專利名稱：一種模塊化多電平換流器柔性直流輸電系統(tǒng)的控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電力電子領(lǐng)域的控制裝置，具體涉及一種模塊化多電平換流器柔性直流輸電系統(tǒng)的控制裝置。
背景技術(shù)：
與基于相控?fù)Q相技術(shù)的電流源換流器型直流輸電不同，基于模塊化多電平式柔性直流輸電技術(shù)是一種以可控關(guān)斷器件和階梯波調(diào)制(SWM)技術(shù)為基礎(chǔ)的新型直流輸電技術(shù)。由于可控關(guān)斷器件具備自關(guān)斷能力，所以柔性直流輸電系統(tǒng)能夠工作在無源逆變方式下，不需要外加換相電壓，受端系統(tǒng)可以為無源網(wǎng)絡(luò)；柔性直流輸電可以同時且相互獨(dú)立地控制有功功率和無功功率，控制靈活方便；不需要交流側(cè)提供無功功率且能夠起到無功功率補(bǔ)償?shù)淖饔?，動態(tài)補(bǔ)償交流母線無功功率，穩(wěn)定交流電壓；換流站間無需通訊，且易于構(gòu)成多端直流系統(tǒng)。是電力系統(tǒng)傳輸?shù)陌l(fā)展方向之一。由于模塊化多電平式柔性直流輸電系統(tǒng)的換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同于工程中用的三相兩電平橋式結(jié)構(gòu)，二極管鉗位式三電平橋式結(jié)構(gòu)，其調(diào)制方式并不采用脈寬調(diào)制(PWM) 技術(shù)，而采用階梯波調(diào)制(SWM)技術(shù)。因此模塊化多電平式柔性直流輸電系統(tǒng)的控制配置方式不同于其他柔性直流輸電系統(tǒng)的控制，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須滿足階梯波調(diào)制的要求。在常規(guī)高壓直流輸電工程中，一個換流閥組由于采用電壓源型換流器，根據(jù)其換流器結(jié)構(gòu)，其控制系統(tǒng)采用分層控制，即有一臺獨(dú)立的控制裝置完成系統(tǒng)/雙極/極控制和對閥組的控制。包括功率/電流指令的計(jì)算和分配、整流站和逆變站間電流指令的協(xié)調(diào)、換流站內(nèi)無功設(shè)備的投切控制、換流站及直流順序控制、直流調(diào)制控制機(jī)多條直流線路之間的協(xié)調(diào)控制等。模塊化多電平式柔性直流輸電由于其換流器所采用的器件不同，因此其控制不同于常規(guī)直流輸電系統(tǒng)。設(shè)計(jì)出的控制系統(tǒng)必須滿足柔性直流輸電工程有功與無功可以獨(dú)立控制的要求，并滿足柔性直流輸電工程各種運(yùn)行方式要求。發(fā)明人經(jīng)長期研究和大量觀察發(fā)現(xiàn)目前世界各國已有的柔性直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)中，控制保護(hù)系統(tǒng)是影響直流輸電系統(tǒng)能量可用率和運(yùn)行可靠性的重要因素。為了保證模塊化多電平式柔性直流輸電系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，需要針對模塊化多電平式柔性直流輸電特殊的控制方式設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)配置方案，使控制系統(tǒng)滿足模塊化多電平式柔性直流輸電系統(tǒng)工程運(yùn)行要求。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)中存在上述不足，本發(fā)明根據(jù)模塊化多電平柔性直流輸電工程的特點(diǎn)，提出了一種冗余設(shè)計(jì)、分層設(shè)置的柔性直流輸電控制系統(tǒng)配置方法，滿足模塊化多電平式柔性直流輸電工程高可靠性的要求。