一种柔性直流输电系统直流母线短接情况下的启动策略的制作方法

本发明涉及柔性直流输电领域，具体涉及一种柔性直流输电系统直流母线短接情况下的启动策略。

背景技术：

柔性直流输电系统以其独特的技术优势，非常适合高电压、大功率场合，在电网互联、风电场并网、孤岛供电、城市配电网的增容改造等领域具有巨大的工程优势。柔性直流输电系统广泛采用模块化多电平结构，可以独立快速控制有功功率和无功功率，从而提高系统的稳定性，抑制系统频率和电压的波动，提高并网交流系统的稳态性能。

柔性直流输电系统在解锁运行前需要经历启动过程，将模块充上电，带动取能电源工作。目前常规的启动包括交流充电和直流充电方式，交流充电方式下，检测量多为桥臂电流和阀侧电压，当系统包含全桥和半桥模块时，利用交流电源将模块电压和直流母线电压充至一定，不控整流充电阶段半桥模块充电机会为全桥模块的一半；直流充电方式下，交流系统端断开，利用直流侧电压对模块充电，不控整流充电阶段桥臂中半桥模块和全桥块充电机会相同。当换流阀出现故障而在线投退时，故障检修后需要重新将换流阀投入运行，存在换流阀直流母线短接下的启动情况，以上两种充电模式均不适用于该情况的充电。为适应直流母线短接下特殊的充电要求，解决充电过程中半桥模块充不上电的问题，且不增加新的检测量，需开发一种新的充电策略。

技术实现要素：

为解决上述的问题和缺陷，本发明的目的是提供一种柔性直流输电系统直流母线短接情况下的启动策略，在直流母线短接情况下，通过模块电压决定桥臂是闭锁还是切除模块，使换流阀通过横向比较和纵向比较方式对模块充电(计算出每个桥臂的模块电压之和，横向比较是对所有的桥臂，纵向比较是对每相的上下桥臂)，解决模块充电问题，并将桥臂间模块电压的差异控制在一定范围内，避免电流测量精度和死区带来方向判断不准的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种柔性直流输电系统直流母线短接情况下的启动策略，包括以下步骤：

步骤1，当直流母线短接时，所有模块闭锁，交流电源通过软启电阻对子模块进行不控整流充电，全桥模块电压稳定后，全桥模块进行自检，自检通过则上传配置成功的状态信息，进入步骤2；自检失败，则上传配置失败的状态信息，进入步骤5；

步骤2，启动均压算法并进行预充电，所述均压算法的具体方法为：设定计时周期tset1，在每个tset1的开始阶段，将换流阀中所有半桥模块的平均电压vh与设定值uset1进行比较，当vh≥uset1时，则进入步骤3；当vh＜uset1时，则通过横向比较和纵向比较的结果来设定桥臂是闭锁桥臂还是模块切除桥臂，并在设定完毕后开启模块可控充电，充电至计时周期满，开始下一个计时周期，直至vh≥uset1，进入步骤3；

步骤3，所有模块自检，自检失败，则上传配置失败的状态信息，进入步骤5；自检通过则上传配置成功的状态信息，并启动均压算法进行模块充电；

所述均压算法的具体方法为：设定计时周期tset2，在每个tset2的开始阶段，将换流阀中所有模块的平均电压usm-ave与设定值uset2进行比较，当usm-ave≥uset2时，则进入步骤4；如果usm-ave＜uset2，则通过横向比较和纵向比较的结果来设定桥臂是闭锁桥臂还是模块切除桥臂，并在设定完毕后开启模块可控充电，充电至计时周期满，开始下一个计时周期，直至usm-ave≥uset2，进入步骤4；

步骤4，所有模块闭锁，切除软启电阻，启动成功；

步骤5，所有模块闭锁，停止启动充电，启动失败；

所述步骤2和步骤3中，

纵向比较的方法为：将每相上桥臂模块电压之和vxp_sum与下桥臂模块电压之和vxn_sum作差，并将作差的绝对值δvy与限值ulim1进行比较，当δvy≥ulim1时，该相模块电压之和较大的桥臂闭锁，模块电压之和较小的桥臂切除n个模块，其它模块闭锁；当δvy＜ulim1时，该相上下桥臂均闭锁；

横向比较的方法为：将所有桥臂中模块电压之和的最大值vmax和最小值vmin作差，并将差值δvx与限值ulim2进行比较，当δvx＜ulim2时，根据纵向比较的结果进行模块可控充电；当δvx≥ulim2时，vmax所在相的上、下桥臂都闭锁，然后启动模块可控充电；

所述ulim1表示每相的上桥臂模块电压之和与下桥臂模块电压之和比较的限值，ulim2表示所有桥臂中模块电压之和最大值与模块电压之和最小值比较的限值，x表示a，b，c三相中的任一项；

所述n的取值如下：[ntol-vline_pk/urate/2]＜n＜nfb，其中ntol为桥臂模块数，vline_pk为阀侧线电压峰值，urate为模块额定电压，nfb为全桥模块数。

