CN111864785B - 耐交直流故障的交流侧级联型混合mmc拓扑的控制方法 - Google Patents

耐交直流故障的交流侧级联型混合mmc拓扑的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种耐交直流故障的交流侧级联型混合MMC拓扑的控制方法，属于电力系统输配电领域。本发明中交流侧级联型混合MMC拓扑由直流侧的主支路和交流侧的辅助支路构成，其中主支路由半桥型子模块构成，用于系统正常运行时的功率输送；辅助支路由全桥型子模块在交流侧级联构成，其用于系统稳态时的运行优化与交直流故障穿越时的电压支撑。稳态运行时，辅助支路输出更精细的电压以平滑低子模块的主支路输出的阶梯波电压，使得并网点电压更接近正弦波形；直流故障时，主支路旁路桥臂中部分半桥型子模块以抑制直流故障电流，而辅助支路支撑并网点交流电压；交流故障时，辅助支路输出一定相位与幅值的交流电压以降低并网点电压，抑制交流故障电流。

Description

耐交直流故障的交流侧级联型混合MMC拓扑的控制方法
技术领域
本发明属于电力系统输配电领域，更具体地，涉及一种耐交直流故障的交流侧级联型混合MMC拓扑的控制方法。
背景技术
基于模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converters，MMC)柔性直流输电技术具有有功和无功解耦控制、不存在换相失败等技术优势，是解决我国风电、光伏等新能源大规模并网和远距离输送问题的有效手段。由于我国可再生能源的分布特点，基于架空线构建柔性直流电网是未来发展的必然趋势。然而，传统的模块化多电平换流器拓扑及其控制方法难以应对新能源复杂多变的交流特性以及直流电网迅速上升的故障电流，模块化多电平换流器的新拓扑与控制方法成为目前工业界和学术界的研究热点。
目前业内出现了一种由半桥型子模块与全桥型子模块串联构成的新型模块化多电平换流器拓扑，称之为混合型模块化多电平换流器。通过优化其控制方法，该拓扑可以获得穿越交直流故障的能力，例如中国专利CN201610908532.4提出的应对直流故障的交直流解耦控制方法，以及CN201711338496.3提出的应对交流故障的不间断运行控制方法。然而，混合型模块化多电平换流器目增加电力电子器件数目，存在成本高的缺点。对于目前工程普遍采用的半桥型模块化多电平换流器，CN201910001791.2提出的故障限流控制方法使其具备了主动限制直流故障电流的能力，然而该方法易造成换流器交流侧电压跌落。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种耐交直流故障的交流侧级联型混合MMC拓扑的控制方法，在确保大容量直流输电能力和交流波形质量的同时，解决了现有柔性直流输电系统难以应对交直流故障的问题，并且降低了MMC的成本与体积。
为实现本发明的上述目的，作为本发明的一方面，提供了一种耐交直流故障的交流侧级联型混合MMC拓扑，该拓扑包括直流侧的主支路和交流侧的辅助支路，具体来说包括：
所述主支路由半桥型子模块构成，用于系统稳态运行时的功率输送；
所述辅助支路由全桥型子模块在交流侧级联构成，其用于系统稳态时的运行优化与交直流故障穿越时的电压支撑。
优选地，所述主支路采用电压等级较高的半桥型子模块，半桥型子模块中的开关设备由多个电力电子开关器件串联构成。
优选地，所述辅助支路的全桥型子模块电压等级低于主支路中的半桥型子模块，全桥型子模块中的开关设备通常为单个电力电子开关器件。
优选地，所述辅助支路的全桥型子模块的个数应满足所有全桥型子模块额定电压之和不低于所述主支路的半桥型子模块的额定电压。
按照本发明的第二方面，本发明提供了一种利用所述的交流侧级联型混合MMC拓扑进行稳态运行优化的控制方法，该方法包括以下步骤：
A1.辅助支路在稳态运行时根据主支路各桥臂的控制信号输出高频阶梯波，降低所述主支路输出的交流电压中的谐波，使得所述的混合MMC拓扑输出的交流电压更为接近正弦波；
