CN108933446A - 一种混合mmc换流器单元投退时的子模块稳压控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种混合MMC换流器单元及其投退时的子模块稳压控制方案，混合MMC换流器单元由直流场开关和混合MMC换流器构成，其中混合MMC换流器各桥臂至少含有一个半桥子模块和/或钳位双子模块，并含有一定比例的全桥子模块，在待投退混合MMC换流器低直流电压运行时，控制该MMC换流器子模块电压升高，在待投退MMC换流器高直流电压运行时，控制该MMC换流器子模块电压恢复正常。本发明应用于含有混合MMC换流器的串联型直流输电系统MMC换流器单元在线投入和退出过程，可在全桥子模块配比较低且直流电压调节时间较长时维持各类子模块电压的稳定，具有控制简便，避免增加设备成本，实用性和经济性强的优势。

Description

一种混合MMC换流器单元投退时的子模块稳压控制方法

技术领域

本发明属于直流输电技术领域，具体涉及一种混合MMC换流器单元投退时的子模块稳压控制方法。

背景技术

近年来，以模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)为基础的柔性直流输电技术具有能够准确、快速地控制与交流电网交换的有功功率和无功功率，谐波特性好，无换相失败等优势，成为直流输电技术新的发展方向。特别是其采用子模块级联的拓扑结构，易于达到高电压等级，极大的提升了柔性直流输电工程的可行性，促进了柔性直流输电技术和混合直流输电技术的发展及其工程推广应用，也使得特高压柔性直流输电和特高压混合直流输电技术的发展应用成为可能。

然而目前，由于MMC子模块由单个功率器件构成，电压等级很低，应用于特高压系统时导致子模块数量成倍增加，使得换流器电路受控节点数大大增大，对控制硬件和软件的要求极高，且受到换流变压器容量限制，因此MMC应用于特高压直流系统时，多采用基本换流器单元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，借鉴常规特高压直流系统技术经验，要求具备单个换流器单元的在线投入和退出控制功能，且不影响其余换流器单元的稳定运行。

对于柔性直流输电换流器单元而言，在线投入和退出功能要求换流器单元的直流电压可以在略低于零的值至额定值范围内调节，这就使得待投入或退出的换流器需采用含有负电压输出能力的全桥子模块的MMC拓扑，一般为了节约成本，常采用全桥子模块与半桥子模块或钳位双子模块等多种子模块构成的混合MMC换流器方案，且单个桥臂中全桥子模块配比需至少达到50％以满足直流电压调节范围要求。

此外，在待投退的混合MMC换流器直流电压调节过程中，其交流功率和交流电流幅值也将随之在零到正常值范围内变化，而为了不影响其余换流器单元的稳定运行，系统直流电流则可能保持不变或处于较大数值，这意味着换流器的桥臂电流可能在一段时间内持续为正或负。全桥子模块由于具有正、负压输出能力，因此可以通过改变输出的电压正负实现子模块电容充、放电，从而保证子模块电压稳定；相比而言，半桥子模块和钳位双子模块仅能输出正电压，则其在恒定正或负方向的桥臂电流下必定一直充电或放电，使其子模块电压失去稳定，若该阶段持续时间较长，必然导致子模块过、欠压，使得系统故障停运。

以如图1和图2所示的特高压直流系统单端单级系统和单个混合MMC换流器为例来进行说明。单端系统由两个混合MMC换流器单元串联构成高低阀组拓扑型式，各换流器单元均由直流场开关和混合MMC换流器构成，直流场开关用于在主回路层面投入或切除该换流器，各混合MMC换流器均为由全桥、半桥两种子模块构成的混合子模块式MMC。

以高端换流器单元投入工况为例来进行分析。对于退出工况，它是投入工况的逆过程，故不再进行分析，且此处主要对受端MMC站的投入过程进行说明。MMC换流器单元投入包括三个阶段：1)投入前，仅低端换流器单元运行，此时高端换流器单元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高端换流器单元，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高端换流器单元逐渐抬升直流电压及有功功率直至正常运行水平。

图3给出了上述过程中，换流器单桥臂中全桥子模块占比为50％，且直流电压自零抬升至400kV用时2s的仿真波形，其中最后一栏子模块电压波形中包含有单个桥臂内所有半桥子模块的平均电压、所有全桥子模块的平均电压和所有子模块的总体平均电压。可以看出，随着直流电压斜坡抬升，桥臂电流中直流分量保持不变，交流分量同步增大，桥臂电压指令中的直流分量也同步增大。在桥臂电压幅值高于全桥子模块所能输出的桥臂电压且桥臂电流始终为正的时间段内，即便所有全桥子模块投入控制也无法满足桥臂电压指令要求，因此半桥子模块必须参与调制，从而在恒定为正的桥臂电流下持续充电。由于直流电压抬升过程较为缓慢，因此该段时间维持较长，半桥子模块充电明显，达到1.35pu之多，存在子模块过压风险。此外，桥臂电流出现过零时，需要为电压已经明显抬升的半桥子模块放电，造成了较大的桥臂电流冲击。

