基于下垂控制的MMC换流器的启动控制方法和控制系统

摘要

本发明涉及基于下垂控制的MMC换流器的启动控制方法和控制系统，对子模块进行充电，使子模块电压达到额定电压值；当系统为有源网络时，计算网侧电压相位值，并计算设定的相位值与网侧电压相位值的误差值，将该误差值赋予附加相位积分器作为初值，计算相位附加相位值；最后根据解锁信号，解锁换流器，完成启动。该启动控制方法适用于柔直无切换孤岛‑联网控制策略，在启动时利用相位补偿的方式对相位进行补偿，使相位满足要求，能够使换流器平滑的进入稳态，实现换流器的平滑启动，降低启动过程中产生的冲击；启动过程中不会出现过电压和桥臂过流的情况发生，使得换流器能够快速稳态运行。

说明书

技术领域

本发明涉及基于下垂控制的MMC换流器的启动控制方法和控制系统，属于MMC换流器的启动控制技术领域。

背景技术

电压源换流器型直流输电(VSC-HVDC)采用可关断电力电子器件，无需借助外部电源可实现换相，具备有功无功独立控制、向弱电网和无源网络供电等传统直流输电系统不具备的功能。柔性直流输电技术拓展了直流输电的应用领域，如图1所示，为典型的柔性直流输电系统，除了将其应用于传统电网互联，还可应用于给孤远地区供电，比如离岸岛屿供电。

当连接至换流站的交流电网为有源网络时，换流站和同步发电机将并列运行，柔性直流输电系统将工作于联网模式下；当连接至换流站的交流电网为无源网络时，换流站将单独工作，柔性直流输电系统将工作于孤岛模式下。

柔性直流输电系统在联网模式下和孤岛模式下，其控制策略完全不一样。在联网模式下，换流器的控制方式可以是定有功/无功控制，而在孤岛模式下，换流器的控制方式将切换至定交流电压控制上。采用模式切换的孤岛-联网控制方式目前已在我国的舟山五端柔直工程中得到应用。然而该方式的控制系统设计较为复杂，还需对系统的孤岛-联网状态进行判断。为此，有学者提出了无需模式切换的孤岛-联网转换控制策略，该控制策略基于下垂控制，能够平滑的实现系统孤岛-联网转换。

然而，该控制策略只提出了系统在稳态运行情况下的孤岛联网转换，而未考虑系统在启动过程中可能存在的冲击和失稳。

发明内容

本发明的目的是提供基于下垂控制的MMC换流器的启动控制方法和控制系统。

为实现上述目的，本发明的方案包括一种基于下垂控制的MMC换流器的启动控制方法，包括以下步骤：

(1)对子模块进行充电，使子模块电压达到额定电压值；

(2)判断系统是否为有源网络；

(3)当系统为有源网络时，计算网侧电压相位值，并计算设定的相位值与所述网侧电压相位值的误差值；

(4)将所述误差值在解锁信号的上升沿时刻赋予附加相位积分器，作为该积分器的初始值，根据解锁信号的上升沿使能所述附加相位积分器，根据附加相位积分器计算附加相位值，并将附加相位值与所述设定的相位值进行叠加生成最终相位值，根据所述最终相位值控制解锁换流器，完成启动。

所述设定的相位值为MMC换流器的控制系统中本地50Hz相位生成器所生成的相位值。

所述附加相位值还与功率偏差相关，所述功率偏差为设定输出功率值与实际输出功率值的误差值。

所述附加相位积分器的数学计算公式为：

θ_附＝mod(K_f∫(P_set-P)dt+θ′，2π)，

其中，mod()为取余函数，θ_附为所述附加相位值，P_set为设定输出功率值，P为实际输出功率值，θ′为所述误差值，θ′＝θ₀₁-θ_g，θ₀₁为设定的相位值，θ_g为网侧电压相位值，K_f为系数。

