适用于高压大容量传统直流工程受端改造的逆变站拓扑结构及其控制方法与流程

本发明属于电力电子系统技术领域，具体涉及一种适用于高压大容量传统直流工程受端改造的逆变站拓扑结构及其控制方法。

背景技术

高压直流输电(highvoltagedirectcurrent,hvdc)由于其输电线路造价低，不增加交流系统短路容量，占用输电走廊小，损耗较低等优势，被广泛用于我国的远距离大容量输电工程

两端直流输电系统根据换流技术的不同可以分成两种：基于晶闸管的传统直流输电(lcc-hvdc)和基于igbt的柔性直流输电(vsc-hvdc)。lcc-hvdc系统由于其造价低、性能好，已经被广泛地应用于大容量远距离输电以及异步电网背靠背互联等场合，但是lcc-hvdc系统存在着逆变站换相失败、无法对弱交流系统供电、运行过程中需要消耗大量无功功率等缺陷，在一定程度上制约了它的发展。

与此对应的基于模块化多电平换流器(modularmultilevelconverter，mmc)的柔性直流输电技术，相比传统直流输电技术，具有无换相失败风险，可以向无源电网供电，有功无功独立控制，谐波水平低等优势。由于柔性直流输电不存在换相失败问题，对传统直流输电工程的受端进行柔直化改造，能够从根本上解决多直流馈入换相失败问题；另一方面，由于vsc(电压源换流器)能够独立控制有功功率和无功功率，对高压直流输电受端进行柔性化改造还能够有效提升受端电网的运行灵活性和电压稳定性。

mmc在高压直流输电系统中进一步应用主要受到直流电压和直流电流等级的限制。目前在建的张北多端mmc-hvdc项目中，换流站的电压等级和最大直流电流已经达到了±500kv和3ka，但是与采用lcc的特高压直流输电系统的±800kv和5ka仍存在一定差距。

目前，在对高压大容量传统直流输电系统进行受端改造时，所面临的主要困难之一便是单个mmc换流器的额定容量和额定电压难以达到现有高压大容量直流输电工程的水平。针对这个问题，现有研究主要分为两种解决方案：

(1)采用多个换流单元共同组成一个逆变站的方式，使得改造后的逆变站的输送容量和电压等级能够与整流站相匹配。

(2)采用多个逆变站并联的形式，分别吸收整流站输送的有功功率的一部分，传输个不同的落点。

其中方法(2)需要选取多个落点建造逆变站，主要用于新建的混合高压直流输电工程，在改造已有工程时并不适用；在采用方法(1)的时候，由于各个换流单元都采用各自独立的控制器，极有可能导致各个换流单元之间的直流电压和直流电流无法均衡或是互相影响引起振荡，使整个逆变站无法运行在指定工作点。然而现在很少有文献针对该问题进行研究。因此需要提出一种适用于不同电压等级和输送容量的高压直流工程受端改造的逆变站拓扑和相应的控制方法，使得稳态运行过程中逆变站的每个换流单元都能够工作在稳定运行点。

技术实现要素：

鉴于上述，本发明提供了一种适用于高压大容量传统直流工程受端改造的逆变站拓扑结构及其控制方法，该逆变站拓扑能够用于多种电压等级和输送容量的高压直流输电工程的受端改造，其控制方式可以使得稳态运行期间逆变站内的所有换流单元维持直流电压和直流电流平衡。

一种适用于高压大容量传统直流工程受端改造的逆变站拓扑结构，包括平波电抗器、三相交流母线以及mmc阵列，所述mmc阵列由m×k个mmc换流单元连接组成即对应m行k列，mmc阵列中每一列均包含m个mmc换流单元且这些mmc换流单元通过直流侧依次级联后形成高压端和低压端，k列高压端共连作为mmc阵列的正极，k列低压端共连作为mmc阵列的负极并接地；mmc阵列中每一行均包含k个mmc换流单元且这些mmc换流单元的直流侧负极共连；平波电抗器的一端接直流输电线路，另一端与mmc阵列的正极相连，每个mmc换流单元的交流侧均并联接至三相交流母线，m和k均为大于等于1的自然数。

进一步地，所述mmc换流单元采用三相六桥臂结构，每个桥臂均由若干换流子模块和一个桥臂电抗器串联组成。

进一步地，所述mmc换流单元采用电流矢量控制且具有两个控制量。

进一步地，所述mmc阵列的行数m＝udcn/udc0，列数k＝ronnd(sn/ms0)；其中：udc0为单个mmc换流单元的额定直流电压，udcn为逆变站的额定直流电压(设计时需保证udcn为udc0的整数倍)，sn为逆变站的额定容量，s0为单个mmc换流单元的额定容量，ronnd()为向上取整函数。

