一种模块化多电平换流站的过调制方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于直流输电的模块化多电平换流站的过调制方法。所述的模块化多电平换流站包括多个阀单元、充电电阻、用于旁路充电电阻的刀闸，每个阀单元中包括电容器。换流站解锁后，根据当前的直流电压设定Udc、桥臂电容电压和平均值Ucap、换流站的电流控制器产生的交流调制电压(Ua，Ub，Uc)，计算出可以叠加在交流调制电压上的最小共模电压Un，使得叠加该共模电压Un后，每相的调制电压(Uan=Ua-Un，Ubn=Ub-Un，Ucn=Uc-Un)尽可能在允许范围内；并且在叠加后的补偿效果相同时，该共模电压尽快能小。通过这种方法，在换流站不控充电完毕时，因为桥臂电容电压较低，将能够明显提高了可以输出的交流调制电压，从而降低启动冲击电流；当系统稳定运行后，因为桥臂电容电压已经升高，叠加的共模电压为零，不影响系统的稳态运行。
【专利说明】一种模块化多电平换流站的过调制方法
【技术领域】
[0001]本发明属于柔性直流输电系统控制【技术领域】，尤其涉及直流输电系统中换流站的启动过程。
【背景技术】
[0002]电压源型直流输电系统，也被称为柔性直流输电系统，具有换流站有功/无功可以独立控制、不需要庞大的交流滤波器、可以支持电网黑启动、支持给海岛/风电场等弱网供电等优点，是解决中国区域性新能源并网和消纳问题行之有效的方法。目前模块化多电平变流器是实现电压源型直流输电系统的主要方法之一，但是模块化多电平换流站的控制保护技术复杂，尤其是启动过程，容易引起大的冲击电流，影响了系统的可靠性。
[0003]目前解决模块化多电平换流站的启动有两种方法:一种方法是增大交流侧变压器的漏抗和换流器的桥臂电抗，抑制启动冲击电流，该方法增加了换流站的成本，增加了变压器和桥臂电抗上的稳态压降，不利于换流站系统设计的优化；另一种方法[I]是通过将桥臂模块分为两组，分别对每组进行充电，可以得到较高的充电电压，在充电完成后，因为总桥臂电容电压和明显高于电网电压，避免了太大的冲击电流；[2]的方法类似，通过旁路一定数量的桥臂模块，重复对旁路了不同模块的桥臂进行充电，同样可以得到较高的桥臂电容电压，从而降低启动冲击电流；[I]和[2]的方法都明显增大了充电电阻的损耗，使得充电和启动过程过于复杂。
[0004]为提高模块化多电平换流站启动过程的可靠性和稳定性，需要一种既能明显降低启动冲击电流，又能不影响启动之外的稳态运行的控制方法。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种用于直流输电的模块化多电平换流站的过调制方法，该方法能够不改变简单不控充电电路，又能最大限度地减小解锁时的冲击电流，同时还不影响正常稳态运行。
[0006]为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现:
[0007]本发明技术方案是针对用于直流输电的模块化多电平换流站，所述的模块化多电平换流站，如图1所示，包括多个阀单元、充电电阻、用于旁路充电电阻的刀闸，每个阀单元中包括电容器。换流站在启动过程中，在不控充电结束旁路刀闸闭合后，根据当前的直流电压设定Udc、桥臂电容电压和平均值Ucap、换流站的电流控制器产生的交流调制电压(Ua，Ub, Uc)，计算出可以叠加在交流调制电压上的最小共模电压Un，使得叠加该共模电压Un后，每相的调制电压(Uan=Ua-Un, Ubn=Ub-Un, Ucn=Uc-Un)尽可能均在允许范围内。通过这种方法，在换流站刚刚解锁时，因为桥臂电容电压较低，明显提高了可以输出的交流调制电压；当系统稳定运行后，因为桥臂电容电压已经升高，叠加的共模电压为零，不影响系统的稳态运行。同时，如果因为交流电网的波动，偶然需要超出正常范围的调制电压来稳定电流控制，换流站也能够瞬时叠加合适的共模电压，来提高瞬时调制电压，并在系统的波动消失后，自动将共模电压调整为O。Un计算的具体过程如图3和图5所示。
[0008]与现有技术相比，本发明的有益效果是:
[0009](I)本发明提供的模块化多电平换流站启动方法，可以有效避免启动过程中的冲击电流，提高换流站的可靠性。
[0010](2)本发明提供的模块化多电平换流站启动方法，可以在换流站简单不控充电完成后立刻解锁，不需要在充电过程中附加额外控制。
[0011](3)本发明提供的模块化多电平换流站启动方法，不影响换流站解锁后的稳态运行。
[0012](4)本发明提供的模块化多电平换流站启动方法，同样可以在交流电网波动的瞬间，提闻瞬时调制电压范围，提闻系统抗电网扰动的能力。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1为模块化多电平换流站结构图。
[0014]图2依据本发明，不同情况下补偿前和补偿后的三相调制电压示意图。
[0015]图2a调制电压在正方向超过限制时；图2b调制电压在负方向超过限制时；图2c调制电压在限制范围之内时。
[0016]图3用于补偿的共模电压的一种计算方法。
[0017]图4将共模电压叠加到调制电压上的示意图。
[0018]图5用于补偿的共模电压的另一种计算方法。
【具体实施方式】
[0019]下面将结合附图及具体实施例对发明的技术方案进行详细说明。
