CN114499251A - 换流系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本公开提出一种换流系统及其控制方法，换流系统包括主电路模块和与主电路模块连接的控制模块；主电路模块包括晶闸管换流器、模块化多电平换流器和串联变压器，晶闸管换流器的直流正端连接模块化多电平换流器的直流负端，晶闸管换流器的直流负端和模块化多电平换流器的直流正端分别连接直流输电线路，串联变压器包括原边绕组和副边绕组，模块化多电平换流器的交流端与原边绕组连接，晶闸管换流器的交流端经副边绕组与三相交流电网连接；晶闸管换流器将直流输电线路电流转换为交流电，控制模块利用三相交流电网电压、模块化多电平换流器的所有子模块电容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实现对晶闸管换流器的电压补偿。

Description

换流系统及其控制方法
技术领域
本公开涉及直流输电技术领域，尤其涉及一种换流系统及其控制方法。
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。但是换相失败一直是晶闸管换流器侧所面临的一个常见故障。当晶闸管换流器中的两个阀进行换相时，因换相过程未能进行完毕，或者预计关断的阀关断后，在反向电压期间未能恢复阻断能力，当加在该阀上的电压为正时，立即重新导通，使预计开通的阀重新关断，这种现象称为换相失败。逆变侧交流系统故障是引起换相失败的一个主要原因，这是由于交流系统故障引起受端电网交流侧电压降低，使晶闸管换流器关断角减小，从而容易发生换相失败。随着高压直流输电应用的迅速发展，一些地区电网成为多馈入的高压直流输电系统，这使的受端交流电网的强度相对降低，使晶闸管换流器更易发生换相失败。一旦某回高压直流输电线路发生换相失败，将引起此回高压直流线路功率传输的中断，潮流将向其它高压直流输电线路转移，可能带来多回高压直流输电线路发生连锁换相失败，给电网的安全稳定运行带了严重威胁。换相失败问题已经成为目前限制负荷中心接纳高压直流输电落点的主要限制因素之一。
在现有的换相失败技术中，一类是通过对晶闸管换流器的控制保护特性进行优化实现，包括对换相失败进行预测控制优化、低压限流控制优化、直流功率协调、以及其它优化控制方法。虽然优化保护控制方法无需额外的硬件设备，但是由于换相失败的机理和模型复杂，但在复杂的电力系统故障或扰动下对换相失败的准确和快速预测和判断仍十分困难，其有效性仍受到较大限制。
另一类方法是在LCC-HVDC的受端换流站附近加装动态无功补偿设备，在电网发生交流故障期间通过动态无功补偿支撑交流母线电压，用于抵御换相晶闸管换流器发生换相失败。目前用于抵御换相失败的动态无功补偿设备主要包括静止无功发生器和同步调相机等。但是动态无功补偿手段是通过无功功率影响交流母线电压，对交流母线电压的影响是间接的，通常起到的是在故障恢复后加快母线电压的恢复速度的作用，在故障期间对晶闸管换流器交流母线电压的影响有限，无法从根本上抑制换相失败。另外，动态无功补偿设备的成本和占地也是限制其实际应用的因素之一。
对晶闸管换流器进行改造也是一种抑制换相失败的方法。通过在常规晶闸管换流器上串联电容可以构成电容换相换流器，通过串联电容器在换相过程中为换相过程提供辅助换相电压，降低换相失败概率。但是电容换相换流器在故障时可能发生三相串联电容电压不平衡，不平衡超标时可能引发换相失败，这种技术缺陷使电容换相换流器在实际工程中无法得到广泛应用。近年来出现的技术方案是在晶闸管换流器桥臂或交流出线上串入全控型电压子模块，在故障期间通过调节子模块的输出电压提供辅助换相电压，提高晶闸管换流器的换相失败抵御能力。但是这种方案中的子模块是直接串接在晶闸管换流阀或其交流出线上，对于晶闸管换流器的拓扑和控制复杂程度的影响较大，对直流系统的安全稳定运行带来较大影响。另一方面，由于所串入的子模块电容是悬浮，并没有能量补充来源，在故障期间输出辅助换相电压时可能由于子模块充电或放电引起子模块电容过压或欠压，三相子模块电容电压也可能出现不平衡，限制辅助换相电压的输出能力和时间。
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换流系统，以解决现有技术中利用电压子模块进行换相失败抵御时控制复杂的问题，以及子模块电容过压或欠压问题导致的辅助换相电压输出受限问题。
本公开的第二个目的在于提出一种换流系统的控制方法。
为达上述目的，本公开第一方面实施例提出了一种换流系统，包括：
换流系统主电路模块和与所述换流系统主电路模块连接的控制模块；所述换流系统主电路模块包括晶闸管换流器、模块化多电平换流器和串联变压器，所述晶闸管换流器的直流正端连接所述模块化多电平换流器的直流负端，所述晶闸管换流器的直流负端连接直流输电线路，所述模块化多电平换流器的直流正端连接直流输电线路，所述串联变压器包括原边绕组和副边绕组，所述模块化多电平换流器的交流端与所述原边绕组连接，所述晶闸管换流器的交流端经所述副边绕组与三相交流电网连接；
