抑制高压直流传输用模块化多电平换流器中的环流的方法
【专利摘要】提出了一种抑制在用于高压直流(HVDC)传输系统的模块化多电平换流器中的环流的方法。HVDC传输系统将交流（AC）转换成直流（DC），使用DC线缆传送能量并且包括通过串联堆叠多个子模块生成高压源的模块化多电平换流器，且反之亦然。在所述环流抑制方法中，输入abc3相静止参考系中的a,b,c相的环流(idiffj;j=a,b,c)，在DC线缆中流动的DC电流(idc)，需要在DC线缆中流动的DC分量的电流参考值(i*dc)。控制a,b,c相的环流(idiffj)以使其变为零。输出用于抑制环流的谐波分量的补偿值(V*diffj)。
【专利说明】抑制高压直流传输用模块化多电平换流器中的环流的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种抑制用于高压直流传输的模块化多电平换流器中的环流的方法。更具体地，本发明涉及一种抑制用于高压直流传输的模块化多电平换流器中的环流的方法，所述方法能够在进一步改善环流抑制特性的同时进一步改善直流线端内的电流流动。
【背景技术】
[0002]一般而言，高压直流(HVDC)传输相比于高压交流(HVAC)传输具有诸如长距离传输、异步系统连接、海底线缆用途以及能够功率控制之类的优点，因此HVDC的应用场合稳步增加。
[0003]例如，已知在产能位置和耗能位置之间相隔海洋的情况下或是在产能位置和耗能位置之间的距离大于IOOOkm的情况下，HVDC系统具有比HVAC更低的能量输送成本。
[0004]于是，随着海洋风力发电(所提出的大量发展的新兴可再生能源和长期计划之一)的商业化规模正变得越来越大，能够便宜、灵活且可靠地将海洋中生成的电力传送至陆地的HVDC技术正逐渐引起人们的注意。
[0005]除了这些原因之外，出于诸如国际能量贸易(电力贸易)、具有不同电力系统频率的不同电力系统之间的能力贸易、在能量瓶颈现象归因于作为人口密集区域的闹市区的大量能耗而出现时以低成本安装额外线路之类的各种目的，业已对HVDC技术进行了研究。
[0006]HVDC换流器是一种作为HVDC系统核心且被粗略分成电流型换流器和电压型换流器的设备。本发明涉及电压型换流器，尤其涉及在电压型换流器之间具有其中子模块(SM)串联堆叠以耐高压的“模块化多电平换流器”的HVDC换流器。
[0007]图1是例示了具有模块化多电平换流器(MMC)的HVDC系统的整体构造的示意图。组成高压直流(HVDC)系统的模块化多电平换流器(MMC-1和MMC-2)3和4根据如下处理传送能量。频率和电压被施加至两个不同的高压AC系统I和2以将一个高压AC系统I的AC能量转换成DC能量，使用DC线缆将该DC能量进行长距离传输，并在随后将到达的DC能量重新转换成具有适于另一高压AC系统2的电压和频率的AC能量。
[0008]在将AC能量转换成DC能量时，模块化多电平换流器能够通过串联堆叠多个具有低压源的子模块5来生成高压源，并且反之亦然。
[0009]模块化多电平换流器(MMC)包括总计三个腿，每个腿用于一相。在此，每个腿都包括上臂6a和下臂6b，并且每个臂都包括串联连接的子模块5。
[0010]图2是例示了用于HVDC的模块化多电平换流器的子模块类型的示意图。子模块的例子包括半桥(HB)型子模块、全桥(FB)型子模块以及钳位双(Clamp Double，⑶)型子模块。大多数商业化的HVDC模块化多电平换流器使用HB型。
[0011]MMC具有如下优点。子模块单元使用具有低压规范的IGBT制造，并且MMC通过串联堆叠子模块而能对几百KV的高压具有耐压能力。另外，接近基波(正弦波)的波形可以使用多个子模块形成，而无需单独的滤波器。能够独立执行已知作为电流型换流器限制的有功功率控制和无功功率控制，并且无需一并供应与有功功率控制的传输功率的50%相对应的无功功率。另外，还可以在不使用计数器换流器的状态或信息的情况下可靠控制高DC电压两端处的各换流器。