[0020]图1所示为一个模块化多电平换流站，其中包括6个桥臂、充电电阻、旁路充电电阻的刀闸。在正常运行时，通过控制桥臂上的阀单元的导通、关断状态，可以控制桥臂输出的电压，从而控制换流站流向交流电网的电流。在正常运行中，各个桥臂的电容电压和Ucap明显高于交流电网的电压，使得控制桥臂上阀单元的通断后，可以随意控制桥臂输出的瞬时电压(Uan, Ubn, Ucn)略高于或低于交流电网的电压,从而使得换流站流向交流电网的瞬时电流增大或较小；通过不断地检测换流站流向交流电网的电流，并根据瞬时电流的大小控制桥臂输出电压，可以让换流站的电流一直维持在期望值上。
[0021]但是，在不控充电完毕换流站解锁之前，6个桥臂上的电容电压和Ucap都与交流电压峰值大小相当，为了控制换流站流向交流电网的瞬时电流，所需要的桥臂输出电压(Ua，Ub，Uc)往往会高出桥臂的调制电压限制，如图2(a)和(b)所示，或者说这时换流站处于过调制状态。为了让电流受控，依据本发明，可以在三相调制电压上都叠加一个共同的共模分量Un，使得补偿后的三相调制电压尽可能位于桥臂的调制电压限制之内。该共模分量必须满足:
[0022]1.尽可能让修正后的三相调制电压处于桥臂的调制电压限制之内
[0023]2.在满足要求I的所有共模分量中，选择最小的共模分量。如图2(a)和(b)所示
[0024]3.如果不加共模分量时的三相调制电压本来就位于限制范围内，该共模分量应该为O。如图2(c)所示。[0025]条件I是为了保证电流受控，而条件2、3是为了让对直流输电系统造成的共模干扰最小化，同时保证在稳态运行时，直流输电系统的正负极电压对称。具体算法如图3和图4所示，描述如下:
[0026]1、根据当前的桥臂电容电压和平均值Ucap和直流电压Udc，计算当前的调制电压限制Ulim
[0027]Ul im=min (Ucap, Ucap-Udc/2)
[0028]2、计算三相调制电压(Ua, Ub, Uc)中的最大值maxU和最小值minU
[0029]3、如果三相调制电压(Ua, Ub, Uc)中的最大值和最小值均位于调制电压限制之内，用于补偿的共模电压Un=O
[0030]4、如果三相调制电压(Ua, Ub, Uc)中的最大值和最小值均超过调制电压限制,用于补偿的共模电压Un=O
[0031]5、如果三相调制电压(Ua, Ub, Uc)中的最大值maxU超过了调制电压限制,而最小值minU在调制电压限制之内，如图2 (a)所示，计算用于补偿的共模电压:
[0032]Un=min(maxU-Ulim, minU+Ulim)
[0033]6、如果三相调制电压(Ua, Ub, Uc)中的最大值maxU在调制电压限制之内，而最小值minU超过了调制电压限制，如图2 (b)所示，计算用于补偿的共模电压:
[0034]Un=max(maxU-Ulim, minU+Ulim)
[0035]7、修正三相调制电压,如图4所示
[0036]Uan=Ua - Un
[0037]Ubn=Ub - Un
[0038]Ucn=Uc - Un
[0039]在以上实现中，当三相调制电压在正负方向上都超过当前的调制电压限制时，计算出的共模修正电压为O。
[0040]本发明的另一种实现方法是，当三相调制电压在正负方向上都超过当前的调制电压限制时，调整共模修正电压，使得修正后的调制电压在正负方向上超出限制的幅度相等。具体实现如图5所示，描述如下:
[0041]1、根据当前的桥臂电容电压和平均值Ucap和直流电压Udc，计算当前的调制电压限制Ulim
[0042]Ul im=min (Ucap, Ucap-Udc/2)
[0043]2、计算三相调制电压(Ua, Ub, Uc)中的最大值maxU和最小值minU
[0044]3、计算使得调制电压正负对称的共模电压UnO
[0045]UnO=(maxU+minU)/2
[0046]4、如果Un0>0并且三相调制电压(Ua,Ub,Uc)中的最大值maxU超过了调制电压限制，计算用于补偿的共模电压:
[0047]Un=min(maxU-Ulim, UnO)
[0048]5、否则，如果Un0〈0并且三相调制电压(Ua, Ub, Uc)中的最小值minU超过了调制电压限制，计算用于补偿的共模电压:
[0049]Un=max(minU+Ulim, UnO)
[0050]6、否则，设定 UnO=O[0051]7、修正三相调制电压，如图4所示
[0052]Uan=Ua - Un
[0053]Ubn=Ub - Un
[0054]Ucn=Uc-Un
[0055]另外，在电压源型直流输电换流站设计中，直流电压额定值一般与桥臂电容电压和的额定值相等。在这种情况下，可以简化认为运行中Udc=Ucap也成立，从而以上的调制电压限制计算简化为:
[0056]Ulim=Ucap/2
[0057]本发明以两种不同实现方法的框图为例，介绍了具体实施步骤及技术思想，不能以此限定本发明的保护范围。本发明的保护范围以权利要求的保护范围为准。
[0058][I]王广柱.一种模块化多电平变换器电容分组预充电的系统及方法.N201210350682.2012-12-19.[0059][2]姚为正，吴金龙，何青连，等.一种模块化多电平柔性直流输电换流器的启动方法.CN201210462977.2013-03-13.
