甚至过压故障。
此后，随着MMC高阀组有功功率的逐渐抬升，会出现工况，桥臂电流出现正、负交替，此时，送端MMC高阀组中电压降低的半桥子模块会迅速充电，受端MMC高阀组中电压升高的半桥子模块则会迅速放电，由此导致阀侧电压突变，进而产生交流电流、桥臂电流等冲击。
图2-1、图2-2分别给出了上述过程中MMC全桥子模块占比为50％时送、受端高阀组的子模块电压和桥臂电流波形，图2-3、2-4分别给出了上述过程中MMC全桥子模块占比为80％时送、受端高阀组的子模块电压和桥臂电流波形。可以对比看出，单阀组投入过程，在全桥子模块占比为50％时，MMC的子模块电压不均问题明显，桥臂电流冲击较大，严重威胁设备安全，而提高全桥子模块占比至80％则可以较大程度的减轻子模块电压不均和桥臂电流冲击，当全桥子模块的比例进一步增加至100％时，可完全避免上述问题。但增加全桥子模块的比例会使得换流站成本急剧增加。因此，为了实现均压和桥臂电流无冲击，仅通过增加全桥子模块的比例，使得成本急剧增加，不是一种实际可行的方案。
发明内容
本发明的目的在于提供一种换流站及其阀组投退过程中子模块均压控制方法，用以解决MMC阀组投退过程中半桥子模块及钳位双子模块过压/欠压等电压不均问题，以及通过增加全桥子模块比例的方式导致成本增加的问题。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：
本发明的一种阀组投退过程中子模块均压控制方法，阀组投入/退出过程中，控制增大该阀组的无功电流的指令值，使阀侧无功电流满足以下约束关系：
其中，Iq为阀侧无功电流的幅值，Idc为直流线路电流，Id为阀组投退过程中输出的阀侧有功电流的幅值。
进一步地，阀侧无功电流还满足如下约束关系：
其中，Iq为阀侧无功电流的幅值，Id为阀组投退过程中输出的阀侧有功电流的幅值，Iacmax为最大阀侧电流幅值。
本发明的一种换流站，包括高、低两个串联连接的MMC阀组，单个阀组至少包括一个半桥子模块和/或钳位双子模块，阀组投入/退出过程中，控制增大该阀组的无功电流的指令值，使阀侧无功电流满足以下约束关系：
其中，Iq为阀侧无功电流的幅值，Idc为直流线路电流，Id为阀组投退过程中输出的阀侧有功电流的幅值。
进一步地，阀侧无功电流还满足如下约束关系：
其中，Iq为阀侧无功电流的幅值，Id为阀组投退过程中输出的阀侧有功电流的幅值，Iacmax为最大阀侧电流幅值。
本发明的有益效果：
本发明在阀组投入/退出过程中，控制阀组输出一定的无功电流，从而使得阀组工作在阀侧交流电流的幅值大于三分之二倍的直流母线电流幅值的工况下，从而创造正、负交替的桥臂电流，实现子模块的均压控制。该控制方法避免因桥臂电流持续为正或持续为负时造成半桥子模块和/或钳位双子模块电压过压或欠压现象，从而解决了因子模块电压不均引起电流冲击的问题。本发明只针对控制策略进行了改进，并不需要增加全桥子模块的数目，有效降低了设备成本，具有很强技术经济性。而且，该控制方法对交流系统影响较小，具有较强的实用性。
附图说明
图1是双端高压柔性直流系统单级系统示意图；
图2-1是常规控制下MMC全桥子模块占比为50％时的阀组投入过程中送端仿真波形图；
图2-2是常规控制下MMC全桥子模块占比为50％时的阀组投入过程中受端仿真波形图；
图2-3是常规控制下MMC全桥子模块占比为80％时的阀组投入过程中送端仿真波形图；
图2-4是常规控制下MMC全桥子模块占比为80％时的阀组投入过程中受端仿真波形图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，下面结合附图及实施例，对本发明作进一步的详细说明。
针对如图1所示的双端高压柔性直流系统单级系统，分析如图2-1、图2-2所示的常规控制下MMC全桥子模块占比为50％时阀组投入过程中送、受端仿真波形图以及背景技术中的内容可知，当时，送端MMC高阀组的A相上、下桥臂电流为并且恒定为负；受端MMC高阀组的A相上、下桥臂电流则为并且恒定为正，也就是说，其根源在于单阀组投入过程中桥臂电流不存在正、负交变，从而使其不具有负压输出能力的半桥子模块无法交替充、放电。
本发明从改变阀侧交流电流的角度入手，鉴于有功电流与直流功率存在平衡约束不能调整，因此，通过控制阀组输出一定的无功电流，使得该阀组能够工作在的工况下，此无功电流与直流电流共同作用使得桥臂存在正、负交替的电流，从而为半桥子模块的充、放电创造条件。
为了确保引入无功电流后，桥臂电流能存在正、负交替，需要对输出的无功电流幅值Iq进行约束。
阀组输出的阀侧交流电流的幅值需小于等于最大阀侧电流幅值，故需要控制该阀侧无功电流满足以下关系，即：
其中，Iq为阀侧无功电流的幅值，Id为阀组投退过程中输出的阀侧有功电流的幅值，Iacmax为最大阀侧电流幅值。
同时，为了使该阀组能够工作在的工况下，故需要控制增大该阀组的无功电流的指令值，使得阀侧无功电流满足以下关系，即：
