一种混合三端高压直流输电系统的功率反转方法与流程

本发明属于电力电子技术与直流输电领域，特别涉及一种混合三端高压直流输电系统的功率反转方法。

背景技术：

目前高压直流输电系统普遍使用两端拓扑结构，即一个整流站和一个逆变站，分别接入两个交流电网。但很多场合更适合采用多端高压直流输电系统结构，比如：从能源基地输送大量电力到远方的几个负荷中心、直流输电线路中间分支接入负荷或电源、几个孤立的交流系统用直流线路实现非同期联络。随着直流输电可靠性的提高和成本的降低，以及直流断路器制造技术的发展，多端直流输电系统的研究也得到了广泛关注和研究。

目前已投运的三端常规高压直流输电工程都是采用将电网换相的全控桥换流器接入弱交流电网，这种换流器存在一些缺点，如这种换流器只能通过改变电压极性实现功率反转，对于两端高压直流输电系统而言，可以实现在线功率反转，但是对于多端高压直流输电系统而言，其需要额外配置直流隔离开关，并将直流系统停运，然后按需求闭合直流隔离开关，才能实现三端高压直流输电系统的功率反转，而如果直流系统停运将导致逆变侧受到很大的冲击，整个输电系统负载过重，直接威胁到直流输电系统的稳定运行，如何实现三端高压直流输电系统在线功率反转是解决上述问题的关键。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种混合三端高压直流输电系统的功率反转方法，用于解决三端高压直流输电系统无法实现在线功率反转的问题。

为解决上述技术背景中提出的问题，本发明提出的技术解决方案是：提供一种混合三端高压直流输电系统包括两个LCC型换流站和一个FB-MMC型换流站；两个LCC型换流站分别记为换流站A和C，FB-MMC型换流站记为换流站B；

针对上述混合三端高压直流输电系统提出的在线功率反转方法为：设换流站A为整流站，换流站C为逆变站，所述换流站A和C接收到反转命令后，换流站A控制降低直流电流和直流电压参考值下降，直到换流站A的整流状态清零并将清零信号发送给换流站C；

换流站C接收到所述清零信号后，控制降低直流电压，直到换流站C逆变状态清零、整流信号置位并将置位信号发送给换流站A，随后控制直流电流逐渐恢复至负的额定值；

换流站A接收到所述置位信号后，控制直流电压反向快速增大到负的额定值；

换流站B接收到反转命令后，控制降低有功功率参考值，直到换流站B切换为直流电流控制模式，控制直流电流为0，当换流站A和C完成功率反转后，换流站B切换为有功功率模式，控制增大有功功率参考值。

进一步的，所述换流站A接收到反转命令后，控制直流电流下降至0.15pu，同时控制直流电压参考值下降至0.2pu；所述换流站C接收到换流站A的清零信号后，控制降低直流电压下降至0.2pu。

进一步的，所述换流站B的全桥模块化多电平换流器包括直流电流控制器和子模块电容电压平衡控制器，正常情况下，所述直流电流控制器输出U_dcref/2作为直流电压指令，所述子模块电容电压平衡控制器输出P_ref作为有功功率指令；

直流故障情况下，所述直流电流控制器输入包括：直流电流、直流电流参考值和电流裕度，所述直流电流参考值与直流电流、电流裕度作差得到误差值，所述误差值经过PI控制产生直流电压指令，输出上限值保持不变，下限值为U_dcmin/2；所述子模块电容电压平衡控制器输入包括：子模块电容电压参考值、子模块电容电压平均值和子模块电容电压裕度，所述子模块电容电压参考值与子模块电容电压平均值、子模块电容电压裕度作差得出误差值，所述误差值经过PI控制产生有功功率指令，输出上限值为P_max，下限值为P_min。

本发明的一种混合三端直流输电系统，与常规多端高压直流输电系统不同的是，该混合三端直流输电系统中的换流站B使用全桥模块化多电平换流器(FB-MMC)接入弱交电网，且基于该系统提出了一种功率反转的控制方法。该方法在实现功率反转的过程中不需要“强迫”直流输电系统停运，而是通过三个换流站之间的相互配合，其中换流站B通过改变有功功率的参考值方向实现功率的反转，这不仅避免了换相失败故障的发生，且不会对输电系统造成过重的负载，能够稳定控制直流电流，实现平滑改变换流站的直流电压极性，完成换流站的在线功率反转。

在换流站B的全桥模块化多电平换流器中，最主要的两个单元是直流电流控制器和子模块电容电压平衡器。直流电流控制器和子模块电容电压平衡器都是在未启动时输出参考值，启动后调整输出，从而能够保证控制实现平稳切换，则换流站B在三端高压直流输电系统进行功率反转的过程中，能够保持自身稳定，进而辅助换流站A和C实现功率的反向转化。

