一種向無源系統(tǒng)供電的組合換流器控制方法及系統(tǒng)與流程

本發(fā)明屬于輸配電技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種向無源系統(tǒng)供電的組合換流器控制方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著現(xiàn)代電網(wǎng)的快速發(fā)展及電力電子技術(shù)的更新?lián)Q代，基于模塊化多電平換流器(Modular Multilevel Converter，MMC)技術(shù)的柔性直流輸電系統(tǒng)取得了長足進步，并逐步實現(xiàn)了工程應(yīng)用。但相對于傳統(tǒng)直流輸電系統(tǒng)(又稱電網(wǎng)換相換流器高壓直流輸電系統(tǒng)，Line Com-mutated Converter Based High Voltage Direct Current，LCC-HVDC)，其電壓等級和輸送容量均有待于進一步提升。

借鑒傳統(tǒng)直流輸電系統(tǒng)的高壓輸電系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)，以MMC換流器作為基本換流單元，利用換流器的矩陣式組合可以實現(xiàn)高壓大容量的要求，也即通過基本換流單元的并聯(lián)提高輸送容量，通過基本換流單元的串聯(lián)提高輸送電壓等級，形成組合換流器，有效解決了這一難題。

目前針對基于組合換流器的柔性直流輸電系統(tǒng)的研究尚處于初期階段，而對于向無源系統(tǒng)供電的組合換流器的系統(tǒng)控制策略及故障后的處理策略則處于空白狀態(tài)。

現(xiàn)有技術(shù)中，向無源系統(tǒng)供電的柔性直流輸電系統(tǒng)的逆變側(cè)采用定交流電壓控制，用以穩(wěn)定負荷電壓，提高供電電壓質(zhì)量；整流側(cè)采用定直流電壓控制，用以穩(wěn)定直流電壓，為兩側(cè)換流器提供電壓支撐。定直流電壓控制策略通常采用基于PI調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)矢量控制，內(nèi)環(huán)采用電流前饋解稠控制，使有功電流、無功電流分別跟蹤外環(huán)電壓調(diào)節(jié)器和無功功率調(diào)節(jié)器的輸出值。該控制方式極易引發(fā)受端無源供電換流站內(nèi)由于基本換流單元間的參數(shù)及控制差異性導(dǎo)致的直流電壓不均衡問題，造成系統(tǒng)過壓及功率分配不均，不能滿足穩(wěn)定運行需求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種向無源系統(tǒng)供電的組合換流器控制方法及系統(tǒng)，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中受端無源供電換流站內(nèi)由于基本換流單元間的參數(shù)及控制差異性導(dǎo)致的直流電壓不均衡問題。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出一種向無源系統(tǒng)供電的組合換流器控制方法，包括以下方法方案：

方法方案一，控制組合換流器中一個基本換流單元采用定交流電壓控制，其他基本換流單元采用定直流電壓控制。

方法方案二，在方法方案一的基礎(chǔ)上，將所述定直流電壓控制的直流電壓指令除以N，N≥2，N為組合換流器中所有基本換流單元數(shù)，將所述直流電壓指令除以N后的電壓作為所述其他基本換流單元的參考電壓，送入各自基本換流單元的定直流電壓控制外環(huán)，并與各自基本換流單元的直流電壓作差，最后將各自基本換流單元的定直流電壓控制外環(huán)輸出的有功電流指令送入正負序分離電流內(nèi)環(huán)。

方法方案三，在方法方案一的基礎(chǔ)上，將所述定交流電壓控制的d軸參考電壓送入定交流電壓控制外環(huán)，并與無源系統(tǒng)的交流母線電壓d軸分量作差，經(jīng)過定交流電壓控制外環(huán)輸出所述一個基本換流單元的有功電流指令，并將該指令送入正負序分離電流內(nèi)環(huán)；將所述定交流電壓控制的q軸參考電壓送入定交流電壓控制外環(huán)，并與無源系統(tǒng)的交流母線電壓q軸分量作差，經(jīng)過定交流電壓控制外環(huán)輸出所述一個基本換流單元的無功電流指令，并將該指令送入正負序分離電流內(nèi)環(huán)。

方法方案四，在方法方案三的基礎(chǔ)上，輸出所述一個基本換流單元的無功電流指令后，將該指令在N個基本換流單元之間均分，分別作為組合換流器中每個基本換流單元的無功電流指令，并送入正負序分離電流內(nèi)環(huán)。

