基于组合换流器的柔性直流输电系统协调均压启动方法与流程

本发明涉及基于组合换流器的柔性直流输电系统协调均压启动方法，属于直流输电系统启动技术领域。

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(modularmultilevelconverter，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，linecommutatedconverterbasedhighvoltagedirectcurrent，lcc-hvdc)，其电压等级和输送容量均有待于进一步提升。

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，也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(即级联)提高输送电压等级，形成组合换流器，有效解决了这一难题。

柔性直流输电系统由m个组合换流站组成网络，如图1所示，为组合换流器的一种拓扑结构图，组合式换流器由n个基本换流单元串联升压构成，采用模块化多电平换流器(modularmultilevelconverter，mmc)或其并联组合作为基本换流单元。

然而，目前针对基于组合换流器的柔性直流输电系统的研究尚处于初期阶段，特别是对于组合式换流器的系统启动方法仍处于空白状态。

根据交流侧是否连接交流网络，启动过程分为有源启动与无源启动。有源启动按照直流网络的接入情况又可分为有源独立启动和有源共同启动，其中，有源独立启动是指换流站系统在启动前未接入直流电网，通过交流有源网络为mmc子模块进行预充电；有源共同启动是指换流站系统在启动前已经接入了直流电网，通过交直流网络共同为mmc子模块充电。而无源启动是通过其他站建立的直流网络对mmc各子模块进行充电。

对于有源独立启动换流站而言时，站内各基本换流单元的启动过程相对独立，其启动策略与传统启动策略并无区别。而对于无源启动或有源共同启动换流站而言，直流网络会对站内所有基本换流单元同时进行充电，采用传统的启动控制策略对各基本换流单元独立控制的方式已不能满足启动运行需求，极易引发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子模块电容充电不均衡问题，同时使得充电完成后各基本换流单元直流电压分配不均。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于组合换流器的柔性直流输电系统协调均压启动方法，用以解决传统的启动控制策略易引发换流站内各基本换流单元子模块电压充电不均衡的问题。

为实现上述目的，本发明的方案包括一种基于组合换流器的柔性直流输电系统协调均压启动方法，包括以下步骤：

(1)对于一个控制周期，确定各基本换流单元桥臂中的子模块切除数；

(2)切除各桥臂中相应个数的子模块，对各桥臂中投入的子模块进行充电；

根据以下两个原则确定各桥臂中的子模块切除数：

1)当第k个基本换流单元第i个桥臂上的子模块电容电压平均值小于额定值，且所有的基本换流单元第i个桥臂的子模块总切除数小于所有的基本换流单元第i个桥臂总切除数上限值时，逐渐增加该桥臂中的子模块切除数；

2)当第k个基本换流单元第i个桥臂上的子模块电容电压平均值小于所有的基本换流单元第i个桥臂的子模块电容电压平均值，且该桥臂的子模块切除数大于一设定阈值时，逐渐减小该桥臂上的子模块切除数；

每个控制周期，各桥臂中待切除的子模块为对应桥臂中电容电压较高的子模块；

其中，k＝1，2，…，n；i＝1，2，…，6。

当系统为无源启动时，所述第i个桥臂总切除数上限值的计算公式为：

nck_limit＝ntotal-nrated/2

其中，ntotal、nrated分别为对应桥臂的总子模块数与额定子模块数；

当系统为有源共同启动时，所述第i个桥臂总切除数上限值的计算公式为：

nck_limit＝ntotal-nrated/2-vabmax/vsm_rated

其中，vabmax为交流线电压峰值，vsm_rated为对应桥臂的子模块电容电压平均值。

所述启动方法还包括以下步骤：各基本换流单元的子模块均闭锁，对各子模块进行预充电，当基本换流单元的子模块电容电压高于设定的电压阈值时，根据所述两个原则确定各桥臂中的子模块切除数。

当各基本换流单元中子模块充电至额定且保持稳定后，对换流器进行解锁运行。

在解锁运行过程中，先解锁定直流电压控制的基本换流单元，然后解锁定有功功率控制的基本换流单元，功率指令值按设定的斜率上升。

本发明提出的柔性直流输电系统协调均压启动方法适用于组合式换流器，通过对无源启动或有源共同启动换流站的基本换流单元启动控制策略进行改造，对各基本换流单元的子模块切除个数进行协调控制，以确定各桥臂上的子模块切除数，从而有效解决了无源启动或有源共同启动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子模块电容充电不均衡问题。

