一種交直流解耦控制方法及其在柔性直流輸電系統的應用與流程

本發明屬于電力系統輸配電技術領域，更具體地，涉及一種模塊化多電平換流器的交直流解耦控制方法及其在柔性直流輸電系統中的應用。

背景技術：

模塊化多電平換流器(Modular Multilevel Converter,MMC)技術具有結構模塊化、易于擴展等優點，自提出以來，在工業界得到了廣泛的應用。截止到目前，世界上所有投運的MMC高壓直流輸電工程均是采用基于半橋子模塊的半橋型MMC技術或者與半橋子模塊(Half bridge sub-module,HBSM)同型的級聯兩電平(Cascaded two level,CTL)技術。但半橋型MMC和CTL都存在不能應對直流故障的問題。在輸電線路發生直流故障后，交流系統將通過半橋型MMC和CTL的續流二極管持續給故障點提供故障電流，通常需要換流器所聯接的交流斷路器從而切除直流故障電流。因此，現有工程大多采用直流電纜進行輸電以減少直流故障發生的概率。

隨著直流輸電技術的進一步發展，柔性直流輸電系統的電壓、容量等級越來越高，傳輸距離越來越遠，這使得采用架空線遠距離傳輸成為必然趨勢。直流架空線路故障率較高，且大都為瞬時性故障，采用開斷交流斷路器從而切斷直流故障電流的方法將大大增大系統中斷供電的時間以及恢復供電的時間，危及電力系統的安全穩定運行并因中斷供電可能造成重大經濟損失與社會問題。

為了應對直流故障問題，一種有效的方法是采用半橋型子模塊與全橋型子模塊串聯而成的混合型MMC。發生直流故障時，通過閉鎖混合型MMC的電力電子器件驅動信號從而阻斷直流故障電流，防止開斷交流斷路器。上述閉鎖的方法要求混合型MMC中斷運行，并且在直流故障阻斷后，需要重新啟動混合型MMC，其故障隔離時間與恢復供電時間仍然較長。

為了克服上述問題，防止在直流故障期間閉鎖混合型MMC，專利文獻CN104300569A公開了一種混合型MMC的直流故障穿越控制方法，其特征在于發生直流故障時，實時監測直流側殘余電壓值，根據直流電壓殘余電壓值與MMC每相所需要輸出的交流電壓參考值，計算得到每相中，上、下橋臂全橋子模塊等效電壓源以及半橋子模塊等效電壓源的參考電壓值。孔明等人發表的學術論文“子模塊混合型MMC-HVDC直流故障穿越控制策略”(孔明，湯廣福,賀之淵.子模塊混合型MMC-HVDC直流故障穿越控制策略[J].中國電機工程學報,2014,34(30):5343-5351)中提出了一種混合型MMC的直流故障穿越控制策略，其在直流故障期間，將橋臂輸出電壓參考值的直流分量置零，橋臂輸出電壓全部由全橋子模塊產生，半橋子模塊投入的個數置零。

CN104300569A中的方案需要利用監測到的直流側殘余電壓值修正每個橋臂的參考電壓值，本質上是一種開環控制策略。孔明等人的方案與CN104300569的方案有類似之處，區別在于不實時監測直流側殘余電壓值，而是人為地設置直流側殘余電壓值為零，該兩類方法的缺陷在于無法對直流電流和子模塊電容電壓形成閉環控制，從而存在發生過電流或子模塊電容過電壓的安全隱患，實際上由上述論文的圖12可知，直流故障期間，直流電流值由穩態的1.6kA上升至故障瞬間8kA左右，直流過電流倍數高達5倍，將對換流器的安全運行造成威脅。另外，上述現有技術方案并未針對偽雙極柔性直流輸電系統(或稱為對稱單極性柔性直流輸電系統)的極對地直流故障提出有效的故障穿越方案，使得偽雙極柔性直流輸電系統的運行仍然存在故障隔離時間與恢復供電時間較長的缺陷。

技術實現要素：

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種適用于偽雙極型架空柔性直流輸電系統的控制方法，其目的在于重新設計現有偽雙極型模塊化多電平換流器的控制架構，使得正常運行以及直流故障期間，可以確保交流電流及直流電流維持在安全范圍內，從而實現架空柔性直流輸電系統的直流故障穿越。

