基于模块化多电平换流器的柔性直流系统启动方法及装置与流程

本发明关于一种基于模块化多电平换流器的柔性直流系统启动方法及装置，涉及柔性直流输电领域。

背景技术：

基于模块化多电平换流器的柔性直流系统由于谐波畸变小且开关损耗低，是高电压大容量直流输电的重要发展方向。工程中常用的柔性直流系统启动方法大致可分为4个步骤：1)定直流电压站的交流进线断路器合闸，换流站通过交流侧启动电阻开始不控充电。以图1所示典型子模块组成的模块化多电平换流器为例，当变压器阀侧电压uab>0时，换流器的不控充电回路如图2所示；2)通过变压器调档使得变压器阀侧电压上升到额定值附近，在此过程中换流站直流端口电压不断上升；3)若满足直流端口电压大于不控充电结束阈值，判别不控充电结束并旁路启动电阻；4)根据调度指令，本站以定直流电压控制方式解锁，直流电压整定值从不控充电结束阈值斜线上升至直流电压额定值；5)定有功功率站通过执行步骤1)～3)完成充电过程，根据调度指令以定有功功率控制方式解锁。

但是上述启动方法存在如下问题：1)换流站不控充电结束后，在等待解锁指令的过程中，子模块电容电压易发散从而导致部分子模块因过压或欠压而失控；2)换流站解锁初期，直流电压较低使得换流站交流母线峰值较低，导致换流站从交流系统吸收大量无功从而对交流系统造成较大扰动；3)换流站解锁初期，直流电压较低使得换流站交流母线电压谐波较重，容易引发交直流系统的振荡。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于模块化多电平换流器的柔性直流系统启动方法及装置，可解决不控充电结束后子模块电压发散带来的失控问题，以及换流站解锁初期直流电压较低带来的交流系统冲击和重谐波问题。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种基于模块化多电平换流器的柔性直流系统启动方法，该启动方法包括：

s1、换流站不控充电结束后，每个桥臂同时新增一个导通t2管的子模块从而逐步增加旁路的子模块个数，使得通过变压器阀侧线电压将剩余子模块充电到其充电电压阈值，保持每个桥臂旁路的子模块总数不变的条件执行子模块动态均压控制，使得所有子模块电压都长期保持在充电电压阈值；

s2、当收到解锁指令时，将直流电压阶跃到额定调制比对应数值；

s3、待直流电压稳定后，将直流电压斜线上升到直流电压指令值，实现柔性直流系统的平滑启动。

在一些实施例中，所述s1的具体过程为：

s11)将定直流电压控制站的交流进线断路器合闸，换流站通过交流侧启动电阻开始不控充电；

s12)通过变压器调档使得变压器阀侧电压上升到设定值，同时换流站直流端口电压不断上升；

s13)若直流端口电压满足大于或等于不控充电结束阈值，判别不控充电结束并下发启动电阻旁路开关合闸指令，若直流端口电压满足小于不控充电结束阈值，执行s12)；

s14)每到设定时间间隔选择每个桥臂中电压最高的k个子模块，并触发相应子模块的t2管；

s15)若每个桥臂触发t2管的子模块总数k<kmax，令k＝k+1，执行s14)；否则进入s16)；

s16)保持每个桥臂触发t2管的子模块总数kmax不变，且每个桥臂在各个控制周期执行子模块动态均压控制，即选择电压最高和最低的子模块，先闭锁电压最低的子模块的t2管，然后触发电压最高子模块的t2管；

s17)对站执行步骤s11)～s16)完成充电过程。

在一些实施例中，所述s2的具体过程为：

s21)接收到系统解锁指令后，设置本站定直流电压控制器的参考值udcr＝mn，本站定无功功率控制器的参考值qr＝0，然后解锁本站，mn为额定调制比；

s22)设置对站定有功功率控制器的参考值pr＝0，对站定无功功率控制器的参考值q2r＝0，解锁对站。

在一些实施例中，所述s3的具体过程为：

s31)当直流端口电压瞬时值阶跃上升到满足δt时段内均等于udcr，设置本站定直流电压控制器的参考值udcr斜线上升到直流电压指令值udco，直流端口电压缓慢上升，其中，δt为直流电压稳定计时阈值；

s32)根据调度指令更改本站及对站的控制方式及参考值。

第二方面，本发明还提供一种基于模块化多电平换流器的柔性直流系统启动装置，其特征在于，该启动装置包括：

采集单元，用于采集换流站交流母线电压有效值、变压器阀侧电压有效值和直流端口电压瞬时值；

网侧控制单元，用于判断换流站交流母线电压有效值是否在稳态电压范围内，若是则下发交流进线断路器合闸指令及变压器有载开关降低1档指令；然后根据变压器阀侧电压有效值判断其是否达到设定阈值，若达到则下发变压器调节档位结束指令，若未达到则继续下发变压器有载开关降低1档指令；

