CN115769477B - 在dc线路扰动的情况下对全桥或混合臂类型的模块化多电平转换器的控制 - Google Patents

在dc线路扰动的情况下对全桥或混合臂类型的模块化多电平转换器的控制 Download PDF

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Abstract

提供了一种在DC线路扰动的情况下控制全桥或混合臂类型的模块化多电平转换器MMC的方法(100)。该方法包括确定(102，104)MMC的DC电压(Udp)的幅值是否已经下降到低于上电压阈值(Ud_max_lim)，并且如果确定DC电压的幅值已经下降到低于上电压阈值，则基于DC极电压降低(106)用于MMC的AC有功电流基准(IVD_ORD)的幅值和DC电压基准(UDC_REF)的幅值。还提供了一种具有实施该方法的控制器的MMC、一种包括至少一个该MMC的换流站、以及一种包括至少一个该换流站的电力传输系统。

Description

在DC线路扰动的情况下对全桥或混合臂类型的模块化多电平 转换器的控制
技术领域
本公开涉及全桥或混合臂类型的模块化多电平转换器领域。更特别地，本公开涉及在DC线路扰动(例如DC故障)的情况下对这样的转换器的控制。
背景技术
具有包括全桥(FB)类型的转换器单元的相臂的模块化多电平转换器(MMC)与例如仅包括半桥(HB)类型的转换器单元的那些不同，可以在与MMC连接的DC线路上出现扰动(例如DC故障)的情况下，帮助阻挡转换器的AC侧和DC侧之间的浪涌电流。由于其DC故障穿越能力，这样的MMC可以隔离DC故障，同时仍使用无功功率支持AC电网。然而，为了使这些动作充分地起作用，一旦发生DC故障，就需要对MMC进行适当控制，包括尽可能快地降低由转换器生成的DC电压。
为了提供稳健且可靠的转换器，因此需要尽可能快地检测DC故障。然而，对DC故障的过快检测可能将故障检测的灵敏度增加到期望水平之上。这可能在没有任何意外事故的情况下增加错误触发和MMC跳闸的风险，并降低故障检测的稳健性。
发明内容
本公开寻求至少部分地解决以上讨论的问题。为了实现这一点，提供了由独立权利要求限定的在DC故障的情况下控制MMC的方法、MMC、换流站和电力传输系统。在从属权利要求中提供了另外的实施例。
根据本公开的第一方面，提供了在DC线路扰动的情况下控制全桥或混合臂类型的模块化多电平转换器(MMC)的方法。该方法包括确定MMC的DC电压的幅值是否已经下降到低于上电压阈值。该方法还包括如果确定DC电压的幅值已下降到低于上电压阈值，则基于DC电压减小用于MMC的AC有功电流基准的幅值和DC电压基准的幅值两者。DC电压可以例如是所测量的DC电压。DC电压可以例如是MMC两端的电压、和/或例如DC极电压等。
在本文中，“DC线路扰动”可以包括由例如AC故障、DC故障或由其它类型的故障或扰动引起的DC线路电流和/或电压的扰动。在下面的内容中，DC故障将被用作DC线路扰动的示例，但是应注意，DC线路扰动还可以或替代性地包括该其它类型的故障，并且如本文所公开的方法及其益处不限于DC故障。
在下面的内容中，例如在附图中示出的实施例的详细描述中，还将假设DC电压是DC极电压，并且该DC极电压通常在稳态操作期间是正电压(相对于例如地电位测量)。例如，DC电压可以是正DC极的DC电压。然而，还可以设想，如果MMC连接到该负DC极，则DC电压通常可以是负电压，例如负DC极的DC电压。如本文先前所述，本公开的方法使用DC电压的幅值，并且减小AC有功电流基准和DC电压基准的幅值。这允许该方法处理两种情况(即，独立于DC电压通常是正还是负，如相对于例如公共接地电位测量)。
用于处理例如MMC中的DC故障的传统方法和控制可能取决于DC故障检测算法，以便启动用于处理DC故障所需的控制动作。该DC故障检测算法可能依赖于例如所测量的DC电流，并且如本文先前所述，需要快速检测DC故障，使得检测变得过于灵敏(因此存在例如在没有任何意外事故的情况下MMC跳闸的风险)。