為實現本發明的上述目的，采用的具體技術方案如下：

一種模塊化多電平換流器的交直流解耦控制方法，用于實現部分子模塊具備輸出負電壓能力的模塊化多電平換流器在交流故障和/或直流故障下的不間斷運行，其特征在于，該控制方法包括

在電流內環控制中增加直流電流控制，且所述直流電路控制包括正極直流電流控制和負極直流電流控制，使得所述電流內環控制包括交流電流控制、正極直流電流控制和負極直流控制，從而使得所述交流電流控制的輸出、正極直流電流控制的輸出以及負極直流電流控制的輸出共同作為所述模塊化多電平換流器各相橋臂的輸出電壓參考值的主要分量；

控制所述交流電流控制、正極直流電流控制和負極直流電流控制的參考值，同時控制所述交流電流控制、正極直流電流控制和負極直流電流控制的輸出，即可實現對所述模塊化多電平換流器各相橋臂的輸出電壓參考值的主要分量的控制，進而可實現防止直流故障時換流器因橋臂過電流而閉鎖。

作為本發明的進一步優選，所述交流電流控制的參考值即電流指令值由一個外環控制器產生，該外環控制器用于控制表征模塊化多電平換流器電容所存儲能量的物理量。

作為本發明的進一步優選，所述模塊化多電平換流器電容所存儲能量的物理量包括但不限于為換流器所有子模塊電容的儲能總和，換流器所有子模塊電容電壓平均值、換流器所有可輸出負電平的子模塊電容電壓平均值或換流器所有可輸出負電平的子模塊所存儲能量之和。

作為本發明的進一步優選，所述正極直流電流控制器及負極直流電流控制器的直流參考值即電流指令值均由與直流功率相關的外環控制器產生，優選是直流功率控制、直流電壓控制或下垂控制。

作為本發明的進一步優選，所述交流電流控制、正極直流電流控制和負極直流電流控制的輸出分別為換流器交流輸出電壓參考值、正極直流電壓參考值和負極直流電壓參考值，其中，

各相上橋臂輸出電壓參考值的主要分量為正極直流電壓參考值與各相交流輸出電壓參考值之差，各相下橋臂輸出電壓參考值的主要分量為負極直流電壓參考值與各相交流輸出電壓參考值之和。

作為本發明的進一步優選，在發生直流故障時，通過將所述正極直流電流控制和/或負極直流控制的輸出快速減少實現對所述主要分量的控制，進而實現防止直流故障時換流器因橋臂過電流而閉鎖

作為本發明的進一步優選，將所述正極直流電流控制和/或負極直流電流控制的輸出快速減少具體為：將對應的正極直流電流控制或負極直流電流控制的積分器清零，或設置為直流調制比的下限，從而使得積分器在新的初始值下開始積分，減小直流調制比，從而減小直流故障電流。

作為本發明的進一步優選，監測到發生直流故障后，通過將所述交流電流控制的指令值的絕對值快速減少實現減小交流電流，防止交流側以直流故障前的交流指令值給模塊化多電平換流器的橋臂充/放電，導致模塊化多電平換流器的子模塊電容持續過壓/欠壓。

作為本發明的進一步優選，將所述交流電流控制的指令值快速減小具體為：將子模塊平均電容電壓控制器的積分器清零，從而使得積分器在新的初始值下開始積分，減小直流故障發生后交流有功電流指令值。

作為本發明的進一步優選，僅正極發生直流故障時，所述正極直流電流控制的直流電流參考值即指令值設置為與負極直流電流控制的直流電流指令值或者實測的負極直流電流值相等；僅負極發生直流控制時，所述負極直流電流控制的直流電流參考值即指令值設置為與正極直流電流控制的直流電流指令值或者實測的正極直流電流相等。

作為本發明的進一步優選，發生極對極直流故障或者同時發生正極接地直流故障與負極接地直流故障時，將正極直流電流控制與負極直流電流控制的直流電流指令值仍保持為由各自所聯接的外環控制器產生。

