CN114499239A - 直流输电混合换流器及其控制方法 - Google Patents

直流输电混合换流器及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本公开提出一种直流输电混合换流器及其控制方法，混合换流器包括混合换流器主电路模块和控制模块；主电路模块包括晶闸管换流器、模块化多电平换流器和连接变压器，晶闸管换流器的交流端连接三相交流电网，晶闸管换流器的直流正端连接直流输电线路，模块化多电平换流器的交流端经连接变压器连接三相交流电网，模块化多电平换流器的直流端分别与晶闸管换流器的直流负端和直流输电线路连接，控制模块与主电路模块连接；晶闸管换流器用于交直流转换，控制模块获得控制脉冲信号以控制模块化多电平换流器实现直流输电线路电流控制，并实现对晶闸管换流器的无功补偿和谐波消除。根据本公开的混合换流器消除谐波提供无功补偿并降低换流站的占地面积。

Description

直流输电混合换流器及其控制方法
技术领域
本公开涉及直流输电技术领域，尤其涉及一种直流输电混合换流器及其控制方法。
背景技术
我国能源与负荷中心分布的特点决定了高压直流输电是实现大规模远距离电能输送的重要途径。基于晶闸管换流器(Line Commutated Converter,LCC)的常规直流输电技术(LCC-HVDC)具有成本低、效率高、可实现电压和容量等级高等优点，仍是目前远距离大容量输电的主要方式。由于晶闸管换流器是半控器件，因此控制速度响应较慢，直流电压和直流电流的动态响应特性也较差。晶闸管换流器不仅不具备动态无功控制能力，而且会消耗无功，并产生较大的谐波电流，需要大量的无源滤波器和无功补偿设备。无源滤波和无功补偿设备的占地占换流站占地面积的绝大部分，导致直流输电换流站占地面积巨大的问题。模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)技术的发展为直流输电提供了新的发展方向，基于MMC的柔性直流输电技术具有控制快速灵活，谐波小、对电网容量无要求等优点，在近些年得到了非常快速的发展。综合LCC和MMC的各自的优点，构成混合换流器，可以综合提高直流输电的技术经济性、适用性和灵活性，使其可以更为广泛地适用于电网的各种应用需求。
在现有远距离大容量输电直流系统中，最主要的方式仍然是采用晶闸管换流器技术，通过延迟触发角控制晶闸管换流器的直流电压和电流。晶闸管换流器可实现的电压等级和容量高，目前已投运工程电压最高已经达到±1100kV。另外，晶闸管换流器具有技术成熟、成本低、损耗低等优点。但是由于晶闸管器件只能控制开通，不能控制关断，因此只能采用延迟触发的控制方式，对于直流电压和直流电流的控制速度响应慢，动态特性较差。由于采用延迟触发方式，晶闸管换流器还需要消耗无功功率，而且交流电流含有较大的谐波成分。目前在晶闸管换流站需要加装大量的无功补偿和滤波支路，而无功补偿和滤波支路的占地面积远超过晶闸管换流器阀厅的占地面积，占换流站占地面积的绝大部分。这导致晶闸管换流器占地面积庞大，是晶闸管换流器直流输电技术的主要缺点之一。
相对于晶闸管换流器技术，电压源换流器技术采用全控开关器件和脉冲宽度调制技术，可以灵活和快速地控制有功功率和无功功率，并能够实现有功功率和无功功率的解耦控制，而且具有谐波电流小的优点。随着模块化多电平换流器(MMC)技术的出线，基于模块化多电平换流器的柔性直流输电技术在近些年已经得到快速发展。基于MMC的柔性直流输电技术具有控制快速灵活，谐波小、对电网容量无要求等优点。但是MMC采用全控开关器件，成本较高，并且可实现的电压等级和容量仍距离晶闸管换流器有差距。MMC内部大量的子模块需要采用较大的直流电容，导致MMC电容用量巨大，导致MMC阀厅的占地甚至要大于晶闸管换流器阀厅。
为了充分发挥晶闸管换流器和模块化多电平换流器的优点，近年来基于LCC和MMC的混合直流输电技术也开始得到应用。但是目前两种技术方式的混合还主要是通过两种换流站的组合方式。例如在送端采用LCC换流站，在受端采用MMC换流站，构成LCC-MMC混合直流输电。虽然从整个系统来看，这在送端发挥了LCC成本低、容量大的优势，在受端发挥了MMC无换相失败问题的优势，但是在每个换流站仍然存在由所采用的换流器方式所带来的上述问题，并没有在换流器层面结合两种换流技术的优点。
发明内容
本公开旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本公开的第一个目的在于提出一种直流输电混合换流器，以解决现有技术中晶闸管换流器延迟触发控制方法对直流输电线路电流控制响应速度慢的问题，以及晶闸管换流器延迟触发模式消耗无功功率且交流电流含有较大的谐波的问题。
本公开的第二个目的在于提出一种直流输电混合换流器的控制方法。
为达上述目的，本公开第一方面实施例提出了一种直流输电混合换流器，包括：
