CN108574286A - 混合型换流器mmc-plus的无功优化及故障穿越方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于风电大规模汇集与外送的混合型换流器MMC‑PLUS的无功优化及故障穿越方法，包括计算MMC‑PLUS系统的无功构成；利用混合型换流器MMC的无功输出能力对系统进行无功补偿；选用使用机械式投切无功补偿装置进行额外无功补偿；设计直流故障检测、隔离、恢复方法。本发明可以充分利用混合型换流器中MMC的无功输出能力，减小了无功补偿装置总量；利用MMC吸收机械式投切无功补偿设备产生的无功差额，具有较高的经济性并可以保证系统的稳定运行。本发明提出的直流故障隔离与重启动策略，可以令MMC‑PLUS系统迅速隔离直流故障，并在故障后快速恢复运行。

Description

混合型换流器MMC-PLUS的无功优化及故障穿越方法
技术领域
本发明属于电力系统输配电技术领域，更具体地，涉及一种基于LCC、VSC混合型输电拓扑MMC-PLUS的无功优化及故障穿越方法。
背景技术
基于电网换向换流器(Line Commuted Converter，LCC)技术成熟，其具有较高的功率输送水平，已被广泛应用于实际工程中，但其需要稳定的外部交流电压源提供换向电压，且会消耗大量的无功。基于模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)的高压直流输电技术，具有自换向、无需滤波器和无功补偿装置的特点，但其输送功率尚不满足大规模、远距离输电的要求。基于LCC与电压源型换流器(Voltage SourceConverter，VSC)串联结构的混合型输电拓扑MMC-PLUS，具有可自换向、可直连风电场、输送功率水平高等特点，适用于新能源汇集与大规模远距离的传输。
图1为MMC-PLUS构成的两端直流输电系统。MMC-PLUS采用单极对称结构，由大容量的LCC与相对较小容量的MMC串联而成。系统的交流侧均连接在公共交流母线上，直流侧配备有旁路开关BS及双向晶闸管开关TP、TN，可以实现系统运行模式的切换，以应对不同功率等级的传输需求。系统的运行模式包括：由MMC独立输送功率运行模式(MMC Mode)、MMC与LCC同时输送功率模式(MMC-PLUS Mode)。此外，由于包含了LCC换流器，系统交流侧还配备了无功补偿装置与滤波器。
但是，现有的混合型MMC-PLUS存在以下技术问题：(1)没有详细研究MMC-PLUS换流器内部的无功构成，没有详细考虑混合型MMC-PLUS系统中对无功补偿设备的选型与配置。(2)没有研究MMC-PLUS系统在直流故障下的运行特性与故障回路，没有适用于MMC-PLUS系统在直流故障下的故障隔离与重启动策略。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种混合型换流器MMC-PLUS的无功优化及故障穿越方法，由此解决现有的混合型MMC-PLUS缺乏对MMC-PLUS换流器内部的无功构成、混合型MMC-PLUS系统中对无功补偿设备的选型与配置的研究，以及没有适用于MMC-PLUS系统在直流故障下的故障隔离与重启动策略的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种混合型换流器MMC-PLUS的无功优化方法，包括：
由MMC传输的有功、LCC传输的有功及风机功率确定LCC运行所需求的无功总量；
由MMC的容量及所述MMC传输的有功确定MMC所提供的无功；
为所述混合型换流器MMC-PLUS系统在交流母线上配置LCC无功补偿设备，其中，选用机械式投切的LCC无功补偿设备；
将所述LCC无功补偿设备分为若干组进行分组无功补偿，并与MMC所提供的无功进行协作以满足所述LCC运行所需求的无功总量。
优选地，所述由MMC传输的有功、LCC传输的有功及风机功率确定LCC运行所需求的无功总量，包括：
由Pmmc+Plcc＝Pwind确定MMC传输的有功Pmmc及LCC传输的有功Plcc与风机功率Pwind的关系，其中，Pmmc＝Idc*Udcmmc，Plcc＝Idc*Udclcc，Idc表示流过MMC与LCC的直流电流，Udcmmc是MCC的直流电压，Udclcc是LCC的直流电压，且Udclcc＝3Udcmmc；