附图说明

图1为混合三端高压直流输电系统拓扑结构图；

图2为全桥模块化多电平换流器控制框图；

图3为混合三端高压直流输电系统功率反转控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明提供了一种混合三端高压直流输电系统，其拓扑结构如图1所示，该系统包含三个换流站，即换流站A、换流站B、换流站C，三个换流站分别连接三个交流系统，其中换流站B连接一个弱交流电网系统。连接弱交流电网的换流站B中采用了全桥模块化多电平换流器(FB-MMC)，称为FB-MMC换流站，换流站A和换流站B采用了电网换相换流器(LCC)，称为LCC型换流站，LCC型的换流站为大容量站，FB-MMC为小容量站。该系统为分支型结构，三个换流站连接在同一条直流输电线上，系统两端分别为LCC型换流站A和LCC型换流站C，分别通过一个直流输电线路连接到分支节点上，系统中间为FB-MMC换流站B，通过串联一个分压电阻R接入分支节点。三个换流站都需要配置平波电抗器L，其中两LCC型换流站还需要配置交流滤波器ACF和直流滤波器DCF。

图2所示的是换流站B(FB-MMC型换流站)的控制系统结构，该换流站控制系统包含直流电流控制器、子模块电容电压平衡控制器、外环功率控制器、内环电流控制器、环流抑制器、阀控制器等。

外环功率控制器根据有功功率参考值P_ref、无功功率参考值Q_ref和阀侧电压u_dq计算出有功电流参考值和无功电流参考值；内环电流控制器根据有功电流参考值、无功电流参考值、阀侧电压u_dq和阀侧电流i_dq计算出FB-MMC内部电压；环流抑制器根据直流电流I_dc和FB-MMC三相上下桥臂的电流计算出FB-MMC内部不平衡压降。

正常情况下，不启动直流电流控制器，其输入包括：直流电流参考值I_dcref、直流电流I_dc和电流裕度I_dcmarg，直流电流参考值I_dcref、电流裕度I_dcmarg与直流电流I_dc作差得到误差，误差经过PI控制器输出电压直流分量参考值U_dcref/2；出现直流故障时，直流电流控制器的输入电流裕度I_dcmarg＝0，则直流电流参考值I_dcref、与直流电流I_dc作差得到误差，误差经过PI控制器输出上限值保持不变，下限值为U_dcmin/2，实现控制器平稳切换。

正常情况下，子模块电容电压平衡控制器的输入包括：子模块电容电压参考值V_cref、子模块电容电压平均值V_cavg和电压裕度V_cmarg，不启动控制器时，vcen＝0，将子模块电容电压参考值V_cref与子模块电容电压平均值V_cavg、电压裕度V_cmarg作差得到误差，误差经过PI控制器输出P_ref(即有功功率参考值)至外环功率控制器；出现直流故障时，启动控制器vcen＝1，电压裕度V_cmarg＝0，则将子模块电容电压参考值V_cref与子模块电容电压平均值V_cavg作差得到误差，误差经过PI控制器输出上限值为P_max，下限值为P_min，实现控制器的平稳切换。

LCC型换流站的控制系统已经非常成熟，因此这里不再详细介绍。

现结合图3所示的控制流程图，具体介绍混合三端高压直流输电系统实现功率反转的控制方法。由于FB-MMC型换流站连接弱交流系统，其为一个小容量站，因此，在高压直流输电系统在实现功率反转过程中FB-MMC型换流站作为一个“辅助”换流站，需要保持功率不变。本实施例中，分析由换流站A向换流站B和C传输功率反转为由换流站C向换流站A和B传输功率的控制方法：

功率反转命令启动后，整流换流站A首先将电流降至0.15pu，直流电压参考值降至0.2pu，当直流电压参考值小于0.2pu时，换流站A将本站的整流状态清零并将该信号发送至逆变换流站C；换流站C接收到换流站A的整流状态清零信号后，将直流电压降至0.2pu，之后换流站C将本站的逆变状态清零并将整流信号置位，则换流站C成为新的整流换流站，换流站A成为新的逆变换流站，换流站A控制直流电压反向快速增大到负的额定值，换流站C控制直流电流逐渐恢复至额定值；换流站B接收到功率反转命令后，首先降低有功功率参考值，当本站直流电流小于0.1pu，将FB-MMC切换为直流电流控制模式，控制直流电流为0，当接收到换流站A和C功率反转完成信号后，将FB-MMC切换为有功功率控制模式，控制有功功率参考值逐渐增大，直到系统稳定运行，则混合三端高压直流输电系统在线功率反转完成。

一般情况下，混合三端高压直流输电系统即为上述包含两个LCC型换流站和一个FB-MMC型换流站的系统，其中LCC型逆变站控制直流电压，LCC型整流站控制直流电流，FB-MMC型换流站控制有功功率。

当上述混合三端高压直流输电系统中FB-MMC换流器退出，即系统只包含两个LCC型换流站时，控制方式则为常规的两端高压直流输电系统控制方式。

当上述混合三端高压直流输电系统中只包含一个LCC型换流站和一个FB-MMC型换流站时，LCC型换流站控制直流电压，FB-MMC型换流站控制有功功率。

当上述混合三端高压直流输电系统中只包含一个FB-MMC型换流站时，FB-MMC型换流站运行于STATCOM状态，只为弱电流系统补偿无功功率。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。