混合换流器主电路模块和控制模块；所述混合换流器主电路模块包括晶闸管换流器、模块化多电平换流器和连接变压器，所述晶闸管换流器的交流端连接三相交流电网，所述晶闸管换流器的直流正端连接直流输电线路，所述模块化多电平换流器的输入端经所述连接变压器连接所述三相交流电网，所述模块化多电平换流器的直流正端与所述晶闸管换流器的直流负端连接，所述模块化多电平换流器的直流负端用于连接直流输电线路，所述控制模块与所述混合换流器主电路模块连接；
所述晶闸管换流器用于将三相交流电网的交流电转换为直流电，所述模块化多电平换流器用于基于所述控制模块的控制实现直流输电线路电流的控制和对所述晶闸管换流器的无功补偿和谐波消除，所述控制模块用于获取所述晶闸管换流器的交流端电压、所述模块化多电平换流器所有子模块电容电压、所述晶闸管换流器的交流端电流和所述模块化多电平换流器的直流负端电流，进而计算得到所述模块化多电平换流器的各桥臂的参考电压，并利用所述参考电压获得控制脉冲信号，以对所述模块化多电平换流器进行控制。
本公开实施例的直流输电混合换流器，在正常运行时，模块化多电平换流器起到直流输电线路电流的控制和有源滤波器的作用，动态补偿晶闸管换流器所发出的谐波电流，以实现谐波消除。另外，模块化多电平换流器还起到动态无功补偿器的作用，由此在混合换流器的交流侧无需常规晶闸管换流器所需的大量的无功补偿和滤波设备，减少了换流站的占地面积，解决了现有技术中晶闸管换流器延迟触发控制方法对直流输电线路电流控制响应速度慢的问题，以及晶闸管换流器延迟触发模式消耗无功功率且交流电流含有较大的谐波的问题，以及现有技术中在换流器的交流侧使用大量的无功补偿和滤波设备导致的换流站的占地面积大的问题。
在本公开第一方面实施例的一种直流输电混合换流器中，所述晶闸管换流器为十二脉动晶闸管换流器，所述十二脉动晶闸管换流器包括两个换流变压器、两个六脉动晶闸管换流器。
在本公开第一方面实施例的一种直流输电混合换流器中，每个所述换流变压器接入一个六脉动晶闸管换流器，两个所述换流变压器的副变绕组电压相差30度。
在本公开第一方面实施例的一种直流输电混合换流器中，所述模块化多电平换流器为三相MMC结构。
在本公开第一方面实施例的一种直流输电混合换流器中，所述控制模块包括锁相环，所述锁相环基于获取的晶闸管换流器的交流端电压得到电网电压同步角，所述控制模块基于所述电网电压同步角、所述模块化多电平换流器所有子模块电容电压、所述晶闸管换流器的交流端电流和所述模块化多电平换流器的直流负端电流，进而计算得到所述模块化多电平换流器的各桥臂的参考电压。
在本公开第一方面实施例的一种直流输电混合换流器中，所述控制模块设置有设定的直流输电线路电流目标值、模块化多电平换流器无功电流目标值和子模块电容电压目标值，所述控制模块基于所述电网电压同步角、所述子模块电容电压目标值、模块化多电平换流器所有子模块电容电压、所述无功电流目标值和所述晶闸管换流器的交流端电流获得模块化多电平换流器三相参考电流值，并基于所述直流输电线路电流目标值和模块化多电平换流器的直流负端电流获得模块化多电平换流器直流电压参考值；
所述控制模块包括电流控制单元，所述电流控制单元基于所述模块化多电平换流器三相参考电流值获得模块化多电平换流器三相交流电压参考值；
所述控制模块基于所述模块化多电平换流器直流电压参考值和所述模块化多电平换流器三相交流电压参考值，计算得到所述模块化多电平换流器的各桥臂的参考电压。
在本公开第一方面实施例的一种直流输电混合换流器中，所述模块化多电平换流器三相参考电流值包括模块化多电平换流器三相谐波补偿电流参考值；所述控制模块包括谐波检测单元，所述谐波检测单元通过谐波电流检测算法对所述晶闸管换流器的交流端电流进行谐波检测获得所述模块化多电平换流器三相谐波补偿电流参考值。
在本公开第一方面实施例的一种直流输电混合换流器中，所述控制模块包括脉冲宽度调制单元，所述脉冲宽度调制单元用于利用所述参考电压获得控制脉冲信号。
为达上述目的，本公开第二方面实施例提出了一种应用于在本公开第一方面实施例的直流输电混合换流器的控制方法，包括：
获取晶闸管换流器的交流端电压，以得到电网电压同步角，并将所述晶闸管换流器的触发角设置为0；
获取模块化多电平换流器所有子模块电容电压计算得到子模块电容电压平均值，基于设定的模块化多电平换流器子模块电容电压目标值和所述子模块电容电压平均值，获得子模块电容电压偏差信号，基于所述子模块电容电压偏差信号获得模块化多电平换流器有功电流目标值，利用所述有功电流目标值和所述电网电压同步角获得模块化多电平换流器三相有功电流参考值；
基于设定的模块化多电平换流器无功电流目标值和所述电网电压同步角获得模块化多电平换流器三相无功电流参考值；
获取晶闸管换流器三相交流输入电流瞬时值，并进行谐波检测，以获得模块化多电平换流器三相谐波补偿电流参考值；
基于所述三相有功电流参考值、三相无功电流参考值和三相谐波补偿电流参考值获得模块化多电平换流器三相参考电流值，并将所述模块化多电平换流器三相参考电流值转化成模块化多电平换流器三相交流电压参考值；
获取模块化多电平换流器的直流负端电流，基于所述模块化多电平换流器的直流负端电流和设定的直流输电线路电流目标值获得直流输电线路电流偏差信号，基于所述直流输电线路电流偏差信号获得模块化多电平换流器直流电压参考值；