[0012]然而，具有模块化多电平换流器的HVDC换流器也具有电流型换流器中不存在的限制。
[0013]换句话说，子模块中的容量电压是不一致的。另外，由于上臂和下臂的组合电压与DC_link (DC链路)电压不同，因此在模块化多电平换流器的各臂中流动着与相电流的一半相对应的电流以及包括其频率二倍于系统频率的AC分量的环流。这一环流仅在多电平换流器内流动，并且已知并非传输电能所需的。
[0014]如上所述，如果HVDC多电平换流器中的环流增加，则额外流动有在能量转换中不起作用的无功电流分量，并由此在子模块中使用的部件的电流规范(IGBT、电容器、SCR和快速开关)变得更高，从而导致材料成本的增加。另外，由于子模块电压的波动范围变得更大，因此子模块无法得到稳定控制。另外，归因于其中多个谐波分量被包括在臂电流波形内的信号类型，换流器的损耗增加，使得难以增加换流器的效率。
[0015]其后，将在下文描述用于抑制在应用有模块化多电平换流器的HVDC换流器中生成的环流分量的代表性方法。
[0016]在用于HVDC系统的 模块化多电平换流器中，一种针对每个相分离并控制上臂和下臂的方法以及一种平滑子模块电压的方法已由Antonios Antonopoulos (2009)大量开发。另外，关于不平衡系统电压条件，能够快速有效控制有功功率(或是DC_link恒压控制)和无功功率的电流控制方法已如图3所示由Maryam Saeedifard(2010)开发出来。
[0017]在这些技术基础上，已关于抑制模块化多电平换流器中生成的环流的方法提出了各种方法。Qingrui Tu (2012)提出了一种在平衡电压条件和不平衡系统电压两者中抑制环流的方法。
[0018]图4 是例不了由 Qingrui Tu 发表的[IEEE Trans, on PowerDelivery, vol.27，2012]用于抑制HVDC系统的模块化多电平换流器中的环流的方法的说明性示意图。Qingrui Tu (2012)提出的方法通过引入将环流分量中的负序分量和零序分量控制为零以移除环流的方法来抑制环流。
[0019]换句话说，Qingrui Tu在他2012年的论文中提出的方法通过计算由图3中的A所
指示的补偿值/dif?来抑制环流。
[0020]为了更详细地了解Qingrui Tu提出的方法，参见图4，在负序分量的情况下，控制
目标(命令值)f*ccd=0和Feefl=O在d-q参考系(d-q转动坐标系)中给出，且Vnccd和Vnccq
的输出通过PI控制器7控制，由此在环流的负序分量中遵循d轴分量Qncxd)和q轴分量(inccq)。同样地，通过将 1 (2 Θ J添加到补偿值Vdiff ab。的计算中来将2相反向转换至3相。
[0021]同样地，在零序分量的情况下，应用如下方法:在abc参考系(3相静止参考系)中给出控制对象，在每一相(a、b、c相)中累加上臂和下臂的全部六个电压值upa, una, upb, unb, upc, Unb (在此,下标p、a和η分别指代上臂、相和下臂),将累加值除以3,并在随后通过带通滤波器8输出vdiff(Lab。以计算补偿值(Vdiff abc)。
[0022]换句话说，由Qingrui Tu提出的方法是一种仅考虑了环流的各种分量中的负序分量和零序分量的环流抑制方法。
[0023]因此，在用于抑制环流的相关领域方法中(Qingrui Tu, 2012)，需要将环流分量分成正序分量、负序分量和零序分量，并且需要知晓有关上臂电压和下臂电压的全部信息。另外，这一方法不包括移除环流的正序分量的概念。此外，虽然稳态特性良好，但是瞬态特性不佳并且直流线路中出现脉动电流。
