CN115664245A - 开绕组变压器式双模块化多电平换流器拓扑及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了开绕组变压器式双模块化多电平换流器拓扑及其控制方法，用于柔性直流输电系统和中低压直流配电网，在发生直流故障后，通过旁通故障侧换流器子模块，便可以快速实现直流故障穿越；由于交流侧开绕组结构，闭锁换流器后交流网侧不会对直流故障点馈能，同时利用电力电子开关的快速动作特性，与机械断路器这种机械开关相比，节省了故障清除时间，而且另一侧MMC系统还可正常运行，不中断功率传输。本发明为基于模块化多电平换流器的柔性直流输电系统和中低压输配电领域提供了一种有效可行的直流故障穿越解决方案。
Description
技术领域
本发明属于柔性直流输电，直流输配电网领域，更具体地说，涉及一种开绕组变压器式双模块化多电平换流器拓扑及其控制方法。
背景技术
基于电压源换流器的高压直流输电(voltage source converter based HVDC，VSC-HVDC)是新一代的直流输电技术，由于其采用全控型电力电子器件，具有不存在换相失败、有功无功功率的快速解耦控制等优势，适用于大规模可再生能源并网、孤岛供电、交流系统异步互联、城市配电网增容、多端直流互联等领域。而模块化多电平换流器(modularmultilevel converter，MMC)以其模块化设计、可拓展性好、单个器件开关频率低、谐波性能好等诸多优点已成为电压源换流站拓扑的首选技术方案。相比于交流系统，由于直流系统的阻尼相对较小，系统故障传播速度更快，系统控制响应时间要求更短，继电保护方法设计难度更大；因此直流侧故障控制保护问题是目前MMC工程亟需解决的问题。
现阶段，对于直流侧的故障大多依靠开断交流侧断路器来清除，但断开交流断路器最快动作时间也需要2-3个周波，数10ms的响应时间无法匹配柔性直流输电系统保护的快速性要求，在此期间承受过电压与过电流的半导体器件很可能遭到损坏。此外，直流断路器近些年越来越多地应用在柔性直流输电工程中，然而由于直流断路器价格昂贵、技术不太成熟，满足商业应用还需要时间。
采用具备故障自清除能力的子模块也是实现直流穿越的方法。常用的有全桥子模块(Full Bridge Sub-Module，FBSM)和箝位双子模块(clamping double sub-module，CDSM)两种基本类型。这类子模块利用子模块中的电容吸收故障回路的能量，同时提供反向电压将续流二极管关断，达到故障清除的作用。但其需要更多的开关器件，无疑增大了换流器的损耗和硬件成本，于是没有被工程广泛应用。
综上所述，现有解决方案无法兼顾经济性与动作速度。这在一定程度上限制了MMC向多端直流输电系统以及直流输配电领域的发展和应用。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种应用在柔性直流输电及中低压输配电领域的开绕组变压器式双模块化多电平换流器拓扑及其控制方法，无需直流断路器，在发生直流故障后，不需要断开交流断路器及直流断路器，无需使用结构复杂的故障自清除子模块，可快速地实现故障隔离并不中断功率传输，提高系统的供电稳定性。技术方案如下：
一种开绕组变压器式双模块化多电平换流器拓扑，包括开绕组变压器、模块化多电平换流器的MMC-Ⅰ和MMC-Ⅱ子模块；开绕组变压器二次侧A相绕组具有两个端子A1和A2，开绕组变压器二次侧B相绕组具有两个端子B1和B2，开绕组变压器二次侧C相绕组具有两个端子C1和C2；开绕组变压器二次侧的三相端子A1、B1、C1与三相线路电感L1串联后，再与MMC-Ⅰ子模块的三相交流侧端口连接；开绕组变压器二次侧的三相端子A2、B2、C2与三相线路电感L2串联后，再与MMC-Ⅱ子模块的三相交流侧端口连接；开绕组变压器的一次侧三相绕组端子U、V、W与电网侧线路电感Lac连接后，再与交流电网联结。
进一步的，所述开绕组变压器一次侧为三角形联结或星形联结。
