CN110231793B - 一种直流融冰装置全功率试验控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直流融冰装置全功率试验控制方法，该方法为：晶闸管型直流融冰装置正常运行时，采用电流控制方法：全桥MM换流器采用两种工作模式：模式一、全桥MMC换流器直流侧控制采用定直流电压模式；模式二、全桥MMC换流器直流侧控制采用模拟线路负载，定直流电阻模式，即设定一电阻，输出的直流电压随着输入直流电流的大小而改变。本发明的直流融冰装置全功率试验控制方法能够实现直流晶闸管融冰装置的全功率试验功能，将晶闸管型直流融冰装置发出的直流电流回馈到交流系统中，对MMC功率电源模块的直流电容电压进行均衡控制、控制全桥MMC换流器补偿晶闸管融冰装置带来的无功损耗、控制全桥MMC换流器补偿晶闸管融冰装置带来的谐波。

Description

一种直流融冰装置全功率试验控制方法

技术领域

本发明属于直流融冰设备技术领域，具体涉及一种直流融冰装置全功率试验控制方法。

背景技术

随着我国电力系统的飞速发展，输电线路不断延伸至低温高海拔地区，在这些地区经常遭遇冰灾。因输电线路覆冰导致的供电中断，电弧烧伤，电网解列等事故，严重威胁电力系统的安全运行。08年1月滇黔、两广等地的冰灾破坏了大量的电力设施，引起供电中断，导致多条铁路线停运，严重影响人民群众的幸福感，南方电网为此付出了高达150亿的代价。为避免此类事故发生，提高电网安全运行的能力，必须及时融冰。

每年冰期来临之前，现有的直流融冰设备均需进行带输电线路的融冰演练，以检测设备的可靠性，然而该演练会带来如下问题：1)因演练时需要停运输电线路，耗费大量时间和人力资源，降低了线路的利用率；2)为了检测设备，系统需要提供匹配装置容量的电源，(电压10kV以上，同时至少需要提供上千安培的电流)；3)试验会消耗大量的电能；4)融冰试验所产生的谐波可能会损坏供电线路上的设备。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种直流融冰装置全功率试验控制方法，以解决现有技术中存在的问题。

本发明采取的技术方案为：一种直流融冰装置全功率试验控制方法，该直流融冰装置包括全桥MMC换流器和晶闸管型直流融冰装置，全桥MMC换流器和晶闸管型直流融冰装置的交流侧均连接到同一交流母线，直流侧的正极和负极分别连接到两条融冰电缆同一端，两融冰电缆另一端短接；直流融冰装置全功率试验控制方法为：晶闸管型直流融冰装置正常运行时，采用定电流控制模式；全桥MMC换流器采用两种工作模式：模式一、全桥MMC换流器直流侧控制采用定直流电压模式；模式二、全桥MMC换流器直流侧控制采用模拟线路负载模式，即设定一电阻R_ref，输出的直流电压随着输入直流电流Idc_measure的大小而改变(Vdc_ref＝R_ref*Idc_measure)。

全桥MMC换流器的各个功率单元模块直流电容电压控制采用定电压比例积分控制方法，有功功率控制方法采用能量平衡控制方法：交流侧吸收有功功率等于直流侧融冰流入有功功率和吸收或消耗所有功率单元模块直流电容电压变化产生改变的总能量。

把流入直流融冰电缆的直流电流和直流电压的相乘，即为直流侧的有功功率，有功功率再除以1.5倍的交流侧有功分量，得到实际直流侧功率折算成交流侧电流值iq_dc；全桥MMC换流器功率模块电压的给定值Vc_ref与测量均值Vc_abcM_av进行比较，所得的误差经过比例积分PI环节，减去交流侧电流值iq_dc(从直流测吸收能量)，再与交流侧电流分量iqs通过PI控制器进行比较跟踪，将晶闸管型直流融冰装置产生的电流回馈到交流系统中，同时保证MMC的电容电压稳定在设定值Vc_ref±5％内。

