一种组合换流器及其内部直流电压均衡控制方法与流程

本发明属于输配电技术领域，具体涉及一种组合换流器及其内部直流电压均衡控制方法。

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 Commutated 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。

由于单个IGBT的耐压有限，在用于高电压等级的场合，往往需要大量的子模块串联，这给换流器的检测和控制造成了很大的负担。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，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，有效提升了柔性直流输电系统的功率容量和电压等级。

然而，对于基本换流单元串联形成的组合换流器，其中非定直流电压端在逆变运行时，组合换流器内部基本换流单元为不稳定系统，存在直流电压不均衡的问题，甚至有发散的风险。为了满足正常的运行需求，必须采取额外的控制策略来维持基本换流单元直流电压的均衡。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种组合换流器及其内部直流电压均衡控制方法，用以解决组合换流器内部串联的基本换流单元间直流电压不均衡问题。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：

本发明提供一种组合换流器内部直流电压均衡控制方法，包括如下方法方案：

方法方案一，在每一个基本换流单元的控制系统中加入一个直流电压偏差控制器，所述直流电压偏差控制器以基本换流单元的实时直流电压的平均值为基准，并将所述直流电压偏差控制器的控制输出量叠加到对应基本换流单元的有功控制通道上。

方法方案二，在方法方案一的基础上，所述直流电压偏差控制器包括高限控制器，将高限控制器的高限参考电压与基本换流单元的实时直流电压做差后进行闭环控制，得到高限闭环控制输出量，所述高限闭环控制输出量为直流电压偏差控制器的控制输出量；其中，所述高限参考电压为基本换流单元的实时直流电压平均值的K_up倍，K_up大于1。

方法方案三，在方法方案一的基础上，所述直流电压偏差控制器包括低限控制器，将低限控制器的低限参考电压与基本换流单元的实时直流电压做差后进行闭环控制，得到低限闭环控制输出量，所述低限闭环控制输出量为直流电压偏差控制器的控制输出量；其中，所述低限参考电压为基本换流单元的实时直流电压平均值的K_low倍，K_low小于1。

方法方案四，在方法方案一的基础上，所述直流电压偏差控制器包括高限控制器和低限控制器，将低限控制器的低限参考电压与基本换流单元的实时直流电压做差后进行闭环控制，得到低限闭环控制输出量；将高限控制器的低限参考电压与基本换流单元的实时直流电压做差后进行闭环控制，得到高限闭环控制输出量；低限闭环控制输出量与高限闭环控制输出量相加的结果为直流电压偏差控制器的控制输出量；其中，所述低限参考电压为基本换流单元的实时直流电压平均值的K_low倍，K_low小于1，高限参考电压为基本换流单元的实时直流电压平均值的K_up倍，K_up大于1。

方法方案五、六、七、八，分别在方法方案一、方法方案二、方法方案三、方法方案四的基础上，所述有功控制通道为采用定功率并网控制的外环有功功率控制通道、采用定电流并网控制的有功电流控制通道或采用定交流电压孤岛控制的与频率对应的控制通道。

本发明还提供一种组合换流器，包括如下换流器方案：

换流器方案一，所述组合换流器的每个基本换流单元包括对应的直流电压偏差控制器，每个基本换流单元的有功控制通道上叠加有对应直流电压偏差控制器的控制输出量，所述直流电压偏差控制器以基本换流单元的实时直流电压的平均值为基准。

换流器方案二，在换流器方案一的基础上，所述直流电压偏差控制器包括高限控制器，所述直流电压偏差控制器的控制输出量为高限闭环控制输出量，所述高限闭环控制输出量为高限控制器的高限参考电压与基本换流单元的实时直流电压做差后进行闭环控制得到的结果，所述高限参考电压为基本换流单元的实时直流电压平均值的K_up倍，K_up大于1。

换流器方案三，在换流器方案一的基础上，所述直流电压偏差控制器包括低限控制器，所述直流电压偏差控制器的控制输出量为低限闭环控制输出量，所述低限闭环控制输出量为低限控制器的低限参考电压与基本换流单元的实时直流电压做差后进行闭环控制后得到的结果，所述低限参考电压为基本换流单元的实时直流电压平均值的K_low倍，K_low小于1。

换流器方案四，在换流器方案一的基础上，所述直流电压偏差控制器包括高限控制器和低限控制器，所述直流电压偏差控制器的控制输出量为高限闭环控制输出量与低限闭环控制输出量相加的结果，所述高限闭环控制输出量为高限参考电压与基本换流单元的实时直流电压做差后进行闭环控制后得到的结果，所述低限闭环控制输出量为低限参考电压与基本换流单元的实时直流电压做差后进行闭环控制后得到的结果，所述高限参考电压为基本换流单元的实时直流电压平均值的K_up倍，所述低限参考电压为基本换流单元的实时直流电压平均值的K_low倍，K_up大于1，K_low小于1。