[0024]在【背景技术】部分公开的以上信息仅仅是为了增进对本发明背景的理解，并且因此可能包括不形成本领域普通技术人员在本国内已知的现有技术的信息。
【发明内容】
[0025]本发明提供一种抑制在用于高压直流传输的模块化多电平换流器中的环流的方法，所述方法能够通过完全移除模块化多电平换流器中示出的环流的AC分量并相对降低应用于模块化多电平换流器的IGBT和电容器的电流规范来节省制造成本，稳定用于HVDC传输的具有模块化多电平换流器的换流器的子模块电压，并且有助于改善多电平换流器的效率。
[0026]在一个方面，本发明提供一种抑制在用于高压直流(HVDC)传输系统的模块化多电平换流器中的环流的方法，所述高压直流(HVDC)传输系统将交流电(AC)转换成直流电(DC)以及将直流电(DC)转换成交流电(AC)，使用DC线缆传送能量并且具有通过串联堆叠多个子模块生成高压源的模块化多电平换流器，所述方法包括:接收abc3相静止参考系中的a、b、c相的 环流(idiffj; j=a，b, c)、在DC线缆中流动的DC电流(id。)、需要在DC线缆中流动的DC分量的电流参考值(i*d。)；控制a、b、c相的环流(idiffj)以使其变为零；以及输出用于抑制环流的谐波分量的补偿值Wdiffj)。
[0027]在一个示例性实施例中，控制a、b、c相的环流(idiffj)以使其变为零的步骤可以包括:将用于HVDC的模块化多电平换流器中生成的环流(idiffj)分为DC分量(ide/3)和AC分量(izj);使用下式(55)通过从环流中除去DC分量来计算环流(idiffj)的AC分量(izj);将从中去除了 DC的环流的AC分量建模成其中存在有正序分量(ipzj)、负序分量(inzj)和零序分量(i°zj)三者的形式；以及使用式(54)同时移除作为环流的AC分量的正序分量(ipZJ)、负序分量(inzj)和零序分量(i°ZJ)。
[0028]L1 =ξ+ ζ + ζ = O (控制对象函数)(54)
[0029]
【权利要求】
1.一种抑制在用于高压直流(HVDC)传输系统的模块化多电平换流器中的环流的方法，所述高压直流(HVDC)传输系统将交流电(AC)转换成直流电(DC)以及将直流电(DC)转换成交流电(AC)，使用DC线缆传送能量并且具有通过串联堆叠多个子模块生成高压源的模块化多电平换流器，所述方法包括: 接收abc3相静止参考系中的a、b、c相的环流(idiffj; j=a，b, c)、在DC线缆中流动的DC电流(id。)、需要在DC线缆中流动的DC分量的电流参考值(i')； 控制a、b、c相的环流(idiffj)以使其变为零；以及 输出用于抑制环流的谐波分量的补偿值(Vidiffj)。
2.如权利要求1所述的方法，其中控制a、b、c相的环流(idiffp以使其变为零的步骤包括: 将用于HVDC的模块化多电平换流器中生成的环流(idiffj)分为DC分量(ide/3)和AC分量(iZJ.); 使用下式(55)通过从环流中除去DC分量来计算环流(idiffj)的AC分量(iZJ)； 将从中去除了 DC的环流的AC分量建模成其中存在有正序分量(ipzj)、负序分量(inZJ)和零序分量(i°zj)三者的形式；以及 使用式(54)同时移除作为环流的AC分量的正序分量(ipzj)、负序分量(inzj)和零序分量(O，
+? =O (控制对象函数)(54)
3.如权利要求2所述的方法，其中由下式(56)和(57)通过在角频率(Coci)在功率系统频率fo处等于2 π f0时应用在±20^频率处具有无限增益的比例积分和共振(PIR)控制器而在3相静止参考系中执行AC分量的移除，
