CN109149612B - 一种换流站及其单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单阀组投退过程中子模块均压控制方法,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/退出的过程中,该阀组投入环流控制器,环流控制器的输出量叠加到对应相上、下桥臂调制波上,用于对应桥臂子模块的触发控制;所述环流控制器用于将环流指令值与实时检测的相间环流值作差后,经过调节器调节后得到输出量。本发明能够人为创造正、负交替的桥臂电流,避免在单阀组投退过程中因桥臂电流持续为正或持续为负时造成半桥子模块和/或钳位双子模块过压或欠压现象;而且,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,降低了设备成本,具有很强的实用性。
Description
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单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。
首先,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。
其次,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,ω为角频率,为相位。
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1/3|Idc|<1/2Iac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单阀组投退过程中子模块均压控制方法,用用以解决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:
本发明的一种单阀组投退过程中子模块均压控制方法,阀组投入/退出的过程中,该阀组投入环流控制器,所述环流控制器的输出量叠加到对应相上、下桥臂调制波上,用于对应桥臂子模块的触发控制;所述环流控制器用于将环流指令值与实时检测的相间环流值作差后,经过调节器调节后得到输出量。
进一步地,所述调节器为PR调节器。
进一步地,所述环流指令值的幅值不小于换流站的直流线路电流的1/3。
进一步地,所述环流指令值的幅值为换流站的直流线路电流的1/2。
本发明的一种双阀组换流站,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/退出的过程中,该阀组投入环流控制器,环流控制器的输出量叠加到对应相上、下桥臂调制波上,用于对应桥臂子模块的触发控制;所述环流控制器用于将环流指令值与实时检测的相间环流值作差后,经过调节器调节后得到输出量。
进一步地,所述调节器为PR调节器。
进一步地,所述环流指令值的幅值不小于换流站的直流线路电流的1/3。
进一步地,所述环流指令值的幅值为换流站的直流线路电流的1/2。
本发明的有益效果:
本发明在阀组投入/退出的过程中,该阀组投入环流控制器,环流控制器的输出量叠加到对应相上、下桥臂调制波上,用于对应桥臂子模块的触发控制。其中,该环流控制器用于将环流指令值与实时检测的相间环流作差后,经过调节器调节后得到输出量。该控制方法使得在单阀组投入/退出期间,能够注入一定大小的相间交变环流,即人为创造正、负交替的桥臂电流,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,具有很强的实用性和技术经济性。
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;
图3是本发明的单阀组投退过程中子模块均压控制方法示意图;
图4-1是基于本发明方法的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4-2是基于本发明方法的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5是本发明的另一种单阀组投退过程中子模块均压控制方法示意图。
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。
整体来说,本发明是在含有半桥和/或钳位双子模块的MMC单阀组投入/退出期间注入一定大小的相间交变环流,人为创造正、负交替的桥臂电流,从而实现子模块的均压控制。
下面图3给出了本发明的基于环流注入的子模块控制方法的一种实施方式。
在投入/退出过程中,将给定三相交变的幅值为1/2|Idc|的环流指令Iloop_ref与实时检测的相间环流iloop做差,经过一个PR调节器后做一个闭环控制,得到三相调制波附加量ΔUloop,将各相ΔUloop分别叠加至正常控制所得到的该相上、下桥臂调制波Um_上桥臂和Um_下桥臂上,最终用于MMC的触发控制。通过此环流闭环控制,MMC高阀组的相间将出现交变的幅值为1/2|Idc|的环流,从而使得桥臂电流出现正、负交替,产生一个环流,避免半桥子模块出现过压或者欠压的现象。
得到了三相调制波附加量时,A相附加量叠加至A上、A下桥臂的调制波上,这样使得整个A相叠加了两倍的调制波附加量,其他相同理,该附加量在三相之间便可产生环流。
本方法是通过对环流做闭环控制,得到期望的相间环流。本方法控制策略与MMC常用的环流抑制策略原理相同,环流抑制策略是给定环流指令为零,同样通过闭环操作叠加至调制波上,便可使相间产生电压差从而抵消原有的环流。鉴于MMC环流抑制已是行业内共识,故不再赘述。
图4-1和图4-2给出了保持MMC全桥子模块占比为50%且加入上述控制措施后,单阀组投入过程中送、受端高阀组的子模块电压和桥臂电流波形,与图2-1和图2-2对比可以看出,通过相间环流的注入,投入过程中半桥子模块能很好的保持电压稳定在正常值,且投入过程并未出现桥臂电流冲击。
图5给出了本发明的单阀组投退过程中子模块均压控制方法的另一种实施方式。
在该实施方式中,桥臂环流指令Iloop_ref并非直接给定,而是通过对半桥子模块电压平均值进行闭环控制得到。具体的,在投入/退出过程中,给定半桥子模块平均电压的目标值Usm_ref,将其与实时检测的六个桥臂半桥子模块总的平均电压Usm做差,并经过一个PI调节器,得到相间环流的有功轴指令Iloop_dref,同时给定相间环流的无功轴指令Iloop_qref为零,对这两个值进行DQ坐标系到abc坐标系的变换,旋转频率为floop,即设定的环流频率,便可得到三相交变的环流指令Iloop_ref。此后,同实施方式一一样,该环流指令与实际环流做差并经过一个PR调节器,即可得到三相调制波附加量。
本发明提出的基于环流注入的子模块控制方法,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,具有很强的技术经济性。
本发明还提供了一种双阀组换流站,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/退出的过程中,该阀组投入环流控制器,环流控制器的输出量叠加到对应相上、下桥臂调制波上,用于对应桥臂子模块的触发控制;所述环流控制器用于将环流指令值与实时检测的相间环流值作差后,经过调节器调节后得到输出量。
该双阀组换流站的实质在于提供了一种单阀组投退过程中子模块均压控制方法,由于对该方法的介绍已足够清楚明白,故对该双阀组换流站不再赘述。
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 (6)
1.一种单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/退出的过程中,该阀组投入环流控制器,所述环流控制器的输出量叠加到对应相上、下桥臂调制波上,用于对应桥臂子模块的触发控制;所述环流控制器用于将环流指令值与实时检测的相间环流值作差后,经过调节器调节后得到输出量;其中,所述环流指令值的幅值不小于换流站的直流线路电流的1/3。
2.根据权利要求1所述的单阀组投退过程中子模块均压控制方法,其特征在于,所述调节器为PR调节器。
3.根据权利要求1所述的单阀组投退过程中子模块均压控制方法,其特征在于,所述环流指令值的幅值为换流站的直流线路电流的1/2。
4.一种双阀组换流站,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/退出的过程中,该阀组投入环流控制器,环流控制器的输出量叠加到对应相上、下桥臂调制波上,用于对应桥臂子模块的触发控制;所述环流控制器用于将环流指令值与实时检测的相间环流值作差后,经过调节器调节后得到输出量;其中,所述环流指令值的幅值不小于换流站的直流线路电流的1/3。
5.根据权利要求4所述的双阀组换流站,其特征在于,所述调节器为PR调节器。
6.根据权利要求4所述的双阀组换流站,其特征在于,所述环流指令值的幅值为换流站的直流线路电流的1/2。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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