一種電壓源型對稱雙極換流器的平衡控制方法
【專利摘要】本發明涉及一種電壓源型對稱雙極換流器的平衡控制方法，分別對正極換流器和負極換流器進行控制；增加中性線電流閉環控制：以對中性線電流為零為控制目標，以中性線電流采樣值為反饋，進行PI控制；中性線電流閉環控制的輸出，用于與正極和/或負極控制中有功功率相關控制的指令進行疊加。本發明的一種電壓源型對稱雙極換流器的平衡控制方法，通過平衡控制閉環，給定中性線電流指令為零，通過與采樣值做差進行PI控制，實現中線電流的閉環控制。避免了大地回線運行的危害，對于金屬回線型式的系統，采取本發明的平衡控制能夠降低換流器系統損耗。
【專利說明】一種電壓源型對稱雙極換流器的平衡控制方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種電壓源型對稱雙極換流器的平衡控制方法。
【背景技術】
[0002] 對稱雙極系統是柔性直流輸電中電壓源換流器一種常用拓撲。具有直流過電壓水 平低、單閥控制節點少、單極故障損失負荷減半、可以分期建設并和傳統直流進行極混聯等 優點，因此在工程中具有一定的用武之地。
[0003] 電壓源型對稱雙極換流器的兩極換流器采用單獨控制器進行控制，容易受系統擾 動影響，存在兩極換流器輸出電流不均衡的問題。對于大地回線的對稱雙極換流器系統，雙 極非平衡運行將產生對地電流，對地電流將對接地極附近的地下金屬構件產生腐蝕，對接 地極附近的電力系統產生影響：比如產生直流偏磁導致變壓器飽和，也會在接地極附件產 生跨步電壓，危及人身安全。
[0004] 雙極型換流器系統主要分為金屬回線和大地回線兩類，其中金屬回線雙極系統 (如圖2)為中性線單點接地，以避免對地電流。大地回線雙極系統（如圖1)為兩端換流器 中性線分別接地，以構成大地回路。
[0005] 對于大地回線型式，系統需要雙極平衡控制及對地電流保護。若系統兩極輸出電 流不平衡，將導致地電流過大，存在以下危害：對接地極附近的地下金屬構件產生腐蝕；對 接地極附近的電力系統產生影響（如直流偏磁導致變壓器飽和）；在接地極附件產生跨步 電壓，危及人身安全。
[0006] 對于金屬回線型式，當雙極不平衡運行時，直流中性線將流過電流。金屬回線型式 的系統可以運行在非對稱狀態下時，換流器系統損耗增大。
[0007] 因上述危害，大地回線運行的工程必須進行對地電流進行限制，采用平衡控制；金 屬回線型進行平衡控制也能夠起到積極效果。
【發明內容】
[0008] 本發明的目的是提供一種電壓源型對稱雙極換流器的平衡控制方法，用以避免輸 出電流不平衡。
[0009] 為實現上述目的，本發明的方案包括：
[0010] 一種電壓源型對稱雙極換流器的平衡控制方法，分別對正極換流器和負極換流器 進行控制；增加中性線電流閉環控制：以對中性線電流為零為控制目標，以中性線電流采 樣值為反饋，進行PI控制；中性線電流閉環控制的輸出，用于與正極和/或負極控制中有功 功率相關控制的指令進行疊加。
[0011] 所述有功功率相關控制包括有功功率控制、交流電壓控制或者直流母線電壓控 制。
[0012] 定義直流母線流出的電流方向為正，換流器交流側流出的電流方向為正；中性線 電流閉環控制輸出正向疊加在負極有功功率相關控制的指令上，負向疊加在負極有功功率 相關控制的指令上。
[0013] 本發明的一種電壓源型對稱雙極換流器的平衡控制方法，通過平衡控制閉環，給 定中性線電流指令為零，通過與采樣值做差進行PI控制，實現中線電流的閉環控制。避免 了大地回線運行的危害，對于金屬回線型式的系統，采取本發明的平衡控制能夠降低換流 器系統損耗。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014] 圖1(a)、圖1(b)分別是對稱雙極大地回線形式和對稱雙極金屬回線形式的換流 器結構；
[0015] 圖2是對稱雙極換流器定有功功率控制的平衡控制框圖；
[0016] 圖3是對稱雙極換流器非有功功率控制的備用平衡控制框圖；
[0017] 圖4是仿真中網側A相接地故障時中性線電流仿真波形圖。
【具體實施方式】
[0018] 下面結合附圖對本發明做進一步詳細的說明。
[0019] 本發明將以大地回線型式為例闡述平衡控制方法。本發明的基本思路在于：通過 控制中性傳輸線電流為零，達到對稱雙極換流器平衡運行的目的。
[0020] 如圖2所示，現有技術的雙極換流器控制結構包括：正極雙閉環控制和負極雙閉 環控制，正極控制與負極控制是對稱的：對于正極，正極控制包括由正極無功功率閉環控 制、正極有功功率閉環控制構成的功率外環，以及正極q軸電流閉環控制、正極d軸電流閉 環控制構成的電流內環。無功功率閉環控制的輸出做為q軸電流閉環控制的輸入，有功功 率閉環控制的輸出做為d軸電流閉環控制的輸入；對于負極，負極控制包括由負極無功功 率閉環控制、負極有功功率閉環控制構成的功率外環，以及負極q軸電流閉環控制、負極d 軸電流閉環控制構成的電流內環。無功功率閉環控制的輸出做為q軸電流閉環控制的輸 入，有功功率閉環控制的輸出做為d軸電流閉環控制的輸入。電流閉環控制的輸出通過旋 轉坐標變換后進行調制、輸出控制。