当系统无源网络时，直接解锁启动换流器。

一种基于下垂控制的MMC换流器的启动控制系统，包括：

充电模块，用于对子模块进行充电，使子模块电压达到额定电压值；

判断模块，用于判断系统是否为有源网络；

计算模块，用于当系统为有源网络时，计算网侧电压相位值，并计算设定的相位值与所述网侧电压相位值的误差值；

解锁模块，用于将所述误差值在解锁信号的上升沿时刻赋予附加相位积分器，作为该积分器的初始值，根据解锁信号的上升沿使能所述附加相位积分器，根据附加相位积分器计算附加相位值，并将附加相位值与所述设定的相位值进行叠加生成最终相位值，根据所述最终相位值控制解锁换流器，完成启动。

所述设定的相位值为MMC换流器的控制系统中本地50Hz相位生成器所生成的相位值。

所述附加相位积分器的附加相位值还与功率偏差相关，所述功率偏差为设定输出功率值与实际输出功率值的误差值。

所述附加相位积分器的数学计算公式为：

θ_附＝mod(K_f∫(P_set-P)dt+θ′，2π)，

其中，mod()为取余函数，θ_附为所述附加相位值，P_set为设定输出功率值，P为实际输出功率值，θ′为所述误差值，θ′＝θ₀₁-θ_g，θ₀₁为设定的相位值，θ_g为网侧电压相位值，K_f为系数。

当系统无源网络时，直接解锁启动换流器。

本发明提供的启动控制方法中，首先，对子模块进行充电，使子模块电压达到额定电压值；当系统为有源网络时，计算网侧电压相位值，并计算设定的相位值与网侧电压相位值的误差值；将该误差值在解锁信号的上升沿时刻赋予附加相位积分器作为初始值，根据解锁信号的上升沿触发信号使能附加相位积分器，并计算附加相位值，解锁换流器，完成启动。该启动控制方法适用于柔直无切换孤岛-联网控制策略，在启动时利用相位补偿的方式对相位进行补偿，通过主动补偿的方式使相位满足要求，进而能够使换流器平滑的进入稳态，实现换流器的平滑启动，降低启动过程中产生的冲击；避免了换流器进入dP/dδ＜0的不稳定区而引起系统振荡，抗扰动能力强；启动过程中不会出现过电压和桥臂过流的情况发生，避免触发系统保护，使得换流器能够快速稳态运行。

附图说明

图1是典型的柔性直流输电系统示意图；

图2是换流器的启动控制方法流程示意图；

图3是50Hz相位生成环节的输出相位示意图；

图4是解锁信号的上升沿触发信号示意图；

图5是启动控制方法中的相位计算原理示意图；

图6是补偿后满功率阶跃启动的网侧有功功率波形图；

图7是补偿后满功率阶跃启动的直流电流波形图；

图8-a是未补偿满功率阶跃启动的网侧有功无功功率波形图；

图8-b是图8-a中的有功功率波形图；

图8-c是图8-a中的无功功率波形图；

图9是未补偿满功率阶跃启动的直流电流波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

启动控制方法实施例

如图2所示，为本发明提供的基于下垂控制的MMC换流器的启动控制方法的流程示意图，具体包括以下步骤：

(1)对MMC换流器中的子模块进行充电，使子模块电压达到额定电压值；

(2)判断系统是否为有源网络，如果为有源网络，继续进行启动控制；如果是无源网络，直接解锁启动MMC换流器；

(3)如果系统是有源网络，那么，计算网侧电压相位值，记为θ_g，本实施例中，通过对换流器网侧电压进行锁相来得到网侧电压相位值，当然，网侧电压相位值的计算并不局限于上述方式。设定一个相位值，在本实施例中，该设定的相位值是由MMC换流器的控制系统本地50Hz相位生成器所生成的相位值，记为θ₀₁，如图3所示，相位值θ₀₁可以采用以下计算表达式进行表达：

θ₀₁＝mod(2πft，2π)

其中，f为调制波参考频率，θ₀₁的取值范围为[0，2π]。

然后，计算θ₀₁与θ_g的误差值，本实施例中，计算的误差值为差值Δθ，计算公式为Δθ＝θ₀₁-θ_g。另外，当输入有源信号时，输出计算得到的Δθ，当输入无源信号时，就不会输出Δθ，而是输出0。