针对以上问题，现有的解决方法有两类，第一类是提高全桥子模块数目，第二类是缩短直流电压调节的时长，两类方法均通过减少换流器投入/退出过程中除全桥子模块外其余子模块参与调制的时间，来减轻子模块电容充、放电程度，避免子模块过、欠压。然而，基于第一类方法，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。而基于第二类方法，直流电压的调节可能需在数百毫秒内完成，对于特高压直流工程而言，这样的快速性要求对控制系统的策略配合和响应性能要求提出了极大的挑战。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或可行性大幅降低。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种混合MMC换流器单元投退时的子模块稳压控制方法，以应用于含有混合MMC换流器的串联型直流输电系统MMC换流器单元在线投入和退出过程，从而在全桥子模块配比较低且直流电压调节时间较长时维持各类子模块电压的稳定。

本发明的技术方案为：

一种混合MMC换流器单元投退时的子模块稳压控制方法，包括以下步骤：

在待投退混合MMC换流器低直流电压运行时，控制所述待投退MMC换流器子模块电压升高；

在待投退MMC换流器高直流电压运行时，控制所述待投退MMC换流器子模块电压恢复正常。

所述的子模块电压升高指，子模块电压升高比混合MMC换流器正常运行时的子模块电压高；所述的子模块电压恢复正常指，恢复混合MMC换流器正常运行时的子模块电压。

进一步，所述控制所述待投退MMC换流器子模块电压升高和所述控制所述待投退MMC换流器子模块电压恢复正常，均通过调节所述混合MMC换流器各桥臂投入子模块数量实现。

进一步，所述混合MMC换流器各桥臂投入子模块数量，由所述各桥臂参考电压Uarm_ref除以所述混合MMC换流器子模块设定电压Usm_set得到。

进一步，根据直流电压情况，调节所述子模块设定电压Usm_set，具体包括：在所述待投退混合MMC换流器低直流电压运行时，所述子模块设定电压Usm_set设置为较高数值Usm_H，在所述待投退混合MMC换流器高直流电压运行时，所述子模块设定电压Usm_set恢复至正常电压值Usm_N。

进一步，所述正常电压值Usm_N为所述混合MMC换流器正常运行时的子模块电压，一般为额定电压。

进一步，所述较高数值Usm_H的取值比所述混合MMC换流器子模块额定电压值高，比子模块过压值低。

进一步，直流电压在正常值与零之间变化时，所述子模块的电压值也在所述正常电压值Usm_N与高电压值之间变化，所述高电压值低于子模块过压值。

本发明的有益效果：

本发明应用于含有混合MMC换流器的串联型直流输电系统MMC换流器单元在线投入和退出过程，通过调节子模块电压来改变全桥子模块所能输出的桥臂电压，避免在桥臂电流恒正或恒负时由半桥/钳位双等子模块长时间参与调制而导致子模块过、欠压，因此可在全桥子模块配比较低且直流电压调节时间较长时维持各类子模块电压的稳定，具有控制简便，避免增加设备成本，实用性和经济性强的优势。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是特高压直流系统单端单级系统示意图；

图2是一种混合MMC换流器单元示意图；

图3是常规控制下MMC全桥子模块占比为50％，直流电压调节时间为2s时的换流器单元投入过程中受端仿真波形图。

图4是基于本发明方法的MMC全桥子模块占比为50％，直流电压调节时间为2s时的换流器单元投入过程中受端仿真波形图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在桥臂电流恒正或恒负时由半桥/钳位双等子模块长时间参与调制而导致子模块过、欠压不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种混合MMC换流器单元投退时的子模块稳压控制方法。

混合MMC换流器单元由直流场开关和混合MMC换流器构成，其中混合MMC换流器各桥臂至少含有一个半桥子模块和/或钳位双子模块，并含有一定比例的全桥子模块。

整体来说，本发明便是在通过调节子模块电压来改变全桥子模块所能输出的桥臂电压，避免在桥臂电流恒正或恒负时由半桥/钳位双等子模块长时间参与调制而导致子模块过、欠压，从而实现子模块电压稳定的目的。

本申请的一种典型的实施方式，在待投退混合MMC换流器低直流电压运行时，控制该MMC换流器子模块电压升高；在待投退MMC换流器高直流电压运行时，控制该MMC换流器子模块电压恢复正常。所述低直流电压指比所述换流器正常直流电压运行时电压的低，所述高直流电压运行指比所述换流器正常直流电压运行时电压的高；所述的子模块电压升高指，比混合MMC换流器正常运行时的子模块电压高；所述的子模块电压恢复正常指，恢复到混合MMC换流器正常运行时的子模块电压，一般为子模块额定电压。