基于所述模块化多电平换流器三相交流电压参考值和所述模块化多电平换流器直流电压参考值获得模块化多电平换流器的各桥臂的参考电压，对所述各桥臂的参考电压进行脉冲宽度调制获得模块化多电平换流器的控制脉冲信号。
本公开实施例的直流输电混合换流器的控制方法，在正常运行时，晶闸管换流器仅需工作在触发角为零的运行方式，获取控制脉冲信号对模块化多电平换流器进行控制，以实现对传输功率的控制，以及使模块化多电平换流器起到直流输电线路电流的控制和有源滤波器的作用，动态补偿晶闸管换流器所发出的谐波电流，从而实现谐波消除。另外，通过控制模块化多电平换流器，以使其起到动态无功补偿器的作用，由此在混合换流器的交流侧无需常规晶闸管换流器所需的大量的无功补偿和滤波设备，减少了换流站的占地面积，解决了现有技术中晶闸管换流器延迟触发控制方法对直流输电线路电流控制响应速度慢的问题，以及晶闸管换流器延迟触发模式消耗无功功率且交流电流含有较大的谐波，以及现有技术中在换流器的交流侧使用大量的无功补偿和滤波设备导致的换流站的占地面积大的问题。
在本公开第二方面实施例的一种直流输电混合换流器的控制方法中，还包括若检测到直流输电线路发生短路故障，将所述晶闸管换流器的触发角设置为大于90度，同时将所述模块化多电平换流器的脉冲全部闭锁。
本公开附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本公开的实践了解到。
附图说明
本公开上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本公开实施例所提供的一种直流输电混合换流器的结构示意图；
图2为本公开实施例所提供的一种直流输电混合换流器的主电路结构示意图；
图3为本公开实施例所提供的直流输电混合换流器中的十二脉动晶闸管换流器结构示意图；
图4为本公开实施例所提供的直流输电混合换流器的模块化多电平换流器结构示意图；
图5为本公开实施例所提供的模块化多电平换流器的半桥子模块结构示意图；
图6为本公开实施例所提供的模块化多电平换流器的全桥子模块结构示意图；
图7为本公开实施例所提供的模块化多电平换流器的单向电流型全桥子模块结构示意图；
图8为本公开实施例所提供的模块化多电平换流器的单向电流型钳位双子模块结构示意图；
图9为本公开实施例所提供的直流输电混合换流器的控制方法的示意图；
图10为本公开实施例所提供的一种直流输电混合换流器的控制方法的流程示意图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开实施例相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开实施例的一些方面相一致的装置和方法的例子。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本公开的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。还应当理解，本公开中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
下面详细描述本公开的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本公开，而不能理解为对本公开的限制。
下面结合具体的实施例对本公开进行详细说明。
图1为本公开实施例所提供的一种直流输电混合换流器的结构示意图。
本公开实施例提供了直流输电混合换流器，以解决现有技术中晶闸管换流器延迟触发控制方法对直流输电线路电流控制响应速度慢的问题，以及晶闸管换流器消耗无功功率且交流电流含有较大的谐波的问题。如图1所示，本公开实施例提供的直流输电混合换流器包括混合换流器主电路模块和控制模块。其中，混合换流器主电路模块包括晶闸管换流器、模块化多电平换流器和连接变压器。
在本实施例中，如图1所示，晶闸管换流器的交流端连接三相交流电网，晶闸管换流器的直流正端连接直流输电线路，模块化多电平换流器的输入端经连接变压器连接三相交流电网，模块化多电平换流器的直流正端与晶闸管换流器的直流负端连接，模块化多电平换流器的直流负端用于连接直流输电线路，控制模块与混合换流器主电路模块连接。其中，晶闸管换流器的交流端可以看做为直流输电混合换流器的三相交流输入端，晶闸管换流器直流正端形成直流输电混合换流器的直流正端，模块化多电平换流器的直流负端形成直流输电混合换流器的直流负端。
在本实施例中，晶闸管换流器用于将三相交流电网的交流电转换为直流电。晶闸管换流器还用于承担主要功率变换和传输功能。
图2为本公开实施例所提供的一种直流输电混合换流器的主电路结构示意图。图3为本公开实施例所提供的直流输电混合换流器中的十二脉动晶闸管换流器结构示意图。
在本实施例中，如图2所示，晶闸管换流器可以为十二脉动晶闸管换流器。十二脉动晶闸管换流器的交流端(也即交流输入端)为直流输电混合换流器的三相交流输入端，十二脉动晶闸管换流器的交流端经连接变压器与模块化多电平换流器连接。十二脉动晶闸管换流器的直流负端与模块化多电平换流器的直流正端相连接。
