本發(fā)明屬于輸配電技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種組合換流器及內(nèi)部直流電壓均衡控制方法。

背景技術(shù)：

隨著現(xiàn)代電網(wǎng)的快速發(fā)展及電力電子技術(shù)的更新?lián)Q代，基于模塊化多電平換流器(Modular Multilevel Converter，MMC)技術(shù)的柔性直流輸電系統(tǒng)取得了長足進步，并逐步實現(xiàn)了工程應(yīng)用。但相對于傳統(tǒng)直流輸電系統(tǒng)(又稱電網(wǎng)換相換流器高壓直流輸電系統(tǒng)，Line Commutated Converter Based High Voltage Direct Current，LCC-HVDC)，其電壓等級和輸送容量均有待于進一步提升。

借鑒傳統(tǒng)直流輸電系統(tǒng)的高壓輸電系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)，以MMC換流器作為基本換流單元，利用換流器的矩陣式組合可以實現(xiàn)高壓大容量的要求，也即通過基本換流單元的并聯(lián)提高輸送容量，通過基本換流單元的串聯(lián)提高輸送電壓等級，形成組合換流器，有效解決了這一難題。

然而，目前針對基于組合換流器的柔性直流輸電系統(tǒng)的研究尚處于初期階段，特別是對于組合式換流器的系統(tǒng)控制策略及故障后的處理策略等仍處于空白狀態(tài)。傳統(tǒng)控制策略中，設(shè)定一個換流站采用定電壓控制，并網(wǎng)換流站采用定功率或定電流控制的配置方式、無源供電換流站采用定交流電壓的配置方式已不能滿足穩(wěn)定運行需求，極易引發(fā)定功率或定電流、以及定交流電壓換流站內(nèi)由于基本換流單元間的參數(shù)及控制差異性導致的直流電壓不均衡問題，造成系統(tǒng)過壓及功率分配不均。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種組合換流器及內(nèi)部直流電壓均衡控制方法，用以解決定功率或定電流、定交流電壓換流器內(nèi)由于基本換流單元間的參數(shù)及控制差異性導致的直流電壓不均衡問題。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案是：

本發(fā)明提供一種組合換流器內(nèi)部直流電壓均衡控制方法，包括如下方法方案：

方法方案一，對于每一個基本換流單元，取組合換流器內(nèi)部所有基本換流單元的實時直流電壓平均值為參考電壓，與基本換流單元的實時直流電壓做差后進行閉環(huán)控制，將閉環(huán)控制輸出量疊加到對應(yīng)基本換流單元的有功控制通道。

方法方案二，在方法方案一的基礎(chǔ)上，針對并網(wǎng)組合換流器，所述有功控制通道為采用定功率并網(wǎng)控制的外環(huán)有功功率控制通道，或者采用定電流并網(wǎng)控制的有功電流控制通道。

方法方案三，在方法方案一的基礎(chǔ)上，針對無源組合換流器，所述有功控制通道為采用定交流電壓孤島控制的與頻率對應(yīng)的控制通道。

本發(fā)明還提供一種組合換流器，包括如下?lián)Q流器方案：

換流器方案一，對于每一個基本換流單元，所述基本換流單元的有功控制通道疊加有閉環(huán)控制輸出量，所述閉環(huán)控制輸出量為參考電壓與各個基本換流單元的實時直流電壓的差值，所述參考電壓為組合換流器內(nèi)部所有基本換流單元的實時直流電壓平均值。

換流器方案二，在換流器方案一的基礎(chǔ)上，針對并網(wǎng)組合換流器，所述有功控制通道為采用定功率并網(wǎng)控制的外環(huán)有功功率控制通道，或者采用定電流并網(wǎng)控制的有功電流控制通道。

換流器方案三，在換流器方案一的基礎(chǔ)上，針對無源供電組合換流器，所述有功控制通道為采用定交流電壓孤島控制的與頻率對應(yīng)的控制通道。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明通過對定功率或定電流、定交流電壓換流站的基本換流單元進行控制策略改造，在其有功控制通道中疊加一個閉環(huán)控制輸出量，該閉環(huán)控制輸出量為組合換流器內(nèi)部所有基本換流單元的實時直流電壓平均值與各個基本換流的實時直流電壓作差后進行閉環(huán)控制輸出的量，使得組合換流器內(nèi)部串聯(lián)基本換流單元間的直流電壓均衡，從而有效解決了原有定功率或定電流、定交流電壓換流站內(nèi)由于基本換流單元間的參數(shù)及控制差異性導致的直流電壓不均衡問題。

