一種組合換流器及其內部直流電壓均衡控制方法與流程

本發明屬于輸配電技術領域，具體涉及一種組合換流器及其內部直流電壓均衡控制方法。

背景技術：

隨著現代電網的快速發展及電力電子技術的更新換代，基于模塊化多電平換流器(Modular Multilevel Converter，MMC)技術的柔性直流輸電系統取得了長足進步，并逐步實現了工程應用。但相對于傳統直流輸電系統(又稱電網換相換流器高壓直流輸電系統，Line Commutated 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。

由于單個IGBT的耐壓有限，在用于高電壓等級的場合，往往需要大量的子模塊串聯，這給換流器的檢測和控制造成了很大的負擔。借鑒傳統直流輸電系統的高壓輸電系統拓撲結構，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高壓大容量的要求，即通過基本換流單元的并聯提高輸送容量，通過基本換流單元的串聯提高輸送電壓等級，形成組合換流器，有效提升了柔性直流輸電系統的功率容量和電壓等級。

然而，對于基本換流單元串聯形成的組合換流器，其中非定直流電壓端在逆變運行時，組合換流器內部基本換流單元為不穩定系統，存在直流電壓不均衡的問題，甚至有發散的風險。為了滿足正常的運行需求，必須采取額外的控制策略來維持基本換流單元直流電壓的均衡。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種組合換流器及其內部直流電壓均衡控制方法，用以解決組合換流器內部串聯的基本換流單元間直流電壓不均衡問題。

為解決上述技術問題，本發明的技術方案為：

本發明提供一種組合換流器內部直流電壓均衡控制方法，包括如下方法方案：

方法方案一，在每一個基本換流單元的控制系統中加入一個直流電壓偏差控制器，所述直流電壓偏差控制器以基本換流單元的實時直流電壓的平均值為基準，并將所述直流電壓偏差控制器的控制輸出量疊加到對應基本換流單元的有功控制通道上。

方法方案二，在方法方案一的基礎上，所述直流電壓偏差控制器包括高限控制器，將高限控制器的高限參考電壓與基本換流單元的實時直流電壓做差后進行閉環控制，得到高限閉環控制輸出量，所述高限閉環控制輸出量為直流電壓偏差控制器的控制輸出量；其中，所述高限參考電壓為基本換流單元的實時直流電壓平均值的K_up倍，K_up大于1。

方法方案三，在方法方案一的基礎上，所述直流電壓偏差控制器包括低限控制器，將低限控制器的低限參考電壓與基本換流單元的實時直流電壓做差后進行閉環控制，得到低限閉環控制輸出量，所述低限閉環控制輸出量為直流電壓偏差控制器的控制輸出量；其中，所述低限參考電壓為基本換流單元的實時直流電壓平均值的K_low倍，K_low小于1。

方法方案四，在方法方案一的基礎上，所述直流電壓偏差控制器包括高限控制器和低限控制器，將低限控制器的低限參考電壓與基本換流單元的實時直流電壓做差后進行閉環控制，得到低限閉環控制輸出量；將高限控制器的低限參考電壓與基本換流單元的實時直流電壓做差后進行閉環控制，得到高限閉環控制輸出量；低限閉環控制輸出量與高限閉環控制輸出量相加的結果為直流電壓偏差控制器的控制輸出量；其中，所述低限參考電壓為基本換流單元的實時直流電壓平均值的K_low倍，K_low小于1，高限參考電壓為基本換流單元的實時直流電壓平均值的K_up倍，K_up大于1。

方法方案五、六、七、八，分別在方法方案一、方法方案二、方法方案三、方法方案四的基礎上，所述有功控制通道為采用定功率并網控制的外環有功功率控制通道、采用定電流并網控制的有功電流控制通道或采用定交流電壓孤島控制的與頻率對應的控制通道。

本發明還提供一種組合換流器，包括如下換流器方案：

換流器方案一，所述組合換流器的每個基本換流單元包括對應的直流電壓偏差控制器，每個基本換流單元的有功控制通道上疊加有對應直流電壓偏差控制器的控制輸出量，所述直流電壓偏差控制器以基本換流單元的實時直流電壓的平均值為基準。

換流器方案二，在換流器方案一的基礎上，所述直流電壓偏差控制器包括高限控制器，所述直流電壓偏差控制器的控制輸出量為高限閉環控制輸出量，所述高限閉環控制輸出量為高限控制器的高限參考電壓與基本換流單元的實時直流電壓做差后進行閉環控制得到的結果，所述高限參考電壓為基本換流單元的實時直流電壓平均值的K_up倍，K_up大于1。

換流器方案三，在換流器方案一的基礎上，所述直流電壓偏差控制器包括低限控制器，所述直流電壓偏差控制器的控制輸出量為低限閉環控制輸出量，所述低限閉環控制輸出量為低限控制器的低限參考電壓與基本換流單元的實時直流電壓做差后進行閉環控制后得到的結果，所述低限參考電壓為基本換流單元的實時直流電壓平均值的K_low倍，K_low小于1。