并且，利用两条原则来确定各桥臂上的子模块切除数，第一条原则在子模块电容电压平均值小于额定值，且所有的基本换流单元对应桥臂的子模块总切除数小于总切除数上限值时，逐渐增加该桥臂中的子模块切除数，可以保证站内所有基本换流单元的子模块电容电压平均值能够达到并稳定在额定值附近。第二条原则中，若某基本换流单元的子模块电压平均值较小且该基本换流单元当前子模块切除数高于设定值，则减少对应桥臂的子模块切除数，即增加投入的子模块个数，使更多的子模块参与充电，以抬高子模块电压平均值，实现各基本换流单元的子模块电容充电均衡。而且，在确定各桥臂中的子模块切除数时，优先切除充电电压较高的子模块，能够实现子模块间的电压均衡。并且，对于每个控制周期，均按照上述两个原则确定各桥臂的切除数，对投入的子模块进行充电，最终能够使各基本换流单元的子模块充电至额定值并且保持稳定。

因此，通过该启动方法，不仅能够保障在启动过程中组合换流器内部基本换流单元间的协调均压启动，而且能够实现各基本换流单元的子模块充电至额定值附近，进而避免基本换流单元解锁运行时的电气冲击。

附图说明

图1是基于组合换流器的柔性直流输电系统拓扑结构示意图；

图2是基于组合换流器的柔性直流输电系统启动策略流程示意图。

具体实施方式

本发明提供的基于组合换流器的柔性直流输电系统协调均压启动方法应用于无源启动的系统或者有源共同启动的系统，本实施例以无源启动为例，图1为一种向无源系统供电的组合换流器柔性直流输电系统，由n个基本换流单元串联组成，为无源系统供电。其中，在本实施例中，基本换流单元是一个单独的mmc。

基于组合换流器的柔性直流输电系统协调均压启动方法整体上包括三个步骤：a、预充电阶段，b、可控均压充电阶段，c、解锁运行阶段。

其中，预充电阶段是指，该阶段各基本换流单元的子模块均闭锁，通过直流网络对各子模块进行预充电。

在步骤a预充电阶段中，通过直流侧直流电压源对基本换流单元同时进行预充电，这一阶段子模块电压标幺值最高可达vdc/2/ntotal/vsm_rated<0.5pu。式中，vdc、vsm_rated分别为基本换流单元直流电压与子模块额定电压，ntotal为桥臂总子模块个数。

各子模块的充电电容电压逐渐上升，当基本换流单元子模块电压高于控制板上电电压vth(一般取为0.3pu)后，进入可控均压充电阶段b，该阶段中，以一定的原则确定各桥臂的子模块切除数，然后切除各桥臂中的相应子模块。该阶段是指子模块电压值已达到子模块控制板电源的正常工作电压，控制板可以正常工作。

在步骤b可控均压充电阶段中，通过轮流切除部分子模块的方式使子模块电压继续充电。子模块切除数的确定原则有以下两点，以下内容中提到的子模块电压平均值、子模块切除数均是针对单桥臂而言。并且，由于mmc换流器包括6个桥臂，分别是a相上桥臂、a相下桥臂、b相上桥臂、b相下桥臂、c相上桥臂和c相下桥臂，在确定子模块切除数时，需要对这6个桥臂均按照切除原则进行切除处理，那么，以下以a相上桥臂为例对该桥臂的子模块切除数进行说明，其他5个桥臂与此同理。

第一，当第k(k＝1，2，…，n)个基本换流单元a相上桥臂的子模块电容电压平均值vsm_avk小于额定的子模块电容电压值vsm_rated(可留有一定裕量，取1.05vsm_rated)，且站内所有的串联基本换流单元的a相上桥臂的子模块总切除数小于所有的串联基本换流单元的a相上桥臂的子模块的总切除数上限时，逐渐增加该基本换流单元a相上桥臂的切除数。

第二，当第k个基本换流单元a相上桥臂的子模块电容电压平均值vsm_avk小于站内所有串联基本换流单元a相上桥臂的子模块电容电压的平均值vsm_av(可适当减小，取0.98vsm_av，以减小切除数的频繁变动)，且该基本换流单元a相上桥臂的子模块切除数nck大于一设定阈值nref时，逐渐减小该基本换流单元的子模块切除数。本实施例中，设定阈值nref为单个基本换流单元a相上桥臂子模块切除数上限的一半，即nck_limit/2。

对于某一个控制周期，根据上述两个切除原则确定各桥臂的子模块切除数，然后对各桥臂中投入的子模块进行充电；下一个周期来时，同样根据上述两个切除原则再次确定各桥臂的子模块切除数，然后对各桥臂中投入的子模块进行充电。也就是说，对于每个控制周期，均根据上述两个切除原则确定各桥臂的子模块切除数，然后对各桥臂中投入的子模块进行充电。所以，通过每个控制周期，能够对各桥臂的子模块切除数进行修正，直至各基本换流单元中各桥臂投入的子模块充电至额定值，且保持稳定(即保持为额定值，或者稳定在一个包含额定值的区间内，进一步地以额定值为中心的一个区间内，最好是一个很小的区间)，进入解锁运行阶段。