换流器方案五、六、七、八，分别在换流器方案一、换流器方案二、换流器方案三、换流器方案四的基础上，所述有功控制通道为采用定功率并网控制的外环有功功率控制通道、采用定电流并网控制的有功电流控制通道或采用定交流电压孤岛控制的与频率对应的控制通道。

本发明的有益效果：

本发明通过对定功率或定电流、定交流电压换流站的基本换流单元进行控制策略改造，将以基本换流单元的实时直流电压的平均值为基准的直流电压偏差控制器的控制输出量叠加到对应基本换流单元的有功控制通道上，将直流电压控制在所有基本换流单元实时直流电压平均值附近，从而有效解决了原有定功率或定电流、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。

本发明实现稳态运行时各基本换流单元间的直流电压均衡和功率均分，极大提高了组合换流器的运行稳定性及可靠性。

附图说明

图1是一种组合换流器拓扑结构示意图；

图2是直流电压偏差控制器示意图；

图3是采用定功率控制的并网组合换流器内部基本换流单元功率外环控制方法示意图；

图4是采用定交流电压孤岛控制的无源供电组合换流器内部基本换流单元控制方法示意图；

图5是不带高低限的直流电压偏差控制器示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明作进一步详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

如图1所示为一种组合换流器拓扑结构示意图，其中，U_dc为组合换流器整体直流电压；I_dc为组合换流器整体直流电流；MMC₁,MMC₂,...,MMC_N为组合换流器内部的N个基本换流单元；U_dc1,U_dc2,...,U_dcN分别对应组合换流器内部MMC₁,MMC₂,...,MMC_N的N个基本换流单元的直流电压。

本发明中组合换流器由N个基本换流单元MMC_k(k＝1,2,…,N)串联升压构成，采用模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)或其并联组合作为基本换流单元。但本发明并未对其进行限制，仍可采用其它形式的换流器作为基本换流单元，如两电平或三电平换流器等。

如图2所示为本发明的直流电压偏差控制器示意图，在组合换流器内部的每个基本换流单元的控制系统中加入一个直流电压偏差控制器，直流电压偏差控制器的控制输出量叠加到对应基本换流单元的有功控制指令通道上。其中，直流电压偏差控制器由直流电压高限控制器和直流电压低限控制器组成。

其中：

U_dck——第k个换流单元的实时直流电压；

U_{dc_Href}——高限控制器的高限参考电压；

U_{dc_Lref}——低限控制器的低限参考电压；

K_up——高限控制参考值与实时平均值的比例系数；

K_low——低限控制参考值与实时平均值的比例系数；

Ref_k——控制输出量。

高限控制器的高限电压参考值和低限控制器的低限电压参考值皆为组合换流器内部所有基本换流单元的实时直流电压平均值U_{dc_av}，即：

高限控制器的高限参考电压U_{dc_Href}为U_{dc_av}×K_up，系数K_up略大于1；电压偏差控制器中低限控制器的低限参考电压U_{dc_Lref}为U_{dc_av}×K_low，系数K_low略小于1。高限控制器和低限控制器分别经过闭环PI控制后，高限闭环控制输出量与低限闭环控制输出量相加后得到控制输出量Ref_k。

具体的：

直流电压高限控制器的输出上限和直流电压低限控制器的输出下限互为反数，在本实施例中都取为零，当换流单元的直流电压在所有换流单元直流电压的平均值附近时，即该直流电压小于高限指令且大于低限指令时，直流电压高限控制器上饱和，直流电压低限控制器下饱和，二者输出结果相互抵消，偏差控制器的输出不影响有功功率控制。

当直流电压出现异常，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输出结果不再饱和，二者输出结果将改变换流单元的有功功率，最终控制基本换流单元间直流电压达到基本均衡。