作為本發明的進一步優選，發生極對極直流故障或者同時發生正極接地直流故障與負極接地直流故障時，所述正極直流電流控制與負極直流電流控制的直流電流指令值設置為從直流線路側吸收直流電流，從而快速熄滅故障電弧。

作為本發明的進一步優選，故障極發生永久型極對地直流故障時，閉合故障極直流出口處的接地開關，由接地開關與大地為非故障極提供故障電流通路，從而使得故障極線路不帶電，方便檢修故障極，而非故障極仍保持運行。

作為本發明的進一步優選，所述交流電流控制為基于旋轉坐標下的解耦控制，共包含有功電流控制和無功電流控制兩個控制通道。

作為本發明的進一步優選，橋臂輸出電壓參考值還包含環流抑制控制輸出參考電壓取反后的量，其與所述主要分量共同作為所述橋臂輸出電壓的參考值。

作為本發明的進一步優選，所述環流抑制控制器包括正極環流抑制控制器和負極環流抑制控制器，其中，

所述正極環流抑制控制器的環流計算方法為

所述負極環流抑制控制器的環流計算方法為

其中i_diffpj,i_diffnj分別為第j相上橋臂和下橋臂的環流，i_upj,i_dnj分別為j相上橋臂與下橋臂實測電流值，i_{j_ref}為第j相的交流電流指令值，與分別為實測正極直流輸電線路對地的直流電壓及實測地對負極直流輸電線路的電壓或者為或者所述的正極直流電壓參考值和負極直流電壓參考值，且設定整流方向為交流電流正方向，直流正極向直流負極流通電流為橋臂電流正方向。

作為本發明的進一步優選，還可通過增大模塊化多電平換流器(MMC)直流側的電感值以減小直流故障電流。

按照本發明的另一方面，提供一種上述模塊化多電平換流器的交直流解耦控制方法在柔性直流輸電系統中的應用，其中，所述柔性直流輸電系統的換流站包括部分子模塊具備輸出負電壓能力的模塊化多電平換流器，所述部分子模塊具備輸出負電壓能力的模塊化多電平換流器均采用所述的交直流解耦控制方法進行控制。

作為本發明的進一步優選，所述柔性直流輸電系統為偽雙極型架空柔性直流輸電系統。

作為本發明的進一步優選，所述柔性直流輸電系統為以架空直流輸電線路、直流電纜、或直流電纜與架空直流輸電線路混合作為輸電媒介的直流輸電系統。

按照本發明的另一方面，提供一種上述模塊化多電平換流器的交直流解耦控制方法在柔性直流輸電系統中的應用，其中，監測到發生永久性單極接地故障后，投入故障極的接地刀閘，形成對故障極的電氣隔離，并由接地刀閘與大地構成回路為非故障極提供直流電流通路

總體而言，本發明的控制方法相比與現有技術，具有如下技術效果：

(1)本發明的方案重新設計了MMC的電流內環控制器的架構同時包含了交流有功電流控制，交流無功電流控制，正極直流電流控制與負極直流電流控制四個控制回路，從而確保發生直流極對極以及直流極對地故障時，直流電流處于受控狀態，避免電力電子器件在直流故障期間因過電流而損毀；

(2)本發明的方案在正常運行及直流故障時，控制邏輯一致，只需更改直流電流的指令值，無需進行邏輯切換，方案實施起來更為簡單，也更為可靠。

(3)現有的控制器應用于偽雙極系統極對地故障時，會在交流側產生交流電壓偏置或直流電壓偏置，威脅設備安全，本發明提供的控制器穩態時交流側無直流偏置電壓，設備運行安全性大大提升。

(4)現有控制器發生極對地故障時，需要中斷非故障極的功率傳輸，本控制器發生極對地故障時，非故障極仍能維持功率傳輸，從而減少了經濟損失，提高了電力系統運行安全穩定性。