在DC故障的情况下，由于例如在DC极之间和/或例如在DC极中的一个和地之间的短路，DC极电压可能突然减小。如将在本文中更详细地描述的，本公开的方法可以检测到DC极电压已经下降到低于上电压阈值，并且AC有功电流基准和DC电压基准的随后减小可以使得MMC能够在没有跳闸的情况下(例如，在没有关闭的情况下)操作，直到由MMC的控制中包括的传统DC故障检测算法检测到DC故障的时间。换句话说，本公开的方法可以使得能够在没有实际检测到DC故障的情况下处理DC故障足够的持续时间。因此，可以放宽传统DC故障检测算法的速度要求，并且可以花更多时间来检测DC故障。这可以减小错误触发的可能性并且允许更稳健的系统操作。
在一些实施例中，该方法还可以包括使用MMC的DC电流控制器或循环电流控制器来限制DC电流的上限。在本文中，MMC“的”控制器通常不排除例如除了MMC本身以外的其它结构的控制器部分，但仍能够发送控制信号，使得可以被控制例如MMC的相臂和其中的转换器单元。如稍后将描述的，如果DC故障碰巧远离MMC发生，则限制DC电流的上限(到或至少接近例如标称值)可能是有益的。
在一些实施例中，减小AC有功电流基准的幅值可以包括将AC有功电流基准设置为与DC电压成比例。
在一些实施例中，该方法还可以包括：如果DC电压的幅值高于上电压阈值，则将AC有功电流基准的幅值设置为上恒定值。
在一些实施例中，该方法还可以包括如果DC电压低于下电压阈值，则将AC有功电流基准的幅值设置为下恒定值。
在一些实施例中，减小DC电压基准的幅值可以包括将DC电压基准的幅值设置为与减小的AC有功电流基准的幅值成比例。
在一些实施例中，该方法还可以包括迫使DC电压基准的幅值不超过MMC的稳态DC电压基准的幅值。本文中，“稳态”可以表示在例如不存在DC故障/线路扰动的时间期间的操作状态。
根据本公开的第二方面，提供了一种全桥或混合臂类型的MMC。MMC包括控制器。控制器经配置为通过执行如本文中参考例如本发明的第一方面所描述的方法来控制MMC。
根据本公开的第三方面，提供了一种换流站。换流站包括至少一个MMC。至少一个MMC可以是如本文参考例如本公开的第一方面或第二方面所描述的MMC。
根据本公开的第四方面，提供了一种电力传输系统。电力传输系统包括经由DC链路连接的至少两个换流站。至少两个换流站中的至少一个可以是如本文参考例如本公开的第三方面所描述的换流站。
本公开涉及权利要求中记载的特征的所有可能的组合。根据第一方面描述的对象和特征可以与根据第二方面、第三方面和/或第四方面描述的对象和特征组合或由其替代，反之亦然。
下面将借助于例示性实施例来描述本公开的各个实施例的另外的目的和优点。
附图说明
下面将参照附图描述示例性实施例，在附图中：
图1示意性地示出了根据本公开的方法的一个或多个实施例的流程；
图2a示意性地示出了根据本公开的一个或多个实施例的电压相关限流器；
图2b示意性地示出了根据本公开的一个或多个实施例的如何基于DC极电压减小AC有功电流基准的方法；
图2c示意性地示出了根据本公开的一个或多个实施例的如何基于DC极电压减小DC电压基准的方法；
图3a示意性地示出了根据本公开的一个或多个实施例的MMC；
图3b示意性地示出了根据本公开的一个或多个实施例的换流站；以及
图3c示意性地示出了根据本公开的一个或多个实施例的电力传输系统。
在附图中，除非另外说明，否则相同的附图标记将用于相同的元件。除非有相反的明确说明，否则附图仅示出说明示例性实施例所必需的元件，而为了清楚起见，其它元件可以被省略或仅被提示。如图所示，出于说明目的，可以夸大元件和区域的大小，并且因此用来示出实施例的大体结构。
具体实施方式
参考图1，现在将更详细地描述根据本公开的方法。