更进一步的，所述开绕组变压器包括三个单相变压器。
一种开绕组变压器式双模块化多电平换流器拓扑的控制方法，从交流网侧锁相得到相位θ，采用外环功率控制和内环电流控制；
外环功率控制器的控制目标包括有功类控制目标和无功类控制目标；有功类控制目标的指令值为交流侧有功功率P* s或直流侧直流电压U* dc；无功类控制目标的指令值是交流侧无功功率Q* s或交流侧电压U* sm；
外环功率控制器的输出为内环电流控制器的电流指令值；内环电流控制器的输出为MMC-Ⅰ与MMC-Ⅱ子模块之间的三相差模桥臂电压指令值u* k；且内环电流控制器形成的参考电压控制指令通过下式分配到两组MMC脉冲发生器：
式中，U* kn1和U* kn2分别为MMC-Ⅰ和MMC-Ⅱ子模块的k相下桥臂参考电压控制指令；U* k为MMC-Ⅰ和MMC-Ⅱ的k相差模参考电压控制指令；U* kp1和U* kp2分别为MMC-Ⅰ和MMC-Ⅱ的k相上桥臂参考电压生成指令；
两组MMC脉冲发生器根据相位θ和参考电压控制指令生成脉冲，分别控制MMC-Ⅰ和MMC-Ⅱ子模块的通断。
进一步的，还包括换流器启动充电控制，过程如下：
步骤1：模块化多电平换流器启动后，为了避免过流而烧坏器件，在交流网侧接入限流电阻模块使启动时电流幅值不超过最大安全运行电流；
步骤2：控制MMC-Ⅱ子模块为旁通状态，MMC-Ⅰ子模块为闭锁状态，进入第一阶段不控充电；
步骤3：判断MMC-Ⅰ子模块电容电压是否达到可控充电阶段基准值，若达到则进入下一步；否则返回上一步；
步骤4：断开限流模块；
步骤5：控制MMC-Ⅰ子模块解除闭锁转换到闭环控制状态，进入第二阶段可控充电；
步骤6：判断MMC-Ⅰ子模块的电容电压是否达到额定值，达到则MMC-Ⅰ子模块充电完成，进入下一步；否则返回上一步；
步骤7：采用步骤2-6对MMC-Ⅰ子模块充电的方法对MMC-Ⅱ子模块进行充电。
更进一步的，还包括换流器直流故障穿越控制方法，具体为：直流故障发生后，旁通故障侧MMC子模块，使其与故障点形成通路，等效于该侧MMC三相短路接地；外环功率控制器和内环电流控制器切换为单端MMC控制器，实现单侧MMC正常运行。
本发明的有益效果是：本发明采用开绕组变压器式双模块化多电平换流器拓扑的柔性直流输电系统和中低压直流配电网，在发生直流故障后，通过旁通故障侧换流器子模块，便可以快速实现直流故障穿越。由于交流侧开绕组结构，闭锁换流器后交流网侧不会对直流故障点馈能，同时利用电力电子开关的快速动作特性，与机械断路器这种机械开关相比，节省了故障清除时间，而且另一侧MMC系统还可正常运行，不中断功率传输。本发明为基于模块化多电平换流器的柔性直流输电系统和中低压输配电领域提供了一种有效可行的直流故障穿越解决方案。
附图说明
图1为开绕组变压器式双模块化多电平换流器结构示意图。
图2为开绕组变压器式双模块化多电平换流器控制框图。
图3为本发明实施例提供的开绕组变压器式双模块化多电平换流器启动充电流程图。
图4为本发明实施例提供的MMC闭环控制框图。
图5为本发明实施例提供的直流故障隔离示意图。
图6为本发明实施例二提供的开绕组变压器式双模块化多电平换流器结构示意图。
图7(a)为本发明实施例提供的直流故障穿越仿真图--直流电压变化。
图7(b)为本发明实施例提供的直流故障穿越仿真图--三相电流变化。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
实施例一：
第一方面，如图1所示，本实施例提供一种采用具备直流故障穿越功能的开绕组变压器式双模块化多电平换流器拓扑的柔性直流输电系统结构。其中，开绕组变压器二次侧三相绕组每相分别有两个端子，A1和A2是开绕组变压器二次侧A相绕组的两个端子，B1和B2是开绕组变压器二次侧B相绕组的两个端子，C1和C2是开绕组变压器二次侧C相绕组的两个端子，开绕组变压器二次侧的三相端子A1、B1、C1与三相线路电感L1串联后，再与一个模块化多电平换流器(MMC-Ⅰ子模块)的三相交流侧端口连接；开绕组变压器二次侧的三相端子A2、B2、C2与三相线路电感L2串联后，再与另一个模块化多电平换流器(MMC-Ⅱ子模块)的三相交流侧端口连接。其中，与开绕组变压器每相绕组的两个端子相连接的MMC-Ⅰ和MMC-Ⅱ子模块的相应交流端口是同相的。而开绕组变压器的一次侧三相绕组端子U、V、W与电网侧线路电感Lac连接后，再与交流电网联结。