本發(fā)明提供的一種模塊化多電平換流器柔性直流輸電系統(tǒng)的控制裝置，所述控制裝置包括本站和對稱設(shè)置的對站，所述本站和對站通過導(dǎo)線連接；所述本站和對站的所述控制裝置包括依次連接的換流站級控制層、換流器級控制層和換流閥級控制層；其改進(jìn)之處在于，所述換流站級控制層包括順序控制模塊、有功功率控制模塊、無功功率控制模塊、 直流電壓控制模塊、交流電壓控制模塊和電流指令計(jì)算控制模塊、電流指令限制模塊和交流電流控制模塊；所述換流器級控制層包括依次相連的電流平衡控制模塊；所述換流閥級控制層包括電壓平衡控制模塊和橋臂子模塊脈沖分配模塊；所述橋臂子模塊脈沖分配模塊與換流器連接；所述換流站級控制層的有功功率控制模塊和所述直流電壓控制模塊、所述無功功率控制模塊和所述交流電壓控制模塊分別通過選擇開關(guān)Kl和選擇開關(guān)K2與所述電流指令計(jì)算控制模塊連接；所述電流指令計(jì)算控制模塊依次與所述電流指令限制模塊和交流電流控制模塊連接；所述換流站級控制層的順序控制模塊分別與所述有功功率控制模塊、無功功率控制模塊、交流電流控制模塊和電壓平衡控制模塊連接。本發(fā)明提供的第一優(yōu)選方案的控制裝置，其改進(jìn)之處在于，所述換流站級控制層包括主換流站級控制層和從換流站級控制層；所述換流器級控制層包括主換流器級控制層和從換流器級控制層；所述主換流站級控制層和從換流站級控制層、主換流器級控制層和從換流器級控制層分別通過光纖相接，其中主換流站級控制層和從換流站級控制層互為冗余；主換流器級控制層和從換流器級控制層互為冗余。本發(fā)明提供的第二優(yōu)選方案的控制裝置，其改進(jìn)之處在于，所述換流站級控制層包括頻率控制模塊和負(fù)序電流抑制模塊；所述頻率控制模塊和負(fù)序電流抑制模塊分別與所述交流電流控制模塊連接。本發(fā)明提供的第三優(yōu)選方案的控制裝置，其改進(jìn)之處在于，所述換流站級控制層包括功率調(diào)制模塊；所述功率調(diào)制模塊與有功功率控制模塊連接。本發(fā)明提供的第四優(yōu)選方案的控制裝置，其改進(jìn)之處在于，所述順序控制模塊與系統(tǒng)保護(hù)裝置和閥保護(hù)裝置依次連接。本發(fā)明提供的第五優(yōu)選方案的控制裝置，其改進(jìn)之處在于，所述換流器一端通過變壓器與電網(wǎng)連接，所述換流器的另一端與導(dǎo)線連接；所述換流器包括相連的子模塊。本發(fā)明提供的較優(yōu)選方案的控制裝置，其改進(jìn)之處在于，所述子模塊包括IGBT、二極管和電容；所述二極管與所述IGBT反并聯(lián)，至少一個所述IGBT串聯(lián)后與所述電容并聯(lián)。與現(xiàn)有技術(shù)比，本發(fā)明的有益效果為1.本控制系統(tǒng)配置采用冗余設(shè)計(jì)，保證系統(tǒng)運(yùn)行可靠性；2.本控制系統(tǒng)換流站控制功能、換流器控制功能、換流閥控制功能分開，采用分層設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)清晰；3.換流站控制中實(shí)現(xiàn)了有功功率、無功功率、直流電壓、交流電壓、頻率控制等，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行；4.換流器控制中采用電流平衡控制，抑制了換流器上下橋臂、相間的環(huán)流；5.換流閥控制中采用電壓平衡控制，減小各子模塊電容電壓間的差異。