上述逆变站拓扑结构的控制方法为：逆变站整体采用定直流电压和定无功功率控制，系统整体传输的有功功率指令值为pref，无功功率指令值为qref，直流电压指令值为udcref。

进一步地，对于逆变站中的任一mmc换流单元则采用定直流电压和定无功功率控制，或采用定有功功率和定无功功率控制。

进一步地，对逆变站mmc阵列第一列中的所有mmc换流单元采用定直流电压和定无功功率控制，其余mmc换流单元则采用定有功功率和定无功功率控制。

进一步地，mmc换流单元定直流电压控制所采用的直流电压指令值udcref0＝udcref/m，mmc换流单元定无功功率控制所采用的无功功率指令值为qref0＝qref/mk，mmc换流单元定有功功率控制所采用的有功功率指令值为pref0＝pref/mk。

与现有技术相比，本发明具有以下有益技术效果：

(1)本发明逆变器拓扑及其控制策略能够灵活应用于多种电压等级高压直流系统的受端改造，使改造后的逆变站能够与原工程的电压与功率相匹配。

(2)本发明拓扑及其控制策略能够保证逆变站在稳态运行过程中，各个换流单元之间维持直流电压和直流电流平衡。

(3)本发明逆变器控制方法是对各个mmc换流单元的控制模式控制，无需增加额外的附加控制器便能实现换流单元之间的功率平衡。

附图说明

图1为本发明逆变站拓扑结构示意图。

图2为完成受端改造后的高压直流工程系统拓扑示意图。

图3(a)为使用本发明控制方法前逆变站内各个mmc换流单元的直流电流波形图。

图3(b)为使用本发明控制方法后逆变站内各个mmc换流单元的直流电流波形图。

图4(a)为使用本发明控制方法前逆变站内各个mmc换流单元的有功功率波形图。

图4(b)为使用本发明控制方法后逆变站内各个mmc换流单元的有功功率波形图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明逆变站拓扑如图1所示，采用单极大地接线，包括平波电抗器、三相交流母线以及mmc阵列，mmc阵列由m×k个mmc换流单元连接组成即对应m行k列，mmc阵列中每一列均包含m个mmc换流单元且这些mmc换流单元通过直流侧依次级联后形成高压端和低压端，k列高压端共连作为mmc阵列的正极，k列低压端共连作为mmc阵列的负极并接地；mmc阵列中每一行均包含k个mmc换流单元且这些mmc换流单元的直流侧负极共连；平波电抗器的一端接直流输电线路，另一端与mmc阵列的正极相连，每个mmc换流单元的交流侧均并联接至三相交流母线，m和k均为大于等于1的自然数。其中每个mmc换流单元结构采用三相六桥臂结构，每个桥臂均由若干个子模块和一个桥臂电抗器串联组成，每个换流单元均采用电流矢量控制。

针对额定电压800kv，额定容量3200mva的双端直流输电系统进行柔直化改造，改造后系统主接线如图2所示，整流侧仍为原来的lcc换流站，逆变侧被改造为mmc换流站，改造后的逆变站拓扑如图1所示，系统参数如表1所示：

表1

对改造后的逆变站使用本发明拓扑结构以及控制方法，具体包括如下步骤：

(1)首先计算mmc阵列的行数m和列数k：

根据结果可以得到逆变站改造后mmc阵列行数和列数各为2，共需4个mmc换流单元，分别为mmc11、mmc12、mmc21、mmc22。

(2)根据表1得到测试系统中换流站和逆变站的各个指令值如下所示：

pref＝3200mw

uref＝800kv

qref＝0mvar

(3)首先计算逆变站mmc阵列第一列中的所有mmc换流单元的控制指令值，根据本发明所述控制方式，该实例中逆变站换流单元中的mmc11、mmc21采用定直流电压和定无功功率控制，其指令值为：

(4)然后计算逆变站mmc阵列中剩余的mmc换流单元的控制指令值，根据本发明所述控制方式，该实例中逆变站换流单元中的mmc12、mmc22采用定有功功率和定无功功率控制，其指令值为：

针对上述实例，图3(a)～图3(b)给出了使用本发明控制方法前后的各个mmc换流单元的直流电流波形，图4(a)～图4(b)给出了使用本发明控制方法前后的mmc换流单元有功功率波形。对比可以发现使用本发明控制方法后，各个换流单元之间的直流电流和有功功率都得到了平衡。

上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。