WO2012122688A1 - 一种基于模块化多电平换流器的阀电流控制方法 - Google Patents

一种基于模块化多电平换流器的阀电流控制方法 Download PDF

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汤广福
杨杰
王姗姗
孔明
刘栋
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State Grid Corp of China SGCC
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China Electric Power Research Institute Co Ltd CEPRI
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Definitions

  • the present invention relates to a control method in the field of flexible direct current transmission (VSC-HVDC), and in particular to a valve current control method based on a modular multilevel converter. . Background technique
  • the flexible application performance of flexible DC has extremely broad application prospects in the fields of urban power grid interconnection, new energy grid connection and passive load power supply, and modular multilevel converter is a brand new in recent years.
  • the converter suitable for high-voltage flexible DC transmission technology has broken the original two-level topology and dominated the flexible DC market, broadening the options for flexible DC applications.
  • Each of the modular multi-level bridge arms has the same number of sub-modules connected in series with the bridge arm reactance.
  • the output ground voltage is approximated to the sinusoidal AC voltage, thereby forming a stable working point.
  • a stable DC voltage is formed, thus achieving stable operation of the system.
  • the current of the valve should be a superposition of the DC amount and the AC frequency.
  • the voltage of the sub-modules of each bridge arm is not the same, which causes the distortion of the actual valve current. This distortion not only causes a wide loss increase, but also may Causes system instability.
  • each phase unit adopts the form of series connection of capacitors and inductors, and resonance between the phase units is likely to occur, resulting in poor dynamic performance of the system.
  • Figure 1 is a block diagram of a modular multilevel converter MMC; a modular multilevel converter is a stack of multiple submodules (SM), and Fig. 2 is a block diagram of a submodule (SM);
  • SM submodule
  • a modular multilevel converter consists of three phase units connected in parallel, each phase unit being divided into upper and lower bridge arms; one side of the bridge arm is connected to the AC output end, and the other side is connected to the DC output end;
  • Each bridge arm is formed by connecting the same number of submodules in series with a bridge arm reactance.
  • the structure of the submodule is formed by a simple half bridge structure in parallel with the capacitor, or a bidirectional openable power electronic switch in parallel with the other one.
  • the power electronic switch is composed of a series body of capacitors.
  • the series structure of all sub-modules is called a valve, and the current of each bridge arm is the valve current.
  • the valve current of the modular multi-level converter consists of two parts, one is the alternating current entering from the AC terminal, and the other is the DC current entering the DC terminal. Due to the capacitor voltage of the sub-modules of each bridge during system operation. It is not completely consistent, resulting in distortion of its AC output voltage. This distortion causes distortion of the DC current (generally called the circulating component) entering from the DC terminal. There are two general consequences. One is that the bridge arm circulation occurs. The second frequency component; the second is that the current is difficult to stabilize low frequency oscillation, wherein the second harmonic component will cause the loss of the converter valve to increase, which seriously affects the transmission efficiency of the system. The low-frequency oscillating component may cause the gradual deterioration of the operating conditions of the system, resulting in the system not being able to continue to operate. The reasons for this low-frequency oscillation are as follows -
  • the invention provides a valve current control method based on a modular multi-level converter for the above situation, the method can not only achieve the stability of the dynamic performance of the system, but also achieve the suppression of the harmonic component of the bridge arm double frequency. At the same time, under abnormal conditions of the AC system, the valve current has good output characteristics.
  • a wide current control method based on a modular multilevel converter is improved in that the method implements valve current control for a low frequency oscillation of current and a control scheme of a second harmonic component of current;
  • the low frequency oscillation control scheme for current includes the following steps:
  • the dual frequency harmonic component control scheme for current includes the following steps:
  • the output voltage setting in the step B is divided by the sum of the reference voltage of the sub-module and the estimated value of the capacitor voltage, and the actual sub-module output quantity setting is obtained.
  • a preferred technical solution provided by the present invention is: The low frequency oscillation for current is divided into an oscillating circulation between the bridge arms and an oscillating circulation between the two inverters.
  • a second preferred technical solution provided by the present invention is:
  • the control scheme of the oscillating circulation between the bridge arms includes the following steps:
  • a third preferred technical solution provided by the present invention is:
  • the control scheme of the oscillating circulating current between the two inverters includes the following steps:
  • the signal processing mode is a proportional adjustment And integral regulator
  • the fourth preferred technical solution provided by the present invention is: the control scheme for the harmonic component of the second harmonic, the estimating the voltage fluctuation of the actual sub-module by calculating the estimated value of the voltage fluctuation of the actual sub-module The value is added to the sub-module voltage reference value, and the corrected bridge arm output voltage setting Upref is divided by the sum of the estimated value of the actual sub-module voltage fluctuation and the sum of the sub-module voltage reference values.