直流融冰装置的无功功率控制采用定交流侧无功功率控制方法：设定的无功功率，经除以1.5倍的交流侧电压分量Vqs后，计算出交流侧无功电流的给定值，再与交流侧无功电流Ids比较，误差通过PI控制器进行跟踪，实现系统无功功率稳定在设定值，从而达到补偿晶闸管型直流融冰装置所产生的无功功率的效果。

直流电流控制采用波动抑制方法：将采集到的直流电流实时值与直流电流经过低通滤波的值做差，提取出的交流波动分量，叠加到直流电压的输出分量上，实现减小由于6脉动整流会产生的谐波幅值，达到抑制直流电流波动的效果。

晶闸管型直流融冰装置采用六脉可控整流型融冰装置，六脉可控整流型融冰装置带来的特征次谐波(6k±1次)，全桥MMC换流器滤除对应次数(6k±1次)的谐波，滤除谐波的控制方法在系统基波频率同步旋转坐标(d,q)下实施：使全桥MMC换流器的三相输出电流(isvg,a,b,c)在(d，q)同步旋转坐标系上的电流(isvg,d,q)跟踪其参考电流(isvg,d,q，Ref)。由于该参考电流包含直流分量和6，12，18，24等高次谐波分量，有源滤波部分的滤波器传递函数C(S)采用PIR(比例、积分、谐振)控制方法，共设4个并行的谐振器，它们的谐振频率分别为：6，12，18，24次，更高次的谐波含量较低，不进行滤除。将谐波分量通过PIR算法提取后反向叠加到参考电压上，全桥MMC换流器就能主动产生谐波，该谐波与检测到的谐波幅值相等相位相反，即实现APF功能。

本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明解决了如下问题：1)补偿无功损耗和抑制谐波，提高了电网的安全可靠性；2)通过直流侧的有功功率逆变回馈给交流侧，大大降低了试验电源的所需容量。

附图说明

图1是本发明的整体电路结构示意图；

图2是本发明中系统控制原理流程图；

图3是本发明中全桥MMC换流器直流融冰电流控制原理图；

图4是本发明中全桥MMC换流器系统控制原理图。

具体实施方式

下面结合附图及具体的实施例对本发明进行进一步介绍。

实施例1：如图1-4所示，一种直流融冰装置全功率试验控制方法，该直流融冰装置包括全桥MMC换流器和晶闸管型直流融冰装置，全桥MMC换流器和晶闸管型直流融冰装置的交流侧均连接到同一交流母线，直流侧的正极和负极分别连接到两条融冰电缆(融冰直流母线)同一端，两融冰电缆(融冰直流母线)另一端短接；直流融冰装置全功率试验控制方法为：晶闸管型直流融冰装置正常运行时，采用定电流控制模式；全桥MMC换流器采用两种工作模式：模式一、全桥MMC换流器直流侧控制采用定直流电压模式；模式二、全桥MMC换流器直流侧控制采用模拟线路负载模式，即设定一电阻R_ref，输出的直流电压随着输入直流电流Idc_measure的大小而改变(Vdc_ref＝R_ref*Idc_measure)。

全桥MMC换流器的各个功率单元模块直流电容电压控制采用定电压比例积分控制方法，有功功率控制方法采用能量平衡控制方法：交流侧吸收有功功率等于直流侧融冰流入有功功率和吸收或消耗所有功率单元模块直流电容电压变化产生改变的总能量。

把流入直流融冰电缆的直流电流和直流电压的相乘，即为直流侧的有功功率，有功功率再除以1.5倍的交流侧有功分量，得到实际直流侧功率折算成交流侧电流值iq_dc；全桥MMC换流器功率模块电压的给定值Vc_ref与测量均值Vc_abcM_av进行比较，所得的误差经过比例积分PI环节，减去交流侧电流值iq_dc(从直流测吸收能量)，再与交流侧电流分量iqs通过PI控制器进行比较跟踪，将直流晶闸管融冰装置产生的电流回馈到交流系统中，同时保证MMC的电容电压稳定在设定值Vc_ref±5％内。

