CN113189424A - 一种串联谐振的柔性直流换流阀运行试验拓扑及控制方法 - Google Patents

Abstract

一种串联谐振的柔性直流换流阀运行试验拓扑及控制方法，拓扑包括补能电源、第一试品阀段、第二试品阀段、串联谐振支路。串联谐振支路包括由上至下串联的谐振电感L和谐振电容C，补能电源包括调压器T1、整流变压器T2、三相整流桥、平波电抗器L01、滤波电容C01、补能开关T0、补能电抗L02和续流二极管D1；补能电抗L02的一端连接补能开关T0与续流二极管D1串联的中间点，另一端与串联谐振支路的谐振电感L上端连接；第一试品阀段与第二试品阀段的交流输出端直接连接，第一试品阀段的公共端连接谐振电感L上端。使试品阀段运行在与工程实际运行电流、电压、换流、开关频率等一致的工作状态，能够考核试品阀段功能和性能是否满足工程要求。

Description

一种串联谐振的柔性直流换流阀运行试验拓扑及控制方法

技术领域

本发明涉及柔性直流输电和电力电子应用技术领域，特别涉及一种串联谐振的柔性直流换流阀运行试验拓扑及控制方法。

背景技术

基于MMC拓扑的柔性直流输电在输电领域有着广泛的应用前景，而MMC-HVDC的核心部件是子模块，子模块组成阀段，由阀段组成换流器的6个桥臂。阀段的运行试验是为了考核MMC阀在柔性直流输电系统在实际工况下对电压、电流和热强度的耐受能力，是柔性直流输电工程设计中较为重要的环节，是柔直系统长期安全稳定运行的重要保证。

传统的运行试验装置拓扑为两个试品阀段中间加换流电抗，根据等效电压源换流原理实现两个试品阀段的交直流换流。试品阀段模块数一般5-8级，等效开关频率较低，因此要选用较大的换流电抗，这就导致等效压降较大，影响调制电压输出范围，进而导致电流可调节范围减小。

发明内容

为了解决背景技术提出的技术问题，本发明提供一种串联谐振的柔性直流换流阀运行试验拓扑及控制方法，使试品阀段运行在与工程实际运行电流、电压、换流、开关频率等一致的工作状态，能够考核试品阀段功能和性能是否满足工程要求。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种串联谐振的柔性直流换流阀运行试验拓扑，包括补能电源、第一试品阀段、第二试品阀段、串联谐振支路。

所述的串联谐振支路包括由上至下串联的谐振电感L和谐振电容C，谐振电感L上端连接补能电源，谐振电容C下端接地。LC谐振支路的谐振频率为50Hz。

所述的补能电源包括调压器T1、整流变压器T2、三相整流桥、平波电抗器L01、滤波电容C01、补能开关T0、补能电抗L02和续流二极管D1；调压器T1的二次侧依次经过整流变压器T2和三相整流桥整流后在滤波电容C01两端形成稳定的直流电压；补能开关T0与续流二极管D1串联后连接在滤波电容C01的两端，补能电抗L02的一端连接补能开关T0与续流二极管D1串联的中间点，另一端与串联谐振支路的谐振电感L上端连接；续流二极管D1的阳极和三相整流桥直流输出侧负极相连并作为运行试验拓扑的接地点；

第一试品阀段与第二试品阀段的交流AC输出端直接连接，第一试品阀段的公共端连接串联谐振支路的谐振电感L上端，第二试品阀段的公共端接地。

控制补能开关T0投切将补能电源能量经补能电抗L02输出到两个试品阀段，当T0关断时，试品阀段中流过的直流电流分量经续流二极管D1和补能电抗L02续流。

两个试品阀段与串联谐振支路串联形成谐振交流回路，通过分别控制两个试品阀段交流电压分量幅值产生需要的试验电流交流分量，分别控制两个试品阀段直流电压分量产生试验电流直流分量。

所述的一种串联谐振的柔性直流换流阀运行试验拓扑的控制方法，为分别控制左右两侧试品阀段控制电压中直流电压分量和交流电压分量，产生谐振的交流电流和直流电流；控制运行电流中交流分量达到交流设定值并通过直流分量的控制实现两侧电容电压平均值趋于一致；