如图2所示，本实施例提供的单端MMC运行控制框图，应用于采用开绕组双模块化多电平换流器拓扑的柔性直流输电系统启动与一侧发生直流故障时，通过直接电流控制策略实现直流电压恒定控制。
本发明提供的一种开绕组变压器式双模块化多电平换流器控制方法，包括：
1.开绕组变压器式双模块化多电平换流器控制策略
开绕组变压器式双模块化多电平换流器控制框图如图2所示，从交流网侧锁相得到相位，采用外环功率控制和内环电流控制。外环功率控制器的控制目标分为两类，第一类为有功类控制目标，第二类为无功类控制目标。有功类控制目标的指令值是交流侧有功功率P* s或直流侧直流电压U* dc，选择其中之一指令进行控制。无功类控制目标的指令值是交流侧无功功率Q* s或交流侧电压U* sm，选择其一指令进行控制。外环功率控制器的输出是内环电流控制器的电流指令值，内环电流控制器输出的是MMC-Ⅰ与MMC-Ⅱ之间的三相差模桥臂电压指令值。控制器形成的参考电压控制指令通过式(1)分配到两组MMC脉冲发生器：
式中，U* kn1和U* kn2分别为MMC-Ⅰ和MMC-Ⅱ的k相下桥臂参考电压控制指令；U* k为MMC-Ⅰ和MMC-Ⅱ的k相差模参考电压控制指令；U* kp1和U* kp2分别为MMC-Ⅰ和MMC-Ⅱ的k相上桥臂参考电压生成指令。
两组MMC脉冲发生器根据相位θ和参考电压控制指令生成脉冲，分别控制MMC-Ⅰ和MMC-Ⅱ子模块的通断。
2.开绕组变压器式双模块化多电平换流器启动充电控制
MMC启动充电流程如图3所示，启动充电阶段一端MMC旁通，另一端MMC单独充电，充电阶段分为可控充电与不控充电两个阶段，第一阶段MMC运行在闭锁状态下，这一阶段子模块电压Uc(initial)最多可达到式(2)中的大小。第二阶段控制框图如图4所示，该阶段采用闭环控制使子模块电容电压充电至额定电压Uc(ratged)。一端MMC充电完成后，重复该步骤使另一端MMC子模块电容完成充电。
换流器启动充电控制的步骤如下：
步骤1：模块化多电平换流器启动后，为了避免过流而烧坏器件，在交流网侧接入限流电阻模块使启动时电流幅值不超过最大安全运行电流；
步骤2：控制MMC-Ⅱ子模块为旁通状态，MMC-Ⅰ子模块为闭锁状态，进入第一阶段不控充电；
步骤3：判断MMC-Ⅰ子模块电容电压是否达到可控充电阶段基准值，若达到则进入下一步；否则返回上一步；
步骤4：断开限流模块；
步骤5：控制MMC-Ⅰ子模块解除闭锁转换到闭环控制状态，进入第二阶段可控充电；
步骤6：判断MMC-Ⅰ子模块的电容电压是否达到额定值，达到则MMC-Ⅰ子模块充电完成，进入下一步；否则返回上一步；
步骤7：采用步骤2-6对MMC-Ⅰ子模块充电的方法对MMC-Ⅱ子模块进行充电。
3.开绕组变压器式双模块化多电平换流器直流故障穿越机理
直流故障发生后，立即旁通故障侧MMC子模块，该侧MMC子模块处于旁通状态于是与故障点形成通路，等效于该侧MMC三相短路接地。于是开绕组双模块化多电平换流器就转变成传统的MMC结构，此时系统结构如图5所示，此时控制器切换到图4所示单端MMC控制器，则可以实现单侧MMC正常运行，这样一来，便实现了直流故障穿越。直流故障穿越仿真图如图7(a)-(b)所示。
值得注意的是，本发明实施例一仅是示意性的提供了仅选用半桥模块作为MMC子模块的情况，MMC采用全桥式子模块、嵌位双子模块、混合模块等其他情况在此不再赘述。控制方案也不仅限于所给出的策略，其他控制策略仍然可以应用于该拓扑结构。
实施例二：
基于实施例一的描述及其附图，本发明实施例二又公开了一种开绕组变压器式双模块化多电平换流器结构，参见图6，其余实施例一的不同之处是，该一次侧变压器联结方式由星形改为三角形，实施例二其余部分描述参见实施例一。