在本实施例中，如图3所示，十二脉动晶闸管换流器包括两个换流变压器、两个六脉动晶闸管换流器和一个直流平波电抗器。其中，图3中的V1～V12为晶闸管阀，Ld为直流平波电抗器。A、B、C为十二脉动晶闸管换流器的交流端，DC+为十二脉动晶闸管换流器的直流正端，DC-为十二脉动晶闸管换流器的直流负端。
在本实施例中，如图3所示，换流变压器1和换流变压器2分别接入一个六脉动晶闸管换流器。两个换流变压器的副变绕组电压相差30度。
在本实施例中，运行原理方面，不改变直流输电混合换流器中的十二脉动晶闸管换流器原有拓扑结构和控制方法。为解决十二脉动晶闸管换流器延迟触发控制响应速度慢的问题，以及十二脉动晶闸管换流器的消耗无功功率且交流电流含有较大的谐波的问题，如图3所示，将直流电压可变型模块化多电平换流器并联于十二脉动晶闸管换流器的交流侧，串联于十二脉动晶闸管换流器的直流侧，通过模块化多电平换流器直流电压的变化实现直流输电线路电流的控制，并通过模块化多电平换流器的交流电流输出实现无功补偿和谐波消除功能。
图4为本公开实施例所提供的直流输电混合换流器的模块化多电平换流器结构示意图。在本实施例中，如图4所示，模块化多电平换流器为三相MMC结构。三相模块化多电平换流器的每一相包括上桥臂和下桥臂，每个桥臂分别由N个相同的全控型电压源子模块级联构成。每一相的上桥臂下端和下桥臂上端各通过一个电感L连接在一起，电感中点成为该相的交流输入端，三相的交流输入端分别对应十二脉动晶闸管换流器的交流端A、B、C，所有相的上桥臂上端连接在一起成为直流正端，所有相的下桥臂下端连接在一起成为直流负端。
在一些实施例中，图5为本公开实施例所提供的模块化多电平换流器的半桥子模块结构示意图。图5所示的半桥子模块包括2组反并联的IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor，绝缘栅双极型晶体管)(S1和S2)和二极管(D1和D2)，以及储能电容C1。附图5所示的半桥子模块是模块化多电平换流器中最为常用的子模块。
图6为本公开实施例所提供的模块化多电平换流器的全桥子模块结构示意图；图7为本公开实施例所提供的模块化多电平换流器的单向电流型全桥子模块结构示意图；图8为本公开实施例所提供的模块化多电平换流器的单向电流型钳位双子模块结构示意图。在本实施例中，模块化多电平换流器为了实现可变直流电压，模块化多电平换流器每个桥臂需要包含具有负压输出能力的子模块。此时模块化多电平换流器也可以称为直流电压可变型模块化多电平换流器。具有负压输出能力子模块的主要类型可以是图6所示的全桥子模块、图7所示的单向电流型全桥子模块或图8所示的单向电流型钳位双子模块。其中图6所示的全桥子模块包括四组反并联的IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)(S1至S4)和二极管(D1至D4)，以及储能电容C1。
图7所示的单向电流型全桥子模块包括两组反并联的IGBT(Insulated GateBipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)(S1和S2)和二极管(D1和D2)，两个二极管(D3和D4)，以及储能电容C1。图8所示的单向电流型钳位双子模块包括三组反并联的IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)(S1至S3)和二极管(D1至D3)，四个二极管(D4和D7)，以及两个储能电容C1和C2。
在一些实施例中，根据直流电压可变型模块化多电平换流器所需输出直流电压的调节范围，直流电压可变型模块化多电平换流器的每个桥臂可以全部由一种类型的负压输出能力子模块构成，也可以由多种类型的负压输出能力子模块混合构成，还可以由一种或多种类型负压输出能力子模块与常规半桥子模块混合构成。
在本实施例中，模块化多电平换流器用于基于控制模块的控制实现直流输电线路电流的控制，并实现对晶闸管换流器的无功补偿和谐波消除。其中，模块化多电平换流器有四个量需要控制，且对十二脉动晶闸管换流器的正常控制与运行没有影响。四个量包括是3个交流侧控制量和1个直流侧控制量。3个交流侧控制量分别是模块化多电平换流器内部的电容电压、模块化多电平换流器的交流侧无功电流和模块化多电平换流器的谐波补偿电流。1个直流侧控制量为混合换流器的直流侧有功功率。
在本实施例中，模块化多电平换流器内部的电容电压可以利用控制模块计算的模块化多电平换流器三相有功电流参考值得到控制，换言之，利用模块化多电平换流器三相有功电流参考值对模块化多电平换流器交流侧有功功率进行动态调节，实现将电容电压控制在目标值。模块化多电平换流器的交流侧无功电流可以利用控制模块输出的模块化多电平换流器三相无功电流参考值得到控制。模块化多电平换流器的谐波补偿电流可以利用控制模块输出的模块化多电平换流器三相谐波补偿电流参考值得到控制。混合换流器的直流侧有功功率可以利用控制模块计算的模块化多电平换流器直流电压参考值得到控制。