4.如权利要求2所述的方法，其中控制a、b、c相的环流(idiffj)包括: 使用AC系统中测得的能量(Pac;POTJ等于DC系统中测得的能量(Ptkprara)的能量守恒定律计算需要在DC线缆中流动的DC分量的电流参考值(i*d。)；通过从所计算的DC分量的电流参考值(i*d。)中去除在DC链路终端中流动的电流(idc)来提取在该DC链路终端中流动的AC谐波分量的电流； 使得所提取的AC谐波分量的电流作为PIR控制器的输入值并且控制PIR控制器在±2 Coci频率处具有共振点，以使得AC谐波分量的电流通过下式(61)变为零，并且 移除在DC线缆中流动的DC电流中所包括的AC谐波分量，
5.如权利要求1所述的方法，其中输出用于抑制环流的谐波分量的补偿值(V*diffp包括通过下式(62)把AC分量抑制控制器之后的环流的输出值(Vj diffc;rtHpple Mf)和AC分量抑制控制器之后的DC线缆电流的输出值(VdcOTtHpple & Mf)相加来生成环流抑制分量的电压
6.如权利要求5所述的方法，其中输出用于抑制环流的谐波分量的补偿值(V*diffp包括通过下式(63)和(64)计算模块化多电平换流器的上臂和下臂的电压参考值(Vpj，Vnj)以便链接至模块化多电平换流器的控制算法，
7.如权利要求2所述的方法，其中计算环流(idiffj)的AC分量(izj)包括使用AC系统中测得的能量等于DC系统中测得的能量的能量守恒定律来应用需要在DC线缆中流动的DC分量的电流参考值(i*d。)，并在随后通过式izj=idiffj_il/3计算环流(idiffj)的AC分量(izj)。
8.如权利要求3所述的方法，其中当3相静止参考系处的环流(idiffa，idiffb,idiffc)由2相静止参考系(α-β系)表达时，用于抑制环流的α轴AC谐波分量的补偿值(电压参考值)由等式= PIRkifa 计算，而用于抑制环流的β轴AC谐波分量的补偿值(电压参考值)则由等式h dijfirtr—k'..,VJ...ni ~~ h_ j计算， 在此，
Idiffa: Q轴分量，
idiffe: β轴分量， i*diffa:有关a轴环流的参 考值， i*diff0:有关β轴环流的参考值。
9.如权利要求3所述的方法，其中当3相静止参考系处的环流(idiffa，idiffb,idiffc)由d-q转动坐标系表达且环流的分量被分成正序分量(ipdiffd，iPdiff(1)、负序分量Qndiffd, Indiffq)和零序分量(i°diff)时，环流的五种分量Qpdiffd, Ipdiffq, indiffd> indiffq> i°diff)被同时移除。
10.如权利要求9所述的方法，其中: 用于抑制d轴正序分量环流的参考电压(Vpdiffd)通过式 尸‘_!=尸/hU 算出； 用于抑制q轴正序分量环流的参考电压(Vpdiffq)通过式
= Pl feff - j =尸"4- lIk J 算出； 用于抑制d轴负序分量环流的参考电压(Vndiffd)通过式^ dm = ^^am - Kiiffj j =尸4- j.算出； 用于抑制q轴负序分量环流的参考电压(Vndiffq)通过式=算出；以及 用于抑制零序分量环流的参考电压(Vtldiff)通过式V0 =pi\i°\ — f ] = pi\-j°V diff 1 Vdiff- ldiff J 1 1 L ldiff' J 算出。
【文档编号】H02M7/483GK103986357SQ201310523210
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2013年10月30日 优先权日:2013年2月13日
【发明者】朴正雨, 姜岱旭, 金钟贤, 俞东旭, 文智虞, 权晋秀, 金春成, 裵得佑 申请人:韩国电气研究院