附圖說明

圖1是現有技術中的一種典型的全橋型模塊化多電平換流器拓撲；

圖2是現有技術中的一種典型的交叉級聯型模塊化多電平換流器拓撲；

圖3是由全橋型子模塊半橋型子模塊構成的混合型MMC拓撲；

圖4是由交叉級聯型子模塊半橋型子模塊構成的混合型MMC拓撲；

圖5是按照本發明一個實施例提供的模塊化多電平換流器的交直流解耦控制方法的結構原理圖；

圖6是按照本發明一個實施例提供的環流抑制控制器的原理示意圖；

圖7是現有的模塊化多電平換流器典型控制拓撲；

圖8是由適用于本發明的交直流解耦控制方法的半橋全橋混合型MMC構成的兩端直流輸電系統；

圖9是本發明實施例的交直流解耦控制方法進行正極對地永久性直流故障仿真結果示意圖；

圖10是本發明實施例的交直流解耦控制方法進行正極對地瞬時性直流故障仿真結果示意圖；

圖11是本發明實施例的交直流解耦控制方法進行極對極永久性直流故障仿真結果示意圖。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。

圖1～圖4為現有技術中典型的可適用于本發明所提出的控制方法的MMC拓撲。如圖1～4所示，其中圖1為全橋型MMC，每個橋臂均由多個全橋子模塊串聯而成。圖2為由交叉級聯型子模塊構成的MMC拓撲，圖2每個橋臂均由多個交叉級聯型子模塊串聯而成。圖3為由全橋子模塊與半橋子模塊構成的混合型MMC拓撲，其每個橋臂均由多個半橋子模塊與多個全橋子模塊串聯而成。圖4為由交叉級聯型子模塊與半橋子模塊構成的混合型MMC拓撲，其每個橋臂均由多個半橋子模塊與多個交叉級聯子模塊串聯而成。上述MMC拓撲其共同特征在于每個橋臂均包含了能輸出負電壓的子模塊(如全橋子模塊和交叉級聯型子模塊)，本發明的控制方法適用于各種已公知的，橋臂具備輸出持續負電壓能力的MMC拓撲。橋臂具備輸出持續負電壓能力的MMC一般應用于架空柔性直流輸電系統，但本發明的控制方法不限于此，例如同樣適用于采用直流電纜或直流電纜與直流架空線混聯線路的柔性直流輸電系統。

本發明各實施例中所涉及的各主要變量或縮寫的物理意義列于下表1中。

表1本發明實施例所涉及的主要變量、縮寫物理意義

圖5為本發明一個實施例的控制方法的控制原理框架示意圖，如圖5所示，本實施例中，其內環電流控制由交流電流控制、直流電流控制與環流抑制控制構成。常規的MMC控制其內環電流控制僅包含交流電流控制與環流抑制控制，本發明實施例中在內環電流控制中增加直流電流控制。根據MMC基本理論，當橋臂環流被充分抑制時，橋臂電流的表達式為iarm＝idc/3+iac/2，其中iarm、idc、iac分別代表橋臂電流、直流電流、以及MMC各相交流電流，當直流電流與交流電流同時受控時，橋臂電流將被控制在安全范圍內，從而確保任何工況下，MMC均不會因為橋臂過電流而閉鎖。

如圖5所示，本實施例中的交流電流控制可進一步地由有功電流控制與無功電流控制構成，而直流電流控制也進一步地由正極直流電流控制與負極直流電流控制構成。

如圖5所示，本實施例中的交流有功電流指令值由交流有功外環控制器產生，該外環控制器用于控制子模塊電容電壓平均值。子模塊電容電壓平均值可以由所有子模塊電容電壓值之和相加后除以子模塊總個數而得。由于直流故障穿越期間，主要投入具備輸出直流負壓的子模塊，為提高控制器的響應速度，子模塊電容電壓平均值也可以是所有具備輸出直流負壓能力的子模塊的電容電壓的平均值。所述交流有功電流指令值也可以由控制MMC存儲的總能量的外環控制器產生。

如圖5所示，本實施例的直流電流指令值包括正極直流電流指令值和負極直流電流指令值兩項，從而獨立地控制正極直流電流值和負極直流電流值。正常運行時，各直流電流指令值可以由直流功率外環或直流電壓外環產生。發生極對地故障時，故障極的直流電流指令值則設置為非故障極的直流電流指令值，或者設置為非故障極的直流電流實測值，使得故障極的直流電流與非故障極的直流電流相等。例如，正極發生直流故障時，將正極控制標志位Fp置III，使得正極直流電流指令值與負極直流電流指令值相等，從而為負極直流電流提供電流通路，防止接地設備流過直流電流而危及設備額安全。