本發(fā)明能夠保障在正常運行工況下，實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)運行時組合換流器內(nèi)部各基本換流單元的直流電壓均衡和功率均分，可同時適用于并網(wǎng)組合換流器以及無源供電組合換流器，極大提高了高壓大容量柔性直流輸電系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性及可靠性，有利于產(chǎn)業(yè)推廣。

附圖說明

圖1是一種組合換流器拓撲結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是均壓控制器示意圖；

圖3是采用定功率控制的并網(wǎng)組合換流器的內(nèi)部基本換流單元控制方法示意圖；

圖4是采用定交流電壓孤島控制的無源供電組合換流器的內(nèi)部基本換流單元控制方法示意圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，下面結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明作進一步的詳細說明，但本發(fā)明的實施方式不限于此。

如圖1所示為一種組合換流器拓撲結(jié)構(gòu)示意圖，其中，U_dc為組合換流器整體直流電壓；I_dc為組合換流器整體直流電流；MMC₁,MMC₂,...,MMC_N為組合換流器內(nèi)部的N個基本換流單元；U_dc1,U_dc2,...,U_dcN分別對應(yīng)組合換流器內(nèi)部MMC₁,MMC₂,...,MMC_N的N個基本換流單元的直流電壓。

本發(fā)明中組合換流器由N個基本換流單元MMC_k(k＝1,2,…,N)串聯(lián)升壓構(gòu)成，采用模塊化多電平換流器(Modular Multilevel Converter，MMC)或其并聯(lián)組合作為基本換流單元。但本發(fā)明并未對其進行限制，仍可采用其它形式的換流器作為基本換流單元，如兩電平或三電平換流器等。

如圖2所示為本發(fā)明的均壓控制器示意圖，取組合換流器內(nèi)部所有基本換流單元的實時直流電壓平均值U_{dc_av}為參考電壓，即：

將參考電壓U_{dc_av}與各個基本換流單元的實時直流電壓U_dck(k＝1,2,…,N)做差后經(jīng)過PI控制器G_k，做閉環(huán)控制，將各個閉環(huán)控制輸出量Ref_k疊加到對應(yīng)基本換流單元的有功控制通道。其中，G_k＝PI(k＝1,2,…,N)為第k個換流單元串聯(lián)均壓控制環(huán)PI控制器；Ref_k(k＝1,2,…,N)為第k個換流單元串聯(lián)均壓控制環(huán)PI控制器的輸出量，也即均壓控制的疊加量。

下面結(jié)合具體的組合換流器工作模式說明上述均壓控制器是如何運作的。

例如：如圖3，將均壓控制器應(yīng)用在并網(wǎng)控制模式下，該控制方法包括換流單元串聯(lián)均壓環(huán)控制、功率外環(huán)控制、正負序分離電流內(nèi)環(huán)控制。均壓控制器的控制輸出量疊加到有功功率外環(huán)上。

其中：

P_ref,Q_ref——正序有功功率指令、正序無功功率指令；

P_fdb,Q_fdb——正序有功功率反饋、正序無功功率反饋；

G_P——功率控制環(huán)PI控制器；

——正序有功電流指令、正序無功電流指令、負序有功電流指令、負序無功電流指令；

——正序有功電流反饋、正序無功電流反饋、負序有功電流反饋、負序無功電流反饋；

——正序有功電壓前饋、正序無功電壓前饋、負序有功電壓前饋、負序無功電壓前饋；

G_i——電流內(nèi)環(huán)PI控制器；

L——MMC基本換流單元橋臂電抗；

v⁺,v^-——正序調(diào)制波分量、負序調(diào)制波分量；

M_ref——總調(diào)制波。

換流單元串聯(lián)均壓環(huán)：

取組合換流器內(nèi)部所有基本換流單元的實時直流電壓平均值U_{dc_av}為參考電壓，即：

將參考電壓U_{dc_av}與各個基本換流單元的實時直流電壓U_dck(k＝1,2,…,N)做差后經(jīng)過串聯(lián)均壓控制環(huán)PI控制器為G_k(k＝1,2,…,N)做閉環(huán)控制，生成各個閉環(huán)控制輸出量Ref_k(k＝1,2,…,N)，疊加到對應(yīng)基本換流單元的正序有功功率指令P_ref上。