包括第一试品阀段的控制方法、第二试品阀段的控制方法和补能电源开关控制方法。

进一步地，所述的第一试品阀段的控制方法具体包括如下：

第一试品阀段的交流分量的交流幅值为U1_acref，通过ω*t产生基准相角phi的U1_acref*sin(ωt)的瞬时参考电压；

第一试品阀段直流分量为设定的直流幅值U1_dcref，与U1_acref*sin(ωt)共同形成第一试品阀段的控制电压U1_ref。

进一步地，所述的第二试品阀段的控制方法具体包括如下：

第二试品阀段的控制电压U2_ref为第一试品阀段控制电压U1_ref加直流偏差电压Udc_delt同时减去交流偏差电压Uac_delt；

所述的交流偏差电压Uac_delt由运行电流交流分量给定值和反馈值Iac的偏差经PR控制器和限幅产生；运行电流交流分量给定值为设定的运行试验电流值，是由设定的运行试验电流的交流幅值Iac_ref通过ω*t产生基准相角phi的Iac_acref*sin(ωt)的瞬时参考电流；相位与第一试品阀段的交流分量相位一致，目标是控制运行电流交流分量与设定值一致；

直流偏差电压Udc_delt由第二试品阀段的电容电压平均值VC2_av和第一试品阀段的电容电压平均值VC1_av的偏差经PI控制器产生，目标是控制第一试品阀段和第二试品阀段的电容电压的一致。

进一步地，所述的补能电源开关控制方法具体包括如下：

将两个试品阀段的模块电压设定值VC12_set与两个试品阀段所有模块的平均值VC12_av的差值经PI控制后，与设定频率的三角载波比较，生成触发补能电源开关T0的脉冲，当高于三角载波时触通补能电源开关T0，低于三角载波时关闭补能电源开关T0。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明试验拓扑交流电流回路阻抗为LC串联谐振，其工频阻抗值很小，两个阀段很小的交流电压偏差就能形成较大的试验电流，相对于传统的带换流电抗的阀段运行试验平台，不会因为两侧电压幅值偏差较大而导致换流阀调制电压满调制使得运行电流受限。同时，由于直流、交流回路分开，串联谐振电路主设备电抗L和电容C的电流应力只有交流分量，而补能电源输出端的电抗L02由于只流过直流分量，因此运行试验拓扑的电抗、电容主设备的电气应力和体积都大幅减小。

附图说明

图1为本发明的柔性直流输电换流阀运行试验拓扑；

图2为本发明的运行试验拓扑交直流和补能电流回路；

图3为本发明的运行试验拓扑中第一试品阀段的交直流控制策略；

图4为本发明的运行试验拓扑中第二试品阀段的交直流控制策略；

图5为本发明的运行试验拓扑中补能电源控制策略；

图6为本发明的运行试验拓扑运行试验仿真结果-运行阀段1和2控制电压指令曲线；

图7为本发明的运行试验拓扑运行试验仿真结果-试品阀段电容电压曲线；

图8为本发明的运行试验拓扑运行试验仿真结果-运行试验电流曲线。

具体实施方式

以下结合附图对本发明提供的具体实施方式进行详细说明。

如图1所示，一种串联谐振的柔性直流换流阀运行试验拓扑，包括补能电源、第一试品阀段、第二试品阀段、串联谐振支路。

所述的串联谐振支路包括由上至下串联的谐振电感L和谐振电容C，谐振电感L上端连接补能电源，谐振电容C下端接地。LC谐振支路的谐振频率为50Hz。

所述的补能电源包括调压器T1、整流变压器T2、三相整流桥、平波电抗器L01、滤波电容C01、补能开关T0、补能电抗L02和续流二极管D1；调压器T1的二次侧依次经过整流变压器T2和三相整流桥整流后在滤波电容C01两端形成稳定的直流电压；补能开关T0与续流二极管D1串联后连接在滤波电容C01的两端，补能电抗L02的一端连接补能开关T0与续流二极管D1串联的中间点，另一端与串联谐振支路的谐振电感L上端连接；续流二极管D1的阳极和三相整流桥直流输出侧负极相连并作为运行试验拓扑的接地点；

第一试品阀段与第二试品阀段的交流AC输出端直接连接，第一试品阀段的公共端连接串联谐振支路的谐振电感L上端，第二试品阀段的公共端接地。

控制补能开关T0投切将补能电源能量经补能电抗L02输出到两个试品阀段，当T0关断时，试品阀段中流过的直流电流分量经续流二极管D1和补能电抗L02续流。

运行试验拓扑运行时电流通路如图2所示，两个试品阀段和串联LC谐振电路形成理论上零阻抗的交流通路，为了减小占地和体积，选择较小的谐振电抗和谐振电容作为LC串联谐振的主参数，如选择4mH电抗和2.5332mF的电容。存在三个电流回路分别是：交流回路，直流回路，补能回路，三个回路的工作原理分别为：