图1示意性地示出了根据本公开的一个示例性实施例的方法100的流程图。在第一步骤102中，获取(例如，测量)MMC的DC极电压(Udp)。在随后的步骤104中，确定DC极电压(Udp)是否已经下降到低于上电压阈值(Ud_max_lim)。如果在步骤104中确定DC极电压尚未下降到低于上电压阈值(即，满足条件Udp≥Ud_max_lim)，则方法可以例如停止，或者例如返回到步骤102并获取Udp的经更新的值。然而，如果在步骤104中确定DC极电压已经下降到低于上电压阈值(即，满足条件Udp<Ud_max_lim)，则方法可以前进到步骤106，在步骤106中，基于DC极电压Udp减小用于MMC的AC有功电流基准(IVD_ORD)和DC电压基准(UDC_REF)两者。然后经更新的(减小的)值IVD_ORD和UDC_REF可以提供给MMC并在MMC的后续控制期间使用。在步骤106之后，方法100可以例如停止，或者方法100可以例如返回到步骤102并获取Udp的经更新的值。
在DC故障的情况下(例如DC极和地之间短路，和/或例如一个DC极和另一DC极之间短路)，DC极电压Udp可能下降。使用本公开的方法(诸如参考图1描述的方法100)可以在DC极电压Udp下降到低于特定上电压阈值时帮助减小由MMC生成的DC电压(即，通过减小DC电压基准UDC_REF)。这可以确保馈送到故障的DC电流可以被减小并且有助于尽可能快地隔离DC故障。此外，每当MMC的DC侧上的电压(即，Udp)下降时，如本文所公开的方法也可以帮助减小MMC的AC侧处的有功功率(即，通过降低AC有功电流基准/指令IVD_ORD)。这可以帮助维持MMC中的功率平衡，并且还有助于避免不必要的单元充电和放电。
参考图2a、图2b和图2c，现在将更详细地描述如何降低AC有功电流基准IVD_ORD和DC电压基准UDC_REF的各种示例。
图2a示意性地示出了根据本公开的电压相关限流器(VDCL)的一个示例。这样的VDCL可以例如用于执行本文中参考图1描述的方法100的步骤102、104和106中的一个或多个。
VDCL 200将DC极电压Udp、AC有功电流基准IVD_ORD(对应于有功功率)的限制值(IVD_max_lim和IVD_min_lim)以及DC极电压Udp的上电压阈值和下电压阈值(Ud_max_lim和Ud_min_lim)作为其输入。上电压阈值和下电压阈值用于限定其中基于Udp减小AC有功电流基准IVD_ORD的电压区，而AC有功电流基准IVD_ORD的限制值用于将AC有功电流基准保持在有限值范围内。基于Udp，VDCL 200输出经更新的(例如，减小的)AC有功电流基准IVD_ORD。可以设想的是，可以选择IVD_max_lim、IVD_min_lim、Ud_max_lim和Ud_min_lim的各种值，使得VDCL 200在例如其它较小扰动期间和/或在MMC的稳态操作期间不发生干扰。
图2b示意性地示出了从参考图2a描述的VDCL 200输出的AC有功电流基准IVD_ORD如何基于DC极电压Udp减小的一个示例。
如果Udp高于上电压阈值Ud_max_lim，则IVD_ORD被限制为对应于MMC的最大允许有功电流(或例如功率)参考的恒定上限值IVD_max_lim。类似地，如果Udp低于下电压阈值Ud_min_lim，则IVD_ORD被限制为恒定下限值IVD_min_lim。IVD_min_lim的值可以例如设置为零或接近零。
如果Udp在Ud_min_lim和Ud_max_lim之间限定的区域内，则基于Udp减小AC有功电流基准IVD_ORD。在参考图2b描述的示例中，IVD_ORD与Udp成比例地减小，即使得(在Ud_min_lim和Ud_max_lim之间的间隔内)IVD_ORD的值是Udp的线性递增函数。作为示例，在该区域中，AC有功电流基准可以被给出为IVD_ORD＝IVD_min_lim+(IVD_max_lim-IVD_min_lim)*(Udp-Ud_min_lim)/(Ud_max_lim-Ud_min_lim)。