A2.辅助支路可以根据系统的运行需求，输出幅值与相位均可控的交流电压，扩展所述混合MMC拓扑交流电压的运行范围以及无功功率的运行区间；
优选地，步骤A1包括以下子步骤：
A11.所述辅助支路的控制信号中含有用于平滑所述主支路输出的交流电压的阶梯波电压分量；
A12.所述辅助支路的控制信号中含有用于维持所述辅助支路中全桥型子模块电容电压恒定的基波电压分量；
A13.所述辅助支路应投入的全桥型子模块数由步骤A11与A12中的电压分量之和近似取整得到。
优选地，步骤A11中的阶梯波电压分量Vstep-j根据所述主支路的各桥臂的电压参考信号和投入子模块数的计算得到，其计算公式如下：
Figure GDA0003297641490000031
其中，j代表abc三相，Vup-j为所述主支路的j相上桥臂电压控制信号，Nup-j为所述主支路的j相上桥臂投入的子模块数，Vdn-j为所述主支路的j相下桥臂电压控制信号，Ndn-j为所述主支路的j相下桥臂投入的子模块数，VHB为所述主支路中的半桥型子模块的额定电压，函数f(x)＝round[x]表示对变量x进行近似取整。
优选地，步骤A12中的基波电压分量Vcap-j是通过将所述辅助支路中全桥型子模块的平均电容电压的实际值与参考值的差值经过比例控制器或比例积分控制器后生成的d轴电压分量，进行派克逆变换而得到的。
优选地，步骤A13中所述辅助支路应投入的全桥型子模块数的计算公式如下：
Figure GDA0003297641490000032
其中，VFB为所述辅助支路中的全桥型子模块的额定电压。
按照本发明的第三方面，本发明提供了一种利用所述的交流侧级联型混合MMC拓扑进行直流故障穿越的控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
B1.主支路在直流故障期间通过旁路部分子模块以降低直流侧电压，从而抑制直流故障电流；
B2.辅助支路在直流故障期间根据所述主支路中半桥型子模块的旁路占比率，输出基频交流电压以补偿因所述主支路的半桥型子模块旁路造成的交流电压跌落。
优选地，步骤B1包括以下子步骤：
B11.所述主支路将其各桥臂的电压控制信号乘以投入比Kinsert，稳态时Kinsert保持为1.0，直流故障期间通过降低Kinsert以实现旁路子模块的效果；
B12.投入比Kinsert根据所述主支路的直流电流特性计算得到，其计算公式如下：
Figure GDA0003297641490000041
其中，Idc为所述主支路的直流电流实际值，Idcn为所述主支路的直流电流参考值，KP为控制器中比例环节的比例系数，KD为控制器中微分环节的微分系数，Kenble为所述主支路进行直流故障穿越控制的使能信号；
B13.使能信号Kenble以所述主支路的直流电流变化率作为判据，当直流电流变化率大于动作值时Kenble＝1，当直流电流变化率小于返回值时Kenble＝0；
B14.投入比Kinsert的下限幅值Kmin在稳态时保持为1.0，直流故障期间迅速降低以允许投入比Kinsert降低。
优选地，步骤B13中的动作值根据所述主支路的额定直流电压以及与其相连直流线路中串联电感值计算得到。
优选地，步骤B14中下限幅值Kmin根据与所述主支路的直流侧母线相连接的所有直流线路的电压计算得到，其计算公式如下：
Figure GDA0003297641490000042
其中，Vlinei表示与所述主支路的直流侧母线相连接的第i条直流线路的电压，Vdcn为所述主支路的额定直流电压，N为与所述主支路的直流侧母线相连接的直流线路总数。