直流融冰装置的无功功率控制采用定交流侧无功功率控制方法：设定的无功功率，经除以1.5倍的交流侧电压分量Vqs后，计算出交流侧无功电流的给定值，再与交流侧无功电流Ids比较，误差通过PI控制器进行跟踪，实现系统无功功率稳定在设定值。从而达到补偿晶闸管型直流融冰装置所产生的无功功率的效果。

直流电流控制采用波动抑制方法：将采集到的直流电流实时值与直流电流经过低通滤波的值做差，提取出的交流波动分量，叠加到直流电压的输出分量上，实现减小由于6脉动整流会产生的谐波幅值，达到抑制直流电流波动的效果。

晶闸管型直流融冰装置采用六脉可控整流型融冰装置，六脉可控整流型融冰装置的带来的特征次谐波(6k±1次)，全桥MMC换流器滤除对应次数(6k±1次)的谐波，滤除谐波的控制方法在系统基波频率同步旋转坐标(d,q)下实施：使全桥MMC换流器的三相输出电流(isvg,a,b,c)在(d，q)同步旋转坐标系上的电流(isvg,d,q)跟踪其参考电流(isvg,d,q，Ref)。由于该参考电流包含直流分量和6，12，18，24等高次谐波分量，有源滤波部分的滤波器传递函数C(S)采用PIR(比例、积分、谐振)控制方法，共设4个并行的谐振器，它们的谐振频率分别为：6，12，18，24次，更高次的谐波含量较低，不进行滤除。将谐波分量通过PIR算法提取后反向叠加到参考电压上，全桥MMC换流器就能主动产生谐波，该谐波与检测到的谐波幅值相等相位相反，即实现APF功能。

融冰装置全功率试验控制系统包括一个全桥MMC换流器、一个晶闸管型直流融冰装置、一组平波电抗器。全桥MMC换流器和晶闸管型直流融冰装置的交流侧连接在同一个融冰电源交流母线上，全桥MMC换流器直流侧并联连接到融冰直流母线上，晶闸管型直流融冰装置直流侧通过平波电抗器连接到融冰直流母线上。

试验时，晶闸管型直流融冰装置工作在整流状态向直流母线提供直流融冰电流，而全桥MMC换流器工作在逆变、有源滤波和无功补偿状态，将晶闸管型直流融冰装置发出的直流电流回馈到交流系统中，滤除并补偿晶闸管型直流融冰装置所产生的谐波和无功功率。

通过对晶闸管型直流融冰装置交流侧电流谐波分量的提取和计算，全桥MMC换流器可以通过有源滤波技术手段滤除直流融冰装置给电网引入的谐波污染。

试验时，晶闸管型直流融冰装置工作在整流状态，定电流控制模式，向直流母线路提供直流融冰电流；而全桥MMC换流器直流侧采用定电压或者模拟线路负载控制模式，全桥MMC换流器工作在逆变、有源滤波和无功补偿状态，将晶闸管型直流融冰装置发出的直流电流回馈到交流系统中，滤除并补偿晶闸管型直流融冰装置所产生的谐波和无功功率。

图2为本发明融冰装置全功率试验装置的系统控制原理流程图，由：一个MMC系统控制器、MMC直流母线电压给定值、交流侧无功功率给定值、系统电流的交流侧谐波提取环节、MMC换流器直流电流输出和三相MM桥臂输出组成。

全桥MMC换流器按照指令信号将晶闸管型直流融冰装置发出的融冰直流电流回馈到交流系统中，同时全桥MMC换流器还要通过控制交流系统侧无功功率等于零来补偿晶闸管型直流融冰装置消耗的无功功率，全桥MMC换流器通过检测晶闸管型直流融冰装置在交流系统侧的谐波，通过有源滤波手段产生幅值相等相位相反的谐波，对其进行滤除。

