一种向无源系统供电的组合换流器控制方法及系统与流程

本发明属于输配电技术领域，具体涉及一种向无源系统供电的组合换流器控制方法及系统。

背景技术：

随着现代电网的快速发展及电力电子技术的更新换代，基于模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)技术的柔性直流输电系统取得了长足进步，并逐步实现了工程应用。但相对于传统直流输电系统(又称电网换相换流器高压直流输电系统，Line Com-mutated Converter Based High Voltage Direct Current，LCC-HVDC)，其电压等级和输送容量均有待于进一步提升。

借鉴传统直流输电系统的高压输电系统拓扑结构，以MMC换流器作为基本换流单元，利用换流器的矩阵式组合可以实现高压大容量的要求，也即通过基本换流单元的并联提高输送容量，通过基本换流单元的串联提高输送电压等级，形成组合换流器，有效解决了这一难题。

目前针对基于组合换流器的柔性直流输电系统的研究尚处于初期阶段，而对于向无源系统供电的组合换流器的系统控制策略及故障后的处理策略则处于空白状态。

现有技术中，向无源系统供电的柔性直流输电系统的逆变侧采用定交流电压控制，用以稳定负荷电压，提高供电电压质量；整流侧采用定直流电压控制，用以稳定直流电压，为两侧换流器提供电压支撑。定直流电压控制策略通常采用基于PI调节器的双闭环矢量控制，内环采用电流前馈解稠控制，使有功电流、无功电流分别跟踪外环电压调节器和无功功率调节器的输出值。该控制方式极易引发受端无源供电换流站内由于基本换流单元间的参数及控制差异性导致的直流电压不均衡问题，造成系统过压及功率分配不均，不能满足稳定运行需求。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种向无源系统供电的组合换流器控制方法及系统，用于解决现有技术中受端无源供电换流站内由于基本换流单元间的参数及控制差异性导致的直流电压不均衡问题。

为解决上述技术问题，本发明提出一种向无源系统供电的组合换流器控制方法，包括以下方法方案：

方法方案一，控制组合换流器中一个基本换流单元采用定交流电压控制，其他基本换流单元采用定直流电压控制。

方法方案二，在方法方案一的基础上，将所述定直流电压控制的直流电压指令除以N，N≥2，N为组合换流器中所有基本换流单元数，将所述直流电压指令除以N后的电压作为所述其他基本换流单元的参考电压，送入各自基本换流单元的定直流电压控制外环，并与各自基本换流单元的直流电压作差，最后将各自基本换流单元的定直流电压控制外环输出的有功电流指令送入正负序分离电流内环。

方法方案三，在方法方案一的基础上，将所述定交流电压控制的d轴参考电压送入定交流电压控制外环，并与无源系统的交流母线电压d轴分量作差，经过定交流电压控制外环输出所述一个基本换流单元的有功电流指令，并将该指令送入正负序分离电流内环；将所述定交流电压控制的q轴参考电压送入定交流电压控制外环，并与无源系统的交流母线电压q轴分量作差，经过定交流电压控制外环输出所述一个基本换流单元的无功电流指令，并将该指令送入正负序分离电流内环。

方法方案四，在方法方案三的基础上，输出所述一个基本换流单元的无功电流指令后，将该指令在N个基本换流单元之间均分，分别作为组合换流器中每个基本换流单元的无功电流指令，并送入正负序分离电流内环。

方法方案五，在方法方案四的基础上，当所述组合换流器中的基本换流单元出现故障时，旁路故障的基本换流单元。

方法方案六，在方法方案五的基础上，当所述故障的基本换流单元为定交流电压控制方式，旁路所述故障的基本换流单元后，将一个非故障的基本换流单元由定直流电压控制切换到定交流电压控制；当所述故障的基本换流单元为定直流电压控制方式，旁路所述故障的基本换流单元后，其他换流单元控制方式不变。

方法方案七，在方法方案六的基础上，所述非故障的基本换流单元切换到定交流电压控制后，将其输出的无功电流指令在所有正常运行的基本换流单元之间均分，分别作为每个正常运行的基本换流单元的无功电流指令。

方法方案八，在方法方案一的基础上，所述基本换流单元为MMC、两电平换流器或三电平换流器。

为解决上述技术问题，本发明提出一种向无源系统供电的组合换流器控制系统，该系统中，组合换流器的其中一个基本换流单元采用定交流电压控制，其他基本换流单元采用定直流电压控制。

本发明的有益效果是：通过对受端无源供电换流站的基本换流单元进行控制策略改造，控制其中一个换流单元运行在定交流电压控制方式，其余串联换流单元运行在定直流电压控制方式，在正常运行工况下，能够保障无源供电组合换流器内部基本换流单元直流电压的均衡，有效解决原有定交流电压换流站内由于基本换流单元间的参数及控制差异性导致的直流电压不均衡问题。

附图说明

图1是一种向无源系统供电的组合换流器系统示意图；

图2是一种向无源系统供电的组合换流器控制策略示意图；

图3是正负序分离电流内环控制策略示意图。

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说明。

如图1所示的一个向无源系统供电的组合换流器系统，组合换流器由N个基本换流单元串联组成，其中N≥2，每个基本换流单元分别通过工频隔离变压器接入统一的交流系统，为无源系统供电，其中N个基本换流单元为MMC换流器，分别为MMC₁，MMC₂，…，MMC_N。图1中，组合换流器作为向无源系统供电的受端换流站，其整体直流电压被系统中其它换流站箝位在U_dc，其整体直流电流为I_dc，整体交流电压为U_ac(也是无源系统的交流母线电压)，整体交流电流为I_ac。其中，整体直流电压U_dc为N个基本换流单元直流电压之和，即U_dc＝U_dc1+U_dc2+…+U_dcN；整体交流电流为I_ac为N个基本换流单元输出交流电流之和，即I_ac＝I_ac1+I_ac2+…+I_acN。