1)直流回路：两个试品阀段和补能电抗L02及续流二极管D1流过单向的直流分量，电流由图中第一试品阀段流向第二试品阀段，两侧阀段控制电压中包含直流分量和交流分量，对于直流功率来说，第二试品阀段吸收直流功率，第一试品阀段发出直流功率。

2)直流功率由第一试品阀段流向第二试品阀段，为了保持功率平衡，交流功率则应为第一试品阀段吸收交流功率，第二试品阀段发出交流功率，在两个试品阀段和LC串联谐振的交流回路中，运行电流与第二试品阀段交流相位趋于一致，与第一试品阀段交流相位相反。

3)当补能开关T0导通时补能电源串入阀段试验回路给阀段补能，由于补能电流的单向性，第二试品阀段吸收补能功率，由于直流功率从第一试品阀段流向第二试品阀段，因此通过间接调整直流功率实现对第一试品阀段的补能。

两个试品阀段与串联谐振支路串联形成谐振交流回路，通过分别控制两个试品阀段交流电压分量幅值产生需要的试验电流交流分量，分别控制两个试品阀段直流电压分量产生试验电流直流分量。

所述的一种串联谐振的柔性直流换流阀运行试验拓扑的控制方法，为分别控制左右两侧试品阀段控制电压中直流电压分量和交流电压分量，产生谐振的交流电流和直流电流；控制运行电流中交流分量达到交流设定值并通过直流分量的控制实现两侧电容电压平均值趋于一致；

包括第一试品阀段的控制方法、第二试品阀段的控制方法和补能电源开关控制方法。

1)如图3所示，所述的第一试品阀段的控制方法具体包括如下：

第一试品阀段的交流分量的交流幅值为U1_acref，通过ω*t产生基准相角phi的U1_acref*sin(ωt)的瞬时参考电压；

第一试品阀段直流分量为设定的直流幅值U1_dcref，与U1_acref*sin(ωt)共同形成第一试品阀段的控制电压U1_ref。

2)如图4所示，所述的第二试品阀段的控制方法具体包括如下：

第二试品阀段的控制电压U2_ref为第一试品阀段控制电压U1_ref加直流偏差电压Udc_delt同时减去交流偏差电压Uac_delt；

所述的交流偏差电压Uac_delt由运行电流交流分量给定值和反馈值Iac的偏差经PR控制器和限幅产生；运行电流交流分量给定值为设定的运行试验电流值，是由设定的运行试验电流的交流幅值Iac_ref通过ω*t产生基准相角phi的Iac_acref*sin(ωt)的瞬时参考电流；相位与第一试品阀段的交流分量相位一致，目标是控制运行电流交流分量与设定值一致；

直流偏差电压Udc_delt由第二试品阀段的电容电压平均值VC2_av和第一试品阀段的电容电压平均值VC1_av的偏差经PI控制器产生，目标是控制第一试品阀段和第二试品阀段的电容电压的一致。

3)如图5所示，所述的补能电源开关控制方法具体包括如下：

将两个试品阀段的模块电压设定值VC12_set与两个试品阀段所有模块的平均值VC12_av的差值经PI控制后，与设定频率的三角载波比较，生成触发补能电源开关T0的脉冲，当高于三角载波时触通补能电源开关T0，低于三角载波时关闭补能电源开关T0。

如图6-8所示，在仿真平台中搭建本说明中的运行试验拓扑并验证控制策略的有效性，运行试验阀段采用6个子模块级联半桥结构，模块额定电压2kV，运行试验交流电流1kA,直流电流350A，仿真结果验证了控制拓扑的设计合理、控制策略有效，因为没有电抗压降，第一试品阀段和第二试品阀段的导通模块个数差距很小并且同相位，图6所示。模块电压稳定并且模块间一致性较好，如图7所示。运行电流平稳且达到设定值如图8所示。

本发明试验拓扑通过调节调压器提高直流侧直流电压增加补能电源的输出功率，满足不同级数阀段功率模块补能需求，因此该拓扑支持的阀段包含模块级数不受限制。

本发明试验拓扑交流电流回路阻抗为LC串联谐振，其工频阻抗值很小，两个阀段很小的交流电压偏差就能形成较大的试验电流，相对于传统的带换流电抗的阀段运行试验平台，不会因为两侧电压幅值偏差较大而导致换流阀调制电压满调制使得运行电流受限。同时，由于直流、交流回路分开，串联谐振电路主设备谐振电抗L和谐振电容C的电流应力只有交流分量，而补能电源输出端的补能电抗L02由于只流过直流分量，因此运行试验拓扑的电抗、电容主设备的电气应力和体积都大幅减小。