其中，Idc为直流线路电流。
结合式(1)和式(2)，得到阀侧无功电流的幅值Iq的约束关系如下式(3)所示：
根据式(3)，可以得到所需的无功电流大小范围，同时结合系统的无功支撑要求和无功输出能力，可以灵活的选择阀组是输出感性无功还是容性无功。
该方法可以确保单阀组投入/退出过程中子模块电压均衡，进而避免了因子模块电压不均引起的电流冲击，同时无需提高全桥子模块数目，可有效降低设备成本，且能在阀组投退过程中为交流系统提供一定的无功支撑，具有很强的技术经济性。
本发明还提供了一种换流站，包括高、低两个串联连接的MMC阀组，单个阀组至少包括一个半桥子模块和/或钳位双子模块，阀组投入/退出过程中，控制增大该阀组的无功电流的指令值，使阀侧无功电流满足以下约束关系：
其中，Iq为阀侧无功电流的幅值，Idc为直流线路电流，Id为阀组投退过程中输出的阀侧有功电流的幅值。
该换流站的实质在于在阀组投入/退出过程中，采用上述介绍的阀组投退过程中子模块均压控制方法，使得在不提高全桥子模块数目的情况下，来创造正、负交替的桥臂电流，实现子模块的均压控制。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (4)

1.一种阀组投退过程中子模块均压控制方法，其特征在于，阀组投入/退出过程中，控制增大该阀组的无功电流的指令值，使阀侧无功电流满足以下约束关系：
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其中，Iq为阀侧无功电流的幅值，Idc为直流线路电流，Id为阀组投退过程中输出的阀侧有功电流的幅值。
2.根据权利要求1所述的阀组投退过程中子模块均压控制方法，其特征在于，阀侧无功电流还满足如下约束关系：
<mrow> <mrow> <mo>|</mo> <msub> <mi>I</mi> <mi>q</mi> </msub> <mo>|</mo> </mrow> <mo>&amp;le;</mo> <msqrt> <mrow> <msubsup> <mi>I</mi> <mrow> <mi>a</mi> <mi>c</mi> <mi>m</mi> <mi>a</mi> <mi>x</mi> </mrow> <mn>2</mn> </msubsup> <mo>-</mo> <msubsup> <mi>I</mi> <mi>d</mi> <mn>2</mn> </msubsup> </mrow> </msqrt> </mrow>
其中，Iq为阀侧无功电流的幅值，Id为阀组投退过程中输出的阀侧有功电流的幅值，Iacmax为最大阀侧电流幅值。
3.一种换流站，包括高、低两个串联连接的MMC阀组，单个阀组至少包括一个半桥子模块和/或钳位双子模块，其特征在于，阀组投入/退出过程中，控制增大该阀组的无功电流的指令值，使阀侧无功电流满足以下约束关系：
<mrow> <mrow> <mo>|</mo> <msub> <mi>I</mi> <mi>q</mi> </msub> <mo>|</mo> </mrow> <mo>&amp;GreaterEqual;</mo> <msqrt> <mrow> <mfrac> <mn>4</mn> <mn>9</mn> </mfrac> <msubsup> <mi>I</mi> <mrow> <mi>d</mi> <mi>c</mi> </mrow> <mn>2</mn> </msubsup> <mo>-</mo> <msubsup> <mi>I</mi> <mi>d</mi> <mn>2</mn> </msubsup> </mrow> </msqrt> </mrow>
其中，Iq为阀侧无功电流的幅值，Idc为直流线路电流，Id为阀组投退过程中输出的阀侧有功电流的幅值。
4.根据权利要求3所述的换流站，其特征在于，阀侧无功电流还满足如下约束关系：
<mrow> <mrow> <mo>|</mo> <msub> <mi>I</mi> <mi>q</mi> </msub> <mo>|</mo> </mrow> <mo>&amp;le;</mo> <msqrt> <mrow> <msubsup> <mi>I</mi> <mrow> <mi>a</mi> <mi>c</mi> <mi>m</mi> <mi>a</mi> <mi>x</mi> </mrow> <mn>2</mn> </msubsup> <mo>-</mo> <msubsup> <mi>I</mi> <mi>d</mi> <mn>2</mn> </msubsup> </mrow> </msqrt> </mrow>
其中，Iq为阀侧无功电流的幅值，Id为阀组投退过程中输出的阀侧有功电流的幅值，Iacmax为最大阀侧电流幅值。
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