一种直流输电系统的双极VSC无源控制方法及装置与流程

本发明属于直流输电技术领域，具体涉及一种直流输电系统的双极vsc无源控制方法及装置。

背景技术：

电网换相换流器高压直流输电系统(linecommutatedconverterbasedhighvoltagedirectcurrent，lcc-hvdc)已广泛地应用于大容量远距离输电和异步电网背靠背互联等场合，但其存在着逆变站换相失败、无法对无源系统供电、运行过程中需要消耗大量无功功率等缺点；而以全控型电力电子器件为基础的电压源型换流器高压直流输电系统(voltagesourceconverterbasedhighvoltagedirectcurrent，vsc-hvdc)具有可独立控制有功功率和无功功率、不存在换相失败和可对无源系统供电等优点，但其较lcc建设成本高、输送容量小。在众多的vsc-hvdc输电拓扑中，模块化多电平换流器直流输电系统(modularmultilevelconverterbasedhighvoltagedirectcurrent，mmc-hvdc)具备vsc-hvdc所有的优点，但由于其造价昂贵、无法有效处理直流故障等缺点，使其不适合运用于长距离、大功率输电场合。

为了综合lcc-hvdc和vsc-hvdc这两种直流输电系统的优势，混合直流输电系统应运而生。混合直流输电系统的整流侧采用lcc，逆变侧采用vsc，充分发挥了lcc直流输电系统容量大、距离远以及vsc不存在换相失败并可向无源交流系统供电的优点，具有较大的发展前景。

通常，在混合直流输电系统中，逆变侧vsc端可工作于有源模式和无源模式两种运行方式下。有源模式时，vsc端子模块通过其连接的交流电网进行有源充电；无源模式时，vsc端子模块通过其连接的直流线路进行无源充电。充电完成后，两种模式下vsc按照相应的控制方式解锁，实现直流输电系统的功率传输。现有技术中，2013年10月第28卷第10期的《电工技术学报》期刊出版了名称为《lcc-mmc混合高压直流输电系统》的论文，该论文公开了一种双端单极直流输电系统的控制方法，采用lcc提供稳定的直流电压完成mmc各子模块的电容充电及igbt的解锁。

而直流系统中逆变侧的双极vsc接入同一无源网络时，仅采用整流侧提供的直流电压为两极vsc充电并解锁的方式，会在两极vsc解锁后存在电压的相位偏差，当两极vsc的电压相位偏差很大时，会对无源网络造成一定的冲击，冲击严重时将会导致直流输电系统不能稳定工作。并且，采用上述整流侧提供的直流电压为两极vsc充电并解锁的方式时，还存在两极vsc的功率协调控制问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种直流输电系统的双极vsc无源控制方法及装置，用于解决具有双极vsc的直流系统接入同一无源网络的解锁控制问题。

为解决上述技术问题，本发明提出一种直流输电系统的双极vsc无源控制方法，包括以下方法方案：

方法方案一，包括以下步骤：

1)逆变侧的第一极vsc和第二极vsc通过整流侧提供的直流电压进行无源充电；

2)控制逆变侧的第一极vsc解锁后，对所述第一极vsc采用定交流电压控制，得到第一极vsc的三相调制参考电压，从而建立网侧交流电压；控制逆变侧的第二极vsc对所述第一极vsc建立的网侧交流电压的相位进行锁相，锁相后控制所述第二极vsc解锁。

方法方案二，在方法方案一的基础上，所述定交流电压控制为：对网侧交流电压参考值与网侧电压d轴分量的差进行相应的处理，得到第一极调制电压d轴参考值；

对0与网侧电压q轴分量的差进行相应的处理，得到第一极调制电压q轴参考值，对所述第一极调制电压d轴参考值和第一极调制电压q轴参考值进行帕克反变换，得到第一极vsc的三相调制参考电压值。

方法方案三，在方法方案二的基础上，所述第一极调制电压d轴参考值通过下式计算得到：

式中，ud1_ref为第一极调制电压d轴参考值，kp为比例系数，为网侧交流电压参考值uac_ref的标幺值，uac_d为网侧电压d轴分量，ti为积分时间常数；

所述第一极调制电压q轴参考值uq1_ref通过下式计算得到：

式中，uq1_ref为第一极调制电压q轴参考值，kp为比例系数，uac_q为网侧电压q轴分量，ti为积分时间常数。

方法方案四，在方法方案一的基础上，所述第二极vsc解锁后采用外环为功率环、内环为电流环的双环控制。

方法方案五，在方法方案四的基础上，所述外环为功率环、内环为电流环的双环控制具体为：对有功功率参考值与有功功率实测值的差进行pi控制，得到内环电流d轴参考值，对无功功率参考值与无功功率实测值的差进行pi控制，得到内环电流q轴参考值，所述内环电流d轴参考值和所述内环电流q轴参考值经过内环电流控制器，分别得到第二极调制电压d轴参考值和第二极调制电压q轴参考值，进行帕克反变换，得到第二极vsc的三相调制电压参考值。