【权利要求】
1.用于直流输电的模块化多电平换流站的过调制方法，所述的换流站采用模块化多电平换流器，包括多个阀单元，每个阀单元中含有电容器，换流站交流侧包括充电电阻和与充电电阻并联的旁路刀闸，在换流站的电流控制器产生三相调制电压后，在三相调制电压上叠加一个共模电压，其特征在于: a)尽可能让补偿后的三相调制电压处于桥臂的调制电压限制之内； b)在满足要求a)的所有共模电压中，选择最小的共模电压； c)如果不叠加共模电压时的三相调制电压本来就位于限制范围内，该共模电压应该为O0
2.根据权利要求1所述的用于直流输电的模块化多电平换流站的过调制方法，其特征在于:首先根据当前桥臂电容电压和以及直流电压计算出调制电压限制。
3.根据权利要求1所述的用于直流输电的模块化多电平换流站的过调制方法，其特征在于:当换流站的桥臂电容电压额定值设计为与直流电压额定值相等时，以当前桥臂电容电压和的一半作为调制电压限制。
4.根据权利要求1所述的用于直流输电的模块化多电平换流站的过调制方法，其特征在于:当三相调制电压在正负方向上都超过当前的调制电压限制时，设定用于补偿的共模电压为O。
5.根据权利要求1所述的用于直流输电的模块化多电平换流站的过调制方法，其特征在于:当三相调制电压在正负方向上都超过当前的调制电压限制时，调整共模电压，使得补偿后的调制电压在正负方向上超出调制电压限制的幅度相等。
6.根据权利要求4所述的用于直流输电的模块化多电平换流站的过调制方法，其特征在于:用于补偿的共模电压的计算`遵循以下步骤: 步骤1:计算三相调制电压(Ua, Ub, Uc)中的最大值maxU和最小值minU步骤2:如果三相调制电压(Ua，Ub, Uc)中的最大值和最小值均位于调制电压限制之内，用于补偿的共模电压Un=O 步骤3:如果三相调制电压(Ua，Ub, Uc)中的最大值和最小值均超过调制电压限制，用于补偿的共模电压Un=O 步骤4:如果三相调制电压(Ua, Ub, Uc)中的最大值maxU超过了调制电压限制,而最小值minU在调制电压限制之内，计算用于补偿的共模电压:
Un=min(maxU-Ulim, minU+Ulim) 步骤5:如果三相调制电压(Ua,Ub,Uc)中的最大值maxU在调制电压限制之内，而最小值minU超过了调制电压限制，计算用于补偿的共模电压:
Un=max(maxU-Ulim, minU+Ulim)。
7.根据权利要求5所述的用于直流输电的模块化多电平换流站的过调制方法，其特征在于:用于补偿的共模电压的计算遵循以下步骤: 步骤1:计算三相调制电压(Ua, Ub, Uc)中的最大值maxU和最小值minU 步骤2:计算使得调制电压正负对称的共模电压UnO UnO=(maxU+minU) /2 步骤3:如果Un0>0并且三相调制电压(Ua，Ub, Uc)中的最大值maxU超过了调制电压限制，计算用于补偿的共模电压:Un=min(maxU-Ulim, UnO) 步骤4:否则，如果Un0〈0并且三相调制电压(Ua，Ub，Uc)中的最小值minU超过了调制电压限制，计算用于补偿的共模电压:
Un=max(minU+Ulim, UnO) 步骤5:否则，设定用于补偿的`共模电压Un=0。
【文档编号】H02M1/36GK103731019SQ201310643852
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2013年12月3日 优先权日:2013年12月3日
【发明者】黎小林, 黄莹, 翁海清, 李战龙, 胡伟平, 王国强, 廖其艳, 张海涛 申请人:南方电网科学研究院有限责任公司, 荣信电力电子股份有限公司