CN109510228A - 一种mmc零直流电压控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种MMC零直流电压控制方法及装置，该方法包括：将换流器三相上桥臂和下桥臂所有子模块电压平均值与子模块电压参考值的差值输入到调节器进行调节；将调节器调节后的数值作为有功轴输入量，将零作为无功轴输入量，将原极控输出的换流器调制波的相位角加90°作为变换角进行dq/abc变换以获取换流器调制波修定值；将换流器调制波修定值叠加到原极控输出的换流器调制波上，得到最终的换流器三相调制波；换流器三相单个桥臂中全桥子模块的数目大于设定值。本发明通过采用单闭环控制即可实现MMC零直流电压运行，并保持子模块电压稳定，方法简便，同时可根据需要灵活简便地配置在阀控层或极控层，具有很强的应用价值。

Description

一种MMC零直流电压控制方法及装置

技术领域

本发明涉及一种MMC零直流电压控制方法及装置，属于电力系统柔性直流输电技术领域。

背景技术

近年来，模块化多电平换流器(MMC)因具有功率独立灵活可控、不存在换相失败、可为无源网络供电等诸多优点，得到了学术界与工业界的青睐，在柔性直流输电、混合直流输电、直流电网等领域应用前景广阔。

高压直流系统多采用架空线输电形式，鉴于其短路故障的高发性和瞬时性特征，一般要求换流器能有效穿越直流短路故障，从而提高系统运行可靠性。为此，采用纯全桥子模块构成的全桥MMC，以及由全桥子模块与半桥等子模块混合构成的子模块混合式MMC成为一大研究热点，此类含全桥子模块的MMC通过换流器闭锁，利用全桥等子模块闭锁时的反压能力自然阻断故障电流，实现直流短路故障的闭锁穿越。

目前，上述含有全桥子模块的MMC应对直流短路故障有闭锁和不闭锁两种处理方案，当要求换流器进行不闭锁故障穿越时，MMC需控制其直流端口电压为零或零以下，以清除直流短路电流，并在故障电流清除且故障尚未恢复时维持在零直流电压运行状态。此外对于采用高低阀组拓扑结构的特高压柔性直流系统而言，阀组直流场均配置有图1所示的直流开关，以配合实现阀组的在线投入/退出控制。其中，阀组在线退出时需闭合高速旁路开关BPS、进线隔离刀闸Q1、出线隔离刀闸Q2和旁路刀闸BPI，阀组在线投入时需将已闭合的高速旁路开关BPS、进线隔离刀闸Q1、出线隔离刀闸Q2和旁路刀闸BPI断开，这就要求阀组具备零直流电压运行能力，从而为直流场开关的开断操作创造有利条件。因此，零直流电压运行控制是含全桥子模块的MMC的一项关键技术。

零直流电压运行控制下，确保子模块电压稳定是该控制技术的重要内容。这是因为在直流电压非零时，子模块平均电压u_{sm_ave}受相单元子模块投入总数N和直流电压u_dc的约束，能够稳定在u_{sm_ave}＝u_dc/N上，加之桥臂内的子模块均压控制，各子模块电压可稳定在平均值处；而直流电压为零时，虽然桥臂内子模块在子模块均压控制的作用下保持电压均衡，但由于相单元子模块投入总数为零，子模块平均电压不再受上述关系约束，可能出现相单元内子模块电压整体增高或降低的情况，严重时将导致换流器运行失稳。为此，子模块电压控制是含全桥子模块的MMC零直流电压运行时的关键环节。

然而目前，针对MMC的研究多基于直流电压额定或非零运行状态，零直流电压控制涉及较少，且子模块电压控制算法主要在MMC极控层实现，并采用双闭环控制，实施上较为复杂且配置不够灵活。例如，申请公布号为CN106953347A的中国发明专利申请文件公开了一种混合式模块化多电平换流器直流短路故障恢复方法及装置，其中所提供的直流短路故障下换流站的可控故障穿越控制是在降低直流电压的同时进行子模块电压控制，但也仅能应用于极控层，且采用较为复杂的双闭环控制，子模块电压控制作为有功类外环，得到的是有功轴电流指令，需经过电流内环控制，才能得到三相调制波。

发明内容

本发明的目的是提供一种MMC零直流电压控制方法及装置，用于解决现有的零直流电压控制过程较为复杂且配置不够灵活的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种MMC零直流电压控制方法，步骤如下：