为解决上述问题，本发明还提出一种直流输电系统的双极vsc无源控制装置，包括以下装置方案：

装置方案一，包括充电单元和解锁控制单元，其中：

充电单元用于对逆变侧的第一极vsc和第二极vsc通过整流侧提供的直流电压进行无源充电；

解锁控制单元用于控制逆变侧的第一极vsc解锁后，对所述第一极vsc采用定交流电压控制，得到第一极vsc的三相调制参考电压，从而建立网侧交流电压；控制逆变侧的第二极vsc对所述第一极vsc建立的网侧交流电压的相位进行锁相，锁相后控制所述第二极vsc解锁。

装置方案二，在装置方案一的基础上，还包括用于对网侧交流电压参考值与网侧电压d轴分量的差进行相应的处理，得到第一极调制电压d轴参考值；对0与网侧电压q轴分量的差进行相应的处理，得到第一极调制电压q轴参考值，对所述第一极调制电压d轴参考值和第一极调制电压q轴参考值进行帕克反变换，得到第一极vsc的三相调制参考电压值的单元。

装置方案三，在装置方案二的基础上，还包括计算单元：用于所述第一极调制电压d轴参考值通过下式计算得到：

式中，ud1_ref为第一极调制电压d轴参考值，kp为比例系数，为网侧交流电压参考值uac_ref的标幺值，uac_d为网侧电压d轴分量，ti为积分时间常数；

所述第一极调制电压q轴参考值uq1_ref通过下式计算得到：

式中，uq1_ref为第一极调制电压q轴参考值，kp为比例系数，uac_q为网侧电压q轴分量，ti为积分时间常数。

装置方案四，在装置方案一的基础上，还包括用于对所述第二极vsc解锁后采用外环为功率环、内环为电流环的双环控制的单元。

装置方案五，在装置方案四的基础上，还包括用于对有功功率参考值与有功功率实测值的差进行pi控制，得到内环电流d轴参考值，对无功功率参考值与无功功率实测值的差进行pi控制，得到内环电流q轴参考值，所述内环电流d轴参考值和所述内环电流q轴参考值经过内环电流控制器，分别得到第二极调制电压d轴参考值和第二极调制电压q轴参考值，进行帕克反变换，得到第二极vsc的三相调制电压参考值的单元。

本发明的有益效果是：通过控制逆变侧的其中一极vsc解锁后，对其采用定交流电压控制，然后控制逆变侧的另一极vsc对上述其中一极vsc输出的相位进行锁相，锁相后控制另一极vsc解锁。本发明能实现两极vsc的平稳解锁，解锁后两极vsc的电压相位保持同步，并同时为同一无源网络稳定供电。

附图说明

图1是双极无源混合直流输电系统的拓扑结构图；

图2是双极vsc中其中一极vsc的拓扑结构图；

图3是双极vsc的极1控制器原理框图；

图4是双极vsc的极2控制器原理框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

本发明的一种直流输电系统的双极vsc无源控制方法的实施例：

如图1所示的双极无源混合直流输电系统，整流侧采用lcc接入交流电网，逆变侧采用vsc接入无源网络，lcc端通过直流线路将功率送至vsc端，lcc端直流侧串有平波电抗器，vsc端直流侧串有二极管，vsc端采用mmc结构，换流器由三相6个桥臂构成，每个桥臂由桥臂电感和数量相同的子模块构成，如图2所示，子模块采用半桥结构，包含2个igbt、2个反并联二极管和1个储能电容。

针对图1的混合直流系统，控制整流侧的双极lcc端解锁，利用双极lcc提供的稳定的直流电压，为逆变侧的极1和极2(将双极vsc中先解锁的一极vsc称为极1，后解锁的一极vsc称为极2)的子模块中的电容器进行充电，充电完成后，解锁vsc端极1，极1解锁后采用定交流电压控制，建立vsc端交流侧的三相电压。由于vsc端极1和极2连接在同一个无源网络中，所以此时vsc端极1解锁后，其交流侧已存在交流电压，控制极2对极1输出的电压相位进行锁相，将极2的电压相位与极1的电压相位进行同步，然后以定有功功率控制和定无功功率控制方式对极2进行解锁。vsc端极2解锁后，可通过控制极2输出的有功功率和无功功率值完成两极的功率分配，实现有功功率和无功功率的双极协调控制。