所述晶闸管换流器用于将直流输电线路电流转换为交流电，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对所述晶闸管换流器的电压补偿，所述控制模块用于获取三相交流电网电压、所述模块化多电平换流器的所有子模块电容电压，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。
本公开实施例的换流系统，在晶闸管换流器的三相交流母线进线上加入模块化多电平换流器，模块化多电平换流器的三相交流输入连接到串联变压器的原边，串联变压器的副边绕组串入晶闸管换流器的三相交流进线，控制模块利用三相交流电网电压、模块化多电平换流器的所有子模块电容电压，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对模块化多电平换流器进行控制，以便检测到三相交流电压发生跌落，模块化多电平换流器立即输出相应的补偿电压，以及维持串联补偿模块化多电平换流器内部的电容电压，解决了现有技术中利用电压子模块进行换相失败抵御时控制复杂的问题，以及子模块电容过压或欠压问题导致的辅助换相电压输出受限问题。
在本公开第一方面实施例的一种换流系统中，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换流系统中，一个六脉动晶闸管换流器连接一个所述换流变压器，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换流系统中，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换流系统中，所述原边绕组和所述副边绕组分别为3个，3个原边绕组的输入端分别与所述模块化多电平换流器的交流端连接，3个原边绕组的输出端连接到一起，3个副边绕组分别串联在所述晶闸管换流器和三相交流电网之间。
在本公开第一方面实施例的一种换流系统中，所述控制模块设置有设定的三相交流电网的电压额定有效值和所述模块化多电平换流器的子模块电容电压目标值；
所述控制模块基于所述电压额定有效值和所述三相交流电网电压，计算得到模块化多电平换流器三相交流电压参考值，并基于所述子模块电容电压目标值和所述所有子模块电容电压，计算得到模块化多电平换流器直流电压参考值，然后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换流系统中，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换流系统的控制方法，包括：
获取三相交流电网电压、模块化多电平换流器的所有子模块电容电压；
基于设定的三相交流电网的电压额定有效值和所述三相交流电网电压，计算得到模块化多电平换流器三相交流电压参考值；
基于设定的模块化多电平换流器的子模块电容电压目标值和所述所有子模块电容电压，计算得到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；
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。
本公开实施例的换流系统的控制方法，利用三相交流电网电压、模块化多电平换流器的所有子模块电容电压，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对模块化多电平换流器进行控制，以便检测到三相交流电压发生跌落，模块化多电平换流器立即输出相应的补偿电压，以及维持串联补偿模块化多电平换流器内部的电容电压，解决了现有技术中利用电压子模块进行换相失败抵御时控制复杂的问题，以及子模块电容过压或欠压问题导致的辅助换相电压输出受限问题。
在本公开第二方面实施例的一种换流系统的控制方法中，所述基于设定的三相交流电网的电压额定有效值和所述三相交流电网电压，计算得到模块化多电平换流器三相交流电压参考值包括：基于所述电压额定有效值和所述三相交流电网电压，利用电压跌落检测算法获得三相交流电网电压跌落瞬时值，将所述三相交流电网电压跌落瞬时值作为所述模块化多电平换流器三相交流电压参考值。
在本公开第二方面实施例的一种换流系统的控制方法中，所述基于设定的模块化多电平换流器的子模块电容电压目标值和所述所有子模块电容电压，计算得到模块化多电平换流器直流电压参考值包括：基于所述所有子模块电容电压获得子模块电容电压平均值；基于所述子模块电容电压平均值和所述子模块电容电压目标值计算子模块电容电压偏差信号；将所述子模块电容电压偏差信号通过比例分控制器处理，得到模块化多电平换流器直流电压参考值。
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换流系统的结构示意图；
图2为本公开实施例所提供的一种换流系统的主电路结构示意图；
图3为本公开实施例所提供的换流系统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换流系统中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换流系统的控制方法的示意图；