图3为本发明融冰装置全功率试验装置的全桥MMC换流器直流融冰电流控制原理图，由：一个比例积分(PI)控制器、一个低通滤波器、三个比例环节(乘法器)和四个加法器组成。

Ip_abc和In_abc分别是MMC换流器正桥臂和负桥臂的电流，取二者平均值得到桥臂环流(其中3相桥臂各自提供1/3的直流电流)，Idc_MMC_set是模块化多电平换流器融冰装置的直流融冰电流设定值，乘以1/3系数后，与桥臂环流均值做差后的误差信号进行比例积分(PI)控制，得到直流均衡控制输出量，实现对直流融冰电流输出，同时保证了三相各个桥臂的均衡输出控制。

将采集到的直流电流实时值与直流电流进过低通滤波的值做差，提取出的交流波动分量，叠加到直流电压的输出分量上，实现减小由于6脉动整流会产生的谐波幅值，达到抑制直流电流波动的效果。

图4为本发明全桥MMC换流器系统控制原理图，由：两个式(1)的传递函数C(s)、三个比例积分控制器、九个加法器、四个比例环节(乘法器)、一个除法器、一个Park变换器和一个比例移相信号触发器构成，式(1)为有源滤波dq轴特征次谐波提取滤波器传递函数C(s)。

有功控制方法：把流入直流系统的直流电流和直流电压的相乘，即为直流侧的有功功率，再除以1.5倍的交流系统有功分量Vqs，得到实际直流侧功率折算成交流侧电流值iq_dc；MMC换流器功率模块电压的给定值Vc_ref与测量均值Vc_abcM_av进行比较，所得的误差经过PI控制器比例积分环节，减去iq_dc(从直流测吸收能量)，再与iqs通过PI控制器比例积分进行比较跟踪，从而实现将晶闸管型直流融冰装置产生的电流回馈到交流系统中，同时保证MMC的电容电压稳定在设定值Vc_ref附近。

无功控制的方法：设定的无功功率，除以1.5倍的交流系统电压分量Vqs可折算出系统无功电流的给定值，再与系统无功电流Ids比较，误差通过PI控制器进行跟踪，实现系统无功功率稳定在设定值，从而达到补偿晶闸管型直流融冰装置所产生的无功功率的效果。

滤波方法：六脉可控整流型融冰装置的带来的特征次谐波(6k±1次)，MMC换流器需要滤除对应次数(6k±1次)的谐波。滤除谐波的控制策略在系统基波频率同步旋转坐标(d,q)下实施：使MMC换流器的三相输出电流(isvg,a,b,c)在(d,q)同步旋转坐标系上的电流(isvg,d,q)跟踪其参考电流(isvg,d,q，Ref)。由于该参考电流包含直流分量和6，12，18，24等高次谐波分量，有源滤波部分的滤波器传递函数C(S)采用PIR(比例、积分、谐振)控制方法，共设4个并行的谐振器，它们的谐振频率分别为：6，12，18，24次，更高次的谐波含量较低，不进行滤除。将谐波分量通过算法提取后反向叠加到输出信号上，MMC换流器就能主动产生谐波，该谐波与检测到的谐波幅值相等相位相反，即实现APF功能。

全桥MMC换流器的有功功率控制、无功功率控制和有源滤波部分的d轴和q轴电流经过电流解耦控制产生MMC换流器d轴和q轴电压指令信号，再经过DQ逆变换后加上系统电压前馈信号和直流融冰控制信号后最终送至载波移相环节，产生MMC换流器的控制触发信号，去控制三相MMC桥臂的各功率模块。