換流器方案四，在換流器方案一的基礎上，所述直流電壓偏差控制器包括高限控制器和低限控制器，所述直流電壓偏差控制器的控制輸出量為高限閉環控制輸出量與低限閉環控制輸出量相加的結果，所述高限閉環控制輸出量為高限參考電壓與基本換流單元的實時直流電壓做差后進行閉環控制后得到的結果，所述低限閉環控制輸出量為低限參考電壓與基本換流單元的實時直流電壓做差后進行閉環控制后得到的結果，所述高限參考電壓為基本換流單元的實時直流電壓平均值的K_up倍，所述低限參考電壓為基本換流單元的實時直流電壓平均值的K_low倍，K_up大于1，K_low小于1。

換流器方案五、六、七、八，分別在換流器方案一、換流器方案二、換流器方案三、換流器方案四的基礎上，所述有功控制通道為采用定功率并網控制的外環有功功率控制通道、采用定電流并網控制的有功電流控制通道或采用定交流電壓孤島控制的與頻率對應的控制通道。

本發明的有益效果：

本發明通過對定功率或定電流、定交流電壓換流站的基本換流單元進行控制策略改造，將以基本換流單元的實時直流電壓的平均值為基準的直流電壓偏差控制器的控制輸出量疊加到對應基本換流單元的有功控制通道上，將直流電壓控制在所有基本換流單元實時直流電壓平均值附近，從而有效解決了原有定功率或定電流、定交流電壓換流站內由于基本換流單元間的參數及控制差異性導致的直流電壓不均衡問題。

本發明實現穩態運行時各基本換流單元間的直流電壓均衡和功率均分，極大提高了組合換流器的運行穩定性及可靠性。

附圖說明

圖1是一種組合換流器拓撲結構示意圖；

圖2是直流電壓偏差控制器示意圖；

圖3是采用定功率控制的并網組合換流器內部基本換流單元功率外環控制方法示意圖；

圖4是采用定交流電壓孤島控制的無源供電組合換流器內部基本換流單元控制方法示意圖；

圖5是不帶高低限的直流電壓偏差控制器示意圖。

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，對本發明作進一步詳細說明，但本發明的實施方式不限于此。

如圖1所示為一種組合換流器拓撲結構示意圖，其中，U_dc為組合換流器整體直流電壓；I_dc為組合換流器整體直流電流；MMC₁,MMC₂,...,MMC_N為組合換流器內部的N個基本換流單元；U_dc1,U_dc2,...,U_dcN分別對應組合換流器內部MMC₁,MMC₂,...,MMC_N的N個基本換流單元的直流電壓。

本發明中組合換流器由N個基本換流單元MMC_k(k＝1,2,…,N)串聯升壓構成，采用模塊化多電平換流器(Modular Multilevel Converter，MMC)或其并聯組合作為基本換流單元。但本發明并未對其進行限制，仍可采用其它形式的換流器作為基本換流單元，如兩電平或三電平換流器等。

如圖2所示為本發明的直流電壓偏差控制器示意圖，在組合換流器內部的每個基本換流單元的控制系統中加入一個直流電壓偏差控制器，直流電壓偏差控制器的控制輸出量疊加到對應基本換流單元的有功控制指令通道上。其中，直流電壓偏差控制器由直流電壓高限控制器和直流電壓低限控制器組成。

其中：

U_dck——第k個換流單元的實時直流電壓；

U_{dc_Href}——高限控制器的高限參考電壓；

U_{dc_Lref}——低限控制器的低限參考電壓；

K_up——高限控制參考值與實時平均值的比例系數；

K_low——低限控制參考值與實時平均值的比例系數；

Ref_k——控制輸出量。

高限控制器的高限電壓參考值和低限控制器的低限電壓參考值皆為組合換流器內部所有基本換流單元的實時直流電壓平均值U_{dc_av}，即：

高限控制器的高限參考電壓U_{dc_Href}為U_{dc_av}×K_up，系數K_up略大于1；電壓偏差控制器中低限控制器的低限參考電壓U_{dc_Lref}為U_{dc_av}×K_low，系數K_low略小于1。高限控制器和低限控制器分別經過閉環PI控制后，高限閉環控制輸出量與低限閉環控制輸出量相加后得到控制輸出量Ref_k。

具體的：

直流電壓高限控制器的輸出上限和直流電壓低限控制器的輸出下限互為反數，在本實施例中都取為零，當換流單元的直流電壓在所有換流單元直流電壓的平均值附近時，即該直流電壓小于高限指令且大于低限指令時，直流電壓高限控制器上飽和，直流電壓低限控制器下飽和，二者輸出結果相互抵消，偏差控制器的輸出不影響有功功率控制。

當直流電壓出現異常，大于高限指令或小于低限指令后，高限控制器或低限控制器的輸出結果不再飽和，二者輸出結果將改變換流單元的有功功率，最終控制基本換流單元間直流電壓達到基本均衡。