  • valve current control method based on the modular multilevel converter provided by the invention solves the system oscillation caused by the dynamic response of the system; 2.
  • the valve current control method based on the modular multi-level converter provided by the invention realizes the suppression of the double-frequency commutation of the bridge arm and reduces the system loss;
  • valve current control method based on the modular multi-level converter provided by the invention realizes the suppression of the bridge arm circulation under the abnormal AC operating condition
  • the modular current control method based on the modular multilevel converter provided by the present invention solves the important difficulty of implementing a modular multilevel coverter (MMC) for engineering applications.
  • MMC modular multilevel coverter
  • Figure 1 is a block diagram of a modular multilevel converter MMC
  • FIG. 2 is a structural diagram of a submodule (SM);
  • Figure 3 is a schematic diagram of a calculation method of the bridge arm circulation
  • Figure 5 is a schematic diagram of a method of generating an additional voltage Uref2
  • Figure 6 is a schematic diagram of the method of generating the output voltage of the bridge arm. detailed description
  • the valve current control of the modular multilevel converter can be divided into two low-frequency oscillation control of current and two control layers of two-frequency harmonic component control.
  • the control schemes are different. The following describes the low-frequency oscillation of current. Control and control of the second harmonic component.
  • FIG 3 is a schematic diagram of the calculation method of the bridge arm circulation. As shown in Figure 3, first add the upper bridge valve current and the lower bridge valve current, and divide by 2 to obtain the DC current component in the valve (ie, the bridge arm circulation). Actual value
  • FIG. 4 is a schematic diagram of a method for generating an additional voltage Uref1;
  • the generation of the bridge arm circulation set value may be compared by the total voltage of the sub-modules of the respective bridge arms or the total energy of the sub-modules of the respective bridge arms, and obtained by a certain signal processing, and the typical processing scheme of the signal processing mode is after one A proportional regulator and an integral regulator.
  • the total sub-module energy of the modular multi-level converter and the set value (the set value is the energy of the total sub-module of the converter)