在本发明的描述中，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一个或者更多个该特征。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (6)
1.一种开绕组变压器式双模块化多电平换流器拓扑，其特征在于，包括开绕组变压器、模块化多电平换流器的MMC-Ⅰ和MMC-Ⅱ子模块；开绕组变压器二次侧A相绕组具有两个端子A1和A2，开绕组变压器二次侧B相绕组具有两个端子B1和B2，开绕组变压器二次侧C相绕组具有两个端子C1和C2；开绕组变压器二次侧的三相端子A1、B1、C1与三相线路电感L1串联后，再与MMC-Ⅰ子模块的三相交流侧端口连接；开绕组变压器二次侧的三相端子A2、B2、C2与三相线路电感L2串联后，再与MMC-Ⅱ子模块的三相交流侧端口连接；开绕组变压器的一次侧三相绕组端子U、V、W与电网侧线路电感Lac
连接后，再与交流电网联结。
2.根据权利要求1所述的开绕组变压器式双模块化多电平换流器拓扑，其特征在于，所述开绕组变压器一次侧为三角形联结或星形联结。
3.根据权利要求1所述的开绕组变压器式双模块化多电平换流器拓扑，其特征在于，所述开绕组变压器包括三个单相变压器。
4.一种权利要求1所述的开绕组变压器式双模块化多电平换流器拓扑的控制方法，其特征在于，从交流网侧锁相得到相位θ，采用外环功率控制和内环电流控制；
外环功率控制器的控制目标包括有功类控制目标和无功类控制目标；有功类控制目标的指令值为交流侧有功功率P* s或直流侧直流电压U* dc；无功类控制目标的指令值是交流侧无功功率Q* s或交流侧电压U* sm；
外环功率控制器的输出为内环电流控制器的电流指令值；内环电流控制器的输出为MMC-Ⅰ与MMC-Ⅱ之间的三相差模桥臂电压指令值u* k；且内环电流控制器形成的参考电压控制指令通过下式分配到两组MMC脉冲发生器：
式中，U* kn1和U* kn2分别为MMC-Ⅰ和MMC-Ⅱ子模块的k相下桥臂参考电压控制指令；U* k为MMC-Ⅰ和MMC-Ⅱ子模块的k相差模参考电压控制指令；U* kp1和U* kp2分别为MMC-Ⅰ和
MMC-Ⅱ子模块的k相上桥臂参考电压生成指令；k＝A、B、C；
两组MMC脉冲发生器根据相位θ和参考电压控制指令生成脉冲，分别控制MMC-Ⅰ和
MMC-Ⅱ子模块的通断。
5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，还包括换流器启动充电控制，过程如下：
步骤1：模块化多电平换流器启动后，在交流网侧接入限流电阻模块；
步骤2：控制MMC-Ⅱ子模块为旁通状态，MMC-Ⅰ子模块为闭锁状态，进入第一阶段不控充电；
步骤3：判断MMC-Ⅰ子模块电容电压是否达到可控充电阶段基准值，若达到则进入下一步；否则返回上一步；
步骤4：断开限流模块；
步骤5：控制MMC-Ⅰ子模块解除闭锁转换到闭环控制状态，进入第二阶段可控充电；
步骤6：判断MMC-Ⅰ子模块的电容电压是否达到额定值，达到则MMC-Ⅰ子模块充电完成，进入下一步；否则返回上一步；
步骤7：采用步骤2-6对MMC-Ⅰ子模块充电的方法对MMC-Ⅱ子模块进行充电。
6.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，还包括换流器直流故障穿越控制方法，具体为：直流故障发生后，旁通故障侧MMC子模块，使其与故障点形成通路，等效于该侧MMC三相短路接地；外环功率控制器和内环电流控制器切换为单端MMC控制器，实现单侧MMC正常运行。
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|---|---|---|---|---|
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