CN108462197B - 一种柔性直流输电换流阀的启动控制方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种柔性直流输电换流阀的启动控制方法及装置,该控制方法包括:投入软启电阻,对桥臂子模块进行充电;执行子模块均压排序操作,切除桥臂中的一部分子模块;旁路软启电阻,闭锁桥臂中所有未被切除的子模块以及至少一个被切除的子模块,以调整桥臂电压。本发明通过在软启电阻旁路时控制投入部分在均压排序操作中切除的子模块,可以调整桥臂电压对冲掉该阶跃电压,破坏了冲击电流的产生条件,消除了旁路软启电阻带来的冲击,以避免交流侧冲击电流的出现,保证了换流阀系统安全。

Description

一种柔性直流输电换流阀的启动控制方法及装置
技术领域
本发明涉及一种柔性直流输电换流阀的启动控制方法及装置,属于柔性直流输电技术领域。
背景技术
模块化多电平柔性直流输电(MMC-HVDC)因其控制灵活、能够四象限运行、易扩容等特点,在新能源并网、配电网扩容、海岛供电、电网互联等方面相对传统直流输电具有较大优势。随着模块化多电平柔性直流输电技术的不断成熟,对柔性直流输电的控制要求也越来越高。
在一般工程应用中,柔性直流输电换流阀的启动过程为:柔性直流输电系统处于闭锁状态,采用软启电阻对桥臂子模块进行预充电;充电到一定阶段后,旁路掉软启电阻,解锁柔性直流输电系统,继续对桥臂子模块进行充电,直至升高至额定电压。
在柔性直流输电换流阀的工作过程中,由于需要在柔性直流输电系统解锁前对其子模块进行充电,交流侧启动子模块充电过程中,交流侧主要存在两次较大的冲击电流,第一次发生在开始充电时刻(交流侧软启开关闭合时),此时的冲击电流由系统参数例如阀侧电压等级、阀侧换流变、软启电阻、桥臂电抗器、子模块参数等决定。第二次发生在软启电阻旁路时刻,由于充电过程中,软启电阻存在分压,软启电阻切除后,桥臂电压与阀侧电压存在电压差,导致冲击电流。若此时通过直流侧为其他端进行直流充电,软启电阻切除后,同样会导致直流侧冲击电流。
对于减小启动子模块充电过程中的第一次的冲击电流,在不改变系统参数的前提下,最有效的手段就是加大软启电阻,加大软启电阻带来的问题就是软启电阻分压过大,桥臂分压降低,当旁路软启电阻时,会带来更大的电压差,导致第二次冲击电流更大。
另外,解锁阶段同样会产生较大冲击电流,因柔性直流输电系统一般采用SPWM调制方法,保证了相电压的正弦性,但其对直流电压的利用率较低,而三相不控整流得到的直流母线电压并不满足SPWM调制的最低需求,由此产生解锁阶段冲击电流。在多端直流侧连接时,在直流侧和交流侧均会产生较大冲击电流。
因此,减小启动和解锁时对系统的冲击电流及扰动对新能源并网、配电网及弱电网系统稳定运行显得尤为重要。
发明内容
本发明的目的是提供一种柔性直流输电换流阀的启动控制方法及装置,用于解决如何减小换流阀的冲击电流的问题。
为解决上述技术问题,本发明提供了一种柔性直流输电换流阀的启动控制方法,包括以下方案:
方法方案一:步骤如下:
投入软启电阻,对桥臂子模块进行充电;
执行子模块均压排序操作,切除桥臂中的一部分子模块;
旁路软启电阻,闭锁桥臂中所有未被切除的子模块以及至少一个被切除的子模块,以调整桥臂电压。
方法方案二:在方法方案一的基础上,闭锁桥臂中所有被切除的子模块。
方法方案三:在方法方案一或二的基础上,还包括:
旁路软启电阻后,解锁桥臂子模块,根据解锁子模块的电压,确定直流电压指令初始值;
将直流电压指令从直流电压指令初始值逐步升高至额定值,进行闭环控制。
方法方案四:在方法方案三的基础上,所述直流电压指令初始值的计算公式为:
Figure BDA0001612589530000031
其中,Uref0为直流电压指令初始值,Vsm为子模块电压,N为解锁子模块的数目,Vp为阀侧线电压峰值,Int函数为向下取整函数。
方法方案五:在方法方案三的基础上,将直流电压指令从直流电压指令初始值按照设定斜率逐步升高至额定值。
本发明还提供了一种柔性直流输电换流阀的启动控制装置,包括以下方案:
装置方案一:包括处理器和存储器,所述处理器用于处理存储在所述存储器中的指令以实现如下方法:
投入软启电阻,对桥臂子模块进行充电;