圖1為本發(fā)明提供的模塊化多電平式柔性直流輸電系統(tǒng)功能配置示意圖。圖2為本發(fā)明提供的模塊化多電平式柔性直流輸電系統(tǒng)冗余結(jié)構(gòu)配置示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。如圖1所示，本實(shí)施例的控制裝置包括本站和對稱設(shè)置的對站，本站又稱為整流站，對站又稱為逆變站，其中本站和對站使用的所有器件均相同，并且本站和對站通過導(dǎo)線連接，形成交-直-交結(jié)構(gòu)。換流站級控制層包括頻率控制模塊、負(fù)序電流抑制模塊、功率調(diào)制模塊、順序控制模塊、有功功率控制模塊、無功功率控制模塊、直流電壓控制模塊、交流電壓控制模塊和電流指令計(jì)算控制模塊、電流指令限制模塊和交流電流控制模塊；其中，有功功率控制模塊、 無功功率控制模塊、頻率控制模塊、直流電壓控制模塊、交流電壓控制模塊構(gòu)成外環(huán)功率控制；電流指令計(jì)算控制模塊、電流指令限值控制模塊和負(fù)序電流抑制模塊構(gòu)成內(nèi)環(huán)交流電流控制。換流站級控制層的有功功率控制模塊和直流電壓控制模塊、無功功率控制模塊和交流電壓控制模塊分別通過選擇開關(guān)Kl和選擇開關(guān)K2與電流指令計(jì)算控制模塊連接，再經(jīng)過電流指令限制控制環(huán)節(jié)與交流電流控制功能模塊連接；頻率控制和負(fù)序電流抑制環(huán)節(jié)分別與交流電流控制功能模塊連接。其中，有功功率控制模塊與功率調(diào)制模塊連接。換流器級控制層包括電流平衡控制模塊。換流閥級控制層包括電壓平衡控制模塊和橋臂子模塊脈沖分配模塊；橋臂子模塊脈沖分配模塊與換流器的橋臂子模塊連接。換流器為三相六橋臂結(jié)構(gòu)，每個橋臂包括串聯(lián)的電抗器和子模塊，子模塊包括 IGBT、二極管和電容；二極管與IGBT反并聯(lián)，至少一個所述IGBT串聯(lián)后與所述電容并聯(lián)。 換流器的交流端通過變壓器與電網(wǎng)連接；換流器的每個橋臂的直流端通過K7連接至對站換流器。換流站級控制層的交流電流控制模塊與換流器級控制層的電流平衡控制模塊連接；換流站級控制層的順序控制模塊分別與選擇開關(guān)K1、選擇開關(guān)K2、交流電流控制和電流平衡控制模塊連接。其中，如圖2所示，換流站級控制層包括互為冗余的主換流站級控制層和從換流站級控制層；換流器級控制層包括互為冗余的主換流器級控制層和從換流器級控制層；主換流站級控制層和從換流站級控制層、主換流器級控制層和從換流器級控制層分別通過光纖相接。本實(shí)施例以圖1和圖2裝置進(jìn)行控制的詳細(xì)說明，如下本實(shí)施例的控制裝置可以處于有源和無源兩種運(yùn)行方式。當(dāng)裝置處于有源時，啟用有功功率輸入；處于無源時，從頻率控制模塊起動。本站或?qū)φ究刂葡到y(tǒng)中至少有一站選為直流電壓控制，直流電壓控制與無功功率控制(或交流電壓控制)配合或有功功率控制模塊與無功功率控制(或交流電壓控制)配合。本實(shí)施例以開關(guān)Kl選擇有功功率控制，選擇開關(guān)K2選擇交流電壓控制為例說明。運(yùn)行人員在工作站對換流站級控制層的有功功率控制器進(jìn)行有功功率參考值設(shè)定，電壓互感器將電網(wǎng)側(cè)的電壓Uac與設(shè)定值經(jīng)過交流電壓控制模塊形成無功控制信號， 測量得到的有功功率與有功指令值經(jīng)過有功功率控制模塊形成有功控制信號，兩類控制信號一起傳給電流指令計(jì)算控制模塊，再經(jīng)電流指令限制環(huán)節(jié)將輸出電流限制在限定范圍內(nèi)后，將電流指令傳給交流電流控制模塊，轉(zhuǎn)換形成交流電壓指令值，送到控制換流器級控制層。換流器級控制層將換流站級控制層給定的電壓參考值轉(zhuǎn)化為各個半橋臂電壓參考值送至換流閥級控制層，其中電流平衡控制模塊作用為抑制換流器中各個橋臂及兩站換流器間的不平衡電流。