方法方案五，在方法方案四的基礎(chǔ)上，當所述組合換流器中的基本換流單元出現(xiàn)故障時，旁路故障的基本換流單元。

方法方案六，在方法方案五的基礎(chǔ)上，當所述故障的基本換流單元為定交流電壓控制方式，旁路所述故障的基本換流單元后，將一個非故障的基本換流單元由定直流電壓控制切換到定交流電壓控制；當所述故障的基本換流單元為定直流電壓控制方式，旁路所述故障的基本換流單元后，其他換流單元控制方式不變。

方法方案七，在方法方案六的基礎(chǔ)上，所述非故障的基本換流單元切換到定交流電壓控制后，將其輸出的無功電流指令在所有正常運行的基本換流單元之間均分，分別作為每個正常運行的基本換流單元的無功電流指令。

方法方案八，在方法方案一的基礎(chǔ)上，所述基本換流單元為MMC、兩電平換流器或三電平換流器。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出一種向無源系統(tǒng)供電的組合換流器控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)中，組合換流器的其中一個基本換流單元采用定交流電壓控制，其他基本換流單元采用定直流電壓控制。

本發(fā)明的有益效果是：通過對受端無源供電換流站的基本換流單元進行控制策略改造，控制其中一個換流單元運行在定交流電壓控制方式，其余串聯(lián)換流單元運行在定直流電壓控制方式，在正常運行工況下，能夠保障無源供電組合換流器內(nèi)部基本換流單元直流電壓的均衡，有效解決原有定交流電壓換流站內(nèi)由于基本換流單元間的參數(shù)及控制差異性導(dǎo)致的直流電壓不均衡問題。

附圖說明

圖1是一種向無源系統(tǒng)供電的組合換流器系統(tǒng)示意圖；

圖2是一種向無源系統(tǒng)供電的組合換流器控制策略示意圖；

圖3是正負序分離電流內(nèi)環(huán)控制策略示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式作進一步的說明。

如圖1所示的一個向無源系統(tǒng)供電的組合換流器系統(tǒng)，組合換流器由N個基本換流單元串聯(lián)組成，其中N≥2，每個基本換流單元分別通過工頻隔離變壓器接入統(tǒng)一的交流系統(tǒng)，為無源系統(tǒng)供電，其中N個基本換流單元為MMC換流器，分別為MMC₁，MMC₂，…，MMC_N。圖1中，組合換流器作為向無源系統(tǒng)供電的受端換流站，其整體直流電壓被系統(tǒng)中其它換流站箝位在U_dc，其整體直流電流為I_dc，整體交流電壓為U_ac(也是無源系統(tǒng)的交流母線電壓)，整體交流電流為I_ac。其中，整體直流電壓U_dc為N個基本換流單元直流電壓之和，即U_dc＝U_dc1+U_dc2+…+U_dcN；整體交流電流為I_ac為N個基本換流單元輸出交流電流之和，即I_ac＝I_ac1+I_ac2+…+I_acN。

基于該組合換流器系統(tǒng)，其組合換流器的控制方法如下：

控制組合換流器中一個基本換流單元采用定交流電壓控制，其他基本換流單元采用定直流電壓控制，如圖2所示，組合換流器內(nèi)部的第N個換流單元MMC_N采用定交流電壓控制策略，通過在dq旋轉(zhuǎn)坐標系下的調(diào)節(jié)器G_u，對U_ac的d軸和q軸分量U_{ac_d}和U_{ac_q}閉環(huán)控制，控制無源系統(tǒng)的交流母線電壓U_ac恒定為參考電壓U_{ac_ref}，對應(yīng)生成有功電流指令I(lǐng)_{dN_ref}和無功電流指令I(lǐng)_{qN_ref}。并直接將有功電流指令I(lǐng)_{dN_ref}直接送入對應(yīng)的正負序分離電流內(nèi)環(huán)的正序有功通道I⁺_dN。因此，與第N個換流單元的交流側(cè)通過工頻隔離變壓器并聯(lián)在同一條交流母線上的其它N-1個換流單元的交流電壓被第N個換流單元箝位在U_ac。

組合換流器作為向無源系統(tǒng)供電的受端換流站，其內(nèi)部的前(N-1)個換流單元MMC_k(k＝1，2，…，N-1)采用定直流電壓控制策略，如圖2所示，通過調(diào)節(jié)器G_dc分別閉環(huán)控制各自基本換流單元的直流電壓U_dck(k＝1，2，…，N-1)恒定為參考電壓U_{dck_ref}＝U_{dc_ref}/N，并與各自基本換流單元的直流電壓作差，經(jīng)過調(diào)解器G_dc調(diào)節(jié)，生成有正序功電流指令I(lǐng)_{dk_ref}(k＝1，2，…，N-1)，分別送入對應(yīng)的正負序分離電流內(nèi)環(huán)的正序有功通道I⁺_dk(k＝1，2，…，N-1)。因此換流站中第N個換流單元的直流電壓U_dcN被箝位在總直流電壓U_dc與其它N-1個換流單元直流電壓總和的差值，從而能夠保障組合換流器內(nèi)部各換流單元的直流電壓均衡受控。第N個換流單元直流電壓計算式如下：