由确定MMC传输的有功，由确定LCC传输的有功；
由Qlcc＝60％*Plcc＝0.45Pwind确定LCC运行所需求的无功总量。
优选地，所述MMC所提供的无功为：Qmmc表示MMC所提供的无功，ks表示MMC的通流能力系数，Smmc是MMC的容量，Pmmc是MMC传输的有功。
按照本发明的另一方面，提供了一种基于混合型换流器MMC-PLUS的无功优化的故障穿越方法，应用于混合型换流器MMC-PLUS系统，所述方法包括：
当检测到线路直流电流大于第一预设值时，判定直流故障发生，对LCC进行闭锁以切断故障电流回路；
闭锁后，由于MMC-PLUS有功功率停止传输，则需要闭锁风机，同时，切除交流母线上并联的LCC无功补偿设备，以防止功率继续注入MMC-PLUS系统，此后，MMC-PLUS系统的故障直流电流由于没有放电通路而迅速衰减为0，等待故障点消弧后，直流线路绝缘恢复；
重启动时，先由逆变侧MMC建立稳定的系统直流电压，之后闭合系统直流侧的旁路开关BS，开启双向晶闸管开关TP和TN，开通连接整流侧MMC的电流回路，使整流侧MMC的直流侧电压恢复到额定值；
等待整流侧MMC建立稳定的交流电压后，风场逐步接入系统，此时系统运行于MMCMode，由于系统功率从整流侧流向逆变侧，TN承受反压截止，此时关闭晶闸管开关TN；
当系统传输风功率大于第二预设值时，逆变侧MMC使用0电流控制，其中，在0电流控制下，逆变侧注入受端电网的功率减小，逆变侧MMC的电容电压升高，TP承受反压截止，线路上直流电流下降并出现过零点，此时通过BS切除MMC Mode回路；
解锁两侧LCC，系统直流电压迅速上升至MMC-PLUS系统额定值，系统运行在MMC-PLUS模式，重启动完成。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)充分利用了混合型换流器中MMC的无功输出能力，减小了无功补偿装置总量。
(2)选用机械式投切无功补偿设备，并利用MMC吸收机械式投切无功补偿设备产生的无功差额，具有较高的经济性并可以保证系统的稳定运行。
(3)通过本发明提出的直流故障隔离与重启动策略，MMC-PLUS系统可以迅速隔离直流故障，并在直流故障后快速恢复运行。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种混合型输电系统MMC-PLUS的拓扑结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种混合型换流器MMC-PLUS的无功优化方法的流程示意图；
图3是本发明实施例提供的一种MMC-PLUS系统无功特性曲线示意图；
图4是本发明实施例提供的一种MMC-PLUS换流器直流故障下的故障电流回路示意图；
图5是本发明实施例提供的一种MMC-PLUS系统直流故障隔离与恢复策略示意图；
图6是本发明实施例提供的一种MMC-PLUS逆变侧MMC的0电流控制环示意图。
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，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明实施例提出的混合型MMC-PLUS输电系统拓扑如图1所示，包括：由大容量LCC与小容量MMC串联而成的MMC-PLUS混合型换流器，其交流侧均连接在公共交流母线上；在系统的直流侧配备有旁路开关BS及双向晶闸管开关TP和TN，可以实现系统运行模式的切换，以应对不同功率等级的传输需求。在系统交流侧还配备有若干组机械式投切无功补偿设备与滤波器。
MMC-PLUS系统的控制方式为：整流侧MMC采用定交流电压控制，以建立稳定的风电场交流电压，并提供给整流侧LCC作为换向电压；整流侧LCC通过控制整流侧MMC吸收的功率，实现对其的直流电压控制；逆变侧MMC采用定直流电压控制，控制自身直流电压的稳定；逆变侧LCC的控制与常规LCC类似，在稳态时维持整个系统的直流电压稳定。
如图2所示是本发明实施例提供的一种混合型换流器MMC-PLUS的无功优化方法的流程示意图，首先，研究了MMC-PLUS系统中，系统的无功关系，可以由下式表示：
Qlcc＝Qrc+Qmmc+Qac (1)
其中，Qlcc是LCC运行所需求的无功；Qrc是LCC无功补偿设备所提供的无功；Qmmc是MMC所提供的无功；Qac是所接交流系统(风场)侧提供的无功。