按照本发明的第三方面，本发明提供了一种利用所述的交流侧级联型混合MMC拓扑进行交流故障穿越的控制方法，其特征在于，所述辅助支路在交流故障期间输出一定幅值与相位的交流电压以抵消所述主支路的交流电压，以降低所述混合MMC拓扑的交流侧电压，从而抑制所述混合MMC拓扑在交流故障期间向故障点馈入的电流。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1)本发明公开的交流侧级联型混合MMC拓扑通过重构半桥型子模块与全桥型子模块的数量与空间位置，以较少的子模块数实现较高的电平数输出，减小子模块电容数目与总体积，降低了模块化多电平换流器的成本；
2)本发明公开的基于所述交流侧级联型混合MMC拓扑的直流故障穿越控制方法，通过将主支路的半桥型子模块旁路以抑制直流故障电流，利用辅助支路的全桥型子模块支撑并网点的交流电压，降低了所述交流侧级联型混合MMC拓扑在直流故障穿越期间可能出现的过流闭锁风险；
3)本发明公开的基于所述交流侧级联型混合MMC拓扑的交流故障穿越控制方法，利用辅助支路的全桥型子模块输出反相的交流电压，以降低并网点的交流电压幅值，从而抑制换流器向交流故障点馈入的故障电流。
附图说明
图1是一种典型的半桥型模块化多电平换流器的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种耐交直流故障的交流侧级联型混合MMC拓扑的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的交流侧级联型混合MMC的辅助支路进行稳态运行优化控制所对应的控制原理图；
图4是本发明实施例提供的交流侧级联型混合MMC的主支路进行直流故障穿越控制所对应的控制原理图；
图5是本发明实施例提供的交流侧级联型混合MMC的辅助支路进行直流故障穿越控制所对应的控制原理图；
图6是本发明实施例提供的交流侧级联型混合MMC的辅助支路进行交流故障穿越控制所对应的控制原理图；
图7是本发明实施例提供的用于仿真测试的由所述的交流侧级联型混合MMC拓扑构成的点对点柔性直流输电系统的示意图；
图8是本发明实施例提供的一种耐交直流故障的交流侧级联型混合MMC拓扑的控制方法在稳态运行下的仿真结果；
图9是本发明实施例提供的一种耐交直流故障的交流侧级联型混合MMC拓扑的控制方法在稳态运行下的仿真结果；
图10是本发明实施例提供的一种耐交直流故障的交流侧级联型混合MMC拓扑的控制方法在稳态运行下的仿真结果；
图11是本发明实施例提供的一种耐交直流故障的交流侧级联型混合MMC拓扑的控制方法在直流故障下的仿真结果；
图12是本发明实施例提供的一种耐交直流故障的交流侧级联型混合MMC拓扑的控制方法在直流故障下的仿真结果；
图13是本发明实施例提供的一种耐交直流故障的交流侧级联型混合MMC拓扑的控制方法在直流故障下的仿真结果。
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，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供了一种耐交直流故障的交流侧级联型混合MMC拓扑，该拓扑包括直流侧的主支路和交流侧级联的辅助支路，具体来说包括：所述主支路由半桥型子模块构成，用于系统正常运行时的功率输送；所述辅助支路由全桥型子模块在交流侧级联构成，其用于系统稳态时的运行优化与交直流故障穿越时的电压支撑。
本发明各实施例所涉及的各主要变量或缩写的物理意义列于下表1中。
表1
Figure GDA0003297641490000071
Figure GDA0003297641490000081
Figure GDA0003297641490000091
如图1所示，半桥型模块化多电平换流器由三个相单元并联构成，每个相单元由上、下桥臂单元和桥臂电感构成。其中，每个桥臂均由半桥型子模块级联而成。
图2为本发明提供的耐交直流故障的交流侧级联型混合MMC的拓扑结构图，其每个相单元由直流侧的主支路与交流侧的辅助支路构成。其中，所述主支路由半桥型子模块构成，用于系统正常运行时的功率输送；所述辅助支路由全桥型子模块在交流侧级联构成，其用于系统稳态时的运行优化与交直流故障穿越时的电压支撑。