执行子模块均压排序操作,切除桥臂中的一部分子模块;
旁路软启电阻,闭锁桥臂中所有未被切除的子模块以及至少一个被切除的子模块,以调整桥臂电压。
装置方案二:在装置方案一的基础上,闭锁桥臂中所有被切除的子模块。
装置方案三:在装置方案一或二的基础上,还包括:
旁路软启电阻后,解锁桥臂子模块,根据解锁子模块的电压,确定直流电压指令初始值;
将直流电压指令从直流电压指令初始值逐步升高至额定值,进行闭环控制。
装置方案四:在装置方案三的基础上,所述直流电压指令初始值的计算公式为:
Figure BDA0001612589530000032
其中,Uref0为直流电压指令初始值,Vsm为子模块电压,N为解锁子模块的数目,Vp为阀侧线电压峰值,Int函数为向下取整函数。
装置方案五:在装置方案三的基础上,将直流电压指令从直流电压指令初始值按照设定斜率逐步升高至额定值。
本发明的有益效果是:
在软启电阻旁路后,由于桥臂电抗器电压以及软启电阻电压的作用,系统换流阀会存在电压阶跃,此时控制投入部分在均压排序操作中切除的子模块,可以调整桥臂电压对冲掉该阶跃电压,破坏了冲击电流的产生条件,消除了旁路软启电阻带来的冲击,以避免交流侧冲击电流的出现;因此对于弱电网系统可以通过增大软启电阻,降低合闸时刻带来的冲击电流,减小对电网的冲击,同时降低了软启电阻功率等级,效果尤为明显。
进一步的,在桥臂子模块解锁过程中,通过确定直流电压指令初始值,并将直流电压指令从直流电压指令初始值逐步升高至额定值,该直流电压指令初始值由子模块电压做支撑,保证解锁后系统直流电压完全受控,直流电压跟随直流电压指令斜坡上升,同时不会造成调制度饱和,避免了解锁时刻对交流侧出现较大的冲击电流,进一步的保证了系统安全。
附图说明
图1是柔性直流输电换流阀的启动控制方法的流程图;
图2是单端柔性直流输电换流阀在抑制冲击电流前的交流电压变化图;
图3是单端柔性直流输电换流阀在抑制冲击电流前的直流电压变化图;
图4是单端柔性直流输电换流阀在抑制冲击电流前的交流电流变化图;
图5是单端柔性直流输电换流阀在抑制冲击电流前的直流电流变化图;
图6是单端柔性直流输电换流阀在抑制冲击电流后的交流电压变化图;
图7是单端柔性直流输电换流阀在抑制冲击电流后的直流电压变化图;
图8是单端柔性直流输电换流阀在抑制冲击电流后的交流电流变化图;
图9是单端柔性直流输电换流阀在抑制冲击电流后的直流电流变化图;
图10是多端柔性直流输电换流阀在抑制冲击电流前的交流电压变化图;
图11是多端柔性直流输电换流阀在抑制冲击电流前的直流电压变化图;
图12是多端柔性直流输电换流阀在抑制冲击电流前的交流电流变化图;
图13是多端柔性直流输电换流阀在抑制冲击电流前的直流电流变化图;
图14是多端柔性直流输电换流阀在抑制冲击电流后的交流电压变化图;
图15是多端柔性直流输电换流阀在抑制冲击电流后的直流电压变化图;
图16是多端柔性直流输电换流阀在抑制冲击电流后的交流电流变化图;
图17是多端柔性直流输电换流阀在抑制冲击电流后的直流电流变化图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及具体实施例对本发明进行进一步详细说明。
本发明提供了一种柔性直流输电换流阀的启动控制装置,该启动控制装置包括处理器和存储器,该处理器用于处理存储在存储器中的指令,以实现一种柔性直流输电换流阀的启动控制方法,该控制方法的控制流程图如图1所示,主要包括以下步骤:
(1)投入软启电阻,对桥臂子模块进行充电。
闭合交流侧电源开关,交流侧电源通过投入的软启电阻对换流阀6个桥臂上的各个子模块的电容进行充电。其中,各个桥臂子模块的具体拓扑可以采用现有技术中所存在的任意拓扑结构,此处不再赘述。
(2)执行子模块均压排序操作,切除桥臂中的一部分子模块。
为了保证最后充电结束后,桥臂中各个子模块的电压均匀分布,需要对桥臂子模块进行均压排序操作,由于该均压排序过程属于现有技术,此处不再赘述。通过均压排序操作,可以确定桥臂中需要切除的子模块的个数n,并切除掉相应的子模块。
(3)旁路软启电阻,闭锁桥臂中所有未被切除的子模块以及至少一个被切除的子模块,以调整桥臂电压。
桥臂子模块充电到一定的阶段后,控制闭合软启电阻的旁路旁路开关。由于在软启电阻旁路前,在有桥臂电流存在的情况下,有以下关系式:
Vs=VR+VL+Varm
其中,Vs为阀侧线电压瞬时值,VR为软启电阻两端电压,VL为桥臂电抗器端电压,Varm为桥臂承担电压。
在软启电阻旁路后,若保证系统不存在冲击电流,则存在VR+VL的电压阶跃。此时,闭锁桥臂中所有未被切除的子模块以及全部被切除的子模块,以调整桥臂电压对冲该阶跃电压,即可避免交流侧冲击电流。当然,作为其他的实施方式,在闭锁桥臂中所有未被切除的子模块的情况下,也可以选择闭锁部分被切除的子模块,来对冲该阶跃电压。
通过上述控制过程,调整桥臂内部承压子模块数量,对冲旁路软启电阻引起的电压差,可以消除旁路软启电阻带来的冲击。因此,对于弱电网系统可以通过增大软启电阻,降低合闸时刻带来的冲击电流,减小对电网的冲击,同时降低软启电阻功率等级。
(4)旁路软启电阻后,解锁桥臂子模块,根据解锁子模块的电压,确定直流电压指令初始值。
在旁路软启电阻后,可根据实际情况调节桥臂电压,使其满足SPWM的调制需求。为实现SPWM调制,根据解锁子模块的电压,确定直流电压指令初始值,其计算公式为:
Figure BDA0001612589530000071
其中,Uref0为直流电压指令初始值,Vsm为子模块电压,N为解锁子模块的数目,Vp为阀侧线电压峰值,Int函数为向下取整函数。
通过步骤(4)确定了直流电压指令初始值,根据控制需要逐步控制到目标值;由于解锁时刻直流电压采样值为Vp,会造成调制度饱和,因此在解锁后的2-3个控制周期内直流电压反馈值应该选择Vsm*N,之后再采用直流电压采样作为反馈值,这样既不会造成解锁初期的调制度饱和,避免了解锁时刻对交流侧出现较大的冲击电流,同时保证了解锁后期的直流母线电压控制精度。
(5)将直流电压指令从直流电压指令初始值逐步升高至额定值,进行闭环控制。
在确定的直流电压指令初始值Uref0的基础上,将直流电压指令逐步升高至额定值,进入闭环控制。例如,在具体实施过程中,可以将直流电压指令从直流电压指令初始值Uref0按照设定斜率逐步升高至额定值;也可以将直流电压指令从直流电压指令初始值Uref0按照阶梯变化的形式逐步升高至额定值。其中,在闭环控制中,采用直流电压外环以及电流内环的方式进行控制。
通过步骤(4)和步骤(5)调整子模块电压,进而实现换流阀桥臂电压调节,使得解锁后上下桥臂输出的直流电压满足SPWM所需的最小直流母线电压,可以避免解锁时刻交流侧出现较大的冲击电流的现象。另外,在直流母线电压上升过程中,换流阀从电网吸收能量,提升子模块电压,此时的充电电流可以通过直流电压指令变化率控制,变化率大,则充电电流大,持续时间短;变化率小,则充电电流小,持续时间长。
上述的柔性直流输电换流阀的启动控制方法及装置可以应用到单端柔性直流输电系统,用于抑制旁路软启电阻阶段以及解锁阶段的冲击电流。为了验证该启动控制方法及装置的有效性,进行相应的仿真实验。其中,图2-图5分别为在未抑制冲击电流的情况下的交流侧电压、直流侧电压、交流侧电流以及直流侧电流的变化曲线图;图6-图9分别为在抑制冲击电流的情况下的交流侧电压、直流侧电压、交流侧电流以及直流侧电流的变化曲线图。图4和图8中标记出的时刻1表示旁路软启电阻时刻的冲击电流,时刻2表示解锁时刻的冲击电流,时刻3表示抬升直流电压过程的充电电流。通过对比发现,上述的柔性直流输电换流阀的启动控制方法及装置可以有效抑制旁路软启电阻阶段以及解锁阶段的冲击电流,保证了单端系统安全。
为了抑制多端柔性直流输电系统在解锁时刻对交流侧和直流侧出现较大的冲击电流,本发明还提供了一种多端柔性直流输电换流阀的启动控制装置,该启动控制装置包括处理器和存储器,该处理器用于处理存储在存储器中的指令,以实现一种多端柔性直流输电换流阀的启动控制方法,该启动控制方法涉及多端互联及线路参数,定直流电压站抑制冲击电流需要其他站提前执行闭锁或调节桥臂电压逻辑,具体包括以下步骤:
1)旁路软启电阻后,根据实际情况调节桥臂电压,使其满足SPWM的调制需求。
2)定直流电压站解锁前,其他站先通过调节桥臂电压,对冲直流电压解锁带来的直流电压阶跃冲击;定直流电压站直流电压指令从直流电压指令初始值Uref0逐步升高到额定值,进行闭环控制。