在本实施例中，受到控制模块控制的模块化多电平换流器主要具有以下四种作用：1)利用模块化多电平换流器交流侧有功量控制平衡其电容电压；2)利用模块化多电平换流器的交流侧无功量补偿十二脉动晶闸管换流器的无功功率；3)利用模块化多电平换流器的直流侧电压控制直流输电线路电流和整个混合换流器的有功功率；4)利用模块化多电平换流器对十二脉动晶闸管换流器进行谐波消除。在稳态运行时，模块化多电平换流器的交、直流端口均会输出或吸收有功功率，也即，模块化多电平换流器交、直流侧的有功功率平衡维持了其内部的电容电压稳定。同时，其交流侧的无功功率补偿了十二脉动晶闸管换流器运行时所需要的无功功率。
在本实施例中，控制模块用于获取晶闸管换流器的交流端电压、模块化多电平换流器所有子模块电容电压、晶闸管换流器的交流端电流和模块化多电平换流器的直流负端电流，进而计算得到模块化多电平换流器的各桥臂的参考电压，并利用参考电压获得控制脉冲信号，以对模块化多电平换流器进行控制。
在本实施例中，控制模块用于获取晶闸管换流器的交流端电压、模块化多电平换流器所有子模块电容电压、晶闸管换流器的交流端电流和模块化多电平换流器的直流负端电流，进而计算得到进而计算得到模块化多电平换流器的各桥臂的参考电压可以包括：控制模块可以基于获取的晶闸管换流器的交流端电压得到电网电压同步角，基于电网电压同步角、模块化多电平换流器所有子模块电容电压、晶闸管换流器的交流端电流和模块化多电平换流器的直流负端电流，进而计算得到模块化多电平换流器的各桥臂的参考电压。
在本实施例中，基于电网电压同步角、模块化多电平换流器所有子模块电容电压、晶闸管换流器的交流端电流和模块化多电平换流器的直流负端电流，进而计算得到模块化多电平换流器的各桥臂的参考电压可以包括：控制模块可以设置有设定的直流输电线路电流目标值、模块化多电平换流器无功电流目标值和子模块电容电压目标值，控制模块基于电网电压同步角、子模块电容电压目标值、模块化多电平换流器所有子模块电容电压、无功电流目标值和晶闸管换流器的交流端电流获得模块化多电平换流器三相参考电流值，并将模块化多电平换流器三相参考电流值转化成模块化多电平换流器三相交流电压参考值，还基于直流输电线路电流目标值和模块化多电平换流器的直流负端电流获得模块化多电平换流器直流电压参考值，基于模块化多电平换流器直流电压参考值和模块化多电平换流器三相交流电压参考值，计算得到模块化多电平换流器的各桥臂的参考电压。
具体地，图9为本公开实施例所提供的直流输电混合换流器的控制方法的示意图，如图9所示，控制模块可以包括锁相环、比例分控制器(PI)、谐波检测单元、比例分控制器和脉冲宽度调制单元。
在本实施例中，如图9所示，锁相环可以基于获取的晶闸管换流器的交流端电压得到电网电压同步角。其中，晶闸管换流器的交流端电压为三相电网电压瞬时值usa、usb、usc，电网电压同步角可以用θ表示。
在本实施例中，如图9所示，控制模块可以设定模块化多电平换流器子模块电容电压目标值为Ucap_ref，控制模块采集模块化多电平换流器所有子模块电容电压得到子模块电容电压平均值ucap,计算子模块电容电压偏差信号Δucap＝Ucap_ref-ucap；将上述子模块电容电压偏差信号Δucap通过比例分控制器(PI)后，得到模块化多电平换流器交流侧有功电流目标值Ip_ref。在这种情况下，控制模块通过模块化多电平换流器交流侧有功功率的动态调节，实现将电容电压控制在目标值。
在本实施例中，如图9所示，控制模块可以设定直流电压可变型模块化多电平换流器无功电流目标值Iq_ref，计算得到直流电压可变型模块化多电平换流器三相无功电流参考值iq_a_ref、iq_b_ref、iq_c_ref。
在本实施例中，如图9所示，控制模块可以采集十二脉动晶闸管换流器交流侧的三相交流输入电流瞬时值ilcc_a、ilcc_b、ilcc_c，通过谐波检测单元检测十二脉动晶闸管换流器三相交流输入电流中的谐波分量，得到直流电压可变型模块化多电平换流器三相谐波补偿电流参考值if_a_ref、if_b_ref、if_c_ref.。其中谐波检测单元通过谐波电流检测算法对晶闸管换流器的交流端电流进行谐波检测获得模块化多电平换流器三相谐波补偿电流参考值。
在本实施例中，如图9所示，控制模块可以根据上述获得的三个交流侧控制量所产生的与交流电流相关的电流分量，计算模块化多电平换流器的交流侧三相电流参考值ia_ref、ib_ref、ic_ref；将模块化多电平换流器的三相参考电流值ia_ref、ib_ref、ic_ref输入到电流控制单元，得到模块化多电平换流器的三相交流电压参考值ua_ref、ub_ref、uc_ref。
在本实施例中，如图9所示，控制模块可以设定直流输电线路电流目标值Idc_ref(即模块化多电平换流器的直流电流目标值)，采集直流输电线路电流idc(即模块化多电平换流器的直流负端电流)，计算直流输电线路电流偏差信号Δidc＝Idc_ref-idc；将上述子模块电容电压偏差信号Δidc通过比例分控制器后，得到直流电压可变型模块化多电平换流器直流电压参考值Udc_ref。