基于该组合换流器系统，其组合换流器的控制方法如下：

控制组合换流器中一个基本换流单元采用定交流电压控制，其他基本换流单元采用定直流电压控制，如图2所示，组合换流器内部的第N个换流单元MMC_N采用定交流电压控制策略，通过在dq旋转坐标系下的调节器G_u，对U_ac的d轴和q轴分量U_{ac_d}和U_{ac_q}闭环控制，控制无源系统的交流母线电压U_ac恒定为参考电压U_{ac_ref}，对应生成有功电流指令I_{dN_ref}和无功电流指令I_{qN_ref}。并直接将有功电流指令I_{dN_ref}直接送入对应的正负序分离电流内环的正序有功通道I⁺_dN。因此，与第N个换流单元的交流侧通过工频隔离变压器并联在同一条交流母线上的其它N-1个换流单元的交流电压被第N个换流单元箝位在U_ac。

组合换流器作为向无源系统供电的受端换流站，其内部的前(N-1)个换流单元MMC_k(k＝1，2，…，N-1)采用定直流电压控制策略，如图2所示，通过调节器G_dc分别闭环控制各自基本换流单元的直流电压U_dck(k＝1，2，…，N-1)恒定为参考电压U_{dck_ref}＝U_{dc_ref}/N，并与各自基本换流单元的直流电压作差，经过调解器G_dc调节，生成有正序功电流指令I_{dk_ref}(k＝1，2，…，N-1)，分别送入对应的正负序分离电流内环的正序有功通道I⁺_dk(k＝1，2，…，N-1)。因此换流站中第N个换流单元的直流电压U_dcN被箝位在总直流电压U_dc与其它N-1个换流单元直流电压总和的差值，从而能够保障组合换流器内部各换流单元的直流电压均衡受控。第N个换流单元直流电压计算式如下：

通过上述控制方法，由于其组合换流器的整体直流电压被系统中其它换流站箝位在U_dc，而无源系统交流电压被组合换流器的第N个换流单元箝位在U_ac，因此当无源系统的负荷总功率确定时，总直流电流和交流电流相应的被箝位在I_dc和I_ac。

同时由于组合换流器内部的N个换流单元的直流电压均衡受控，因此在共同的直流电流I_dc流过的情况下，组合换流器内部各基本换流单元的有功功率自然均分。

为了实现无功功率的均分，将组合换流器内部第N个采用定交流电压控制策略的换流单元MMC_N控制生成的无功电流指令I_{qN_ref}均分为N等份I_{q_ref}，分别作为组合换流器中N个基本换流单元共同的无功电流指令，统一送入N个换流单元的正序无功通道I⁺_qk(k＝1，2，…，N)。

由此，在相同的交流电压U_ac箝位下，以及第N个换流单元无功电流指令均分至其它N-1个换流单元的作用，组合换流器内部各基本换流单元的无功功率自然均分。而在有功功率和无功功率都均分后，各个基本换流单元流出的交流电流I_ack(k＝1，2，…，N)也自然均衡。因此，本发明能够有效实现无源供电组合换流器内部串联换流单元间的直流电压均衡和功率均分。

上述组合换流器的控制方法是在换流单元正常运行下的控制策略，当某个换流单元在故障工况下，组合换流器的运行控制方法如下：

如图1所示，当换流站内的x个换流单元MMC_k(k＝1，2，…，x)发生故障，根据故障换流单元所采用控制策略的不同，分为两种工况。

工况一：当换流站内x个故障换流单元MMC_k(k＝1，2，…，x)在故障前均采用定直流电压控制，直接旁路掉故障换流单元，余下的基本换流单元控制方式保持不变。

工况二：当x个故障换流单元MMC_k(k＝1，2，…，x)包含一个采用定交流电压控制的基本换流单元，旁路掉x个故障换流单元后，将换流站内的一个非故障基本换流单元由定直流电压控制切换为定交流电压控制，余下的基本换流单元控制方式保持不变。

为了实现故障换流单元旁路后系统无功功率的均分，将故障后切换为定交流电压控制的非故障基本换流单元输出的正序无功电流指令均分为(N-x)等份，分别作为组合换流器中(N-x)个非故障基本换流单元的正序无功电流指令。

因此，上述换流单元在故障工况下组合换流器的控制方法，实现了基本换流单元故障后整个无源供电组合换流器系统控制方法的快速配置及重启，有效提高了系统运行稳定性和可靠性。。

本实施例中，所采用的正负序分离电流内环控制如图3所示，正序有功电流指令和正序无功电流指令分别来自于实施例中的I⁺_dk(k＝1，2，…，N)和I⁺_qk(k＝1，2，…，N)，并根据系统需求设置负序有功电流指令i^-_{cd_ref}和负序无功电流指令i^-_{cq_ref}指令，分别经过内环PI控制器G_i，做闭环控制，将正序和负序闭环控制的输出量经过正负序dq/abc坐标变换，分别生成正序调制波v⁺和负序调制波v^-，叠加后作为总的调制波M_ref，经调制后生成驱动信号。

本实施例中，正负序分离电流内环控制以及后续调制过程，均属于现有技术。作为其它实施方式，也可以采用其它现有类型的控制方法。

本实施例中构成组合换流器的N个基本换流单元采用模块化多电平换流器(MMC)，作为其他实施方式，可以采用多个MMC的并联组合作为一个基本换流单元，也可以采用其它形式的换流器作为基本换流单元，如两电平换流器或三电平换流器。