而且，考虑到基本换流单元同一桥臂内各子模块的均压状况，每个控制周期，在切除桥臂子模块时，需要切除的是桥臂中电容电压较高的子模块，也就是说，在确定当前子模块切除数之前，将桥臂子模块的电容电压由高到低依次排序，在进行切除时，切除电容电压较高的子模块，比如：假如桥臂中有m个子模块，在一个控制周期，电容电压由高到低依次为：u1、u2、u3、……、um-1、um，那么，如果该控制周期内桥臂需要切除4个子模块，切除的子模块就是u1、u2、u3和u4对应的子模块。而且，如果下一控制周期该桥臂的切除数与本控制周期需要的4个切除数不一致时，①需要增加切除数，切除优先级是u5＞u6＞u7、……＞um-1＞um，例如：如果需要再切除2个子模块才能够满足上述要求的话，切除的子模块就是u5和u6对应的子模块；②需要减小切除数，投入优先级是u4＞u3＞u2＞u1，那么，如果需要减小2个切除数才能够满足上述要求的话，那么，投入的子模块就是u4和u3对应的子模块。总之，在切除子模块时，最终要切除的是桥臂中电压较高的子模块：当增加切除数时，从投入的子模块中挑选电压较高的子模块，将其加入到待切除的子模块中；当减小切除数时，从切除的子模块中挑选电压较低的子模块，将其加入到待投入的子模块中。

由于系统是无源启动，那么，基本换流单元a相上桥臂的总切除数上限值的计算公式为：

nck_limit＝ntotal-nrated/2

其中，ntotal、nrated分别为该基本换流单元a相上桥臂的总子模块数与额定子模块数。

当然，如果系统是有源共同启动，那么，该基本换流单元a相上桥臂的总切除数上限值的计算公式为：

nck_limit＝ntotal-nrated/2-vabmax/vsm_rated

其中，vabmax为交流线电压峰值。

在确定各桥臂的子模块切除数时，可以先设定各桥臂的子模块切除数为0，然后按照上述两个切除原则来逐渐调节各桥臂的子模块切除数，直至满足要求，如图2所示。当然，各桥臂还可以先设定一定的子模块切除数，即先设定各桥臂的初始子模块切除数x(x≠0)，各桥臂的初始子模块切除数x为对应桥臂中电压较高的子模块，然后按照上述两个切除原则来逐渐调节各桥臂的子模块切除数，直至满足要求。

各基本换流单元的子模块切除数上限nck_limit可根据稳态充电电压选取，例如：单个基本换流单元额定直流电压vdc为1000kv，子模块稳态充电电压vsm_rated为2.5kv，若想使子模块充到额定值，则每相最多投入的子模块个数为1000kv/2.5kv＝400(个)，每相上下桥臂可投入的子模块上限值相同，均为200个，则各桥臂的子模块切除数上限可取为nck_limit＝ntotal-10＝432-200＝232(个)。

所以，通过上述切除原则能够最终确定各基本换流单元中的各桥臂子模块切除数，即能确定各桥臂的子模块投入数。

在步骤c解锁运行阶段中，可以按照以下控制策略进行解锁控制：定直流电压控制的基本换流单元可首先解锁，后解锁定有功功率控制的基本换流单元，功率指令按一定的斜率上升，能够减小整个解锁过程中的电流冲击。

因此，上述第一条原则可以保证站内所有基本换流单元的子模块电容电压平均值vsm_av达到额定值附近；第二个原则，通过实时比较基本换流单元与串联所有基本换流单元的子模块电压平均值，若某基本换流单元的子模块电压平均值较小且该基本换流单元当前子模块切除数高于设定值，则可减少切除数，即增加投入的子模块个数，使更多的子模块参与充电，以抬高子模块电压平均值，进而实现各基本换流单元协调均衡启动。

所以，通过该协调均压启动方法，不仅能够保障在启动过程中组合换流器内部基本换流单元间的协调均压启动，而且能够实现各基本换流单元的子模块充电至额定值附近，进而避免基本换流单元解锁运行时的电气冲击。

本发明的基本思路在于在可控均压充电阶段中的子模块切除策略，以实现电压均衡，而对于预充电阶段和解锁运行阶段的技术特征则属于具体的实施手段，本发明不局限于上述实施例中所描述的实施方式。