根据上述三相交流电压参考值ua_ref、ub_ref、uc_ref，以及直流电压参考值Udc_ref，计算得到电压可变型模块化多电平换流器的6个桥臂的参考电压uap_ref、uan_ref、ubp_ref、ubn_ref、ucp_ref、ucn_ref，送入脉冲宽度调制单元，得到串联补偿模块化多电平换流器(即电压可变型模块化多电平换流器)的控制脉冲信号(即触发脉冲信号)。
在本实施例中，通过控制模块对电压可变型模块化多电平换流器的控制，能够实现对模块化多电平换流器内部的电容电压、模块化多电平换流器的交流侧无功电流、模块化多电平换流器的谐波补偿电流参考值以及混合换流器的直流侧有功功率的控制，也即混合换流器在正常运行期间不仅可以实现对高压直流输电系统的有功功率控制，同时能够通过控制模块化多电平换流器交流端口的谐波电压，实现高压直流输电系统的有源滤波与无功补偿功能，可以减少高压直流输电换流站所需的无源滤波器，并提高滤波性能。
另外，在本实施例中，若控制模块检测到直流输电线路发生短路故障后，立即将十二脉动晶闸管换流器的触发角设置为大于90度，同时将直流电压可变型模块化多电平换流器的脉冲全部闭锁。
本公开的实施例提出的直流输电混合换流器，在正常运行时，晶闸管换流器仅需工作在触发角为零的运行方式，获取控制脉冲信号对模块化多电平换流器进行控制，以实现对传输功率的控制，以及使模块化多电平换流器起到直流输电线路电流的控制和有源滤波器的作用，动态补偿晶闸管换流器所发出的谐波电流，以实现谐波消除。另外，模块化多电平换流器还起到动态无功补偿器的作用，由此在混合换流器的交流侧无需常规晶闸管换流器所需的大量的无功补偿和滤波设备，减少了换流站的占地面积，解决了现有技术中晶闸管换流器延迟触发控制方法对直流输电线路电流控制响应速度慢的问题，以及晶闸管换流器延迟触发模式消耗无功功率且交流电流含有较大的谐波，以及现有技术中在换流器的交流侧使用大量的无功补偿和滤波设备导致的换流站的占地面积大的问题。
基于上述的实施例提出的直流输电混合换流器，本公开还提出一种直流输电混合换流器的控制方法。
图10为本公开实施例所提供的一种直流输电混合换流器的控制方法的流程示意图。如图10所示，该直流输电混合换流器的控制方法，包括以下步骤：
步骤S101，获取晶闸管换流器的交流端电压，以得到电网电压同步角，并将晶闸管换流器的触发角设置为0。
在步骤S101，晶闸管换流器的交流端电压可以是三相电网电压瞬时值usa、usb、usc。电网电压同步角可以用θ表示。晶闸管换流器可以为十二脉动晶闸管换流器。步骤S101将获取的三相电网电压瞬时值输入到锁相环后得到电网电压同步角，并将十二脉动晶闸管换流器的触发角设置为0，使十二脉动晶闸管换流器工作在不控整流方式。
步骤S102，获取模块化多电平换流器所有子模块电容电压计算得到子模块电容电压平均值，基于设定的模块化多电平换流器子模块电容电压目标值和子模块电容电压平均值，获得子模块电容电压偏差信号，基于子模块电容电压偏差信号获得模块化多电平换流器有功电流目标值，利用有功电流目标值和电网电压同步角获得模块化多电平换流器三相有功电流参考值。
在步骤S102中，设定的模块化多电平换流器子模块电容电压目标值可以用Ucap_ref表示。子模块电容电压平均值可以用ucap表示。子模块电容电压偏差信号为Δucap＝Ucap_ref-ucap。将子模块电容电压偏差信号Δucap通过比例分控制器后，得到直流电压可变型模块化多电平换流器有功电流目标值Ip_ref，计算得到直流电压可变型模块化多电平换流器三相有功电流参考值ip_a_ref、ip_b_ref、ip_c_ref，三相有功电流参考值ip_a_ref、ip_b_ref、ip_c_ref的表达式为：
Figure BDA0003494985290000121
步骤S103，基于设定的模块化多电平换流器无功电流目标值和电网电压同步角获得模块化多电平换流器三相无功电流参考值。
在步骤S103中，设定的模块化多电平换流器无功电流目标值可以用Iq_ref表示。计算得到直流电压可变型模块化多电平换流器三相无功电流参考值iq_a_ref、iq_b_ref、iq_c_ref的表达式为：
Figure BDA0003494985290000131
步骤S104，获取晶闸管换流器三相交流输入电流瞬时值，并进行谐波检测，以获得模块化多电平换流器三相谐波补偿电流参考值。
在步骤S104中，采集十二脉动晶闸管换流器三相交流输入电流瞬时值ilcc_a、ilcc_b、ilcc_c，通过谐波检测算法检测十二脉动晶闸管换流器三相交流输入电流中的谐波分量，得到直流电压可变型模块化多电平换流器三相谐波补偿电流参考值if_a_ref、if_b_ref、if_c_ref。
步骤S105，基于三相有功电流参考值、三相无功电流参考值和三相谐波补偿电流参考值获得模块化多电平换流器三相参考电流值，并将模块化多电平换流器三相参考电流值转化成模块化多电平换流器三相交流电压参考值。