尽管图2b示出了IVD_ORD对Udp的线性依赖性，但是也可以设想，也可以使用其它依赖性，只要至少在Udp值的一些区域内，当Udp下降到低于上电压阈值(诸如Ud_max_lim)时，AC有功电流IVD_ORD随着Udp减小而减小。
图2c示意性地示出了根据本公开的可以如何基于Udp减小DC电压基准UDC_REF的一个示例。如图2c所示，从VDCL 200输出的AC有功电流基准IVD_ORD被提供给缩放单元204，其中通过将IVD_ORD的值除以IVD_max_lim来缩放IVD_ORD的值，使得经修改的AC有功电流基准IVD_MOD被提供为IVD_MOD＝IVD_ORD/IVD_max_lim。换句话说，在缩放单元204之后，IVD_ORD的值被限定到间隔[IVD_min_lim/IVD_max_lim，1]。然后，AC有功电流基准的经修改的值IVD_MOD被提供给乘法单元206，其中将其与值UDC_ORD相乘。值UDC_ORD对应于MMC的稳态操作的DC电压基准。来自乘法单元206的输出是DC电压基准UDC_REF。当IVD_ORD的值低于1(如果Udp低于上电压阈值Ud_max_lim的情况)时，DC电压基准UDC_REF因此表示与稳态DC电压基准UDC_ORD相比减小的DC电压基准。这里，UDC_REF例如是本文中参考图1描述的方法100讨论的减小的DC电压基准。
然后，DC电压基准UDC_REF和AC有功电流基准IVD_ORD被提供给MMC的控制的其它部分208，其中它们用于降低AC有功电流(并且因此MMC的AC侧上的有功功率)和由MMC生成的DC侧电压(使得馈送DC故障的电流也可以被减小)两者。
如本文先前所讨论的那样，还可以设想DC电压(例如，DC极电压)通常可为负电压，例如负DC极电压。如果是这种情况，则可以设想以上参考图1、图2a、图2b和图2c描述的方法的各种实施例被修改为使得例如替代地使用Udp的绝对值，并且使得基于DC电压减小AC有功电流基准和DC电压基准的幅值。
如本文先前所讨论的那样，存在这样的可能性，如果DC故障的位置远离例如其中实施根据本公开的方法控制一个或多个MMC的换流站，则DC极电压可能不能下降到低于上电压阈值(例如Ud_max_lim)。在这种情况下，例如DC电压基准的降低可能不会发生，并且换流站可以继续将DC电流馈送到故障。作为针对这种不期望的情况的措施，本公开还设想了例如其中MMC的DC电流控制器或循环电流控制器用于限制DC电流的上限的方法的一个或多个实施例。例如，如果DC电流增加到超过特定值，则DC电流可以被限制为标称值或接近标称值。这与例如通常在MMC中发现的相臂电容器能量控制器组合在一起则可以迫使由MMC生成的DC电压降低以维持额定的所需循环电流。这里，相臂电容器能量控制器可以例如尝试将相臂的总相臂能量或总转换器单元电压维持到期望值。这可以使MMC的DC极电压降低到低于上电压阈值，然后可以通过如本文所述的方法来进行检测，并且可以执行基于DC极电压降低AC有功电流基准和DC电压基准的步骤。
同样如本文前面所讨论的那样，处理MMC中和换流站中的DC故障的现有方法可能取决于DC故障检测，该DC故障检测仅在已经检测到DC故障时启动全桥或混合臂类型的MMC的控制动作。这可能是有问题的，因为它可能仅取决于所使用的DC故障检测算法。
用于基于线路换向转换器(LCC)的(HVDC)系统的DC故障算法通常非常稳健。为了实现这种鲁棒性，算法被设计成利用LCC的固有能力来自主维持对DC故障电流的控制，直到通过保护检测到故障。然而，在控制电压的电压源控制器(即MMC)的情况下，一旦DC故障已经发生，就不可能在不发生控制动作的任何改变的情况下等待更长的时间。这是因为转换器将不能减小DC电压以隔离DC故障，以及转换器不能维持AC侧和DC侧之间的功率平衡。
因此，对于系统的更好的控制和鲁棒性，DC故障的检测需要是快速的。然而，如果DC故障检测过快，则可能存在检测变得太敏感并且由于其敏感的开关元件换流站可能在没有意外事故的情况下跳闸(例如，关闭)的风险。因此，本公开的方法可以提供改进的控制，其可以自主地处理DC故障，因为它将允许DC故障检测算法的放宽的速度要求。