圖5中底層控制包括調制與子模塊電容電壓均壓控制，可以采用本領域成熟技術，在此不再贅述。

正常運行以及直流故障期間，本發明實施例的交流電流控制與直流電流控制均為相同的控制器，無需切換控制邏輯，避免了控制邏輯切換給系統帶來的擾動，大大提高了系統運行的安全性。直流故障期間，交流外環控制保持不變，可維持MMC子模塊儲能恒定并與交流系統交換無功功率。

極對地故障穿越期間，到達穩態時，故障極與非故障極的直流電壓不同但其流過的直流電流相同，因而故障極與非故障極在直流故障期間輸出的直流功率與各自的直流電壓成正比。由于故障極與非故障極的交流側電壓相同，為了維持上、下橋臂交流側與直流側的功率平衡，極對地故障期間，交流電流也應按正極與負極的直流電壓在上、下橋臂間分配。

為此，圖6所示實施例中披露了本發明所采用的橋臂環流計算方法(即橋臂環流預估器)，其中上、下橋臂的環流值均由實測的橋臂電流值減去將流過該橋臂的基頻交流電流的指令值而得，其中流過上、下橋臂的基頻交流電流指令值為MMC交流電流指令值按上、下橋臂的直流電壓參考值或上、下橋臂實測直流電壓的大小，在上、下橋臂間均分而得。

本實施例中優選規定整流方向為交流電流正方向以及直流正極向直流負極流通電流為橋臂電流正方向，則正極環流抑制控制器的環流計算方法為：

負極環流抑制控制器的環流計算方法為：

其中i_diffpj,i_diffnj分別為第j相上橋臂極下橋臂的環流，i_upj,i_dnj分別為上橋臂與下橋臂實測電流值，i_{j_ref}為第j相的交流電流指令值，與分別為實測正極直流輸電線路對地的直流電壓及實測地對負極直流輸電線路的電壓。當規定的交流電流正方向及直流電流正方向與優選規定相反時，上述式(1)，(2)與_upj,i,_{j_ref}對應的正、負號會做相應調整，如何調整對應的正、負號系公知知識。

在一個優選實施例中，為了進一步減小直流故障電流，可以在監測到直流故障后，將直流電流內環控制的積分器清零，或設置為直流調制比的下限，從而使得積分器在新的初始值下開始積分，減小直流調制比。

在一個優選實施例中，為了減小子模塊電容電壓在直流故障期間的充、放電，可以在監測到直流故障后，將子模塊平均電容電壓控制器的積分器清零，從而使得積分器在新的初始值下開始積分，減小直流故障發生后，交流有功電流指令值，減小交流側對模塊化多電平換流器子模塊電容的充/放電效果。

直流電流控制器存在一定的響應延遲，在直流故障發生至直流電流控制器開始起作用的時間間隔內，直流故障電流將不斷增大，為了減小此段時間內的直流故障電流，在一個優選實施例中，通過增大直流限流電感值來減小直流故障電流。

圖7給出了部分子模塊具備負電壓輸出能力的模塊化多電平換流器(例如圖3所示的由半橋和全橋子模塊構成的混合型MMC)已知的典型控制器。對比圖5和圖7可知，本發明的各實施例的方案中多了直流電流控制器，并且直流電流控制器進一步地細分為正極直流電流控制器和負極直流電流控制器。為了分開控制正極直流電流和負極直流電流，故而進一步設計了圖6的環流抑制控制器。另外，在圖5中，交流有功電流的指令值由子模塊平均電容電壓控制器產生。

圖8是用于仿真測試本發明各實施例的控制方法的有效性示意圖。圖8中MMC1、MMC2的額定直流電壓及額定功率均為±320kV及1000MW，MMC1與MMC2的每個橋臂均由100個全橋子模塊與100個半橋子模塊串聯而成，每個子模塊的額定電壓均取為3.2kV，每個子模塊的子模塊電容均為5mF。正常運行時，MMC1用于控制MMC1的直流端口電壓，MMC2用于控制MMC2傳輸的有功功率。