当vsc端通过直流侧无源充电完成后，对vsc端极1进行解锁采用定交流电压控制，该控制过程为：

如图3所示，对网侧交流电压参考值uac_ref的标幺值与网侧电压d轴分量uac_d的差进行控制，得到第一极调制电压d轴参考值ud1_ref，对0与网侧电压q轴分量uac_q的差进行控制，得到第一极调制电压q轴参考值uq1_ref，然后进行帕克反变换，得到极1的三相调制电压参考值ua1_ref、ub1_ref、uc1_ref。其中，uac_ref从0以一定斜率增大，从而使建立的网侧交流电压平稳上升。

当vsc端极1解锁后，由于vsc端的两极连接在同一个无源网络中，所以此时vsc端极2的交流侧已存在交流电压，控制极2锁相极1的电压相位，然后以定有功功率控制和定无功功率控制方式对极2进行解锁，极2的控制过程为：

如图4所示，对有功功率参考值pac_ref与有功功率实测值pac_meas的差进行pi控制，得到内环电流d轴参考值id_ref，对无功功率参考值qac_ref与无功功率实测值qac_meas的差进行pi控制，得到内环电流q轴参考值iq_ref，经过内环电流控制器分别得到第二极调制电压d轴参考值ud2_ref和第二极调制电压q轴参考值uq2_ref，进行帕克反变换得到极2的三相调制电压参考值ua2_ref、ub2_ref、uc2_ref。其中，pac_ref和qac_ref从0以一定的升降速率增大或减小，从而使输出的有功功率与无功功率平稳变化。

然后，通过改变vsc端极2的pac_ref、qac_ref和相应的升降速率参考值完成两极的功率分配，实现有功功率和无功功率的双极协调控制。运行过程中，若极2发生故障，则极2停运，极1继续运行；若极1发生故障，则极1停运，同时极2控制策略切换为定交流电压控制并继续运行。

本发明利用整流侧lcc端解锁后建立直流电压，通过直流线路给逆变侧vsc端的子模块进行无源充电，然后解锁vsc端极1，从而建立vsc端交流侧三相电压，并在vsc端极2的交流侧产生交流电压，最后使极2锁相极1的电压相位后，以定有功功率和定无功功率控制方式将极2解锁。vsc端极2解锁后，可通过控制极2输出的有功功率和无功功率值完成两极的功率分配，实现有功功率和无功功率的双极协调控制。本发明逻辑简单，易于工程实现，能实现两极vsc的平稳解锁，同时为同一无源网络稳定供电。

本发明用于解决具有双极vsc的直流系统接入同一无源网络的解锁控制问题，因此，本发明的控制方法不仅仅适用于如图1所示的双极无源混合直流输电系统，即整流侧的换流器不限于lcc，也可以是双极vsc或其他类型的换流器，只要整流侧的换流器能为逆变侧提供稳定的直流电压即可。

本实施例中解锁双极lcc的方式可以根据需要设定，既可以是同时解锁双极lcc为vsc端极1和极2的电容器充电，充电完成后再解锁极1和极2；也可以采用先解锁极1对端的lcc，再解锁极2对端lcc的方式，然后进行极1和极2的解锁；还可以在整流侧和逆变侧的两级进行分别解锁，如解锁极1对端的lcc后，解锁vsc端的极1，再解锁极2对端的lcc，最后解锁vsc端的极2。

本发明的一种直流输电系统的双极vsc无源控制装置的实施例：

包括充电单元和解锁控制单元，其中，充电单元用于对逆变侧的第一极vsc和第二极vsc通过整流侧提供的直流电压进行无源充电；解锁控制单元用于控制逆变侧的第一极vsc解锁后，对所述第一极vsc采用定交流电压控制，得到第一极vsc的三相调制参考电压；控制逆变侧的第二极vsc对所述第一极vsc输出的三相交流电压的相位进行锁相，锁相后控制所述第二极vsc解锁。

上述实施例中所指的直流输电系统的双极vsc无源控制装置，实际上是基于本发明方法流程的一种计算机解决方案，即一种软件构架，可以应用到换流站中，上述装置即为与方法流程相对应的处理进程。由于对上述方法的介绍已经足够清楚完整，且本实施例声称的装置实际上是一种软件构架，故不再详细进行描述。