将换流器三相上桥臂和下桥臂所有子模块电压平均值与子模块电压参考值的差值输入到调节器进行调节；

将调节器调节后的数值作为有功轴输入量，将零作为无功轴输入量，将原极控输出的换流器调制波的相位角加90°作为变换角进行dq/abc变换以获取换流器调制波修定值；

将所述换流器调制波修定值叠加到原极控输出的换流器调制波上，得到最终的换流器三相调制波；换流器三相单个桥臂中全桥子模块的数目满足：

其中，N_f为换流器三相单个桥臂中全桥子模块的数目，m_max为换流器最大调制度，U_dc为额定直流电压，U_sm为全桥子模块额定电压。

本发明还提供了一种MMC零直流电压控制装置，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：

将换流器三相上桥臂和下桥臂所有子模块电压平均值与子模块电压参考值的差值输入到调节器进行调节；

将调节器调节后的数值作为有功轴输入量，将零作为无功轴输入量，将原极控输出的换流器调制波的相位角加90°作为变换角进行dq/abc变换以获取换流器调制波修定值；

将所述换流器调制波修定值叠加到原极控输出的换流器调制波上，得到最终的换流器三相调制波；换流器三相单个桥臂中全桥子模块的数目满足：

其中，N_f为换流器三相单个桥臂中全桥子模块的数目，m_max为换流器最大调制度，U_dc为额定直流电压，U_sm为全桥子模块额定电压。

本发明的有益效果是：对于三相单个桥臂中全桥子模块的数目大于设定值的MMC，通过将换流器三相上桥臂和下桥臂所有子模块电压平均值与子模块电压参考值作差，经过调节器调节后再进行坐标变换来获取换流器调制波修定值，采用该换流器调制波修定值对原极控输出的换流器调制波进行修正，通过采用单闭环控制即可实现MMC零直流电压运行，并保持子模块电压稳定，方法简便，同时可根据需要灵活简便地配置在阀控层或极控层，具有很强的应用价值。

作为方法和装置的进一步改进，为了对换流器三相上桥臂和下桥臂进行控制，在得到最终的换流器三相调制波之后，进一步包括：

根据最终的换流器三相调制波得到换流器三相上桥臂调制波和换流器三相下桥臂调制波。

作为方法和装置的进一步改进，为了得到换流器三相上桥臂和下桥臂调制波，所述根据最终的换流器三相调制波得到换流器三相上桥臂调制波和换流器三相下桥臂调制波，包括：

将叠加换流器调制波修定值后的最终的换流器调制波乘以-1，得到所述换流器三相上桥臂调制波；将叠加换流器调制波修定值后的最终的换流器调制波乘以+1，得到所述换流器三相下桥臂调制波。

作为方法和装置的进一步改进，为了增加调节的精确度，所述调节器为比例积分调节器。

附图说明

图1是现有技术配置有直流开关的单端特高压柔性直流系统单极系统示意图；

图2是本发明由全桥子模块和半桥子模块混合构成的子模块混合式MMC示意图；

图3是本发明半桥子模块的结构示意图；

图4是本发明全桥子模块的结构示意图；

图5是本发明MMC零直流电压控制方法的控制框图。

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。

MMC零直流电压控制方法实施例：

为了实现零直流电压运行，在主回路方面，MMC需包含一定数目的能够在正常运行时输出负电压的全桥子模块。此时，MMC的具体结构包括两种情况：一种是仅含有全桥子模块的全桥MMC，另一种是含有一定数目全桥子模块的混合式MMC。图2给出了一种由全桥子模块和半桥子模块混合构成的子模块混合式MMC示意图，该子模块混合式MMC包括三相六个桥臂，其中每个桥臂中串设有N个子模块SM，每个子模块SM为半桥子模块或者是全桥子模块，半桥子模块和全桥子模块的结构示意图分别如图3和图4所示。

为了实现直流电压为零，各桥臂调制电压的直流分量需给为零，调制电压为：

其中，i＝a,b,c，U_isinωt为第i相调制电压，U_i为第i相调制电压的幅值，u_{armu_i}、u_{armd_i}分别为第i相上、下桥臂调制电压。

可以看出，各桥臂需要输出最低-U_i的电压，由于半桥子模块不具备负压输出能力，因此这部分负桥臂电压需由全桥子模块输出。由此可得，MMC单个桥臂中全桥子模块数N_f需满足下式约束才能实现MMC零直流电压运行：