換流閥級控制層中的電壓平衡控制器選擇此時需要投入或退出的子模塊， 通過橋臂子模塊脈沖分配模塊根據(jù)子模塊額定電壓確定橋臂中投入的子模塊數(shù)目，或者電平臺階數(shù)目，再將相應(yīng)脈沖觸發(fā)信號下發(fā)至子模塊，作為子模塊的IGBT開通和關(guān)斷控制指令。換流站級控制層還包括順序控制功能模塊，其作用是控制系統(tǒng)中的開關(guān)或功能模塊動作順序，使其在檢修狀態(tài)和運(yùn)行狀態(tài)間進(jìn)行切換。順序控制功能模塊依次與系統(tǒng)保護(hù)裝置和閥保護(hù)裝置連接。在開關(guān)K3、K4、K7閉合，Κ5、Κ6、Κ8斷開，換流器處于運(yùn)行狀態(tài)時，順序控制功能模塊控制整個裝置的起動和停止；當(dāng)出現(xiàn)故障，閥保護(hù)裝置和系統(tǒng)保護(hù)裝置對換流器進(jìn)行保護(hù)閉鎖動作時，開關(guān)Κ3或Κ7斷開；在開關(guān)Κ3、Κ7斷開，Κ5、Κ6、Κ8閉合時，換流器進(jìn)入檢修狀態(tài)。需要說明的是(1)有功功率控制模塊與功率調(diào)制模塊連接。當(dāng)電網(wǎng)有需求時，可直接對有功功率控制模塊進(jìn)行指定的功率輸出；(2)當(dāng)裝置為無源運(yùn)行方式時，裝置從頻率控制開始起動；(3)兩站同時設(shè)置有功或直流電壓控制，無功或交流電壓控制功能，無功與交流電壓控制能夠手動進(jìn)行切換，相連接的多個換流站中在直流運(yùn)行時至少有一個站采用直流電壓控制；(4)交流電壓控制功能模塊將交流電壓控制在設(shè)定值，一旦換流器輸出容量達(dá)到上限也無法維持交流電壓，則需設(shè)計(jì)為斜率控制，同時附加電壓閃變控制；(4)無功功率控制功能模塊需要設(shè)計(jì)電壓越限控制，一旦交流電壓越限，需要相應(yīng)改變無功定值；(5)電流設(shè)定值計(jì)算按照dq軸有功無功計(jì)算的矢量控制；(6)換流器的輸出電流應(yīng)限制到限定范圍內(nèi)，當(dāng)輸出電流設(shè)定矢量超出該范圍時， 應(yīng)按照以下標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行限幅①直流電壓控制側(cè)應(yīng)保證有功電流的輸出；②有功控制側(cè)按照固定的dq軸電流比例進(jìn)行限幅。(7)本實(shí)施例主要控制器的功能①順序控制模塊由多個邏輯單元組成，根據(jù)起動、停運(yùn)、開關(guān)聯(lián)動等先后邏輯順序，依次將相應(yīng)動作信號送至各個相關(guān)功能模塊執(zhí)行；② 負(fù)序電流抑制模塊將dq分解的負(fù)序電壓、電流分量引入交流電流控制模塊；③交流電流控制模塊實(shí)現(xiàn)內(nèi)環(huán)交流電流計(jì)算；④電流平衡控制模塊通過計(jì)算得到橋臂中直流電流分量，與設(shè)定值比較得到誤差，經(jīng)過信號處理得到附加輸出電壓設(shè)定，同時計(jì)算得到子模塊電容電壓波動預(yù)估值，加上子模塊基準(zhǔn)電壓后，用于得到實(shí)際子模塊輸出數(shù)量設(shè)定；⑤電壓平衡控制模塊快速監(jiān)測子模塊電容電壓值，按照一定的控制邏輯確定投入或旁路哪個子模塊；⑥橋臂子模塊脈沖分配模塊將參考電壓轉(zhuǎn)變成投入電平數(shù)的過程，子模塊基準(zhǔn)電壓去除輸出電壓設(shè)定值得到實(shí)際子模塊輸出數(shù)量設(shè)定，將確定投入或旁路的觸發(fā)信號下發(fā)至換流閥子模塊。 最后應(yīng)該說明的是結(jié)合上述實(shí)施例僅說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對其限制。所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解到本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對本發(fā)明的具體實(shí)施方式