所述主支路采用电压等级较高的半桥型子模块，半桥型子模块中的开关设备由多个电力电子开关器件串联构成。
所述辅助支路的全桥型子模块电压等级低于主支路中的半桥型子模块，全桥型子模块中的开关设备通常为单个电力电子开关器件。
所述辅助支路的全桥型子模块的个数应满足所有全桥型子模块额定电压之和不低于所述主支路的半桥型子模块的额定电压。
图3为本发明提供的耐交直流故障的交流侧级联型混合MMC中辅助支路的稳态运行控制方法的原理图，该方法包括以下步骤：
A1.辅助支路在稳态运行时根据主支路各桥臂的控制信号输出高频阶梯波，降低所述主支路输出的交流电压中的谐波，使得所述的混合MMC拓扑输出的交流电压更为接近正弦波；
A2.辅助支路可以根据系统的运行需求，输出幅值与相位均可控的交流电压，扩展所述混合MMC拓扑交流电压的运行范围以及无功功率的运行区间；
步骤A1包括以下子步骤：
A11.所述辅助支路的控制信号中含有用于平滑所述主支路输出的交流电压的阶梯波电压分量；
A12.所述辅助支路的控制信号中含有用于维持所述辅助支路中全桥型子模块电容电压恒定的基波电压分量；
A13.所述辅助支路应投入的全桥型子模块数由步骤A11与A12中的电压分量之和近似取整得到。
步骤A11中的阶梯波电压分量Vstep-j根据所述主支路的各桥臂的电压参考信号和投入子模块数的计算得到，其计算公式如下：
Figure GDA0003297641490000101
其中，j代表abc三相，Vup-j为所述主支路的j相上桥臂电压控制信号，Nup-j为所述主支路的j相上桥臂投入的子模块数，Vdn-j为所述主支路的j相下桥臂电压控制信号，Ndn-j为所述主支路的j相下桥臂投入的子模块数，VHB为所述主支路中的半桥型子模块的额定电压，函数f(x)＝round[x]表示对变量x进行近似取整。
步骤A12中的基波电压分量Vcap-j是通过将所述辅助支路中全桥型子模块的平均电容电压的实际值与参考值的差值经过比例控制器或比例积分控制器后生成的d轴电压分量，进行派克逆变换而得到的。
步骤A13中所述辅助支路应投入的全桥型子模块数的计算公式如下：
Figure GDA0003297641490000111
其中，VFB为所述辅助支路中的全桥型子模块的额定电压。
图4为本发明提供的耐交直流故障的交流侧级联型混合MMC中主支路的直流故障穿越控制方法的原理图，主支路在直流故障期间通过旁路部分半桥型子模块以降低直流侧电压，从而抑制直流故障电流。
主支路中将其各桥臂的电压控制信号乘以投入比Kinsert，稳态时Kinsert保持为1.0，直流故障期间通过降低Kinsert以实现旁路子模块的效果。
投入比Kinsert根据所述主支路的直流电流特性计算得到，其计算公式如下：
Figure GDA0003297641490000112
其中，Idc为所述主支路的直流电流实际值，Idcn为所述主支路的直流电流参考值，KP为控制器中比例环节的比例系数，KD为控制器中微分环节的微分系数，Kenble为所述主支路进行直流故障穿越控制的使能信号；
使能信号Kenble以所述主支路的直流电流变化率作为判据，当直流电流变化率大于动作值时Kenble＝1，当直流电流变化率小于返回值时Kenble＝0；动作值根据所述主支路的额定直流电压以及与其相连直流线路中串联电感值计算得到。
投入比Kinsert的下限幅值Kmin在稳态时保持为1.0，直流故障期间迅速降低以允许投入比Kinsert降低。下限幅值Kmin根据与所述主支路的直流侧母线相连接的所有直流线路的电压计算得到，其计算公式如下：
Figure GDA0003297641490000121
其中，Vlinei表示与所述主支路的直流侧母线相连接的第i条直流线路的电压，Vdcn为所述主支路的额定直流电压，N为与所述主支路的直流侧母线相连接的直流线路总数。