图10为本公开实施例所提供的一种换流系统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换流系统的结构示意图。
本公开实施例提供了换流系统，以解决现有技术中利用电压子模块进行换相失败抵御时控制复杂的问题，以及子模块电容过压或欠压问题导致的辅助换相电压输出受限问题。因此本公开实施例提供的换流系统为具有换相失败抵御能力的换流系统。
如图1所示，本公开实施例提供的换流系统包括换流系统主电路模块和控制模块。控制模块与换流系统主电路模块连接。换流系统主电路模块包括晶闸管换流器、模块化多电平换流器和串联变压器。
在本实施例中，如图1所示，晶闸管换流器的直流正端连接模块化多电平换流器的直流负端，晶闸管换流器的直流负端连接直流输电线路，模块化多电平换流器的直流正端连接直流输电线路；串联变压器包括原边绕组和副边绕组，模块化多电平换流器的交流端与原边绕组连接，晶闸管换流器的交流端经副边绕组与三相交流电网连接。
晶闸管换流器的直流负端和模块化多电平换流器的直流正端形成换流系统主电路模块的输入端，其中，模块化多电平换流器的直流正端为换流系统主电路模块的直流输入正端，晶闸管换流器的直流负端为换流系统主电路模块的直流输入负端，晶闸管换流器的交流端经过副边绕组后形成换流系统主电路模块的输出端。
在本实施例中，晶闸管换流器用于将直流输电线路电流转换为交流电。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换流系统的主电路结构示意图，图3为本公开实施例所提供的换流系统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直流负端为换流系统主电路模块的直流输入负端，十二脉动晶闸管换流器的直流正端连接模块化多电平换流器的直流负端。
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三相交流端。十二脉动晶闸管换流器的三相交流端的每一相分别与副边绕组连接。
在本实施例中，如图3所示，换流变压器1和换流变压器2分别连接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，在运行原理方面，不改变换流系统中的十二脉动晶闸管换流器原有拓扑结构和控制方法。为解决现有技术中利用电压子模块进行换相失败抵御时控制复杂的问题，以及子模块电容过压或欠压问题导致的辅助换相电压输出受限问题，在十二脉动晶闸管换流器的三相交流母线进线上加入串联动态电压补偿器(即模块化多电平换流器)，具体地，模块化多电平换流器的三相交流输入连接到串联变压器的原边；串联变压器的副边绕组串入十二脉动晶闸管换流器的三相交流进线，以便在交流进线上串入动态补偿电压，一旦检测到三相交流电压发生跌落，模块化多电平换流器立即输出相应的补偿电压，使十二脉动晶闸管换流器的交流端口电压仍保持正常，不受电网电压的影响，从而彻底解决晶闸管换流器的换相失败问题。
在本实施例中，串联变压器有三相，也即原边绕组和副边绕组分别为3个，3个原边绕组的输入端分别与模块化多电平换流器的交流端连接，3个原边绕组的输出端连接到一起，3个副边绕组分别串联在晶闸管换流器和三相交流电网之间。串联变压器的三相原边绕组接为星形方式。
具体地，如图2所示，串联变压器的3个原边绕组的输入端分别是A1端、B1端和C1端，3个原边绕组的输出端分别是A2端、B2端和C2端，串联变压器的3个副边绕组的输入端分别是a1端、b1端和c1端，3个副边绕组的输出端分别是a2端、b2端和c2端。模块化多电平换流器的A相交流端(即交流输出端)与串联变压器A相原边绕组A1端连接；模块化多电平换流器的B相交流端(即交流输出端)与串联变压器B相原边绕组B1端连接；模块化多电平换流器的C相交流端(即交流输出端)与串联变压器C相原边绕组C1端连接；串联变压器A相原边绕组A2端、串联变压器B相原边绕组B2端、串联变压器C相原边绕组C2端连接到一起。
串联变压器的三相副边绕组分别串入十二脉动晶闸管换流器的三相交流进线，具体地，如图2所示，十二脉动晶闸管换流器A相交流端(即交流输出端)经过与串联变压器A相副边绕组a1端和a2端串联连接形成换流系统的A相交流输出端；十二脉动晶闸管换流器B相交流端(即交流输出端)经过与串联变压器B相副边绕组b1端和b2端串联连接形成换流系统的B相交流输出端；十二脉动晶闸管换流器C相交流端(即交流输出端)经过与串联变压器C相副边绕组c1端和c2端串联连接形成换流系统的C相交流输出端。
图4为本公开实施例所提供的换流系统中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。模块化多电平换流器的直流正端形成换流系统的直流正端，模块化多电平换流器的直流负端与十二脉动晶闸管换流器的直流正端相连接。