所述控制待投退混合MMC换流器子模块电压升高或恢复正常是通过调节MMC各桥臂投入子模块数实现的，MMC各桥臂投入子模块数由各桥臂参考电压Uarm_ref除以子模块设定电压Usm_set得到，在换流器低直流电压运行时，子模块设定电压Usm_set设置为较高数值，在换流器高直流电压运行时，子模块设定电压Usm_set恢复至正常数值Usm_N。

根据直流电压情况，调节子模块设定电压Usm_set，在直流电压为正常值时，Usm_set给为正常值Usm_N(也就是换流器正常运行时的子模块电压)，在直流电压在正常值与零之间变化时，Usm_set也在正常值与某一较高数值Usm_H之间变化。Usm_set值结合控制系统得到的各桥臂调制电压参考值Uarm_ref便可得到各桥臂投入子模块数n_arm，最终用以各桥臂子模块的投切选择。

需要说明的是，上述Usm_set的变化可以采用灵活的形式，如阶跃方式、斜坡方式等，其变化的时刻也可灵活设置，如可以在直流电压开始变化的时刻就变化，也可以在直流电压变化到某一值后再变化。上述Usm_H的取值也较为灵活，但应低于子模块过压值。

图4给出了保持MMC全桥子模块占比为50％，直流电压调节时间为2s且加入本发明控制方法后的换流器单元投入过程中受端仿真波形图，其中子模块设定电压Usm_set的变化方式取为：在直流电压为零时维持在1.1pu，待直流电压抬升中期逐渐降低，直流电压抬升完毕后降低至1pu并保持不变。与图3对比可以看出，通过以上操作，在直流电压较低时子模块电压较正常值抬高幅度较小，为1.254pu，较图3不加入本发明控制方法的电压低了约0.1pu，提高了半桥子模块电压的安全性，系统运行平稳可靠。

本发明提出的混合MMC换流器单元投退时的子模块稳压控制方法，可以在MMC换流器单元在线投入和退出过程中，在全桥子模块配比较低且直流电压调节时间较长时维持各类子模块电压的稳定，具有控制简便，避免增加设备成本，实用性和经济性强的优势。

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 (7)

1.一种混合MMC换流器单元投退时的子模块稳压控制方法，其特征在于，包括：在待投退混合MMC换流器低直流电压运行时，控制所述待投退MMC换流器的子模块电压升高；

在待投退MMC换流器高直流电压运行时，控制所述待投退MMC换流器的子模块电压恢复正常；

所述的子模块电压升高指，子模块电压升高比混合MMC换流器正常运行时的子模块电压高；所述的子模块电压恢复正常指，恢复混合MMC换流器正常运行时的子模块电压。

2.如权利要求1所述的一种混合MMC换流器单元投退时的子模块稳压控制方法，其特征在于，所述控制所述待投退MMC换流器的子模块电压升高和所述控制所述待投退MMC换流器的子模块电压恢复正常，均通过调节所述混合MMC换流器各桥臂投入子模块数量实现。

3.如权利要求2所述的一种混合MMC换流器单元投退时的子模块稳压控制方法，其特征在于，所述混合MMC换流器各桥臂投入子模块数量，由所述各桥臂参考电压Uarm_ref除以所述混合MMC换流器子模块设定电压Usm_set得到。

4.如权利要求3所述的一种混合MMC换流器单元投退时的子模块稳压控制方法，其特征在于，根据直流电压情况，调节所述子模块设定电压Usm_set，具体包括：在所述待投退混合MMC换流器低直流电压运行时，所述子模块设定电压Usm_set设置为较高数值Usm_H，在所述待投退混合MMC换流器高直流电压运行时，所述子模块设定电压Usm_set恢复至正常电压值Usm_N。

5.如权利要求4所述的一种混合MMC换流器单元投退时的子模块稳压控制方法，其特征在于，所述正常电压值Usm_N为所述混合MMC换流器正常运行时的子模块电压，所述MMC换流器正常运行时的子模块电压为子模块额定电压。

6.如权利要求4所述的一种混合MMC换流器单元投退时的子模块稳压控制方法，其特征在于，所述较高数值Usm_H的取值比所述混合MMC换流器子模块额定电压值高，比子模块过压值低。

7.如权利要求4所述的一种混合MMC换流器单元投退时的子模块稳压控制方法，其特征在于，直流电压在正常值与零之间变化时，所述子模块的电压值也在所述正常电压值Usm_N与高电压值之间变化，所述高电压值低于子模块过压值。