本发明的直流融冰装置全功率试验控制方法能够实现晶闸管型直流融冰装置的全功率试验功能，将晶闸管型直流融冰装置发出的直流电流回馈到交流系统中，对MMC功率电源模块的直流电容电压进行均衡控制、控制全桥MMC换流器补偿晶闸管型直流融冰装置带来的无功损耗、控制全桥MMC换流器补偿晶闸管型直流融冰装置带来的谐波。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内，因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种直流融冰装置全功率试验控制方法，其特征在于：该直流融冰装置包括全桥MMC换流器和晶闸管型直流融冰装置，全桥MMC换流器和晶闸管型直流融冰装置的交流侧均连接到同一交流母线，直流侧的正极和负极分别连接到两条融冰电缆同一端，两融冰电缆另一端短接；直流融冰装置全功率试验控制方法为：晶闸管型直流融冰装置正常运行时，采用定电流控制模式；全桥MMC换流器采用两种工作模式：模式一、全桥MMC换流器直流侧控制采用定直流电压模式；模式二、全桥MMC换流器直流侧控制采用模拟线路负载模式，即设定一电阻，输出的直流电压随着输入直流电流的大小而改变；

试验时，晶闸管型直流融冰装置工作在整流状态，定电流控制模式，向直流母线提供直流融冰电流；而全桥MMC换流器直流侧采用定直流电压模式或模拟线路负载模式，全桥MMC换流器工作在逆变、有源滤波和无功补偿状态，将晶闸管型直流融冰装置发出的直流电流回馈到交流系统中，滤除并补偿晶闸管型直流融冰装置所产生的谐波和无功功率；

全桥MMC换流器还要通过控制交流系统侧无功功率等于零来补偿晶闸管型直流融冰装置消耗的无功功率，全桥MMC换流器通过检测晶闸管型直流融冰装置在交流系统侧的谐波，通过有源滤波手段产生幅值相等相位相反的谐波，对其进行滤除；

全桥MMC换流器的各个功率单元模块直流电容电压控制采用定电压比例积分控制方法，有功功率控制方法采用能量平衡控制方法：交流侧吸收有功功率等于直流侧融冰流入有功功率和吸收或消耗所有功率单元模块直流电容电压变化产生改变的总能量；

直流电流控制采用波动抑制方法：将采集到的直流电流实时值与直流电流经过低通滤波的值做差，提取出的交流波动分量，叠加到直流电压的输出分量上；

可控整流型融冰装置带来的特征次谐波，全桥MMC换流器滤除对应次数的谐波，滤除谐波的控制方法在交流电压基波频率同步旋转坐标(d，q)下实施：使全桥MMC换流器的三相输出电流在(d，q)同步旋转坐标系上的电流跟踪其参考电流，有源滤波部分的滤波器传递函数C(S)采用PIR控制方法，共设4个并行的谐振器，它们的谐振频率分别为：6、12、18和24次，将谐波分量通过PIR算法提取后反向叠加到参考电压上，全桥MMC换流器就能主动产生谐波，该谐波与检测到的谐波幅值相等相位相反。

2.根据权利要求1所述的一种直流融冰装置全功率试验控制方法，其特征在于：把流入直流融冰电缆的直流电流和直流电压的相乘，即为直流侧的有功功率，有功功率再除以1.5倍的交流侧有功分量，得到实际直流侧功率折算成交流侧电流值；全桥MMC换流器功率模块电压的给定值与测量均值进行比较，所得的误差经过PI控制器的比例积分环节，减去交流侧电流值，再与交流侧电流分量通过PI控制器进行比较跟踪，将晶闸管型直流融冰装置产生的电流回馈到交流系统中，同时保证全桥MMC换流器的电容电压稳定在设定值±5％内。

3.根据权利要求1所述的一种直流融冰装置全功率试验控制方法，其特征在于：直流融冰装置的无功功率控制采用定交流侧无功功率控制方法：设定的无功功率，经除以1.5倍的交流侧电压分量后，计算出交流侧无功电流的给定值，再与交流侧无功电流比较，误差通过PI控制器进行跟踪，实现系统无功功率稳定在设定值。

4.根据权利要求1所述的一种直流融冰装置全功率试验控制方法，其特征在于：晶闸管型直流融冰装置采用六脉可控整流型融冰装置。

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