通過上述控制方法，由于其組合換流器的整體直流電壓被系統(tǒng)中其它換流站箝位在U_dc，而無源系統(tǒng)交流電壓被組合換流器的第N個換流單元箝位在U_ac，因此當無源系統(tǒng)的負荷總功率確定時，總直流電流和交流電流相應(yīng)的被箝位在I_dc和I_ac。

同時由于組合換流器內(nèi)部的N個換流單元的直流電壓均衡受控，因此在共同的直流電流I_dc流過的情況下，組合換流器內(nèi)部各基本換流單元的有功功率自然均分。

為了實現(xiàn)無功功率的均分，將組合換流器內(nèi)部第N個采用定交流電壓控制策略的換流單元MMC_N控制生成的無功電流指令I(lǐng)_{qN_ref}均分為N等份I_{q_ref}，分別作為組合換流器中N個基本換流單元共同的無功電流指令，統(tǒng)一送入N個換流單元的正序無功通道I⁺_qk(k＝1，2，…，N)。

由此，在相同的交流電壓U_ac箝位下，以及第N個換流單元無功電流指令均分至其它N-1個換流單元的作用，組合換流器內(nèi)部各基本換流單元的無功功率自然均分。而在有功功率和無功功率都均分后，各個基本換流單元流出的交流電流I_ack(k＝1，2，…，N)也自然均衡。因此，本發(fā)明能夠有效實現(xiàn)無源供電組合換流器內(nèi)部串聯(lián)換流單元間的直流電壓均衡和功率均分。

上述組合換流器的控制方法是在換流單元正常運行下的控制策略，當某個換流單元在故障工況下，組合換流器的運行控制方法如下：

如圖1所示，當換流站內(nèi)的x個換流單元MMC_k(k＝1，2，…，x)發(fā)生故障，根據(jù)故障換流單元所采用控制策略的不同，分為兩種工況。

工況一：當換流站內(nèi)x個故障換流單元MMC_k(k＝1，2，…，x)在故障前均采用定直流電壓控制，直接旁路掉故障換流單元，余下的基本換流單元控制方式保持不變。

工況二：當x個故障換流單元MMC_k(k＝1，2，…，x)包含一個采用定交流電壓控制的基本換流單元，旁路掉x個故障換流單元后，將換流站內(nèi)的一個非故障基本換流單元由定直流電壓控制切換為定交流電壓控制，余下的基本換流單元控制方式保持不變。

為了實現(xiàn)故障換流單元旁路后系統(tǒng)無功功率的均分，將故障后切換為定交流電壓控制的非故障基本換流單元輸出的正序無功電流指令均分為(N-x)等份，分別作為組合換流器中(N-x)個非故障基本換流單元的正序無功電流指令。

因此，上述換流單元在故障工況下組合換流器的控制方法，實現(xiàn)了基本換流單元故障后整個無源供電組合換流器系統(tǒng)控制方法的快速配置及重啟，有效提高了系統(tǒng)運行穩(wěn)定性和可靠性。。

本實施例中，所采用的正負序分離電流內(nèi)環(huán)控制如圖3所示，正序有功電流指令和正序無功電流指令分別來自于實施例中的I⁺_dk(k＝1，2，…，N)和I⁺_qk(k＝1，2，…，N)，并根據(jù)系統(tǒng)需求設(shè)置負序有功電流指令i^-_{cd_ref}和負序無功電流指令i^-_{cq_ref}指令，分別經(jīng)過內(nèi)環(huán)PI控制器G_i，做閉環(huán)控制，將正序和負序閉環(huán)控制的輸出量經(jīng)過正負序dq/abc坐標變換，分別生成正序調(diào)制波v⁺和負序調(diào)制波v^-，疊加后作為總的調(diào)制波M_ref，經(jīng)調(diào)制后生成驅(qū)動信號。

本實施例中，正負序分離電流內(nèi)環(huán)控制以及后續(xù)調(diào)制過程，均屬于現(xiàn)有技術(shù)。作為其它實施方式，也可以采用其它現(xiàn)有類型的控制方法。

本實施例中構(gòu)成組合換流器的N個基本換流單元采用模塊化多電平換流器(MMC)，作為其他實施方式，可以采用多個MMC的并聯(lián)組合作為一個基本換流單元，也可以采用其它形式的換流器作為基本換流單元，如兩電平換流器或三電平換流器。