圖9為正極發生永久性直流故障的仿真結果示意圖。仿真中，設置的擾動為，2.0s時，MMC1的正極直流母線發生永久性接地故障。圖9(a)為MMC1的正極對地直流電壓以及地對負極直流電壓，可知，由于永久性正極對地直流故障，正極直流電壓降為零，負極直流電壓的穩態值仍維持在1.0pu(pu即單位“標幺”的縮寫)。圖9(b)為MMC1的直流功率，可知采用本發明的控制器后，非故障極能維持運行，故而發生永久性單極對地故障后，柔性直流輸電系統仍能保持50％的功率傳輸能力。

圖10為正極發生瞬時性極對地故障的仿真結果圖。2s時MMC1正極直流母線出口發生瞬時性單極接地故障，0.1s后該故障自動清除。圖10(a)為正極直流電壓參考值與實測值，可知所設計的控制器可以使得正極直流電壓跟蹤其指令值。圖10(b)為地對負極的直流電壓參考值與實測值。

圖10(c)為正極直流電流的參考值與實測值示意圖，圖10(d)為負極直流電流的參考值與實測值。圖10(c)-(d)表明本發明的控制方法可以使得正極直流電流和負極直流電流跟蹤各自的指令值從而確保直流故障時不發生直流過電流。圖10(e)為d軸交流電流的參考值與實測值。圖10(f)為q軸交流電流的參考值與實測值。圖10(e)-(f)表明本發明的控制方法可以精確控制交流電流。綜合圖10(c)-(f)，由于本發明的控制方法同時控制了交流電流和直流電流，為此直流故障期間，橋臂電流將被嚴格限制在安全范圍內，如圖10(g)-(h)所示。圖10(g)為MMC1各相上橋臂的橋臂電流，圖10(h)為MMC1各相下橋臂的橋臂電流。可知，正常運行時，橋臂電流的峰值約為1.6kA，發生直流故障時，橋臂電流的峰值約為2.4kA，橋臂電流僅發生持續時間在毫秒時間尺度的50％過電流，不會導致換流器閉鎖。

圖10(i)為MMC1交流變壓器接地點的電流，可知，接地電流很小，不會危及交流變壓器的運行。圖10(j)為子模塊電容電壓平均值的參考值與實測值，可知直流故障期間與故障恢復后，子模塊電容電壓平均值被控制在額定值附近，本發明的控制方法可以確保直流故障期間，MMC的子模塊不發生過電壓。

圖11(a)-(j)為極對極永久性故障的仿真結果。2s時MMC2的正極直流母線出口發生永久性正極對負極短接直流故障。圖11各子圖的物理意義與圖10一致。圖11表明本發明的控制方法也可以確保極對極直流故障時，架空柔性直流輸電系統的安全運行。

本發明的上述模塊化多電平換流器的交直流解耦控制方法在柔性直流輸電系統中的應用的一個具體方案中，所述柔性直流輸電系統的換流站包括部分子模塊具備輸出負電壓能力的模塊化多電平換流器，所述部分子模塊具備輸出負電壓能力的模塊化多電平換流器均采用權利要求1至17任一項所述的控制方法進行控制。

優選地，柔性直流輸電系統為偽雙極型架空柔性直流輸電系統，也可以是其他的為以架空直流輸電線路、直流電纜、或直流電纜與架空直流輸電線路混合作為輸電媒介的直流輸電系統。

本發明的上述模塊化多電平換流器的交直流解耦控制方法在柔性直流輸電系統中的應用的一個具體方案中，監測到發生永久性單極接地故障后，投入故障極的接地刀閘，形成對故障極的電氣隔離，并由接地刀閘與大地構成回路為非故障極提供直流電流通路。采用本發明的上述控制方法，并且投入接地刀閘，就可以保證非故障極能持續運行，并且通過接地刀閘使得故障線路不帶電，即可實現故障線路檢修。

以上所述僅為本領域的技術人員容易理解的本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。