进一步的，步骤2中所述的均压算法中，在进行横向比较和纵向比较时，当每一相的δvy均小于ulim1且δvx＜ulim2时，系统按照上一计时周期中的充电方式进行充电；在第一次进行横向比较和纵向比较时，当每一相的δvy均小于ulim1且δvx＜ulim2时，系统按照预先设置的缺省值在计时周期tset1内对模块进行预充电。

进一步的，所述全桥模块自检，是检测是否有不能带动取能电源工作的全桥模块，自检通过说明全桥模块能带动取能电源工作，正常启动；自检不通过，说明存在不能带动取能电源工作的全桥模块，系统不允许继续启动，停机检修。

进一步的，步骤2和步骤3中所述纵向比较和横向比较均为动态比较，所述vxn_sum、vxp_sum、vmin及vmax均在每个计时周期的开始阶段根据上一个周期的充电结果进行重新计算。

进一步的，所述设定值uset1大于等于取能电源工作电压，小于模块额定电压；所述设定值uset2为模块额定电压。

进一步的，所述ulim1和ulim2根据系统电压等级进行适应性的调整。

进一步的，ulim1取单模块额定电压的2％～4％，ulim2取模块额定电压与模块数乘积的2％。

进一步的，所述tset1和tset2取值相同。

进一步的，所述tset1和tset2取值为100μs。

与现有技术相比，本发明至少具有如下有益效果：本发明的启动策略设计合理，所涉及到的检测量均为模块电压，不增加新的检测量，避免了电流检测精度及死区带来方向判断不准的问题；而且，本发明启动策略中，模块切除数n决定了桥臂半桥模块与全桥模块的均压效果，模块数切除数n太少，全桥模块充电机会多，半桥模块电压不能充至全桥模块电压一致的状态；而模块切除数n超过全桥模块数时，由于排序结果里全桥模块电压高而被率先切除，电流流过半桥不充电的桥臂，将造成全桥和半桥都不充电，因此需选择合适的模块切除数，本发明提出的直流短接充电策略针对的是全桥半桥混联柔性直流系统，本发明中n的取值确定方法为[ntol-vline_pk/urate/2]＜n＜nfb的公式，桥臂全桥模块数nfb需大于[ntol-vline_pk/urate/2]，考虑充电的可靠性和安全性，若nfb足够情况下，可以选择1.1～1.2倍额定电压需要的切除模块数，即若nfb不够情况下，可以选择切除数n＝nfb。

另外，通过调整ulim1和ulim2可以改善桥臂间模块电压的差异，通过调整ulim1可以改善各相的上、下桥臂之间的差异性，ulim1越小，上下桥臂切换充电的频率越高，差异性越小；通过调整ulim2可以改善各相间模块电压的差异性，理论上ulim2越小，各相间模块的差异性越小，但模块电压之和最大值与模块电压之和最小值之差频繁超过ulim2限值，单相闭锁的频率增高，模块充电速度变慢，反而不利于模块均压，因此在调试策略时，需要根据具体的系统参数选择合适的ulim1和ulim2。

本发明不依赖交流系统电压、交流电流、桥臂电流的检测来决定充电路径，而是通过检测模块电压的方式设定充电路径。

附图说明

图1为本发明的启动流程图；

图2为本发明的柔性直流输电系统换流阀拓扑图；

图3为本发明策略下的某一充电路径；

图4为本发明策略下的另一充电路径；

图5为本发明策略下的另一充电路径；

图6为本发明策略下的另一充电路径；

图7为本发明的模块电容电压波形图。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

图2为本发明实施例提供的柔性直流输电系统换流阀拓扑图，交流电源经软启电阻、变压器与换流阀进行连接，换流阀包含六个桥臂，每个桥臂由若干个半桥和全桥模块组成，换流阀的直流母线端短接。

图1为本发明的启动流程图，所述启动流程包括如下实施步骤：

设定计时周期tset1，在每个tset1的开始阶段，将换流阀中所有半桥模块的平均电压vh与设定值uset1进行比较，直到所有模块的平均电压vh均大于设定值uset1，预充电完成；

预充电完成后，设定计时周期tset2，在每个tset2的开始阶段，将换流阀中所有模块的平均电压usm-ave与设定值uset2进行比较，直到所有模块的平均电压usm-ave均大于设定值uset2，充电完成。本发明的优选实施例中，tset1和tset2均为100μs。

a、换流阀交流断路器断开，直流母线短接，软启电阻接入，模块闭锁；

b、换流阀交流断路器闭合，交流电源通过软启电阻对子模块进行不控整流充电，由于直流母线短接，增加了电流流通支路，交流系统与换流阀构成的回路中，电流更容易通过换流阀电势较低的支路(半桥不充电支路)流过，半桥模块充电机会较少，达不到带动取能电源工作的电压；