  • the fixed value requirement is generally a fixed value.
  • Usref correspondingly, Us is the actual energy of the total sub-module of the converter.
  • Comparison is made, and the error is obtained. After a certain signal processing, the required DC current setting is obtained.
  • the typical solution is to pass a proportional regulator and an integral regulator;
  • FIG. 5 is a schematic diagram of a method of generating an additional voltage Ure £2.
  • Adding Urefl and UreG is the voltage addition amount Uref that suppresses low-frequency oscillation.
  • the basic output voltage setting Uref and DC voltage can be used to obtain the actual bridge arm input voltage.
  • the Upref setting is shown in Figure 6.
  • Figure 6 is a schematic diagram of the bridge arm output voltage generation method.
  • the estimated value of the sub-module capacitor voltage fluctuation is obtained by calculation
  • the final output voltage setting Upref is divided by the sum of the submodule reference voltage and the capacitor voltage fluctuation estimated value, and the actual submodule output quantity is set to N.
  • valve current control method based on the modular multi-level converter provided by the invention can not only achieve the stability of the dynamic performance of the system, but also achieve the suppression of the harmonic component of the bridge arm double harmonic frequency, and at the same time, the abnormality of the communication system
  • the valve current has good output characteristics under working conditions.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Inverter Devices (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Description

—种基于模块化多电平换流器的阀电流控制方法 技术领域
本发明涉及一种柔性直流输电 （VSC-HVDC) 领域的控制方法， 具体涉及一种基 于模块化多电平换流器的阀电流控制方法。 . 背景技术
柔性直流灵活的应用性能， 使其在城市电网互联， 新能源并网以及无源负荷供电等 领域有着极其广阔的应用前景，而模块化多电平换流器是最近几年兴起的一种崭新的适 用于高压柔性直流输电技术领域的换流器， 它的出现打破了原有的两电平拓扑独占柔性 直流市场的局面， 拓宽了柔性直流应用过程中的可选择方案。
模块化多电平的每一个桥臂均有相同数量的子模块与桥臂电抗串联而成，通过控制 子模块的投入和退出，使输出地电压逼近正弦交流电压，从而形成稳定的工作点， 同时， 通过同一相单元上下桥臂投入电容的互补， 形成稳定的直流电压， 这样就实现了系统的 稳定运行， 理论上阀的电流应为直流量与一工频交流量的叠加。 然而， 实际运行中， 由 于子模块电容电压不停地充放电， 各桥臂的子模块电压并不相同， 这样就造成了实际阀 电流的畸变， 这种畸变不仅造成阔的损耗增加， 也可能造成系统的不稳定。
在针对模块化多电平换流器的运行机理分析过程中， 很多研究人员提出了其换流阀 电流中的谐波分量问题， 并分析了其阀电流中二倍频环流分量的产生原因， 屠卿瑞等人 的"模块化多电平换流器型直流输电内部环流机理分析"（高电压技术， 2010, 36 (02 )， 547-552 ) 分析了二倍频换流产生的机理， 指出通过增大电感值可以抑制二倍频分量， 而这种方式并不能实现二倍频分量的无差控制， 且在高压应用中， 以增大桥臂电抗值为 代价抑制二倍频分量是不经济的。 徐政等人在专利 "一种三相模块化多电平换流器环流 抑制方法"专利号 （201010162065.8 ) 提出了一种针对环流的抑制方法， 即通过将二倍 频环流进行 dq变换， 通过解耦控制给出附加的设定量， 从而实现二倍频电流的抑制， 然而该方式仅适用于稳态工况， 由于系统异常工况下， 换流器三相传输的功率不等， 上 述环流控制方法， 不能达到较好的控制效果。