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 BipolarTransistor，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 Gate Bipolar 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 BipolarTransistor，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，根据模块化多电平换流器所需输出直流电压的调节范围，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。在这种情况下，串联补偿模块化多电平换流器采用可变直流电压的拓扑方案，并将串联补偿模块化多电平换流器的直流端口串入直流输电线路，通过串联补偿模块化多电平换流器直流端口电压和直流输电线路电流的作用实现有功功率交换。由此，能够实现串联补偿模块化多电平换流器的直流端口有功支撑。
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对晶闸管换流器的电压补偿。因此本实施例的模块化多电平换流器也可以称为串联补偿模块化多电平换流器。具体地，在本实施例中，在正常运行时，模块化多电平换流器的直流端口和交流端口都输出零电压，对十二脉动晶闸管换流器的正常运行没有影响。当交流电网发生故障时，控制模块开始控制模块化多电平换流器。模块化多电平换流器根据控制模块计算得到的模块化多电平换流器三相交流电压参考值在交流端口输出串联补偿电压，实时补偿三相电网电压的跌落，使十二脉动晶闸管换流器的交流输入端电压快速恢复为正常电压，彻底避免交流系统电压跌落带来的换相失败问题。
在本实施例中，控制模块用于获取三相交流电网电压、模块化多电平换流器的所有子模块电容电压，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。
具体地，控制模块设置有设定的三相交流电网的电压额定有效值和模块化多电平换流器的子模块电容电压目标值；控制模块基于电压额定有效值和三相交流电网电压，计算得到模块化多电平换流器三相交流电压参考值，并基于子模块电容电压目标值和所有子模块电容电压，计算得到模块化多电平换流器直流电压参考值，然后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。
图9为本公开实施例所提供的换流系统的控制方法的示意图。如图9所示，控制模块可以包括电压跌落检测单元、比例分控制器(PI)和脉冲宽度调制单元。其中电压跌落检测单元包括电压跌落检测算法，脉冲宽度调制单元能够进行脉冲宽度调制。
具体地，如图9所示，当控制模块检测到交流电网发生故障时，对三相交流电网的三相交流电压瞬时值usa、usb、usc进行实时检测，并以三相交流电网的电压额定有效值USN为基础，利用电压跌落检测单元中的电压跌落检测算法进行电压跌落检测，以得到与标准交流电压之间的差额电压(即三相交流电网电压跌落瞬时值)，将这个差额电压作为串联补偿模块化多电平换流器三相交流电压参考值ua_ref、ub_ref、uc_ref。串联补偿模块化多电平换流器根据参考电压在交流端口输出串联补偿电压，实时补偿三相电网电压的跌落，使十二脉动晶闸管换流器的交流输入端电压快速恢复为正常电压，彻底避免交流系统电压跌落带来的换相失败问题。
另外，为了维持串联补偿模块化多电平换流器交、直流端口有功平衡和内部的电容电压，控制模块还通过比例分控制器和脉冲宽度调制单元实现对串联补偿模块化多电平换流器的电容电压的控制。具体地，控制模块中设置有设定的串联补偿模块化多电平换流器的子模块电容电压目标值，该子模块电容电压目标值可以用Ucap_ref表示。控制模块还采集串联补偿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；将子模块电容电压偏差信号Δucap通过比例分控制器(PI)后，得到串联补偿模块化多电平换流器直流电压参考值Udc_ref。在这种情况下，通过串联补偿模块化多电平换流器直流端口电压动态调节，实现从直流端口吸收有功功率的调节，从而将电容电压控制在目标值。
在本实施例中，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，将参考电压送入脉冲宽度调制单元进行脉冲宽度调制，得到串联补偿模块化多电平换流器的控制脉冲信号。
在本实施例中，通过控制模块对模块化多电平换流器的控制，能够实现在交流电网故障期间通过动态电压补偿实现晶闸管换流器的换相失败抵御功能，以及在系统正常运行期间串联补偿模块化多电平换流器还可以通过控制其交、直流端口的输出电压实现更多的功能。在正常运行期间，通过控制串联补偿模块化多电平换流器的直流端口电压和交流端口的基波交流电压，可以实现高压直流输电系统的潮流控制。在正常运行期间，通过控制串联补偿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串联有源滤波功能，可以减少换流站所需的无源滤波器，并提高滤波性能。