其中,其他站调节其对应桥臂电压的过程具体可以参照上述的步骤(3),定直流电压站的电压控制过程具体可以参照上述的步骤(4)和步骤(5),其中的闭环控制中同样是直流电压外环以及电流内环控制,此处不再赘述。
3)等待定直流电压站解锁成功后,其他站再根据实际情况调节桥臂电压,以避免交流侧和直流侧的冲击电流。
为了验证多端柔性直流输电换流阀的启动控制方法及装置的有效性,进行相应的仿真实验。其中,图10-图13分别为在未抑制冲击电流的情况下的交流侧电压、直流侧电压、交流侧电流以及直流侧电流的变化曲线图;图14-图17分别为在抑制冲击电流的情况下的交流侧电压、直流侧电压、交流侧电流以及直流侧电流的变化曲线图。同样的,图12、图13、图16和图17中标记出的时刻1表示旁路软启电阻时刻的冲击电流,时刻2表示解锁时刻的冲击电流,时刻3表示抬升直流电压过程的充电电流。通过对比发现,上述的多端柔性直流输电换流阀的启动控制方法及装置可以有效抑制旁路软启电阻阶段以及解锁阶段的冲击电流,保证了多端系统安全。
本发明在不改变阀控架构的前提下,在柔性直流输电系统旁路软启电阻阶段和解锁阶段,通过调整桥臂电压值,破坏冲击电流的产生条件,可以抑制单端柔性直流输电系统换流阀在充电阶段旁路软启电阻以及解锁阶段所引起的冲击电流,以及多端柔性直流输电系统直流侧连接时,解锁阶段引起的交流冲击电流和直流侧冲击电流,降低了对电网的扰动和冲击,其抑制效果在弱电网系统中体现的尤为明显。

Claims (8)

1.一种柔性直流输电换流阀的启动控制方法,其特征在于,步骤如下:
投入软启电阻,对桥臂子模块进行充电;
执行子模块均压排序操作,切除桥臂中的一部分子模块;
旁路软启电阻,闭锁桥臂中所有未被切除的子模块以及至少一个被切除的子模块,以调整桥臂电压;
旁路软启电阻后,解锁桥臂子模块,根据解锁子模块的电压,确定直流电压指令初始值;在解锁后的设定控制周期内将直流电压指令初始值作为直流电压反馈值,设定控制周期后再采用直流电压采样值作为直流电压反馈值,设定控制周期为2个或3个控制周期;
将直流电压指令从直流电压指令初始值逐步升高至额定值,进行闭环控制。
2.根据权利要求1所述的柔性直流输电换流阀的启动控制方法,其特征在于,闭锁桥臂中所有被切除的子模块。
3.根据权利要求1或2所述的柔性直流输电换流阀的启动控制方法,其特征在于,所述直流电压指令初始值的计算公式为:
Figure FDA0002898365200000011
其中,Uref0为直流电压指令初始值,Vsm为子模块电压,N为解锁子模块的数目,Vp为阀侧线电压峰值,Int函数为向下取整函数。
4.根据权利要求1或2所述的柔性直流输电换流阀的启动控制方法,其特征在于,将直流电压指令从直流电压指令初始值按照设定斜率逐步升高至额定值。
5.一种柔性直流输电换流阀的启动控制装置,其特征在于,包括处理器和存储器,所述处理器用于处理存储在所述存储器中的指令以实现如下方法:
投入软启电阻,对桥臂子模块进行充电;
执行子模块均压排序操作,切除桥臂中的一部分子模块;
旁路软启电阻,闭锁桥臂中所有未被切除的子模块以及至少一个被切除的子模块,以调整桥臂电压;
旁路软启电阻后,解锁桥臂子模块,根据解锁子模块的电压,确定直流电压指令初始值;在解锁后的设定控制周期内将直流电压指令初始值作为直流电压反馈值,设定控制周期后再采用直流电压采样值作为直流电压反馈值,设定控制周期为2个或3个控制周期;
将直流电压指令从直流电压指令初始值逐步升高至额定值,进行闭环控制。
6.根据权利要求5所述的柔性直流输电换流阀的启动控制装置,其特征在于,闭锁桥臂中所有被切除的子模块。
7.根据权利要求5或6所述的柔性直流输电换流阀的启动控制装置,其特征在于,所述直流电压指令初始值的计算公式为:
Figure FDA0002898365200000021
其中,Uref0为直流电压指令初始值,Vsm为子模块电压,N为解锁子模块的数目,Vp为阀侧线电压峰值,Int函数为向下取整函数。
8.根据权利要求5或6所述的柔性直流输电换流阀的启动控制装置,其特征在于,将直流电压指令从直流电压指令初始值按照设定斜率逐步升高至额定值。
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