功率外環(huán)控制：

根據(jù)系統(tǒng)需求設(shè)置正序有功功率指令P_ref和無功功率指令Q_ref，同時在正序有功功率指令P_ref上疊加換流單元串聯(lián)均壓環(huán)閉環(huán)控制輸出量Ref_k(k＝1,2,…,N)，分別經(jīng)過功率外環(huán)PI控制器G_P做閉環(huán)控制，分別生成正序有功電流指令和正序無功電流指令

正負序分離電流內(nèi)環(huán)控制：

根據(jù)系統(tǒng)需求設(shè)置負序有功指令和負序無功指令參考值，分別經(jīng)過電流內(nèi)環(huán)PI控制器G_i，做閉環(huán)控制。將正序、負序控制的輸出量經(jīng)過正負序dq/αβγ坐標變換，分別生成正序調(diào)制波v⁺和負序調(diào)制波v^-，疊加后作為總調(diào)制波M_ref，經(jīng)調(diào)制后生成驅(qū)動信號。

組合換流器中的N個基本換流單元均采用如圖3所示相同的控制策略，從而實現(xiàn)直流電壓的均衡控制和功率均分。

另外，在并網(wǎng)模式下，還可以將均壓控制器的控制輸出量疊加到采用定電流并網(wǎng)控制的有功電流控制通道上，直流電流控制與圖3所示的功率環(huán)相似，在此不再專門說明。

又如，如圖4所示，將均壓控制器運用在無源供電控制模式下，該控制方法包括換流單元串聯(lián)均壓環(huán)控制、交流電壓外環(huán)控制、正負序分離電流內(nèi)環(huán)控制和頻率參考值生成部分。將均壓控制器的控制輸出量疊加到頻率對應(yīng)的控制通道上。

該控制方法與圖3對應(yīng)使用的控制方法的區(qū)別僅在于外環(huán)控制與頻率參考值生成方法不同，其余部分與圖3對應(yīng)使用的控制方法相同，因而此處為避免重復描述，僅給出交流電壓外環(huán)和頻率參考值生成方式的控制，其余控制的詳細描述可參考圖3對應(yīng)使用的控制方法。

其中：

U_{ac_ref}——組合換流器交流電壓指令；

U_{ac_d},U_{ac_q}——組合換流器交流電壓在旋轉(zhuǎn)坐標系下的d軸和q軸分量；

G_u——定交流電壓控制外環(huán)PI控制器；

f₀——基準頻率參考值；

θ——輸出電壓參考相位。

交流電壓外環(huán)控制：

根據(jù)系統(tǒng)需求設(shè)置交流電壓指令U_{ac_ref}作為旋轉(zhuǎn)坐標系下的d軸參考輸入量，設(shè)置q軸參考輸入量為零；然后分別經(jīng)過定交流電壓外環(huán)PI控制器G_u，做閉環(huán)控制，分別生成正序有功電流指令和正序無功電流指令

頻率參考值生成：

將換流單元串聯(lián)均壓環(huán)閉環(huán)控制輸出量疊加在固定的頻率值f₀(一般為50Hz)上，作為頻率參考值f_ref，再將f_ref變換為輸出電壓參考相位θ。

另外，本發(fā)明提供一種組合換流器，包括基本換流單元，基本換流單元的有功控制通道疊加有閉環(huán)控制輸出量，閉環(huán)控制輸出量為參考電壓與各個基本換流單元的實時直流電壓的差值，參考電壓為組合換流器內(nèi)部所有基本換流單元的實時直流電壓平均值。

其中，對于組合換流器，對于每一個基本換流單元，所述基本換流單元的有功控制通道疊加有閉環(huán)控制輸出量，所述閉環(huán)控制輸出量為參考電壓與各個基本換流單元的實時直流電壓的差值，所述參考電壓為組合換流器內(nèi)部所有基本換流單元的實時直流電壓平均值。

組合換流器的核心就在于上述組合換流器內(nèi)部直流電壓均衡控制方法，該方法能夠應(yīng)用于上述描述的組合換流器中使用的一些現(xiàn)有控制方法(圖3、圖4中的交流電壓外環(huán)控制、功率外環(huán)控制、正負序分離電流內(nèi)環(huán)控制等等)，也可以應(yīng)用于其他的現(xiàn)有控制方法中，如直接電流控制或者間接電流控制等等，只需要在這些現(xiàn)有控制方法的基礎(chǔ)上，在換流單元有功通道上對應(yīng)疊加通過本發(fā)明方法形成的閉環(huán)控制輸出量即可。

由于對上述組合換流器內(nèi)部直流電壓均衡控制方法已做詳細介紹，故對組合換流器不再贅述。