更进一步地，研究了MMC-PLUS系统中，LCC的无功需求。根据LCC的运行特性，LCC需要消耗的无功功率占到其输送功率的60％左右。系统中MMC与LCC传输的有功，由下式进行推导：
Pmmc+Plcc＝Pwind (2)
Pmmc＝Idc*Udcmmc (3)
Plcc＝Idc*Udclcc (4)
其中，Pmmc、Plcc是MMC、LCC传输的有功，Pwind是风机功率，Idc是流过MMC与LCC的直流电流，Udc.mmc、Udc.lcc分别是LCC与MCC的直流电压，且Udclcc＝3Udcmmc。
联立式(2)～(4)，可以得到有功分配特性如下式所示：
由此可以估算出LCC需要的无功总量约为：
在实际运行中，当风场功率较小时，可使系统运行于MMC Mode下，而不解锁LCC进行功率传输。根据以上特点，可以估计绘制出LCC的无功特性曲线，如图3中Qlcc代表的曲线所示。
更进一步地，研究了MMC换流器的无功输出能力。MMC的无功补偿能力可以由下式进行表示：
其中，ks表示MMC的通流能力系数，Smmc是MMC的容量，Pmmc是MMC传输的有功。通过式(7)可以看出，MMC的无功补偿能力上限随着其输送的有功功率增加而减少。
根据式(5)和式(7)，可以得到MMC的无功补偿能力曲线如图3中由Qmmc代表的曲线所示，作为一种具体的实施方式，在图3中的通流系数ks取1.2，额定容量Smmc取1000MVA。
进一步地，考虑了无功补偿设备的配置与选型。作为一种具体的实施方式，通过图3中MMC和LCC的无功特性曲线可以看出，当MMC-PLUS接近额定传输功率4000MW时，LCC需要消耗约1800MVar的无功，此时仅仅依赖MMC的无功输出能力是不够的。因此，需要为MMC-PLUS系统在交流母线上配置无功补偿设备。目前常见的无功补偿设备主要有3类，如下表1所示：
表1常见无功补偿装置特点
在MMC-PLUS系统中，由于MMC具有灵活的无功输出能力，可以快速吸收无功补偿设备投入系统后产生的无功差额，因此选用机械式投切的无功补偿设备更有经济优势。
在实际运行中，还可以使用MMC发出一部分无功，减少总的无功容量配置。作为一种具体的实施方式，通过MMC的PQ运行曲线图3可以看出，在MMC-PLUS传输额定4000MW有功时，在MMC可以运行提供无功的范围内，可以使MMC补偿约600MVar无功。剩余的无功需求使用无功补偿装置进行补偿。
按照LCC的机械式无功补偿设备配置原则，可将无功补偿设备分为若干组进行分段补偿，作为一种具体的实施方式，如图3所示，可将无功补偿设备分为6组，每组补偿约250Mvar的无功功率。无功补偿设备通过检测系统传输的功率大小，按照图3中QCompensator曲线所示的时序分组投入系统。
更进一步地，研究了MMC-PLUS直流故障下的故障回路，如图4所示。由于MMC-PLUS采用了LCC与MMC串联的结构，当发生直流故障后，可以通过闭锁LCC的触发脉冲，使得串联支路上的电流均被晶闸管阻断。从而切断系统故障电流回路，有效阻止故障电流。
更进一步地，提出了MMC-PLUS系统直流故障隔离与系统重启动策略，如图5所示。当检测到线路直流电流大于第一预设值时，判定直流故障发生，对LCC进行闭锁以切断故障电流回路。闭锁后，由于MMC-PLUS有功功率停止传输，此时需要闭锁风机防止功率继续注入系统。同时，还需切除交流母线上并联的LCC无功补偿设备，以防其能量注入系统产生过电压与过电流。采用以上措施后，系统的故障直流电流会由于没有放电通路而迅速衰减为0，等待故障点消弧后，直流线路绝缘恢复。
重启动时，先由逆变侧MMC建立稳定的系统直流电压，之后闭合系统直流侧的旁路开关BS、开启双向晶闸管开关TP和TN，开通连接整流侧MMC的电流回路，使整流侧MMC的直流侧电压恢复到额定值。
等待整流侧MMC建立稳定的交流电压后，风场可以逐步接入系统，此时系统运行于MMC Mode。由于系统功率从整流侧流向逆变侧，TN承受反压截止，此时可以关闭晶闸管开关TN，为之后的模式切换做准备。
当系统传输风功率大于第二预设值时，逆变侧MMC使用图6所示的0电流控制。在0电流控制下，逆变侧注入受端电网的功率减小，逆变侧MMC的电容电压升高，TP承受反压截止，线路上直流电流下降并出现过零点，此时即可通过BS切除回路。此后，解锁两侧LCC，系统直流电压迅速上升至MMC-PLUS系统额定值，系统运行在MMC-PLUS模式，重启动完成。
