CN112350345B - 模块化多电平换流器阻抗校正装置设计方法及校正装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种模块化多电平换流器阻抗校正装置设计方法以及阻抗校正装置，该阻抗校正装置接入模块化多电平换流器交流网侧，根据换流器阻抗校正的频率需求，通过特定的设计方法可以得到阻抗校正装置各设备参数。通过一次设备手段，在模块化多电平换流器交流侧引入电容、电感设备，直接准确的改善其交流阻抗特性，避免了通过控制手段难以准确、有效的解决振荡的问题，使得柔性直流换流器的阻抗特性由一次设备主导，降低或削弱复杂的控制系统及其长链路延时对其阻抗特性的不利影响，提高系统运行稳定性。

Description

模块化多电平换流器阻抗校正装置设计方法及校正装置
技术领域
本发明涉及柔性直流输电相关技术领域，尤其涉及一种模块化多电平换流器阻抗校正装置设计方法、阻抗校正装置以及一种采用该阻抗校正装置的模块化多电平换流器系统。
背景技术
基于电压源型换流器的柔性直流输电技术因其有功、无功控制快速灵活，可为交流电网提供电压支撑，无换相失败等优势，近年来得到大力研究与应用。相比于传统两电平、三电平换流器拓扑，模块化多电平换流器拓扑采用子模块级联方式，更易实现高电压等级，降低交流谐波，极大地提升了高压柔性直流输电工程的可行性，促进了柔性直流输电技术的发展及其工程推广应用。
然而随着基于模块化多电平换流器的柔性直流输电工程的陆续投运，实际工程也相继中出现了以往交流工程和常规直流工程中不曾出现的新型振荡问题，引发电能质量和热稳定问题，严重时还因过电压、过电流而导致系统停运，对系统造成巨大损失。例如渝鄂背靠背柔直工程调试中曾两次出现高频谐振现象，振荡频率分别为1.8kHz和650Hz，鲁西背靠背直流工程一端柔直换流站通过长距离线路接入交流电网，此时发生了1.2kHz左右的高频振荡，导致联结变压器分接头损坏，造成系统停运。
随着国内外柔性直流输电工程的不断建设，此类互联系统的谐波稳定性问题成为亟待解决的重大问题。与两电平电压源型换流器相比，模块化多电平换流器拓扑具有更为复杂的内部动态行为，因此其振荡稳定性问题和控制非常复杂。此外，工程中的模块化多电平换流器的控制系统链路延时较长，这使得针对某一频率进行振荡抑制的控制策略无法按照预期及时、准确的调节换流器输出，进而无法准确调节该频率下换流器阻抗，并会对其他频段的阻抗特性产生不确定的控制作用。由此可见，通过控制手段有效解决振荡问题十分困难。为此，有必要从一次设备层面，研究改善柔性直流换流器阻抗特性的设备，使得柔性直流换流器的阻抗特性由一次设备主导，降低或削弱复杂的控制系统及其长链路延时对换流器阻抗特性的不利影响，提高系统运行稳定性。
发明内容
基于现有技术的上述情况，本发明的目的在于提供一种模块化多电平换流器阻抗校正装置设计方法以及阻抗校正装置，该阻抗校正装置接入模块化多电平换流器交流网侧，根据换流器阻抗校正的频率需求，通过特定的设计方法可以得到阻抗校正装置各设备参数，从而达到调节模块化多电平换流器特定频率及附近频率交流侧阻抗的目的，避免换流器与交流系统发生谐振，提高设备运行安全性。
为达到上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种模块化多电平换流器阻抗校正装置设计方法，包括步骤：
根据模块化多电平换流器交流侧阻抗特性，选取需要进行换流器阻抗校正的频率点fop以及阻抗校正支路串联谐振频率点fos；
计算阻抗校正装置中的电感器取值Lic：
Figure BDA0002748522310000021
其中，LMMC为模块化多电平换流器等效电感归算到交流网侧的电感值；
计算阻抗校正装置中的电容器取值Cic：
Figure BDA0002748522310000022
进一步的，所述LMMC的取值包括，
若模块化多电平换流器中存在交流变压器，则LMMC＝Lt+Larm/2；
否则LMMC＝Larm/2；
其中，Lt为模块化多电平换流器交流变压器等效漏感，Larm为模块化多电平换流器桥臂电抗换算到交流网侧的电感值。
进一步的，所述fos高于fop。
进一步的，针对所述计算得到的电感器取值Lic和电容器取值Cic，校核是否满足预设条件，若不满足，则对换流器阻抗校正的频率点fop以及阻抗校正支路串联谐振频率点fos进行修正，并重复如权利要求1所述的各步骤，直至校核满足预设条件。
进一步的，所述预设条件包括，根据所述计算得到的电感器取值Lic和电容器取值Cic得到的电感器和电容器设备的成本和体积。
