CN108777492B - 环流注入式混合式mmc半桥子模块电容电压平衡方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了环流注入式混合式MMC半桥子模块电容电压平衡方法，换流站由全桥子模块(Full Bridge Sub Modular,FBSM)和半桥子模块(Half Bridge Sub Modular,HBSM)混合而成，当FBSM占比较低且直流系统电压运行较低时，采取注入桥臂环流的方法来改善桥臂电流的直流偏置，使HBSM参与电容电压的排序和均衡。

Description

环流注入式混合式MMC半桥子模块电容电压平衡方法
技术领域
本发明属于直流输电技术领域，具体涉及环流注入式混合式MMC半桥子模块电容电压平衡方法。
背景技术
MMC应用于大容量架空线输电是实现我国能源资源优化、防止换相失败的客观要求，结合LCC与VSC二者优势，整流站采用LCC，逆变站采用VSC的混合型高压直流输电系统成为学术研究的热点。由于大容量远距离输电常采用架空线路，裸露的线路容易发生短路、闪络等暂时性故障。然而目前基于半桥子模块(half bridge sub-module，HBSM)的MMC无法像LCC那样单纯依靠换流器控制来完成直流侧故障的清除，即使闭锁换流器，交流系统仍可经换流器内部两相桥臂中器件的反并联续流二极管以及直流故障点构成能量流动回路，因而不适宜应用于架空线场合。基于全桥子模块(full bridge sub-module，FBSM)的MMC可过调制运行而大幅降低直流运行电压，因此格外引人关注。但与相同容量和电压等级的半桥MMC相比，全桥MMC使用的电力电子器件几乎翻倍，不仅增加投资成本，而且引入了更多的运行损耗。因此MMC换流站采用半桥和全桥子模块混合的换流器拓扑结构，详如图1所示。其主要应用场合：能源基地的电力大规模、远距离外送，一般经由特高压直流输电线路送往数千公里外的负荷中心。如何优化混合式MMC，在满足系统性能的条件下尽量减少FBSMs的使用。混合式MMC约50％的子模块必须为全桥子模块。在该条件下，如果直流系统发生暂时性故障，直流故障的穿越过程当中，HBSM由于桥臂电流的偏置已不参与电容电压平衡控制，此种情况下不利于系统的故障恢复后运行。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了环流注入式混合式MMC半桥子模块电容电压平衡方法，改善混合式MMC半桥子模块电容电压平衡，保证直流系统低电压运行时HBSM的电容电压平衡。
为达到上述目的，本发明所述环流注入式混合式MMC半桥子模块电容电压平衡方法，混合式MMC包括ABC三相，每相分为上桥臂和下桥臂，每个桥臂由若干个结构相同的半桥子模块和全桥子模块级联并与一个桥臂电感L0串联而成，同相上、下两个桥臂构成一个相单元；其特征在于，通过增加桥臂环流来改善桥臂电流的直流偏置，使桥臂电流有正有负。
进一步的，增加桥臂环流表达式为：Icircos(2ωt+θcir)，增加桥臂环流后，桥臂电流的表达式为：其中，Im为换流器交流输出端相电流的幅值；θia为相电流的初始相角值，Idc为直流电流，Icir为环流幅值，θcir为环流的初相角。
进一步的，当直流故障穿越或在0.45pu-0.55pu低电压运行时，启动桥臂环流注入机制，直流故障穿越结束，且系统功率电压恢复正常时退出桥臂环流注入机制。
进一步的，在直流故障的穿越过程中，启用桥臂电流直流完全偏置检测，当桥臂电流为完全偏置状态时，持续增加桥臂环流参考值，直至完全偏置状态消失。
进一步的，退出环流注入机制后，恢复混合式MMC的环流抑制功能。
进一步的，其特征在于，混合式MMC中，全桥子模块占比为45％～55％。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果，当混合式MMC中的FBSM占比较低(小于50％)且直流系统运行电压较低(0.5pu附近)时，通过增加桥臂环流的方法来改善桥臂电流的直流偏置，使桥臂电流有正有负，增加HBSM的充放电机率，使其电容电压平衡可控。该HBSM方法尤其适应于FBSM占比较低的场合，可以降低直流系统的一次成本，经济性良好。在不增加FBSM占比的情况下，仅仅通过注入桥臂环流即可实现HBSM的电容电压平衡。此方法只在直流故障穿越或低电压运行等非正常工况下有效，不增加系统的成本。
附图说明
图1为混合式MMC换流器详细拓扑结构示意图；
图2为MMC单线图；
图3为HBSM子模块状态及电流路径示意图；
图4为系统正常运行时环流抑制策略示意图；
图5为桥臂环流注入策略示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
参照图1，混合式MMC的基本拓扑结构如图1所示，它由三相6个桥臂组成，每个桥臂由若干个结构相同的半桥子模块和全桥子模块级联并与一个桥臂电感L0串联而成，同相上、下两个桥臂构成一个相单元。HBSM子模块如图3所示，HBSM子模块输出电压存在两种可能：当上面的IGBT T1导通，下面的IGBT T2关断时有，Usm＝Uc；当上面的IGBT T1关断，下面的IGBT T2导通时有，Usm＝0。
参照图2，由于MMC半桥子模块都是一个全控半桥，根据每个子模块内2个IGBT的开关状态，可将SM子模块分为闭锁、投入和切除三种运行状态，详如图2所示：
运行状态一：IGBT T1和IGBT T2均关断：此状态为换流器的闭锁状态，一般在故障期间或换流器启动的充电初期时使用。正常功率传输时，该状态不会发生。
运行状态二：IGBT T1导通，IGBT T2关断：不管桥臂电流的方向如何，子模块端口电压都等于子模块中的电容电压。桥臂电流方向决定子模块电容处于充电还是放电状态，此状态称为投入状态。
运行状态二：IGBT T1关断，IGBT T2导通：不管桥臂电流的方向如何，子模块的端口电压都等于0，子模块中电容被旁路，其电容电压保持稳定，此状态为切除状态。
参照图1，根据相关研究可知，FBSM的占比需求可以表式为下式：
Figure BDA0001708946250000041
式中Mac为交流调制度。从常规直流的约束出发，因其降压运行时的最小运行电压为0.7倍额定直流电压，可得约50％的子模块必须为全桥子模块。全桥子模块与半桥子模块的构成比例依照工程实际需要而定，一般为降低工程造价，FBSM的比例应尽可能低。在该条件下，如果直流系统发生暂时性故障，直流故障的穿越过程当中，HBSM由于桥臂电流的偏置已不参于电容电压平衡控制，此种情况下不利于系统的故障恢复后运行。
设交流相电流的表达式：
iva＝Imcos(ωt+θia) (1)，
式中：Im为换流器交流输出端相电流的幅值；θia为相电流的初始相角值。
以a相上桥臂电流为例，正常运行时由于采取了环流抑制策略，因此忽略环流影响，由图1可知桥臂电流的表达式为：
Figure BDA0001708946250000042
对于HBSMs来说，子模块电容的充电和放电需要在不同方向的桥臂电流下进行。也即HBSMs电容电压保持平衡的必要条件是桥臂电流必须既有正值也有负值。而FBSMs可以在同一桥臂电流方向下进行充电或放电，所以无此要求。因此对于HBSMs来说，为保持电容电压平衡，必须引进下面约束条件：
Figure BDA0001708946250000043
在直流线路故障穿越和特高压直流输电的第二阀组投退等一些非正常工况下，可以取消桥臂环流抑制策略，并注入部分环流分量Icircos(2ωt+θcir)，此时桥臂电流的表达式为：
Figure BDA0001708946250000051
上式中，Idc指直流电流，Icir指注入的环流幅值，θcir指环流的初相角。
系统正常运行时为了减少损耗，都需要把环流抑制到零值附近，常用的一种策略如图4所示，其中idiffj即为桥臂环流，它经dq变换后分解成d轴与q轴两个垂直分量。正常运行时其dq轴分量的参考值都必须设置为0，如图4所示。
当进行直流故障穿越时，则需启动桥臂环流注入机制，直流故障穿越结束，系统功率电压恢复正常时退出桥臂环流注入机制，具体如图5所示。
目前对于电压源型直流输电系统，常用的环流抑制方法为直接电流控制，如图5所示i2fq_ref为dq解耦后的q轴2倍频环流参考值。在直流故障的穿越过程中，启用桥臂电流完全直流偏置检测，只要桥臂电流为完全偏置状态，则一直增加桥臂环流参考值i2fq_ref(i2fd_ref设置为0)直到完全偏置状态消失为止。
当直流故障穿越等暂态过程已经完成，系统恢复正常时则退出环流注入机制，恢复正常的环流抑制功能，此时将i2fq_ref和i2fd_ref都设置为0值。
环流注入的成分为二倍频正弦分量。本发明的改善策略是通过增加桥臂环流来改善桥臂电流的直流偏置，使桥臂电流有正有负，使桥臂电流的三者之和出现负值。增加HBSM的充放电机率，使其电容电压平衡可控。
由式(4)可知，当桥臂环流的幅值增加后，由于桥臂电流是1/2的交流相电流、1/3的直流电流以及二倍频环流的叠加，所以增加环流分量可以改善桥臂电流的直流偏置，使其既有正值也有负值，这样HBSM就可更好地平衡其电容电压。此改善策略应尽量避免长时间运行，以降低对交流系统的无功冲击影响。
本发明通过电力系统电磁暂态专业仿真工具PSCAD/EMTDC来编写程序、调试及验证。本策略适合LCC+MMC混合直流的受端混合式MMC的HBSM电容电压平衡，其控制策略简单易用，可以在暂态过程中平衡HBSM的电容电压，具有极大的工程实用价值。