本公开的实施例提出的换流系统，在晶闸管换流器的三相交流母线进线上加入模块化多电平换流器，模块化多电平换流器的三相交流输入连接到串联变压器的原边，串联变压器的副边绕组串入晶闸管换流器的三相交流进线，控制模块利用三相交流电网电压、模块化多电平换流器的所有子模块电容电压，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对模块化多电平换流器进行控制，以便检测到三相交流电压发生跌落，模块化多电平换流器立即输出相应的补偿电压，以及维持串联补偿模块化多电平换流器内部的电容电压，解决了现有技术中利用电压子模块进行换相失败抵御时控制复杂的问题，以及子模块电容过压或欠压问题导致的辅助换相电压输出受限问题。其中，在输出串联补偿电压期间，串联补偿模块化多电平换流器交流端口会输出或吸收有功功率。为了维持串联补偿模块化多电平换流器交、直流端口有功功率平衡，以维持串联补偿模块化多电平换流器内部的电容电压，在串联补偿模块化多电平换流器的直流端口连接直流输电线路以提供有功源支撑。另外为了实现串联补偿模块化多电平换流器的直流端口有功支撑，串联补偿模块化多电平换流器采用可变直流电压的拓扑方案，并将串联补偿模块化多电平换流器的直流端口串入直流输电线路，通过串联补偿模块化多电平换流器直流端口电压和直流输电线路电流的作用实现有功功率交换。
基于上述的实施例提出的换流系统，本公开还提出一种换流系统的控制方法。
图10为本公开实施例所提供的一种换流系统的控制方法的流程示意图。
如图10所示，该换流系统的控制方法，包括以下步骤：
步骤S101，获取三相交流电网电压、模块化多电平换流器的所有子模块电容电压。
在步骤S101中，三相交流电网电压可以用usa,usb,usc表示。模块化多电平换流器可以是三相MMC结构。
步骤S102，基于设定的三相交流电网的电压额定有效值和三相交流电网电压，计算得到模块化多电平换流器三相交流电压参考值。
在步骤S102中，基于电压额定有效值和三相交流电网电压，利用电压跌落检测算法获得三相交流电网电压跌落瞬时值，将三相交流电网电压跌落瞬时值作为模块化多电平换流器三相交流电压参考值。
在步骤S102中，电压额定有效值可以用USN表示。模块化多电平换流器三相交流电压参考值可以用ua_ref,ub_ref,uc_ref表示。
步骤S103，基于设定的模块化多电平换流器的子模块电容电压目标值和所有子模块电容电压，计算得到模块化多电平换流器直流电压参考值。
在步骤S103中，模块化多电平换流器直流电压参考值的获取方法包括：基于所有子模块电容电压获得子模块电容电压平均值；基于子模块电容电压平均值和子模块电容电压目标值计算子模块电容电压偏差信号；将子模块电容电压偏差信号通过比例分控制器处理，得到模块化多电平换流器直流电压参考值。
在步骤S103中，子模块电容电压平均值可以用ucap表示。子模块电容电压目标值可以用Ucap_ref表示，模块化多电平换流器直流电压参考值可以用Udc_ref表示。子模块电容电压偏差信号满足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，得到模块化多电平换流器直流电压参考值Udc_ref。
步骤S104，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。
在步骤S104中，根据上述的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的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 BDA0003495168990000121
步骤S105，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S105中，将上述串联补偿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送入脉冲宽度调制环节，得到串联补偿模块化多电平换流器的控制脉冲信号。在这种情况下，通过控制模块化多电平换流器的直流端口电压和交流端口的基波交流电压，实现高压直流输电系统的潮流控制；通过控制串联补偿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串联有源滤波功能。
本公开实施例的换流系统的控制方法，换流系统是通过在常规的十二脉动晶闸管换流器的三相交流进线上加入串联补偿模块化多电平换流器，在交流电网发生故障引起电压跌落时，动态输出串联补偿电压，使十二脉动晶闸管换流器的交流端口电压仍维持在正常水平，不受交流电网电压扰动的影响，避免交流电网电压扰动引起的换相失败问题，另外采用可变直流电压型的模块化多电平换流器，并将模块化多电平换流器的直流端口串入直流输电线路，通过直流输电线路电流为串联补偿模块化多电平换流器提供能量支撑，解决了输出补偿电压期间子模块电容电压维持恒定的问题，可以稳定且持续地提供补偿电压，彻底解决晶闸管换流器的换相失败问题。本公开的控制方法不改变十二脉动晶闸管换流器的拓扑结构和控制，仅需增加一个容量较小的串联补偿模块化多电平换流器，系统结构和控制简单，成本和占地低，抑制换相失败成功率高，并兼具潮流控制和谐波抑制功能。