本发明提出了基于串联谐振原理设计的柔性直流换流阀阀段运行试验拓扑并提出了控制方法，经仿真验证了拓扑的合理性和先进性以及控制方法的有效性。本发明不限定是半桥拓扑阀段，全桥、全半桥混联也在本专利的保护范围内。本发明控制方法在于分别控制左右两侧试品阀段控制电压交直流电压分量，产生谐振的交流电流和直流电流，控制方法不限于详细描述的控制策略，可根据本发明提出控制方法灵活调整具体控制环节，都在本发明保护范围。

以上实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于上述的实施例。上述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。

Claims (5)

1.一种串联谐振的柔性直流换流阀运行试验拓扑，其特征在于，包括补能电源、第一试品阀段、第二试品阀段、串联谐振支路；

所述的串联谐振支路包括由上至下串联的谐振电感L和谐振电容C，谐振电感L上端连接补能电源，谐振电容C下端接地；

所述的补能电源包括调压器T1、整流变压器T2、三相整流桥、平波电抗器L01、滤波电容C01、补能开关T0、补能电抗L02和续流二极管D1；调压器T1的二次侧依次经过整流变压器T2和三相整流桥整流后在滤波电容C01两端形成稳定的直流电压；补能开关T0与续流二极管D1串联后连接在滤波电容C01的两端，补能电抗L02的一端连接补能开关T0与续流二极管D1串联的中间点，另一端与串联谐振支路的谐振电感L上端连接；续流二极管D1的阳极和三相整流桥直流输出侧负极相连并作为运行试验拓扑的接地点；

第一试品阀段与第二试品阀段的交流AC输出端直接连接，第一试品阀段的公共端连接串联谐振支路的谐振电感L上端，第二试品阀段的公共端接地；

控制补能开关T0投切将补能电源能量经补能电抗L02输出到两个试品阀段，当T0关断时，试品阀段中流过的直流电流分量经续流二极管D1和补能电抗L02续流；

两个试品阀段与串联谐振支路串联形成谐振交流回路，通过分别控制两个试品阀段交流电压分量幅值产生需要的试验电流交流分量，分别控制两个试品阀段直流电压分量产生试验电流直流分量。

2.权利要求1所述的一种串联谐振的柔性直流换流阀运行试验拓扑的控制方法，其特征在于，所述的控制方法为分别控制左右两侧试品阀段控制电压中直流电压分量和交流电压分量，产生谐振的交流电流和直流电流；控制运行电流中交流分量达到交流设定值并通过直流分量的控制实现两侧电容电压平均值趋于一致；

包括第一试品阀段的控制方法、第二试品阀段的控制方法和补能电源开关控制方法。

3.根据权利要求2所述的一种串联谐振的柔性直流换流阀运行试验拓扑的控制方法，其特征在于，所述的第一试品阀段的控制方法具体包括如下：

第一试品阀段的交流分量的交流幅值为U1_acref，通过ω*t产生基准相角phi的U1_acref*sin(ωt)的瞬时参考电压；

第一试品阀段直流分量为设定的直流幅值U1_dcref，与U1_acref*sin(ωt)共同形成第一试品阀段的控制电压U1_ref。

4.根据权利要求2所述的一种串联谐振的柔性直流换流阀运行试验拓扑的控制方法，其特征在于，所述的第二试品阀段的控制方法具体包括如下：

第二试品阀段的控制电压U2_ref为第一试品阀段控制电压U1_ref加直流偏差电压Udc_delt同时减去交流偏差电压Uac_delt；

所述的交流偏差电压Uac_delt由运行电流交流分量给定值和反馈值Iac的偏差经PR控制器和限幅产生；运行电流交流分量给定值为设定的运行试验电流值，是由设定的运行试验电流的交流幅值Iac_ref通过ω*t产生基准相角phi的Iac_acref*sin(ωt)的瞬时参考电流；相位与第一试品阀段的交流分量相位一致，目标是控制运行电流交流分量与设定值一致；

直流偏差电压Udc_delt由第二试品阀段的电容电压平均值VC2_av和第一试品阀段的电容电压平均值VC1_av的偏差经PI控制器产生，目标是控制第一试品阀段和第二试品阀段的电容电压的一致。

5.根据权利要求2所述的一种串联谐振的柔性直流换流阀运行试验拓扑的控制方法，其特征在于，所述的补能电源开关控制方法具体包括如下：

将两个试品阀段的模块电压设定值VC12_set与两个试品阀段所有模块的平均值VC12_av的差值经PI控制后，与设定频率的三角载波比较，生成触发补能电源开关T0的脉冲，当高于三角载波时触通补能电源开关T0，低于三角载波时关闭补能电源开关T0。

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