Claims (3)

1.环流注入式混合式MMC半桥子模块电容电压平衡方法，其特征在于，混合式MMC包括ABC三相，每相分为上桥臂和下桥臂，每个桥臂由若干个结构相同的半桥子模块和全桥子模块级联并与一个桥臂电感L0串联而成，同相上、下两个桥臂构成一个相单元；通过增加桥臂环流来改善桥臂电流的直流偏置，使桥臂电流有正有负；
当直流故障穿越或在0.45pu-0.55pu低电压运行时，启动桥臂环流注入机制，当直流故障穿越结束，且系统功率电压恢复正常时退出桥臂环流注入机制；
混合式MMC中，全桥子模块占比为45％-55％；
增加桥臂环流表达式为：Icircos(2ωt+θcir)，增加桥臂环流后，桥臂电流的表达式为：
Figure FDA0002223416550000011
其中，Im为换流器交流输出端相电流的幅值；θia为相电流的初始相角值，Idc为直流电流，Icir为环流幅值，θcir为环流的初相角。
2.根据权利要求1所述的环流注入式混合式MMC半桥子模块电容电压平衡方法，其特征在于，在直流故障的穿越过程中，启用桥臂电流直流完全偏置检测，当桥臂电流为完全偏置状态时，持续增加桥臂环流参考值，直至完全偏置状态消失。
3.根据权利要求1所述的环流注入式混合式MMC半桥子模块电容电压平衡方法，其特征在于，退出环流注入机制后，恢复混合式MMC的环流抑制功能。
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