需要说明的是，前述对换流系统实施例的解释说明也适用于该实施例的换流系统的控制方法，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)

1.一种换流系统，其特征在于，包括：
换流系统主电路模块和与所述换流系统主电路模块连接的控制模块；所述换流系统主电路模块包括晶闸管换流器、模块化多电平换流器和串联变压器，所述晶闸管换流器的直流正端连接所述模块化多电平换流器的直流负端，所述晶闸管换流器的直流负端连接直流输电线路，所述模块化多电平换流器的直流正端连接直流输电线路，所述串联变压器包括原边绕组和副边绕组，所述模块化多电平换流器的交流端与所述原边绕组连接，所述晶闸管换流器的交流端经所述副边绕组与三相交流电网连接；
所述晶闸管换流器用于将直流输电线路电流转换为交流电，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对所述晶闸管换流器的电压补偿，所述控制模块用于获取三相交流电网电压、所述模块化多电平换流器的所有子模块电容电压，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所述的换流系统，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所述的换流系统，其特征在于，一个六脉动晶闸管换流器连接一个所述换流变压器，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所述的换流系统，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所述的换流系统，其特征在于，所述原边绕组和所述副边绕组分别为3个，3个原边绕组的输入端分别与所述模块化多电平换流器的交流端连接，3个原边绕组的输出端连接到一起，3个副边绕组分别串联在所述晶闸管换流器和三相交流电网之间。
6.根据权利要求1所述的换流系统，其特征在于，所述控制模块设置有设定的三相交流电网的电压额定有效值和所述模块化多电平换流器的子模块电容电压目标值；
所述控制模块基于所述电压额定有效值和所述三相交流电网电压，计算得到模块化多电平换流器三相交流电压参考值，并基于所述子模块电容电压目标值和所述所有子模块电容电压，计算得到模块化多电平换流器直流电压参考值，然后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1所述的换流系统，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。
8.一种应用于权利要求1-7中任一项所述的换流系统的控制方法，其特征在于，包括：
获取三相交流电网电压、模块化多电平换流器的所有子模块电容电压；
基于设定的三相交流电网的电压额定有效值和所述三相交流电网电压，计算得到模块化多电平换流器三相交流电压参考值；
基于设定的模块化多电平换流器的子模块电容电压目标值和所述所有子模块电容电压，计算得到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；
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。
9.根据权利要求8所述的换流系统的控制方法，其特征在于，所述基于设定的三相交流电网的电压额定有效值和所述三相交流电网电压，计算得到模块化多电平换流器三相交流电压参考值包括：
基于所述电压额定有效值和所述三相交流电网电压，利用电压跌落检测算法获得三相交流电网电压跌落瞬时值，将所述三相交流电网电压跌落瞬时值作为所述模块化多电平换流器三相交流电压参考值。
10.根据权利要求8所述的换流系统的控制方法，其特征在于，所述基于设定的模块化多电平换流器的子模块电容电压目标值和所述所有子模块电容电压，计算得到模块化多电平换流器直流电压参考值包括：
基于所述所有子模块电容电压获得子模块电容电压平均值；
基于所述子模块电容电压平均值和所述子模块电容电压目标值计算子模块电容电压偏差信号；
将所述子模块电容电压偏差信号通过比例分控制器处理，得到模块化多电平换流器直流电压参考值。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2024007488A1 (zh) * 2022-07-07 2024-01-11 中国南方电网有限责任公司超高压输电公司检修试验中心 柔性直流受端交流故障穿越方法、系统和计算机设备

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