本文中设想了MMC可以包括适合于检测和随后处理DC故障(例如基于所测量的DC电流)的附加装置。
参考图3a、图3b和图3c，现在将更详细地描述根据本公开的MMC、换流站和电力传输系统的各种实施例。
图3a示意性地示出了MMC 300。在DC侧，MMC 300连接到第一DC端子321和第二DC端子322。DC端子321和322中的一个或两个可以例如对应于相应的DC极。如本文中所描述的那样，可以设想对于MMC 300可能发生DC故障323，使得例如存在例如DC端子321与地之间产生的短路或类似情况。
在AC侧，MMC 300连接到一个或多个AC相330。对于每个AC相330，MMC 300具有相应的相臂313。每个相臂313包括上相臂311和下相臂312。上相臂311连接在第一DC端子321与其相应的AC相330之间，而下相臂312连接在其相应的AC相330和第二DC端子322之间。相臂311包括串联连接的多个转换器单元314。在本公开中，可以设想相臂311包括全桥或混合类型的转换器单元314。例如，可以设想在混合类型中，相臂311中的转换器单元314可以是全桥转换器单元和半桥转换器单元的混合。还可以设想可以使用转换器单元类型的其它组合，只要存在至少一些全桥类型的转换器单元314，使得MMC 300可以通过使用(全桥类型的)转换器单元314来处理由DC故障323引起的DC故障电流以阻挡DC故障电流。
MMC包括控制器340，该控制器被配置为依据根据本公开的方法操作例如相臂311和转换器单元314。控制器340可以包含必要的硬件和/或软件以例如创建所需的基准，包括AC有功电流基准和DC电压基准，并且如本文所述还基于DC极电压来减小它们的值。可以设想，控制器340还可以配置有控制其中的相臂311和转换器单元314所需的其它软件和/或硬件。这里，“控制”可以例如包括决定在每个相臂311中的转换器单元314中的哪些在特定时刻将从在相应的DC端子和AC相之间流动的电流路径插入或被旁路，其中在DC端子和AC相之间连接有相臂。当然，也可以设想，“控制”可以包括本文未讨论或描述的一个或多个其它功能。在例如正常操作期间(例如，在稳态操作期间)，控制器340可以控制相臂311，使得MMC330可以作为换流器或整流器操作，以便根据需要在AC侧和DC侧之间传输功率。
图3b示意性地示出了换流站350。换流站350在DC侧上具有DC端子324和325，并且在AC侧上可连接到至少一个AC电网332。换流站350包括四个MMC 301、302、303、304。至少一个该MMC可以为如本文中所描述的MMC，例如参考图3a所描述的MMC 300。
图3c示意性地示出了电力传输系统360。电力传输系统360可以例如是HVDC电力传输系统。电力传输系统360包括经由DC链路326连接的至少两个换流站351和352。在它们相应的AC侧上，换流站351和352连接到相应的AC电网336和337。在图3c中，电力传输系统360被示出为单极配置(仅使用单个DC链路和接地返回路径)。可以设想，如本文所定义的电力传输系统也可以处于其它配置，例如处于双极配置。
总之，本公开提供了一种处理包括全桥或混合类型的相臂的MMC的DC故障的改进的方法。这通过监控MMC的DC电压的幅值以便检测DC电压的幅值是否下降到低于预定的(上)电压阈值来实现。如果是这种情况，则使用DC电压的幅值来减小MMC的DC电压基准的幅值和AC有功电流基准的幅值两者。这使得能够在通过MMC的传统方式检测和处理DC故障之前自主处理DC故障(更准确地，DC线路扰动)足够的持续时间。这进而允许传统DC故障检测算法的放宽的速度要求，从而导致降低了MMC的过灵敏和跳闸的风险。
附加地，本公开还提供了对MMC的改进的控制，以便在MMC(直接或间接)连接的DC线路上存在严重的DC电压和/或DC电流扰动的情况下避免过电流和/或高单元电压。这样的扰动例如可以来自DC故障，但是也可以来自其它故障/扰动。换句话说，本发明还提供了一种操作MMC的方式，即使在DC电压(例如，DC极电压)和/或DC线电流异常的情况下也不用经受异常高电流应力或异常单元电压应力。