同时， ώ于各个相单元均采用电容电感串联的形式，各相单元之间很可能发生谐振， 造成系统的动态性能较差， 这些都是模块化多电平在实际应用中所遇到的困难。 如何有 效的对阀电流实现控制，是目前模块化多电平换流器实现实际应用过程中需要解决的一 个重要问题。
图 1是模块化多电平换流器 MMC结构图； 一个模块化多电平换流器由多个子模块 ( Submodule, SM) 堆叠而成， 图 2是子模块 （SM) 的结构图； 通过控制子模块的投入 和退出， 就可以实现一个正弦交流输出电压和一个稳定的直流电压的建立， 从而形成交 直流侧稳定的工作点。 通过传输线路将这样的两个换流器进行连接， 就可以实现直流功 率的传输。.
一个模块化多电平换流器由三个相单元并联组成，每一个相单元均分为上下两个桥 臂； 桥臂的一侧连接于交流输出端， 另一侧连接于直流输出端； 每个桥臂由相同数量的 子模块与一个桥臂电抗串联而成， 子模块的结构由简单的半桥结构与电容并联而成， 或 者说 ώ一个双向可开通的电力电子开关并联另一个相同的电力电子开关与电容的串联 体组成。 所有的子模块串联结构称为阀， 每一个桥臂的电流即为阀电流。
模块化多电平换流器的阀电流由两部分组成， 一是由交流端子进入的交流电流， 二是 ώ直流端子进入的直流电流， 由于系统运行过程中， 各桥臂的子模块电容电压并不 完全一致， 导致其交流输出电压畸变， 这种畸变会造成由直流端子进入的直流电流（一 般称之为环流分量）产生畸变， 其普遍的后果有两种， 一是造成桥臂环流出现二倍频分 量； 二是造成该电流出现不易稳定的低频震荡， 其中的二倍频谐波分量会造成换流阀的 损耗增加， 严重影响系统的传输效率。 而低频震荡分量可能引起系统运行工况的逐渐恶 化， 造成系统无法持续运行， 这种低频震荡产生的原因有如下可能-
1. 换流器各相单元之间的振荡；
2. 形成直流传输的两个换流器之间通过直流线路形成的振荡；
3. 系统运行过程中的动态调节过程，如交流系统故障、功率传输改变、启动过程等。 发明内容
本发明针对上述情况提供一种基于模块化多电平换流器的阀电流控制方法，本方法 既可以实现系统动态性能的稳定性， 还可以实现对桥臂二倍频谐波分量的抑制， 同时在 交流系统异常工况下， 阀电流有着良好的输出特性。
一种基于模块化多电平换流器的阔电流控制方法， 其改进之处在于， 所述方法针对 电流的低频振荡和电流的二倍频谐波分量的控制方案实现阀电流控制；
所述针对电流的低频振荡控制方案包括如下步骤：
Α、 通过计算上桥臂与下桥臂电流和的一半得到阀中的直流电流分量， 所述直流电 B、 将^ f述桥臂环流实际值与所述桥臂环流设定值比较， 得到误差， 经过信号处理， 得到附加的输出电压设定；
所述针对电流的二倍频谐波分量控制方案包括如下步骤：
a、 通过计算得到子模块电容电压波动的预估值；
b、 所述歩骤 B中输出电压设定除以子模块基准电压与电容电压预估值的和， 得到 实际的子模块输出数量设定。
本发明提供的一种优选的技术方案是： 所述针对电流的低频振荡分为桥臂间的振荡 环流以及两个换流器之间的振荡环流。
本发明提供的第二优选的技术方案是： 所述桥臂间的振荡环流的控制方案包括如下 歩骤：
1 )将上桥臂阀电流与下桥臂阀电流相加， 并除以 2， 得到阀中的直流电流分量实际 值； ， 所述直流电流分量称为桥臂换流；
2 ) 将得到的所述桥臂环流减去三相桥臂环流的平均值， 得到桥臂间的振荡环流；
3 ) 将桥臂环流实际值与桥臂环流设定值比较， 得到误差， 经过信号处理， 得到附 加的输出电压设定 Urefl ; 所述信号处理方式为经过一个比例调节器与积分调节器。
本发明提供的第三优选的技术方案是： 所述两个换流器之间的振荡环流的控制方案 包括如下歩骤：
①通过测量换流器的总子模块能量，将所述总子模块能量与设定值比较，得到误差， 经信号处理得到所需要的直流电流设定； 所述信号处理方式为经过一个比例调节器与积 分调节器；
②将直流设定电流与直流实际电流设定比较， 得到误差， 经过信号处理得到所需要 的附加输出电压设定 Uref2; 信号处理方式为经过一个比例调节器与积分调节器；
③将所述 Urefl与 Uref2相加， 得到抑制低频振荡的电压附加量 Uref。
本发明提供的第四优选的技术方案是： 所述针对二倍频谐波分量的控制方案， 所述 通过计算实际子模块电压波动的预估值，将所述实际子模块电压波动的预估值与子模块 电压基准值相加， 并使用所述低频振荡附加电压的修正桥臂输出电压设定 Upref与所述 实际子模块电压波动的预估值与子模块电压基准值的和相除，得到实际的投入子模块数 与现有技术相比， 本发明达到的有益效果是：
1、 本发明提供的基于模块化多电平换流器的阀电流控制方法解决了由于系统动态 响应可能引起的系统振荡； 2、 本发明提供的基于模块化多电平换流器的阀电流控制方法实现了对桥臂二倍频 换流的抑制， 减小了系统损耗；
3、 本发明提供的基于模块化多电平换流器的阀电流控制方法实现了交流异常工况 下的桥臂环流抑制；
4、 本发明提供的基于模块化多电平换流器的阀电流控制方法解决了模块化多电平 换流器 （Modular Multilevel Coverter, MMC ) 实现工程应用的重要困难。 附图说明
图 1是模块化多电平换流器 MMC结构图；
图 2是子模块 （SM) 的结构图；
图 3是桥臂环流计算方法示意图；
图 4是附加电压 Urefl产生方法示意图；
图 5是附加电压 Uref2产生方法示意图；
图 6是桥臂输出电压产生方法示意图。 具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