在步骤S105中，根据上述直流电压可变型模块化多电平换流器三相有功电流参考值ip_a_ref、ip_b_ref、ip_c_ref，三相无功电流参考值iq_a_ref、iq_b_ref、iq_c_ref，以及三相谐波补偿电流参考值if_a_ref、if_b_ref、if_c_ref，计算得到直流电压可变型模块化多电平换流器三相参考电流值ia_ref、ib_ref、ic_ref，三相参考电流值ia_ref、ib_ref、ic_ref的表达式为：
Figure BDA0003494985290000132
在步骤S105中，将直流电压可变型模块化多电平换流器三相参考电流值ia_ref、ib_ref、ic_ref输入到电流控制环节，可以得到直流电压可变型模块化多电平换流器三相交流电压参考值ua_ref、ub_ref、uc_ref。
步骤S106，获取直流输电线路电流，基于直流输电线路电流和设定的直流输电线路电流目标值获得直流输电线路电流偏差信号，基于直流输电线路电流偏差信号获得模块化多电平换流器直流电压参考值；
在步骤S106中，设定直流输电线路电流目标值Idc_ref，采集直流输电线路电流idc(即模块化多电平换流器的直流负端电流)，计算直流输电线路电流偏差信号Δidc＝Idc_ref-idc。将直流输电线路电流偏差信号Δidc通过比例分控制器后，得到直流电压可变型模块化多电平换流器直流电压参考值Udc_ref。
步骤S107，基于模块化多电平换流器三相交流电压参考值和模块化多电平换流器直流电压参考值获得模块化多电平换流器的各桥臂的参考电压，对各桥臂的参考电压进行脉冲宽度调制获得模块化多电平换流器的控制脉冲信号。
在步骤S107中，根据上述三相交流电压参考值ua_ref、ub_ref、ub_ref，以及直流电压参考值Udc_ref，计算得到串联补偿模块化多电平换流器6个桥臂的参考电压uap_ref、uan_ref、ubp_ref、ubn_ref、ucp_ref、ucn_ref，各桥臂的参考电压的表达式如下：
Figure BDA0003494985290000141
在步骤S107中，将上述串联补偿模块化多电平换流器6个桥臂的参考电压uap_ref,uan_ref,ubp_ref,ubn_ref,ucp_ref,ucn_ref送入脉冲宽度调制环节，得到直流电压可变型模块化多电平换流器的控制脉冲信号。
在本实施例中，直流输电混合换流器的控制方法还包括若检测到直流输电线路发生短路故障，将晶闸管换流器的触发角设置为大于90度，同时将模块化多电平换流器的脉冲全部闭锁。
本公开的实施例提出的直流输电混合换流器的控制方法，直流输电混合换流器由常规的十二脉动晶闸管换流器和直流电压可变性模块化换流器串联构成，其中十二脉动晶闸管换流器承担绝大部分功率变换容量，直流电压可变型模块化换流器仅需较低的电压等级和容量。在正常运行时，十二脉动晶闸管换流器仅需工作在触发角为零的运行方式，即不控整流模式下，通过控制直流电压可变型模块化换流器的直流输出电压控制直流输电线路电流，即控制传输功率。在正常运行时，直流电压可变型模块化换流器还起到有源滤波器的作用，动态补偿十二脉动晶闸管换流器所发出的谐波电流。另外，直流电压可变型模块化换流器还可以起到动态无功补偿器的作用。在这种情况下，在混合换流器交流侧无需常规晶闸管换流器所需的大量的无功补偿和滤波设备。另外本公开的混合换流器还具有直流故障清除能力，在直流输电线路发生故障时，通过将十二脉动晶闸管换流器的触发角甚至为大于90度，可以使十二脉动晶闸管换流器切换到逆变状态，同时闭锁直流电压可变型模块化换流器，使直流端输出负压，实现除直流故障电流的作用。本公开的方法不改变十二脉动晶闸管换流器的拓扑结构，仅增加一个容量较小的直流电压可变型模块化换流器，可以结合晶闸管换流器和模块化多电平换流器的优点，具有系统结构和控制简单、成本低、动态控制性能好、谐波低、效率等优势，尤其是通过直流电压可变型模块化换流器补偿晶闸管换流器所产生的谐波，并提供动态无功补偿功能，无需额外的无功补偿设备和滤波设备，可以使换流站的占地面积大为降低。
需要说明的是，前述对直流输电混合换流器实施例的解释说明也适用于该实施例的直流输电混合换流器的控制方法，此处不再赘述。
以上所述者，仅为本公开的示例性实施例，不能以此限定本公开的范围。即但凡依本公开教导所作的等效变化与修饰，皆仍属本公开涵盖的范围内。本领域技术人员在考虑说明书及实践这里的公开后，将容易想到本公开的其它实施方案。本公开旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未记载的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的范围和精神由权利要求限定。

Claims (10)

1.一种直流输电混合换流器，其特征在于，包括：