(4)由于当有解锁信号时就代表解锁时刻到来，根据解锁前后的控制信号的变化能够得到解锁信号的上升沿，将该上升沿称为解锁信号的上升沿触发信号，那么，解锁时刻就是解锁信号的上升沿到来时刻，如图4所示。因此，在解锁时刻将差值Δθ赋予附加相位积分器，作为附加相位积分器的初始值θ′；另外，如果差值Δθ是一个变量，那么，该θ′为差值Δθ在解锁时刻，即解锁信号的上升沿时刻的数值，并在解锁时刻将θ′赋予附加相位积分器，作为附加相位积分器的初始值，计算公式为：θ′＝Δθ|_{t解锁时刻}。

(5)根据解锁信号的上升沿触发信号使能附加相位积分器，根据附加相位积分器的初始值θ′，以及附加相位积分器中的数学计算公式计算得到一个附加相位值，本实施例中，该附加相位值除了与上述初始值θ′相关外，还与功率偏差相关，功率偏差为设定输出功率值与实际输出功率值的误差值。那么，本实施例给出该附加相位值的计算公式，即附加相位积分器的数学计算公式，如下所示：

θ_附＝mod(K_f∫(P_set-P)dt+θ′，2π)，

其中，mod()为取余函数，θ_附为附加相位值，P_set为设定输出功率值，P为实际输出功率值，θ′为初始值，θ′＝θ₀₁-θ_g，θ₀₁为设定的相位值，θ_g为网侧电压相位值，K_f为系数。

(6)将附加相位值θ_附与设定的相位值θ₀₁进行叠加生成最终相位值θ，如图5所示，根据该最终相位值θ控制解锁换流器，具体为：根据最终相位值θ经过相应的解耦变换之后生成相关调制波，然后根据调制波生成换流器中换流阀的触发信号，完成启动，由于这一部分属于现有技术，这里就不再具体说明。

结合上述具体技术方案，以下给出一个应用实例。

假设系统基本参数如表1所示。

表1

参数项设计值换流阀额定容量/MW100直流电压/kV±200阀侧额定电压/kV208.2网侧电压额定值/kV115有功负荷/MW60无功负荷/Mvar15

由于子模块充电过程不属于本发明的保护重点，因此这里默认子模块电压已达到额定。

假设系统启动时为有源状态，因此需要进行相位补偿。在系统解锁运行前，50Hz相位生成器和网侧电压之间的相位差值为-31°。

根据解锁后的运行要求，计算在解锁时刻的相位误差值，为31°，以该相位误差值作为附加相位积分器的初值，根据解锁信号的上升沿触发信号使能附加相位积分器，结合设定输出功率值与实际输出功率值(这一部分不再具体说明)计算得到附加相位值θ_附，然后完成系统解锁运行，启动后系统可以平滑的进入稳态，不会出现过压过流，如图6和图7所示。

当未进行相位补偿，解锁运行时位差值为165°时，系统将会出现极大的振荡，不易进入稳态，此时桥臂将会出现极大的过电流，直流侧出现过电流，阀侧网侧出现过电压，如图8-a、图8-b、图8-c和图9所示。

因此，通过对比可以看出，采用相位补偿的方式可以平滑的实现启动，降低对系统冲击，避免保护误动作。

启动控制系统实施例

本实施例中，基于下垂控制的MMC换流器的启动控制系统，包括：

充电模块，用于对子模块进行充电，使子模块电压达到额定电压值；

判断模块，用于判断系统是否为有源网络；

计算模块，用于当系统为有源网络时，对换流器网侧电压进行锁相，得到网侧电压相位值，并计算设定的相位值与网侧电压相位值的误差值；

解锁模块，用于将误差值在解锁信号的上升沿时刻赋予附加相位积分器，作为该积分器的初始值，根据解锁信号的上升沿使能附加相位积分器，根据附加相位积分器计算附加相位值，并将附加相位值与设定的相位值进行叠加生成最终相位值，根据最终相位值控制解锁换流器，完成启动。

上述各个模块为软件模块，通过相应地功能作用来限定各软件模块，所以，各软件模块的保护范围为对应的功能作用，即该控制系统本质上仍旧是对应的控制方法，由于上述方法实施例中已对该方法做出了详细地描述，本实施例就不再具体说明。

以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。