c、模块电压稳定后，全桥模块进行自检，上传配置是否成功命令，不成功则系统停机，由于半桥模块电压较低，不能带动取能电源工作，因此不进行自检；

d、全桥模块配置成功后，开始进行自均压，对于x相(a/b/c任一相)而言，计算x相上桥臂模块电压之和vxp_sum及下桥臂模块电压之和vxn_sum，并找出换流阀六个桥臂中模块电压之和最大值vmax及最小值vmin(或者每相所有模块电压求和后，再找出三相中最大值和最小值，效果相差不大)；若vxp_sum减vxn_sum大于设定值ulim1时(ulim1用于控制上下桥臂间的差异，取值与模块数和模块额定电压相关，ulim1越小，模块电压差异越小，但切换闭锁桥臂频率越高，ulim1越大，切换闭锁桥臂频率越低，但模块差异变大)，则x相上桥臂模块闭锁，x相下桥臂模块按需求切除n个电压较高的模块([ntol-vline_pk/urate/2]＜n＜nfb，其中ntol为桥臂模块数，vline_pk为阀侧线电压峰值，urate为模块额定电压，nfb为全桥模块数)，x相下桥臂其他模块闭锁，使x相下桥臂模块电压升高，直到vxn_sum减vxp_sum大于设定值ulim1时，切换成x相下桥臂闭锁，x相上桥臂切除n个电压较高的模块，x相上桥臂其他模块闭锁，依次循环；若vmax减vmin大于限值ulim2，其中ulim2用于控制各相间电压差异性，取值与模块数及模块额定电压相关，ulim2太小可能因为相闭锁频繁造成半桥充不上电，则不管vmax所在相的上桥臂模块电压之和与下桥臂模块电压之和之差是否超过限值ulim1，vmax所在相上、下桥臂都闭锁，其它桥臂的模块开始充电；

如此，按照设定的时间周期进行循环检测和比较，半桥模块电压开始上升，以此将半桥模块与全桥模块电压充至一致状态；

e、当所有半桥模块平均电压达到设定值uset1时，所有模块闭锁，所有模块开始自检，上传配置是否成功命令，若不成功则系统停机，其中uset1大于取能电源工作电压，小于模块额定电压；

f、所有模块配置成功后，重复d步骤，直至所有模块电压的平均值达到设定值uset2，且模块均压都满足要求，所有模块闭锁，其中uset2为模块额定电压；

g、切除软启电阻，启动完成，等待解锁。

通过调整ulim1和ulim2可以改善桥臂间模块电压的差异。

模块切除数n决定了桥臂半桥模块与全桥模块的均压效果，模块数切除数n太少，全桥模块充电机会多，半桥模块电压不能充至全桥模块电压一致的状态；而模块切除数n超过全桥模块数时，由于排序结果里全桥模块电压高而被率先切除，电流流过半桥不充电的桥臂，将造成全桥和半桥都不充电，因此需选择合适的模块切除数。

上述检测量为模块电压，没有增加新的检测量，避免了电流检测精度及死区带来方向判断不准的问题。

图3给出了按照启动策略形成的充电路径1，以a、b相为例，设a相交流电压高于b相，当a、b相下桥臂闭锁，a、b相上桥臂分别切除n个模块，则交流电流从a相上桥臂流进，从b相上桥臂流出。

图4给出了按照启动策略形成的充电路径2，以a、b相为例，设a相交流电压高于b相，当a、b相上桥臂闭锁，a、b相下桥臂切除n个模块，则交流电流从a相下桥臂流进，从b相下桥臂流出。

图5给出了按照启动策略形成的充电路径3，以a、b相为例，设a相交流电压高于b相，当a相上桥臂闭锁，a相下桥臂切除n个模块，b相下桥臂闭锁，b相上桥臂切除n个模块，则交流电流从a相下桥臂流进，经过直流母线从b相上桥臂流出。

图6给出了按照启动策略形成的充电路径4，以a、b相为例，设a相交流电压高于b相，当a相下桥臂闭锁，a相上桥臂切除n个模块，b相上桥臂闭锁，b相下桥臂切除n个模块，则交流电流从a相上桥臂流进，经过直流母线从b相下桥臂流出。

图7给出了按照所设计的启动流程，得到的半桥和全桥模块电容电压波形。按照所设计的启动流程，各阶段时序如下：

(1)t0～t1，带软启电阻不控整流充电，模块电压稳定后全桥模块自检，并发配置命令；

(2)t1～t2，启动均压算法，当半桥模块电压升至uset1时，所有模块闭锁；

(3)t2～t3，所有模块自检，并发配置命令；

(4)t3～t4，启动均压算法，当模块平均电压升至uset2时，所有模块闭锁；

(5)t4～t5，带软启电阻自放电；

(6)t5～t6，软启电阻切除，启动完成，进入等待解锁状态。

最后应该说明的是，所属领域的普通技术人员应当理解到：本领域技术人员可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，但这些修改或变更均在申请待批的权利要求保护范围之中。