阀侧控制单元，用于根据直流端口电压瞬时值判断其是否达到设定阈值，若达到则下发启动电阻旁路开关合闸指令；

充电控制单元，每到设定时间间隔选择每个桥臂中电压最高的k个子模块，并触发相应子模块的t2管，然后计数器执行k+1；

动态均压控制单元，用于判断计数器计数是否达到kmax，若达到则对电压最高和最低的子模块进行控制，即先给电压最低的子模块的t2管发闭锁信号，然后给电压最高的子模块的t2管发触发信号；

解锁控制单元，用于接收到系统解锁指令后，设置本站控制器指令，从而使得直流电压、有功功率和无功功率平滑上升到指令值。

基于上述技术方案，本发明至少具有以下技术效果：1、本发明换流站不控充电结束后，可以实现换流阀子模块保持任意时段的有效均压，对调度解锁指令时刻没有限制；2、本发明的柔性直流换流站的启动方法可有效避免换流站解锁瞬间对交流系统的冲击和重谐波问题。

附图说明

图1是模块化多电平换流器桥臂中子模块的一种典型拓扑结构；

图2是现有技术柔直换流站不控充电回路示意图；

图3是本发明的控制装置结构示意图；

图4是本发明的控制方法逻辑框图；

图5是典型柔性直流系统接线示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了便于清楚说明，本发明将各参数定义进行解释：

子模块：形成模块化多电平换流器桥臂的单元模块，现有技术中子模块的一种典型结构如图1所示，t1管、t2管分别为子模块上、下igbt(绝缘栅双极型晶体管)，d1、d2管分别为子模块上、下二极管，c为子模块电容，其中，t1管和电容c串联，t1管和t2管两端均设置有反并联二极管，并定义子模块平均工作电压为usm，子模块充电电压阈值比例系数为p，子模块充电电压阈值usmr＝pusm，每个桥臂中子模块总数为n，不控充电结束阈值为udcs，额定调制比为mn；每个桥臂触发t2管的子模块总数为k，且设定初始值为1，最大值kmax＝n-udcs/usmr向下取整，直流电压稳定计时阈值为δt。

不控充电：模块化多电平换流器处于闭锁状态，通过合闸交流进线断路器形成子模块电容充电通路的过程，不控充电回路如图2所示。

控制方式：柔性直流换流站控制器的工作目标，包括有功功率类和无功功率类控制方式，有功功率类控制方式有定直流电压控制、定有功功率控制等；无功功率类控制方式有定无功功率控制、定交流电压控制等。

定直流电压站：控制器的当前有功功率类控制方式为定直流电压控制的换流站。

在一些实施例中，如图3所示，提供了基于模块化多电平换流器的柔性直流系统启动装置，包括采集单元、网侧控制单元、阀侧控制单元、充电控制单元、动态均压控制单元和解锁控制单元，其中：

采集单元用于采集换流站交流母线电压有效值、变压器阀侧电压有效值和直流端口电压瞬时值。

网侧控制单元用于判断换流站交流母线电压有效值是否在稳态电压范围内，若是则下发交流进线断路器合闸指令及变压器有载开关降低1档指令；然后根据变压器阀侧电压有效值判断其是否达到设定阈值，若达到则下发变压器调节档位结束指令，若未达到则继续下发变压器有载开关降低1档指令。

阀侧控制单元用于根据直流端口电压瞬时值判断其是否达到设定阈值，若达到则下发启动电阻旁路开关合闸指令；

充电控制单元每到设定时间间隔选择每个桥臂中电压最高的k(初始值为1)个子模块，并触发相应子模块的t2管，然后计数器执行k+1。

动态均压控制单元用于判断计数器计数是否达到kmax，若达到则对电压最高和最低的子模块进行控制，即先给电压最低的子模块的t2管发闭锁信号，然后给电压最高的子模块的t2管发触发信号。

解锁控制单元用于接收到系统解锁指令后，设置本站控制器指令，从而使得直流电压、有功功率和无功功率平滑上升到指令值。

在一些实施例中，如图4所示，还提供基于模块化多电平换流器的柔性直流系统启动方法，具体过程为：

1、换流站不控充电结束后，每个桥臂同时新增一个导通t2管的子模块从而逐步增加旁路的子模块个数，使得通过变压器阀侧线电压将剩余子模块充电到其充电电压阈值；保持每个桥臂旁路的子模块总数不变的条件执行子模块动态均压控制，使得所有子模块电压都长期保持在充电电压阈值，具体过程为：