其中，m_max为换流器最大调制度，U_dc为额定直流电压，U_sm为全桥子模块额定电压。

此外，在零直流电压运行时，即便给定各桥臂调制电压的直流分量为零使得直流电压为零，但并不能保证子模块电压稳定，很可能出现相单元内子模块电压整体抬升或降低而依然满足直流电压为零的情况。因此，零直流电压运行时，还需对子模块电压进行控制。

由于子模块电压的上升或下降与有功功率相关，而有功功率由阀端口电压和变压器阀侧电压的相角差决定，针对MMC单个桥臂中全桥子模块数目满足上述约束条件即公式(1)的子模块混合式换流器或全桥MMC，本发明提供了一种MMC零直流电压控制方法。该MMC零直流电压控制方法将换流器三相上、下桥臂子模块电压总的平均值与每个子模块电压参考值的差值进行调节控制和坐标变换，得到三相交变换流器调制波修定值，将调制波修定值与原极控输出的换流器调制波相加得到修定后的最终的换流器三相调制波，将修定后的各相调制波分别乘以-1和+1，作为该相上、下桥臂调制电压，其控制框图如图5所示，具体包括以下内容：

1)将换流器三相上桥臂和下桥臂所有子模块电压平均值与子模块电压参考值的差值输入到调节器进行调节，根据调节器调节后的数值和原极控输出的换流器调制波的相位角进行dq/abc变换以获取换流器调制波修定值。

其中，在本实施例中，该调节器为比例积分调节器，即PI调节器，可以根据实际应用来设置该PI调节器中的参数。三个相单元上、下桥臂子模块电压总的平均值u_{sm_ave}与子模块电压参考值U_{sm_ref}作差，差值经过PI调节器调节，得到的是一个直流量，为了将其转为abc三相交变量，此时采用两相旋转坐标系到三相静止坐标系的dq/abc坐标变换。

在进行dq/abc变换时，将调节器调节后的数值作为有功轴d轴的输入量，将零作为无功轴q轴的输入量，将原极控输出的换流器调制波(也可以称作第一调制波U_{abc_1})的相位角加90°作为变换角，然后进行dq/abc变换以获取该换流器调制波修定值(也可以称作第二调制波U_{abc_2})，此时获取的换流器调制波修定值U_{abc_2}是一个超前换流器第一调制波U_{abc_1}90°的电压。

需要说明的是，上述原极控输出的换流器调制波不应直接使用常规的双闭环控制得到。为避免有功类控制影响子模块平均电压，极控系统应去掉有功类分量控制，并将内环有功电流控制器的输出给为零，仅保留无功类分量的控制，如此极控得到的换流器调制波将与变压器阀侧电压同相位。

步骤1)通过对换流器三个相单元上、下桥臂子模块电压总的平均值进行闭环控制和坐标变换，可得到垂直于变压器阀侧电压的换流器调制波修定值。

2)将换流器调制波修定值叠加到原极控输出的换流器调制波上，得到最终的换流器三相调制波，并根据最终的换流器三相调制波得到换流器三相上桥臂调制波和换流器三相下桥臂调制波。

将获取的换流器调制波修定值也就是第二调制波U_{abc_2}与原极控输出的换流器调制波也就是第一调制波U_{abc_1}相加，得到修定后的三相调制波U_abc，将修定后的各相调制波分别乘以-1和+1，分别作为该相上、下桥臂调制电压。另外，为了维持子模块电压，可以通过改变第二调制波的幅值来改变交流功率。

分析图5的原理可知，当子模块电压平均值u_{sm_ave}高于子模块电压参考值U_{sm_ref}时，经过闭环控制和坐标变换将产生一个超前于原极控输出的调制波(与变压器阀侧电压同相)90°的电压量，使得换流阀总的调制电压超前于变压器阀侧电压，由此将形成换流阀至交流系统的功率传输，最终使得子模块电压降低并稳定在指令值。同理，当子模块电压平均值u_{sm_ave}低于子模块电压参考值U_{sm_ref}时，通过上述控制过程，换流阀总的调制电压将滞后原极控输出的调制波，从而形成交流系统至换流阀的功率传输，使得子模块电压升高并稳定在指令值。