根据本发明的第二个方面，提供一种模块化多电平换流器阻抗校正装置，包括电感器和电容器，所述电感器和电容器串联连接，所述电感器和电容器的取值由如上文中本发明第一个方面所提供的方法确定。
进一步的，所述阻抗校正装置的一端连接模块化多电平换流器的交流网侧端口，另一端连接地电位。
进一步的，所述阻抗校正装置包括三相支路，各相支路的结构和参数均相同。
根据本发明的第三个方面，一种模块化多电平换流器系统，包括模块化多电平换流器和阻抗校正装置，所述阻抗校正装置包括如本发明第二个方面所述的阻抗校正装置。
综上所述，本发明提供了一种模块化多电平换流器阻抗校正装置设计方法以及阻抗校正装置，该阻抗校正装置接入模块化多电平换流器交流网侧，根据换流器阻抗校正的频率需求，通过特定的设计方法可以得到阻抗校正装置各设备参数。通过一次设备手段，在模块化多电平换流器交流侧引入电容、电感设备，直接准确的改善其交流阻抗特性，避免了通过控制手段难以准确、有效的解决振荡的问题，使得柔性直流换流器的阻抗特性由一次设备主导，降低或削弱复杂的控制系统及其长链路延时对其阻抗特性的不利影响，提高系统运行稳定性。
附图说明
图1是模块化多电平换流器电路结构示意图；
图2是本发明模块化多电平换流器阻抗校正装置及其接入位置的示意图；
图3是本发明模块化多电平换流器阻抗校正装置设计方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。图1示出了模块化多电平换流器电路结构示意图，图1中示出的模块化多电平换流器包括六个桥臂，单个桥臂由多个子模块级联并串联桥臂电抗器构成，通过子模块投切控制形成期望的交流端口电压，进而控制其与交流系统的功率传输。通常，模块化多电平换流器受其调制度约束，交流侧需要接入变压器，实现网侧交流系统电压与其阀侧输出电压的匹配，此时变压器网侧即作为换流器的交流侧端口。个别情况下，网侧交流系统电压与换流器阀侧输出电压范围匹配，则无需接入变压器，此时，换流器接入交流系统的连接端口即可作为其交流侧端口。
模块化多电平换流器在开环控制情况下，其交流侧等效电感由桥臂电抗器和变压器漏抗决定，将交流侧电感统一归算到交流网侧，得到换流器交流侧等效电感LMMC＝Lt+Larm/2，其中，Lt和Larm分别为模块化多电平换流器变压器等效漏感和桥臂电抗换算到交流网侧的电感值。若换流器不接入变压器，则其等效电感表示为LMMC＝Larm/2。
开环控制无法调节换流器输出电压，进而无法对换流器交流功率进行可控调节，因此，模块化多电平换流器通常采用电压、电流闭环控制。此时换流器的阻抗特性将不单纯的由等效电感组成，而是叠加了一部分控制引起的阻抗分量。工程中的模块化多电平换流器的控制系统链路延时较长，这使得针对直流分量和基频进行的负反馈控制可能在其他某些高频段下变为正反馈控制，从而导致该频段下换流器输出呈现负阻尼特性，容易与所接入的交流系统发生谐振问题，影响换流器安全稳定运行。为此需要采取必要的手段，避免谐振问题发生。
若通过控制手段进行振荡抑制，则同样由于控制链路延时的作用，针对某一频率进行振荡抑制的控制策略无法按照预期及时、准确的调节换流器输出，进而无法准确调节该频率下换流器阻抗，并会对其他频段的阻抗特性产生不确定的控制作用。由此可见，通过控制手段有效解决振荡问题十分困难。为此，有必要从一次设备层面，研究改善柔性直流换流器阻抗特性的设备，使得柔性直流换流器的阻抗特性由一次设备主导，降低或削弱复杂的控制系统及其长链路延时对换流器阻抗特性的不利影响，提高系统运行稳定性。
根据本发明的一个实施例，提供了一种模块化多电平换流器阻抗校正装置，旨在从一次设备层面，直接有效的改善换流器阻抗特性。该模块化多电平换流器阻抗校正装置如图2所示，以包括A、B、C三相支路为例，各相支路结构和参数相同，分别由电感器与电容器串联构成，三相支路一端分别接入所述模块化多电平换流器的A、B、C相交流网侧端口，另一端三相间相连，接入地电位。通过对阻抗校正装置合理的参数设计，可以对所期望的频段进行阻抗改善。根据本发明的第二个实施例，提供了一种针对该模块化多电平换流器阻抗校正装置的设计方法，该方法的流程图如图3所示，包括步骤：
A、获取模块化多电平换流器交流侧阻抗特性，根据该交流侧阻抗特性，选取需要进行换流器阻抗校正的频率点fop以及阻抗校正支路串联谐振频率fos，其中，fos高于fop。
B、计算阻抗校正装置中的电感器取值Lic：
Figure BDA0002748522310000051