附加地，本公开还提供了避免如在DC故障远离MMC发生时的不期望的情况的方式。在这种情况下，本公开提供了其中使用DC电流控制器(或循环电流控制器)结合总单元电压控制来自动限制DC电流的实施例。总之，本公开提供了一种DC故障处理的解决方案，与例如仅依赖于DC电流测量和在可以采取保护动作之前的DC故障的实际检测的传统DC故障处理相比，该解决方案可以更稳健和可靠，并且对其它瞬变和动态更不敏感。
尽管以上以特定组合描述了特征和元件，但是每个特征或元件可以在没有其它特征和元件的情况下单独使用，或者在具有或不具有其它特征和元件的情况下以各种组合方式使用。
附加地，本领域技术人员在实践要求保护的本发明时，可以通过研究附图、本公开内容以及所附权利要求来理解和实现对公开的实施方式的变型。在权利要求中，词语“包括”和“包含”不排除其它元件，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。在互相不同的从属权利要求中阐述某些措施这一事实不表明这些措施的组合不能被有利地使用。

Claims (8)

1.一种在DC故障的情况下控制全桥或混合臂类型的模块化多电平转换器MMC的方法(100)，所述方法包括：
确定(102，104)所述MMC的DC极电压(Udp)的幅值是否已经下降到低于上电压阈值(Ud_max_lim)，以及
如果确定所述DC极电压已经下降到低于所述上电压阈值：
基于所述DC极电压减小(106)用于所述MMC的AC有功电流基准(IVD_ORD)的幅值和DC电压基准(UDC_REF)的幅值两者，其中，减小所述AC有功电流基准的幅值包括将所述AC有功电流基准的幅值设置为与所述DC极电压成比例，并且其中，减小所述DC电压基准的幅值包括通过将所述AC有功电流基准的幅值除以恒定上限值(IVD_max_lim)从而提供所述AC有功电流基准的经修改的值并且将所述AC有功电流基准的经修改的值乘以稳态DC电压基准以生成具有减小的幅值的所述DC电压基准来缩放所述AC有功电流基准的幅值，将所述DC电压基准的幅值设置为与所述减小的AC有功电流基准的幅值成比例。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括使用所述MMC的DC电流控制器或循环电流控制器来限制DC电流的上限。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括：如果所述DC极电压的幅值高于所述上电压阈值，则将所述AC有功电流基准的幅值设置为恒定上限值(IVD_max_lim)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括：如果所述DC极电压的幅值低于下电压阈值(Ud_min_lim)，则将所述AC有功电流基准的幅值设置为下恒定值(IVD_min_lim)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括：迫使所述DC电压基准的幅值不超过所述MMC的稳态DC电压基准(UDC_ORD)的幅值。
6.一种全桥或混合臂类型的模块化多电平转换器MMC(300)，包括控制器(340)，所述控制器被配置成通过执行根据前述权利要求中任一项所述的方法来控制所述MMC。
7.一种换流站(350)，包括至少一个根据权利要求6所述的模块化多电平转换器MMC(301、302)。
8.一种电力传输系统(360)，包括经由DC链路(326)连接的至少两个换流站(351、352)，其中，所述至少两个换流站中的至少一个是根据权利要求7所述的换流站。
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