[0021] 在現有技術的基礎上，本發明增加了一個中性線電流閉環控制，如圖2所示平衡 控制環：以對中性線電流為零為控制目標，以中性線電流采樣值為反饋，進行PI控制；中性 線電流閉環控制的輸出，用于與有功功率閉環控制的輸入指令進行疊加。
[0022] 具體疊加方式視情況而定：定義直流母線流出的電流方向為正，換流器交流側流 出的電流方向為正。控制原理為當中性線電流為正時，表明負極換流器輸出電流偏低，需要 增加其輸出功率，正向疊加在負極有功功率閉環指令上，正極換流器輸出電流偏高，需要降 低其輸出功率，負向疊加在負極有功功率閉環指令上，反之亦然。即：中性線電流閉環控制 輸出正向疊加在負極有功功率相關控制的指令上，負向疊加在負極有功功率相關控制的指 令上。
[0023] 以上實施例中的平衡控制方法基于電壓源換流器的有功功率控制器，構成平衡控 制閉環，給定中性線電流指令為零，通過與采樣值做差進行PI控制，實現中線電流的閉環 控制。
[0024] 而對于其他非有功功率控制的換流器，可將平衡控制環的輸出作為備用疊加在外 環指令上，當轉換為有功功率控制模式時觸發該控制器投入閉環控制。圖3給出了該情況 的控制結構圖。非有功功率控制指直流母線電壓控制或者交流母線電壓控制等。有功功率 控制、非有功功率控制在本申請中統稱有功功率相關控制，因為它們的輸出都作為d軸電 流閉環的輸入。
[0025] 為使平衡控制更加快速、可靠，圖2、圖3控制框圖中將平衡控制環的輸出作為偏 置同時疊加在正負極兩個換流器的控制變量指令上。但也可簡化控制，僅將平衡控制環的 輸出作用于其中一極控制器上。
[0026] 隨著全控型電力電子器件的發展和電力電子技術在電力系統中的應用，基于電壓 源換流器的柔性直流輸電技術日益受到重視。模塊化多電平換流器（Modular multilevel converter, MMC)是柔性直流輸電系統應用中電壓源換流器的一種，具備制造難度低、損耗 小、波形質量高、故障處理能力強等優點，得到了廣泛的應用。本發明以MMC為例進行電壓 源換流器的分析、仿真。
[0027] 仿真系統是采用額定直流電壓為400kV，額定有功傳輸功率為2*100MW的模型。兩 極換流器均采用每橋臂250個子模塊，額定交流閥側電壓為208. 2kV，仿真周期為12. 5us， 控制周期為50us。
[0028] 為了制造明顯的中性線電流不為零的工況，本文采用系統額定功率運行中，在 0. 6s至0. 8s時間段，定功率側正極換流器網側A相電壓低落到零的故障工況。
[0029] 由圖4可知，未使能平衡控制的工況下，故障時段中性線電流具有約-60A的直流 偏置。而當使能平衡控制的工況下，對地電流控制到了零附近，且無直流偏置。
[0030] 由以上仿真可以證明本發明的平衡控制方法能夠起到將兩極換流器控制到平衡 狀態，中性線平均電流控制到零的作用。
[0031] 以上給出了具體的實施方式，但本發明不局限于所描述的實施方式。本發明的基 本思路在于上述基本方案，對本領域普通技術人員而言，根據本發明的教導，設計出各種變 形的模型、公式、參數并不需要花費創造性勞動。在不脫離本發明的原理和精神的情況下對 實施方式進行的變化、修改、替換和變型仍落入本發明的保護范圍內。
【權利要求】
1. 一種電壓源型對稱雙極換流器的平衡控制方法，分別對正極換流器和負極換流器進 行控制；其特征在于，增加中性線電流閉環控制：以對中性線電流為零為控制目標，以中性 線電流采樣值為反饋，進行PI控制；中性線電流閉環控制的輸出，用于與正極和/或負極控 制中有功功率相關控制的指令進行疊加。
2. 根據權利要求1所述的一種電壓源型對稱雙極換流器的平衡控制方法，其特征在 于，所述有功功率相關控制包括有功功率控制、交流電壓控制或者直流母線電壓控制。
3. 根據權利要求1所述的一種電壓源型對稱雙極換流器的平衡控制方法，其特征在 于，定義直流母線流出的電流方向為正，換流器交流側流出的電流方向為正；中性線電流閉 環控制輸出正向疊加在負極有功功率相關控制的指令上，負向疊加在負極有功功率相關控 制的指令上。
【文檔編號】H02J3/36GK104065287SQ201410243441
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年5月30日 優先權日:2014年5月30日
【發明者】吳金龍, 張建, 張 浩, 王先為, 劉欣和, 楊美娟, 張軍 申請人:許繼電氣股份有限公司, 西安許繼電力電子技術有限公司