其中，LMMC为模块化多电平换流器等效电感归算到交流网侧的值，若模块化多电平换流器存在交流变压器，则LMMC＝Lt+Larm/2，否则LMMC＝Larm/2。其中，Lt和Larm分别为模块化多电平换流器变压器等效漏感和桥臂电抗换算到交流网侧的电感值。
C、计算阻抗校正装置中的电容器参数取值Cic：
Figure BDA0002748522310000061
D、校核计算得到的电感器、电容器设备成本、体积等是否满足预设要求，若满足，则设计完成，若不满足则对换流器需要进行阻抗校正的频率点fop以及阻抗校正支路串联谐振频率点fos进行修正，并重复步骤B到D。
通常，在特定运行电压下，阻抗校正装置内的电感器、电容器的不同参数取值会对其成本和体积影响较大，而这些参数取决于需要进行换流器阻抗校正的频率点fop、阻抗校正支路串联谐振频率fos以及换流器等效电感LMMC等参数，后者是换流器主回路的固有参数，无法改变，而前两者，特别是fos参数，其选取依据并无特别明确的限制，可调节裕度较大，因此，可以通过修正反复调制fop和fos的取值，对电感器、电容器参数进行合理调整，最终寻找一组既满足阻抗校正需求，又兼顾成本和体积约束的参数取值。根据某些实施例，若为了提高换流器阻尼，也可在本实施例所述阻抗校正装置的电感器上并联电阻器或在电感、电容串联支路串联电阻器。
根据本发明的第三个实施例，提供了一种模块化多电平换流器系统，该模块化多电平换流器系统包括模块化多电平换流器和阻抗校正装置。其中，模块化多电平换流器的结果可以如图1所示的结构，也可以采用本领域中其他常见的模块化多电平换流器拓扑结构。阻抗校正装置可以选用如本发明第一实施例中所提供的阻抗校正装置，并采用第二实施例中所提供的参数设计方法对其中的电容器和电感器参数进行设计。
综上所述，本发明涉及一种模块化多电平换流器阻抗校正装置设计方法、阻抗校正装置、以及采用该阻抗校正装置的模块化多电平换流器系统，通过一次设备手段，在模块化多电平换流器交流侧引入电容、电感设备，直接准确的改善其交流阻抗特性，避免了通过控制手段难以准确、有效的解决振荡的问题，使得柔性直流换流器的阻抗特性由一次设备主导，降低或削弱复杂的控制系统及其长链路延时对其阻抗特性的不利影响，提高系统运行稳定性。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (7)

1.一种模块化多电平换流器阻抗校正装置设计方法，其特征在于，包括步骤：
根据模块化多电平换流器交流侧阻抗特性，选取需要进行换流器阻抗校正的频率点fop以及阻抗校正支路串联谐振频率点fos；
计算阻抗校正装置中的电感器取值Lic：
Figure FDA0004090652550000011
其中，LMMC为模块化多电平换流器等效电感归算到交流网侧的电感值；
计算阻抗校正装置中的电容器取值Cic：
Figure FDA0004090652550000012
针对所述计算得到的电感器取值Lic和电容器取值Cic，校核是否满足预设条件，若不满足，则对换流器阻抗校正的频率点fop以及阻抗校正支路串联谐振频率点fos进行修正，并重复以上的所有步骤，直至校核满足预设条件；
所述预设条件包括，根据所述电感器取值Lic和电容器取值Cic设计的电感器和电容器设备的成本和体积是否满足设计要求。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述LMMC的取值包括，
若模块化多电平换流器中存在交流变压器，则LMMC＝Lt+Larm/2；
否则LMMC＝Larm/2；
其中，Lt为模块化多电平换流器交流变压器等效漏感，Larm为模块化多电平换流器桥臂电抗换算到交流网侧的电感值。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述fos高于fop。
4.一种模块化多电平换流器阻抗校正装置，其特征在于，包括电感器和电容器，所述电感器和电容器串联连接，所述电感器和电容器的取值由如权利要求1-3中任意一项的方法确定。
5.根据权利要求4所述的阻抗校正装置，其特征在于，所述阻抗校正装置的一端连接模块化多电平换流器的交流网侧端口，另一端连接地电位。
6.根据权利要求5所述的阻抗校正装置，其特征在于，所述阻抗校正装置包括三相支路，各相支路的结构和参数均相同。
7.一种模块化多电平换流器系统，其特征在于，包括模块化多电平换流器和阻抗校正装置，所述阻抗校正装置包括如权利要求4-6中任意一项所述的阻抗校正装置。
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