混合换流器主电路模块和控制模块；所述混合换流器主电路模块包括晶闸管换流器、模块化多电平换流器和连接变压器，所述晶闸管换流器的交流端连接三相交流电网，所述晶闸管换流器的直流正端连接直流输电线路，所述模块化多电平换流器的输入端经所述连接变压器连接所述三相交流电网，所述模块化多电平换流器的直流正端与所述晶闸管换流器的直流负端连接，所述模块化多电平换流器的直流负端用于连接直流输电线路，所述控制模块与所述混合换流器主电路模块连接；
所述晶闸管换流器用于将三相交流电网的交流电转换为直流电，所述模块化多电平换流器用于基于所述控制模块的控制实现直流输电线路电流的控制和对所述晶闸管换流器的无功补偿和谐波消除，所述控制模块用于获取所述晶闸管换流器的交流端电压、所述模块化多电平换流器所有子模块电容电压、所述晶闸管换流器的交流端电流和所述模块化多电平换流器的直流负端电流，进而计算得到所述模块化多电平换流器的各桥臂的参考电压，并利用所述参考电压获得控制脉冲信号，以对所述模块化多电平换流器进行控制。
2.根据权利要求1所述的直流输电混合换流器，其特征在于，所述晶闸管换流器为十二脉动晶闸管换流器，所述十二脉动晶闸管换流器包括两个换流变压器、两个六脉动晶闸管换流器。
3.根据权利要求2所述的直流输电混合换流器，其特征在于，每个所述换流变压器接入一个六脉动晶闸管换流器，两个所述换流变压器的副变绕组电压相差30度。
4.根据权利要求1所述的直流输电混合换流器，其特征在于，所述模块化多电平换流器为三相MMC结构。
5.根据权利要求1所述的直流输电混合换流器，其特征在于，所述控制模块包括锁相环，所述锁相环基于获取的晶闸管换流器的交流端电压得到电网电压同步角，所述控制模块基于所述电网电压同步角、所述模块化多电平换流器所有子模块电容电压、所述晶闸管换流器的交流端电流和所述模块化多电平换流器的直流负端电流，进而计算得到所述模块化多电平换流器的各桥臂的参考电压。
6.根据权利要求5所述的直流输电混合换流器，其特征在于，所述控制模块设置有设定的直流输电线路电流目标值、模块化多电平换流器无功电流目标值和子模块电容电压目标值，所述控制模块基于所述电网电压同步角、所述子模块电容电压目标值、模块化多电平换流器所有子模块电容电压、所述无功电流目标值和所述晶闸管换流器的交流端电流获得模块化多电平换流器三相参考电流值，并基于所述直流输电线路电流目标值和模块化多电平换流器的直流负端电流获得模块化多电平换流器直流电压参考值；
所述控制模块包括电流控制单元，所述电流控制单元基于所述模块化多电平换流器三相参考电流值获得模块化多电平换流器三相交流电压参考值；
所述控制模块基于所述模块化多电平换流器直流电压参考值和所述模块化多电平换流器三相交流电压参考值，计算得到所述模块化多电平换流器的各桥臂的参考电压。
7.根据权利要求6所述的直流输电混合换流器，其特征在于，所述模块化多电平换流器三相参考电流值包括模块化多电平换流器三相谐波补偿电流参考值；
所述控制模块包括谐波检测单元，所述谐波检测单元通过谐波电流检测算法对所述晶闸管换流器的交流端电流进行谐波检测获得所述模块化多电平换流器三相谐波补偿电流参考值。
8.根据权利要求1所述的直流输电混合换流器，其特征在于，所述控制模块包括脉冲宽度调制单元，所述脉冲宽度调制单元用于利用所述参考电压获得控制脉冲信号。
9.一种应用于权利要求1-8中任一项所述的直流输电混合换流器的控制方法，其特征在于，包括：
获取晶闸管换流器的交流端电压，以得到电网电压同步角，并将所述晶闸管换流器的触发角设置为0；
获取模块化多电平换流器所有子模块电容电压计算得到子模块电容电压平均值，基于设定的模块化多电平换流器子模块电容电压目标值和所述子模块电容电压平均值，获得子模块电容电压偏差信号，基于所述子模块电容电压偏差信号获得模块化多电平换流器有功电流目标值，利用所述有功电流目标值和所述电网电压同步角获得模块化多电平换流器三相有功电流参考值；
基于设定的模块化多电平换流器无功电流目标值和所述电网电压同步角获得模块化多电平换流器三相无功电流参考值；
获取晶闸管换流器三相交流输入电流瞬时值，并进行谐波检测，以获得模块化多电平换流器三相谐波补偿电流参考值；
基于所述三相有功电流参考值、三相无功电流参考值和三相谐波补偿电流参考值获得模块化多电平换流器三相参考电流值，并将所述模块化多电平换流器三相参考电流值转化成模块化多电平换流器三相交流电压参考值；
获取模块化多电平换流器的直流负端电流，基于所述模块化多电平换流器的直流负端电流和设定的直流输电线路电流目标值获得直流输电线路电流偏差信号，基于所述直流输电线路电流偏差信号获得模块化多电平换流器直流电压参考值；
基于所述模块化多电平换流器三相交流电压参考值和所述模块化多电平换流器直流电压参考值获得模块化多电平换流器的各桥臂的参考电压，对所述各桥臂的参考电压进行脉冲宽度调制获得模块化多电平换流器的控制脉冲信号。
10.根据权利要求9所述的直流输电混合换流器的控制方法，其特征在于，还包括：
若检测到直流输电线路发生短路故障，将所述晶闸管换流器的触发角设置为大于90度，同时将所述模块化多电平换流器的脉冲全部闭锁。
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