图5为本发明提供的耐交直流故障的交流侧级联型混合MMC中辅助支路的直流故障穿越控制方法的原理图。辅助支路在直流故障期间根据主支路中半桥型子模块的旁路占比率，输出基频交流电压以补偿因所述主支路的半桥型子模块旁路造成的交流电压跌落。
图6为本发明提供的耐交直流故障的交流侧级联型混合MMC中辅助支路的交流故障穿越控制方法的原理图。辅助支路在交流故障期间输出一定幅值与相位的交流电压以抵消主支路的交流电压，以降低所述混合MMC拓扑的交流侧电压，从而抑制所述混合MMC拓扑在交流故障期间向故障点馈入的电流。
图7所示的点对点柔性直流输电系统用于仿真测试本发明所提供的交流侧级联型混合MMC拓扑及其控制方法的有效性。图7中的MMC1、MMC2均采用所述的交流侧级联型混合模块化多电平换流器，其额定直流电压均为640kV，额定功率均为1000MW。换流器主支路中的每个桥臂由10个半桥型子模块串联而成，子模块电容电压额定值为64kV；辅助支路每相由25个全桥型子模块串联而成，子模块电容电压额定值为6.4kV。
图8为采用本发明所提供的交流侧级联型混合MMC拓扑的点对点柔性直流输电系统在稳态运行时的交流电压仿真结果。图9与图10为图8的放大图，用于更清晰的展示仿真波形。从图中可以看出，主支路输出的交流阶梯波uHBa被辅助支路有效地修正为更为接近正弦的交流电压uva，辅助支路起到了提升换流器输出交流电压电平数，提升换流器电压质量的作用。本发明所提供的交流侧级联型混合MMC拓扑以45个子模块的相单元，实现了传统半桥型模块化多电平换流器需单个相单元含有200个子模块才具备的交流电压质量，有效地降低了换流器地体积与成本要求。
t＝5.0s时刻，架空线Line12端口处(Flt12)发生永久性双极金属性短路，故障电阻0.01Ω。直流故障发生后，直流继电保护系统经过3ms延时后检测到直流故障，并向故障Line12两端的直流断路器CB12、CB21发送跳闸指令。仿真中直流断路器开断时间均设计为3ms。
图11为直流故障前后换流器MMC1的直流母线电压。直流故障发生后，MMC1的母线电压迅速降低，以抑制其向直流故障点馈入的故障电流。
图12为流过直流断路器CB12的直流电流。直流故障电流的上升率由无限流控制时的线性上升降低，直流断路器开断电流值降低为3.2kA。
图13为所提供的交流侧级联型混合MMC的交流侧线电压。在主支路中旁路了大量半桥型子模块以抑制直流故障电流时，换流器的交流侧线电压仍能维持原先的水平，换流器的交流电压特性并未收到直流侧子模块旁路的影响。
本发明提供了一种耐交直流故障的交流侧级联型混合MMC拓扑，在确保大容量直流输电能力和交流波形质量的同时，解决了现有柔性直流输电系统难以应对交直流故障的问题，并且降低了MMC的成本与体积。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.耐交直流故障的交流侧级联型的混合MMC拓扑的控制方法，该拓扑包括直流侧的主支路和交流侧的辅助支路：所述主支路由半桥型子模块构成，用于系统稳态运行时的功率输送；所述辅助支路由全桥型子模块在交流侧级联构成，用于系统稳态时的运行优化与交直流故障穿越时的电压支撑；其特征在于，该方法包括以下步骤：
A1.交流侧的辅助支路在稳态运行时根据主支路中各桥臂的控制信号输出高频阶梯波，降低主支路输出的交流电压中的谐波，使得所述混合MMC拓扑输出的交流电压接近正弦波；
A2.交流侧的辅助支路根据系统的运行需求，输出幅值与相位均可控的交流电压，扩展所述混合MMC拓扑交流电压的运行范围以及无功功率的运行区间。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤A1包括以下子步骤：
A11.所述辅助支路的控制信号中含有用于平滑所述主支路输出的交流电压的阶梯波电压分量；
A12.所述辅助支路的控制信号中含有用于维持所述辅助支路中全桥型子模块电容电压恒定的基波电压分量；