对模块化多电平换流器的阀电流控制可以分为电流的低频振荡控制以及二倍频谐 波分量控制两个控制层， 其控制所采用的方案不同， 以下将分别介绍电流的低频振荡控 制以及二倍频谐波分量控制。
1、 针对电流的低频振荡， 将其分为各桥臂间的振荡环流以及两个换流器之间的振 荡电流。
( 1 )各桥臂间的振荡环流的控制步骤如下：
图 3是桥臂环流计算方法示意图， 如图 3所示， 首先将上桥臂阀电流与下桥臂阀电 流相加， 并除以 2， 得到阀中的直流电流分量 （即桥臂环流） 实际值；
将得到的桥臂环流减去三相桥臂环流的平均值， 得到桥臂间的振荡环流； 将桥臂环流实际值与桥臂环流设定值比较， 得到误差， 经过一定的信号处理， 得到 附加的输出电压设定 Urefl , 信号处理方式的典型方案是经过一个比例调节器与积分调 节器， 如图 4所示， 图 4是附加电压 Urefl产生方法示意图；
其中，桥臂环流设定值的产生可以由各个桥臂的子模块总电压或者各个桥臂的子模 块总能量彼此比较， 并经过一定的信号处理得到， 信号处理方式典型处理方案为经过一 个比例调节器与积分调节器。
(2) 针对两个换流器之间的电流振荡， 其控制步骤如下：
通过测量控制模块化多电平换流器的总子模块能量， 将模块化多电平换流器的总子 模块能量与设定值（该设定值是对换流器总子模块能量的定值要求，一般为一个固定值， 图中为 Usref, 相应的， Us为实际的换流器总子模块能量） 比较， 得到误差， 经过一定 的信号处理得到所需要的直流电流设定，信号处理方式典型方案是经过一个比例调节器 与积分调节器；
将直流设定电流与直流实际电流设定比较， 得到误差， 经过一定的信号处理得到所 需要的附加输出电压设定 Uref2， 信号处理方式典型方案是经过一个比例调节器与积分 调节器， 如图 5所示， 图 5是附加电压 Ure£2产生方法示意图。
将 Urefl与 UreG相加， 即为抑制低频振荡的电压附加量 Uref。 综合基本的输出电 压设定 Uref与直流电压， 可以得到实际的桥臂投入电压 Upref设定如图 6所示， 图 6是 桥臂输出电压产生方法示意图。
2、 针对桥臂环流的二倍频分量， 其相应的控制步骤如下：
首先通过计算得到子模块电容电压波动的预估值；
将最终的输出电压设定 Upref除以子模块基准电压与电容电压波动预估值的和， 得 到实际的子模块输出数量设定 N。
通过本发明提供的基于模块化多电平换流器的阀电流控制方法， 既可以实现系统动 态性能的稳定性， 还可以实现对桥臂二倍频谐波分量的抑制， 同时在交流系统异常工况 下， 阀电流有着良好的输出特性。
最后应该说明的是： 结合上述实施例仅说明本发明的技术方案而非对其限制。 所属 领域的普通技术人员应当理解到： 本领域技术人员可以对本发明的具体实施方式进行修 改或者等同替换， 但这些修改或变更均在申请待批的权利要求保护范围之中。

Claims

权 利 要 求
1、 一种基于模块化多电平换流器的闽电流控制方法， 其特征在于， 所述阀电流控 制方法包括如下歩骤-
( 1 ) 针对电流的低频振荡的进行控制；
(2) 针对电流的二倍频谐波分量进行控制；
所述针对电流的低频振荡控制方案包括如下步骤：
A、 通过计算上桥臂与下桥臂电流和的一半得到阀中的直流电流分量， 所述直流电 流分量称为桥臂换流；
B、将所述桥臂环流实际值与所述桥臂环流设定值比较， 得到误差， 经过信号处理， 得到附加的输出电压设定；
所述针对电流的二倍频谐波分量控制方案包括如下步骤：
a、 通过计算得到子模块电容电压波动的预估值；
b、 所述歩骤 B中输出电压设定除以子模块基准电压与电容电压预估值的和， 得到 实际的子模块输出数量设定。
2、 如权利要求 1所述的基于模块化多电平换流器的阀电流控制方法， 其特征在于， 所述针对电流的低频振荡的控制分为桥臂间的振荡环流控制以及两个换流器之间的振 荡环流控制。
3、 如权利要求 2所述的基于模块化多电平换流器的阀电流控制方法， 其特征在于， 所述桥臂间的振荡环流的控制方案包括如下步骤：
1 )首先， 将上桥臂阀电流与下桥臂阀电流相加， 并除以 2， 得到阀中的直流电流分 量实际值； ， 所述直流电流分量称为桥臂换流；
2) 将得到的所述桥臂环流减去三相桥臂环流的平均值， 得到桥臂间的振荡环流；
3 ) 将桥臂环流实际值与桥臂环流设定值比较， 得到误差， 经过信号处理， 得到附 加的输出电压设定 Urefl ; 所述信号处理方式为经过一个比例调节器与积分调节器。 .
4、 如权利要求 2所述的基于模块化多电平换流器的阀电流控制方法， 其特征在于， 所述两个换流器之间的振荡环流的控制方案包括如下歩骤：
①通过测量换流器的总子模块能量，将所述总子模块能量与设定值比较，得到误差， 经信号处理得到所需要的直流电流设定； 所述信号处理方式为经过一个比例调节器与积 分调节器; .
②将直流设定电流与直流实际电流设定比较， 得到误差， 经过信号处理得到所需要 的附加输出电压设定 UreG; 信号处理方式为经过一个比例调节器与积分调节器； ③将所述 Urefl与 Uref2相加， 得到抑制低频振荡的电压附加量 Uref。
5、 如权利要求 1所述的基于模块化多电平换流器的阀电流控制方法，其特征在于， 所述针对二倍频谐波分量的控制方案， 所述通过计算实际子模块电压波动的预估值， 将 所述实际子模块电压波动的预估值与子模块电压基准值相加， 并使用所述低频振荡附加 电压的修正桥臂输出电压设定 Upref与所述实际子模块电压波动的预估值与子模块电压 基准值的和相除， 得到实际的投入子模块数量 N。
PCT/CN2011/001814 2011-03-16 2011-10-31 一种基于模块化多电平换流器的阀电流控制方法 Ceased WO2012122688A1 (zh)

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