11)将定直流电压控制站的交流进线断路器合闸，换流站通过交流侧启动电阻开始不控充电；

12)通过变压器调档使得变压器阀侧电压上升到设定值，在此过程中换流站直流端口电压不断上升，其中，设定值通常为变压器阀侧电压额定值附近；根据变压器阀侧电压有效值判断其是否达到设定阈值，若达到则下发变压器调节档位结束指令，若未达到则继续下发变压器有载开关降低1档指令。

13)若直流端口电压满足大于或等于不控充电结束阈值，判别不控充电结束并下发启动电阻旁路开关合闸指令，否则若直流端口电压满足小于不控充电结束阈值，执行12)；

14)子模块电压排序，每到设定时间间隔选择每个桥臂中电压最高的k个子模块，并触发相应子模块的t2管；

15)若每个桥臂触发t2管的子模块总数k<kmax，令k＝k+1，执行14)；否则执行16)，其中通过kmax的设定保证剩余子模块充电到其充电电压阈值；

16)保持每个桥臂触发t2管的子模块总数kmax不变，且每个桥臂在各个控制周期执行子模块动态均压控制，即选择电压最高和最低的子模块，先闭锁电压最低的子模块的t2管，然后触发电压最高子模块的t2管；

17)类似地，对站再执行步骤11)～16)完成充电过程；

2、当收到解锁指令时，将直流电压阶跃到额定调制比对应数值，使得通过换流器输出无畸变的高电压避免了交流系统冲击以及重谐波问题，具体过程为：

21)接收到系统解锁指令后，设置本站定直流电压控制器的参考值udcr＝mn，本站定无功功率控制器的参考值qr＝0，然后解锁本站；

22)设置对站定有功功率控制器的参考值pr＝0，对站定无功功率控制器的参考值q2r＝0然后解锁对站。

3、将直流电压斜线上升到直流电压指令值，实现柔性直流系统的平滑启动。

31)当直流端口电压瞬时值阶跃上升到满足δt时段内均等于udcr，设置本站定直流电压控制器的参考值udcr斜线上升到直流电压指令值udco，直流端口电压缓慢上升。

32)根据调度指令更改本站及对站的控制方式及参考值。

在一些实施例中，以如图5所示的端-端柔性直流系统为例，进行详细说明进一步说明基于模块化多电平换流器的柔性直流系统启动方法：本柔性直流系统采用对称单极接线。站1采用定直流电压、定无功功率控制，站2采用定有功功率、定无功功率控制。额定直流端口电压±420kv，额定调制比mn＝0.85。变压器变比为525(+11/-2)×1.25％kv/437.23kv。子模块平均工作电压usm＝1.68kv，子模块充电电压阈值usmr＝1.65kv，每个桥臂中子模块总数n＝540个(含冗余)，不控充电结束阈值udcs＝420kv，直流电压稳定计时阈值为δt＝100ms。柔性直流系统启动前，两站交流母线电压均为540kv，两站变压器初始档位均为11档，调度下发直流电压指令值udco＝1.0pu。每个桥臂触发t2管的子模块总数为k，且设定初始值为1，计算得到kmax＝285，基于上述设置的柔性直流系统启动方法包括以下步骤：

1)站1交流进线断路器合闸，两站通过站1交流侧启动电阻开始不控充电，站1变压器档位从11档开始逐步降低。

2)当站1变压器档位调节到2档，变压器阀侧电压上升到435kv，调档结束；此过程中直流端口电压不断上升。

3)站1直流端口电压大于不控充电结束阈值420kv，合闸站1启动电阻旁路开关。

4)站1每到固定时间间隔选择每个桥臂中电压最高的k个子模块，触发这些子模块的t2管。

5)若站1每个桥臂触发t2管的子模块总数k<285，令k＝k+1，执行4)；否则执行6)；

6)保持每个桥臂触发t2管的子模块总数k不变，且每个桥臂在各个控制周期执行子模块动态均压控制，即选择电压最高和最低的子模块，先闭锁电压最低的子模块的t2管，然后触发电压最高子模块的t2管。

7)类似地，站2通过执行步骤1)～6)完成充电过程。

8)接收到系统解锁指令后，设置站1定直流电压控制器的参考值udcr＝0.85，定无功功率控制器的参考值qr＝0；然后解锁站1，直流端口电压迅速阶跃上升。

9)设置站2定有功功率控制器的参考值pr＝0，定无功功率控制器的参考值q2r＝0；然后解锁站2。

10)当站1直流端口电压瞬时值阶跃上升到连续100ms均等于udcr后，将站1定直流电压控制器的参考值udcr从0.85以斜率1pu/min上升到udcr＝1.0，直流端口电压缓慢上升。

11)根据调度指令更改控制方式及参考值。

上述各实施例仅用于说明本发明，各步骤都是可以有所变化的，本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

最后应当说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其保护范围的限制,尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解：本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在申请待批的权利要求保护范围之内。