進(jìn)行修改或者等同替換，但這些修改或變更均在申請待批的權(quán)利要求保護(hù)范圍之中。
權(quán)利要求
1.一種模塊化多電平換流器柔性直流輸電系統(tǒng)的控制裝置，所述控制裝置包括本站和對稱設(shè)置的對站，所述本站和對站通過導(dǎo)線連接；所述本站和對站的所述控制裝置包括依次連接的換流站級控制層、換流器級控制層和換流閥級控制層；其特征在于，所述換流站級控制層包括順序控制模塊、有功功率控制模塊、無功功率控制模塊、直流電壓控制模塊、交流電壓控制模塊和電流指令計(jì)算控制模塊、電流指令限制模塊和交流電流控制模塊；所述換流器級控制層包括依次相連的電流平衡控制模塊；所述換流閥級控制層包括電壓平衡控制模塊和橋臂子模塊脈沖分配模塊；所述橋臂子模塊脈沖分配模塊與換流器連接；所述換流站級控制層的有功功率控制模塊和所述直流電壓控制模塊、所述無功功率控制模塊和所述交流電壓控制模塊分別通過選擇開關(guān)Kl和選擇開關(guān)K2與所述電流指令計(jì)算控制模塊連接；所述電流指令計(jì)算控制模塊依次與所述電流指令限制模塊和交流電流控制模塊連接；所述換流站級控制層的順序控制模塊分別與所述有功功率控制模塊、無功功率控制模塊、交流電流控制模塊和電壓平衡控制模塊連接。
2.如權(quán)利要求1所述的控制裝置，其特征在于，所述換流站級控制層包括主換流站級控制層和從換流站級控制層；所述換流器級控制層包括主換流器級控制層和從換流器級控制層；所述主換流站級控制層和從換流站級控制層、主換流器級控制層和從換流器級控制層分別通過光纖相接，其中主換流站級控制層和從換流站級控制層互為冗余；主換流器級控制層和從換流器級控制層互為冗余。
3.如權(quán)利要求1所述的控制裝置，其特征在于，所述換流站級控制層包括頻率控制模塊和負(fù)序電流抑制模塊；所述頻率控制模塊和負(fù)序電流抑制模塊分別與所述交流電流控制模塊連接。
4.如權(quán)利要求1所述的控制裝置，其特征在于，所述換流站級控制層包括功率調(diào)制模塊；所述功率調(diào)制模塊與有功功率控制模塊連接。
5.如權(quán)利要求1所述的控制裝置，其特征在于，所述順序控制模塊與系統(tǒng)保護(hù)裝置和閥保護(hù)裝置依次連接。
6.如權(quán)利要求1所述的控制裝置，其特征在于，所述換流器一端通過變壓器與電網(wǎng)連接，所述換流器的另一端與導(dǎo)線連接；所述換流器包括相連的子模塊。
7.如權(quán)利要求6所述的控制裝置，其特征在于，所述子模塊包括IGBT、二極管和電容； 所述二極管與所述IGBT反并聯(lián)，至少一個所述IGBT串聯(lián)后與所述電容并聯(lián)。
全文摘要
本發(fā)明為一種模塊化多電平換流器柔性直流輸電系統(tǒng)的控制裝置，控制裝置包括本站和對稱設(shè)置的對站，本站和對站通過導(dǎo)線連接；本站和對站的控制裝置包括分層設(shè)計(jì)的換流站級控制層、換流器級控制層和換流閥級控制層；換流站級控制層和換流器級控制層，保證系統(tǒng)運(yùn)行可靠性；通過控制換流站級控制層、換流器級控制層和換流閥級控制層，實(shí)現(xiàn)對有功功率和無功功率的獨(dú)立控制，抑制換流器上下橋臂、相間的環(huán)流，減小各子模塊電容電壓間的差異，保證換流器各子模塊的電容電壓保持一致。
文檔編號H02J1/00GK102354969SQ201110287208
公開日2012年2月15日 申請日期2011年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月26日
發(fā)明者李文津, 楊杰, 林暢, 趙巖 申請人:中國電力科學(xué)研究院