其中，为实现系统运行方式从MMC Mode到MMC-PLUS Mode的改变，为逆变侧MMC增加了0电流控制，其控制框图如图6所示。当0电流控制触发后(FId0＝1)，直流线路上的直流电流将会被逆变侧MMC控制为0，从而使得旁路开关能够在过零点进行开断，以进行模式切换。系统在传输功率小于等于第二预设值时，运行于MMC Mode；在传输功率大于第二预设值后，解锁LCC触发脉冲，系统运行于MMC-PLUS Mode。
在本发明实施例中，第一预设值与第二预设值可以根据实际需要进行确定。
其中，系统的无功特性与机械投切式无功补偿设备的动作时序如图3所示：当系统传输风功率小于第二预设值时，系统运行于MMC Mode，此时系统的无功需求较小，直接由MMC换流器进行补偿。当风功率上升超过第二预设值后，解锁LCC投入系统运行，随着系统无功需求逐步增加，无功补偿设备按照图3中的时序分组投入系统。当无功补偿设备投入后，MMC的无功输出瞬间响应并减小，以减弱多余无功对系统的冲击。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种混合型换流器MMC-PLUS的无功优化方法，其特征在于，包括：
由MMC传输的有功、LCC传输的有功及风机功率确定LCC运行所需求的无功总量；
由MMC的容量及所述MMC传输的有功确定MMC所提供的无功；
为所述混合型换流器MMC-PLUS系统在交流母线上配置LCC无功补偿设备，其中，选用机械式投切的LCC无功补偿设备；
将所述LCC无功补偿设备分为若干组进行分组无功补偿，并与MMC所提供的无功进行协作以满足所述LCC运行所需求的无功总量。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述由MMC传输的有功、LCC传输的有功及风机功率确定LCC运行所需求的无功总量，包括：
由Pmmc+Plcc＝Pwind确定MMC传输的有功Pmmc及LCC传输的有功Plcc与风机功率Pwind的关系，其中，Pmmc＝Idc*Udcmmc，Plcc＝Idc*Udclcc，Idc表示流过MMC与LCC的直流电流，Udcmmc是MCC的直流电压，Udclcc是LCC的直流电压，且Udclcc＝3Udcmmc；
由确定MMC传输的有功，由确定LCC传输的有功；
由Qlcc＝60％*Plcc＝0.45Pwind确定LCC运行所需求的无功总量。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述MMC所提供的无功为：Qmmc表示MMC所提供的无功，ks表示MMC的通流能力系数，Smmc是MMC的容量，Pmmc是MMC传输的有功。
4.一种基于混合型换流器MMC-PLUS的无功优化的故障穿越方法，应用于混合型换流器MMC-PLUS系统，其特征在于，所述方法包括：
当检测到线路直流电流大于第一预设值时，判定直流故障发生，对LCC进行闭锁以切断故障电流回路；
闭锁后，由于MMC-PLUS有功功率停止传输，则需要闭锁风机，同时，切除交流母线上并联的LCC无功补偿设备，以防止功率继续注入MMC-PLUS系统，此后，MMC-PLUS系统的故障直流电流由于没有放电通路而迅速衰减为0，等待故障点消弧后，直流线路绝缘恢复；
重启动时，先由逆变侧MMC建立稳定的系统直流电压，之后闭合系统直流侧的旁路开关BS，开启双向晶闸管开关TP和TN，开通连接整流侧MMC的电流回路，使整流侧MMC的直流侧电压恢复到额定值；
等待整流侧MMC建立稳定的交流电压后，风场逐步接入系统，此时系统运行于MMCMode，由于系统功率从整流侧流向逆变侧，TN承受反压截止，此时关闭晶闸管开关TN；
当系统传输风功率大于第二预设值时，逆变侧MMC使用0电流控制，其中，在0电流控制下，逆变侧注入受端电网的功率减小，逆变侧MMC的电容电压升高，TP承受反压截止，线路上直流电流下降并出现过零点，此时通过BS切除MMC Mode回路；
解锁两侧LCC，系统直流电压迅速上升至MMC-PLUS系统额定值，系统运行在MMC-PLUS模式，重启动完成。
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