需要说明的是，上述MMC零直流电压控制方法的应用场景并不局限于图2中由全桥子模块和半桥子模块混合构成的子模块混合式MMC，而是可应用于至少包括全桥子模块且全桥子模块的数目满足公式(1)约束条件的其他类型的子模块混合式MMC和全桥MMC，对于子模块混合式MMC，除了包括全桥子模块以外，所包含的其他类型的子模块(例如钳位双子模块)的种类数目≥1。

MMC零直流电压控制装置实施例：

本实施例提供了一种MMC零直流电压控制装置，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，以实现上述的MMC零直流电压控制方法。例如，该指令可以在PC机、通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器上运行。

该MMC零直流电压控制方法已经在上述的MMC零直流电压控制方法实施例中进行了详细介绍，对于本领域内的技术人员，可以根据该MMC零直流电压控制方法生成对应的计算机程序指令，进而得到MMC零直流电压控制装置，此处不再赘述。

本发明的MMC零直流电压控制方法及装置采用子模块平均电压单闭环控制，即可有效实现MMC零直流电压运行，并保持子模块电压稳定，单闭环控制方法简便，同时可根据需要将控制方法灵活的配置在阀控层或极控层，具有很强的应用价值。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是，以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其保护范围的限制，尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解，本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.一种MMC零直流电压控制方法，其特征在于，步骤如下：

将换流器三相上桥臂和下桥臂所有子模块电压平均值与子模块电压参考值的差值输入到调节器进行调节；

将调节器调节后的数值作为有功轴输入量，将零作为无功轴输入量，将原极控输出的换流器调制波的相位角加90°作为变换角进行dq/abc变换以获取换流器调制波修定值；

将所述换流器调制波修定值叠加到原极控输出的换流器调制波上，得到最终的换流器三相调制波；换流器三相单个桥臂中全桥子模块的数目满足：

其中，N_f为换流器三相单个桥臂中全桥子模块的数目，m_max为换流器最大调制度，U_dc为额定直流电压，U_sm为全桥子模块额定电压。

2.根据权利要求1所述的MMC零直流电压控制方法，其特征在于，在得到最终的换流器三相调制波之后，进一步包括：

根据最终的换流器三相调制波得到换流器三相上桥臂调制波和换流器三相下桥臂调制波。

3.根据权利要求2所述的MMC零直流电压控制方法，其特征在于，所述根据最终的换流器三相调制波得到换流器三相上桥臂调制波和换流器三相下桥臂调制波，包括：

将叠加换流器调制波修定值后的最终的换流器调制波乘以-1，得到所述换流器三相上桥臂调制波；将叠加换流器调制波修定值后的最终的换流器调制波乘以+1，得到所述换流器三相下桥臂调制波。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的MMC零直流电压控制方法，其特征在于，所述调节器为比例积分调节器。

5.一种MMC零直流电压控制装置，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：

将换流器三相上桥臂和下桥臂所有子模块电压平均值与子模块电压参考值的差值输入到调节器进行调节；

将调节器调节后的数值作为有功轴输入量，将零作为无功轴输入量，将原极控输出的换流器调制波的相位角加90°作为变换角进行dq/abc变换以获取换流器调制波修定值；

将所述换流器调制波修定值叠加到原极控输出的换流器调制波上，得到最终的换流器三相调制波；换流器三相单个桥臂中全桥子模块的数目满足：

其中，N_f为换流器三相单个桥臂中全桥子模块的数目，m_max为换流器最大调制度，U_dc为额定直流电压，U_sm为全桥子模块额定电压。

6.根据权利要求5所述的MMC零直流电压控制装置，其特征在于，在得到最终的换流器三相调制波之后，进一步包括：

根据最终的换流器三相调制波得到换流器三相上桥臂调制波和换流器三相下桥臂调制波。

7.根据权利要求6所述的MMC零直流电压控制装置，其特征在于，所述根据最终的换流器三相调制波得到换流器三相上桥臂调制波和换流器三相下桥臂调制波，包括：

将叠加换流器调制波修定值后的最终的换流器调制波乘以-1，得到所述换流器三相上桥臂调制波；将叠加换流器调制波修定值后的最终的换流器调制波乘以+1，得到所述换流器三相下桥臂调制波。

8.根据权利要求5至7中任一项所述的MMC零直流电压控制装置，其特征在于，所述调节器为比例积分调节器。