A13.所述辅助支路应投入的全桥型子模块数由步骤A11与A12中的电压分量之和近似取整得到。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤A11中的阶梯波电压分量Vstep-j根据所述主支路中各桥臂的电压参考信号和投入子模块数的计算得到，其计算公式如下：
Figure FDA0003297641480000021
其中，j代表abc三相，Vup-j为所述主支路的j相上桥臂电压控制信号，Nup-j为所述主支路的j相上桥臂投入的子模块数，Vdn-j为所述主支路的j相下桥臂电压控制信号，Ndn-j为所述主支路的j相下桥臂投入的子模块数，VHB为所述主支路中的半桥型子模块的额定电压，函数f(x)＝round[x]表示对变量x进行近似取整。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤A12中的基波电压分量Vcap-j是通过将所述辅助支路中全桥型子模块的平均电容电压的实际值与参考值的差值经过比例控制器或比例积分控制器后生成的d轴电压分量，进行派克逆变换而得到的。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤A13中所述辅助支路应投入的全桥型子模块数的计算公式如下：
Figure FDA0003297641480000022
其中，VFB为所述辅助支路中的全桥型子模块的额定电压。
6.耐交直流故障的交流侧级联型的混合MMC拓扑的控制方法，该拓扑包括直流侧的主支路和交流侧的辅助支路：所述主支路由半桥型子模块构成，用于系统稳态运行时的功率输送；所述辅助支路由全桥型子模块在交流侧级联构成，用于系统稳态时的运行优化与交直流故障穿越时的电压支撑；其特征在于，该方法包括以下步骤：
B1.直流侧的主支路在直流故障期间通过旁路部分半桥型子模块以降低直流侧电压，从而抑制直流故障电流；
B2.交流侧的辅助支路在直流故障期间根据所述主支路中半桥型子模块的旁路占比率，输出基频交流电压以补偿因所述主支路的半桥型子模块旁路造成的交流电压跌落。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤B1包括以下子步骤：
B11.所述主支路将其各桥臂的电压控制信号乘以投入比Kinsert，稳态时Kinsert保持为1.0，直流故障期间通过降低Kinsert以实现旁路子模块的效果；
B12.投入比Kinsert根据所述主支路的直流电流特性计算得到，其计算公式如下：
Figure FDA0003297641480000031
其中，Idc为所述主支路的直流电流实际值，Idcn为所述主支路的直流电流参考值，KP为控制器中比例环节的比例系数，KD为控制器中微分环节的微分系数，Kenble为所述主支路进行直流故障穿越控制的使能信号；
B13.使能信号Kenble以所述主支路的直流电流变化率作为判据，当直流电流变化率大于动作值时Kenble＝1，当直流电流变化率小于返回值时Kenble＝0；
B14.投入比Kinsert的下限幅值Kmin在稳态时保持为1.0，直流故障期间迅速降低以允许投入比Kinsert降低。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤B13中的动作值根据所述主支路的额定直流电压以及与其相连直流线路中串联电感值计算得到。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤B14中下限幅值Kmin根据与所述主支路的直流侧母线相连接的所有直流线路的电压计算得到，其计算公式如下：
Figure FDA0003297641480000032
其中，Vlinei表示与所述主支路的直流侧母线相连接的第i条直流线路的电压，Vdcn为所述主支路的额定直流电压，N为与所述主支路的直流侧母线相连接的直流线路总数。
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