下面結合具體的組合換流器工作模式說明上述電壓偏差控制器是如何運作的。

例如：如圖3所示，將電壓偏差控制器應用在并網控制模式下，該控制方法包括直流電壓偏差控制、有功功率外環控制。電壓偏差控制器的控制輸出量疊加到有功功率外環上。

其中：

P_{k_ref}——第k個換流單元的有功功率指令；

P_{k_fdb}——第k個換流單元的有功功率反饋；

i_{dk_ref}——第k個換流單元的有功電流指令。

直流電壓偏差控制：

直流電壓偏差控制器中高限控制器的參考值為所有基本換流單元的實時直流電壓平均值U_{dc_av}乘以某略大于1的系數K_up，本實施例中取為1.005；直流電壓偏差控制器中低限控制器的參考值為所有基本換流單元的實時直流電壓平均值U_{dc_av}乘以某略小于1的系數K_low，本例中取為0.995。高限控制器和低限控制器分別與對應基本換流單元的實時直流電壓做差后進行PI閉環控制，得到高限控制輸出量和低限控制輸出量，將二者相加后得到控制輸出量Ref_k。

功率外環控制：

根據系統需求設置有功功率指令P_{k_ref}，同時在有功功率指令P_{k_ref}上疊加控制輸出量Ref_k，經過有功功率控制器，生成電流內環的指令i_{dk_ref}，再經過電流內環和調制等環節最終得到換流器的驅動信號。

另外，在并網模式下，還可以將直流電壓偏差控制器的控制輸出量疊加到采用定電流并網控制的有功電流控制通道上，直流電流控制與圖3所示的功率環控制相似，在此不再專門說明。

又如，如圖4所示，將直流電壓偏差控制器運用在無源供電控制模式下，該控制方法包括直流電壓偏差控制、交流電壓外環控制、電流內環控制和頻率參考值生成部分。直流電壓偏差控制器的控制輸出量疊加到與頻率對應的控制通道上。

該控制方法與圖3對應使用的控制方法的區別僅在于外環控制與頻率參考值生成方法不同，其余部分與圖3對應使用的控制方法相同，因而此處為避免重復描述，僅給出交流電壓外環和頻率參考值生成方式的控制，其余控制的詳細描述可參考圖3對應使用的控制方法。

其中：

U_{ack_ref}——第k個換流單元的交流電壓指令；

U_{ack_d}——第k個換流單元的交流電壓反饋值d軸分量；

U_{ack_q}——第k個換流單元的交流電壓反饋值q軸分量；

i_{dk_ref}——第k個換流單元的有功電流指令；

i_{qk_ref}——第k個換流單元的無功電流指令；

i_dk——第k個換流單元的有功電流反饋值；

i_qk——第k個換流單元的無功電流反饋值；

f₀——基準頻率參考值；

θ——輸出電壓參考相位。

交流電壓外環控制：

根據系統需求設置交流電壓指令U_{ack_ref}作為旋轉坐標系下的d軸參考輸入量，設置q軸參考輸入量為零；然后分別與組合換流器交流電壓在旋轉坐標系下的d軸和q軸電壓反饋至分量U_{ac_d}、U_{ac_q}做差后，分別經過PI控制器，做閉環控制，分別生成有功電流指令i_{dk_ref}和無功電流指令i_{qk_ref}。

頻率參考值生成：

將換流單元的制輸出量Ref_k(k＝1,2,…,N)疊加在固定的頻率值f₀(一般為50Hz)上，作為頻率參考值f_ref，再將f_ref變換為輸出電壓參考相位θ。

其中，直流電壓偏差控制器是以基本換流單元的實時直流電壓的平均值為基準——即控制目的是將基本換流單元的實時直流電壓值控制在平均值附近，上圖3、圖4給出的是一種帶有高低限控制的直流電壓偏差控制器，作為其他實施方案，也可是采用如圖5所示的控制器，為不帶高低限控制器。其中，U_{dc_av}為組合換流器內部N個基本換流單元的直流電壓的平均值；G_k為第k個換流單元串聯均壓控制環PI控制器；Ref_k為第k個換流單元串聯均壓控制環PI控制器輸出量，也即均壓控制疊加量；U_dck為第k個換流單元的實時直流電壓。

又或者，還可以是只采用低限控制器，或者只采用高限控制器，也可實現將基本換流單元的實時直流電壓值控制在平均值附近。

另外，本發明還提供一種組合換流器，組合換流器的每個基本換流單元包括對應的直流電壓偏差控制器，每個基本換流單元的有功控制通道上疊加有對應直流電壓偏差控制器的控制輸出量，直流電壓偏差控制器以基本換流單元的實時直流電壓的平均值為基準。

組合換流器的核心就在于上述組合換流器內部直流電壓均衡控制方法，該方法能夠應用于上述描述的組合換流器中使用的一些現有控制方法(圖3、圖4中的交流電壓外環控制、交流內環控制等)，也可以應用于其他的現有控制方法中，如直接電流控制或者間接電流控制等等，只需要在這些現有控制方法的基礎上，在換流單元有功通道上對應疊加直流偏差控制器的控制輸出量即落入本發明的保護范圍。

由于對上述組合換流器內部直流電壓均衡控制方法已做詳細介紹，故對組合換流器不再贅述。