下面结合具体的组合换流器工作模式说明上述电压偏差控制器是如何运作的。

例如：如图3所示，将电压偏差控制器应用在并网控制模式下，该控制方法包括直流电压偏差控制、有功功率外环控制。电压偏差控制器的控制输出量叠加到有功功率外环上。

其中：

P_{k_ref}——第k个换流单元的有功功率指令；

P_{k_fdb}——第k个换流单元的有功功率反馈；

i_{dk_ref}——第k个换流单元的有功电流指令。

直流电压偏差控制：

直流电压偏差控制器中高限控制器的参考值为所有基本换流单元的实时直流电压平均值U_{dc_av}乘以某略大于1的系数K_up，本实施例中取为1.005；直流电压偏差控制器中低限控制器的参考值为所有基本换流单元的实时直流电压平均值U_{dc_av}乘以某略小于1的系数K_low，本例中取为0.995。高限控制器和低限控制器分别与对应基本换流单元的实时直流电压做差后进行PI闭环控制，得到高限控制输出量和低限控制输出量，将二者相加后得到控制输出量Ref_k。

功率外环控制：

根据系统需求设置有功功率指令P_{k_ref}，同时在有功功率指令P_{k_ref}上叠加控制输出量Ref_k，经过有功功率控制器，生成电流内环的指令i_{dk_ref}，再经过电流内环和调制等环节最终得到换流器的驱动信号。

另外，在并网模式下，还可以将直流电压偏差控制器的控制输出量叠加到采用定电流并网控制的有功电流控制通道上，直流电流控制与图3所示的功率环控制相似，在此不再专门说明。

又如，如图4所示，将直流电压偏差控制器运用在无源供电控制模式下，该控制方法包括直流电压偏差控制、交流电压外环控制、电流内环控制和频率参考值生成部分。直流电压偏差控制器的控制输出量叠加到与频率对应的控制通道上。

该控制方法与图3对应使用的控制方法的区别仅在于外环控制与频率参考值生成方法不同，其余部分与图3对应使用的控制方法相同，因而此处为避免重复描述，仅给出交流电压外环和频率参考值生成方式的控制，其余控制的详细描述可参考图3对应使用的控制方法。

其中：

U_{ack_ref}——第k个换流单元的交流电压指令；

U_{ack_d}——第k个换流单元的交流电压反馈值d轴分量；

U_{ack_q}——第k个换流单元的交流电压反馈值q轴分量；

i_{dk_ref}——第k个换流单元的有功电流指令；

i_{qk_ref}——第k个换流单元的无功电流指令；

i_dk——第k个换流单元的有功电流反馈值；

i_qk——第k个换流单元的无功电流反馈值；

f₀——基准频率参考值；

θ——输出电压参考相位。

交流电压外环控制：

根据系统需求设置交流电压指令U_{ack_ref}作为旋转坐标系下的d轴参考输入量，设置q轴参考输入量为零；然后分别与组合换流器交流电压在旋转坐标系下的d轴和q轴电压反馈至分量U_{ac_d}、U_{ac_q}做差后，分别经过PI控制器，做闭环控制，分别生成有功电流指令i_{dk_ref}和无功电流指令i_{qk_ref}。

频率参考值生成：

将换流单元的制输出量Ref_k(k＝1,2,…,N)叠加在固定的频率值f₀(一般为50Hz)上，作为频率参考值f_ref，再将f_ref变换为输出电压参考相位θ。

其中，直流电压偏差控制器是以基本换流单元的实时直流电压的平均值为基准——即控制目的是将基本换流单元的实时直流电压值控制在平均值附近，上图3、图4给出的是一种带有高低限控制的直流电压偏差控制器，作为其他实施方案，也可是采用如图5所示的控制器，为不带高低限控制器。其中，U_{dc_av}为组合换流器内部N个基本换流单元的直流电压的平均值；G_k为第k个换流单元串联均压控制环PI控制器；Ref_k为第k个换流单元串联均压控制环PI控制器输出量，也即均压控制叠加量；U_dck为第k个换流单元的实时直流电压。

又或者，还可以是只采用低限控制器，或者只采用高限控制器，也可实现将基本换流单元的实时直流电压值控制在平均值附近。

另外，本发明还提供一种组合换流器，组合换流器的每个基本换流单元包括对应的直流电压偏差控制器，每个基本换流单元的有功控制通道上叠加有对应直流电压偏差控制器的控制输出量，直流电压偏差控制器以基本换流单元的实时直流电压的平均值为基准。

组合换流器的核心就在于上述组合换流器内部直流电压均衡控制方法，该方法能够应用于上述描述的组合换流器中使用的一些现有控制方法(图3、图4中的交流电压外环控制、交流内环控制等)，也可以应用于其他的现有控制方法中，如直接电流控制或者间接电流控制等等，只需要在这些现有控制方法的基础上，在换流单元有功通道上对应叠加直流偏差控制器的控制输出量即落入本发明的保护范围。

由于对上述组合换流器内部直流电压均衡控制方法已做详细介绍，故对组合换流器不再赘述。