具备同期并网功能的模块化多电平换流器平滑启动方法技术

本发明专利技术公开了电力系统运行和控制技术领域中的一种具备同期并网功能的模块化多电平换流器平滑启动方法。该方法包括：在建立电压阶段，使每个模块化多电平换流器的子模块充电至相同的最高电压并完成MMC

Modularized multilevel converter smoothing starting method with same time grid connected function

The invention discloses a smoothing starting method of a modularized multilevel converter with synchronous grid connected function in the operation and control technology of the power system. The method includes charging a sub module of each modular multilevel converter to the same maximum voltage and completing the MMC at the stage of establishing voltage

【技术实现步骤摘要】
具备同期并网功能的模块化多电平换流器平滑启动方法
本专利技术属于电力系统运行和控制
，尤其涉及一种具备同期并网功能的模块化多电平换流器平滑启动方法。
技术介绍
基于我国能源和负荷分布不均的国情，高压直流输电(high-voltagedirect-current，HVDC)技术在我国应用广泛。除了远距离大容量输送电能，实现非同步联网和增强系统稳定性这些优点之外，引入大功率电力电子开关器件的电压源型换流器(voltagesourceconverter，VSC)也被认为是新能源电源并网的最佳选择。相较于传统基于晶闸管式直流输电技术，由于引入了可关断开关元件，如门极可关断型(gateturn-off，GTO)晶闸管和绝缘栅双极晶体管(insulated-gatebipolartransistor，IGBT)，VSC不会发生传统HVDC换流器在所连接交流母线电压降低时经常发生的换相失败问题，并且VSC其实现了有功功率和无功功率的快速独立控制。这使得直流系统在传输大量有功功率的同时，摆脱了对接入交流系统强度的依赖，尤其是无功消耗需求。然而，早期的两或三电平VSC拓扑结构存在着一定的缺陷。在开关元件特性方面，IGBT耐压程度低，为了获得较高直流电压则需要串联多个开关元件分压，因此对开关动作一致性要求很高，否则开关元件会被高电压击穿。基于此项限制，两或三电平VSC至今难以企及传统HVDC所能达到的超高压程度。另外，IGBT的载流能力也远不如晶闸管大，因此传统HVDC系统在背靠背的工况下可以通过增大直流电流而降低直流电压的做法在VSC-HVDC中也很难实现。受制于以上两点特性，VSC-HVDC的输送电能能力远不如晶闸管式HVDC系统。在运行特性方面，两或三电平VSC-HVDC中的开关元件需要较高的开关频率从而导致了大量的功率损耗。受输出波形的电平数限制，换流站输出的交流波形中谐波含量较高。为了解决这些问题，基于半H桥型的模块化多电平换流器(modularmultilevelconverter，MMC)拓扑结构作为新一代VSC的拓扑结构被提出。其模块化级联结构在保持较高的桥臂等效开关频率同时，有效降低了每个开关元件的开关频率，因而降低了大量开关损耗。MMC可以轻易实现多电平输出波形，使之逼近标准正弦波形，因而换流站无需交流滤波器，减少了建设成本投资。此外，对直接串联的开关元件的动作一致性要求也大大降低。模块化构造的其他好处有，便于分期扩建，容易实现冗余保护策略和具备如传统HVDC系统一样的输送高电压大容量电能的能力。在MMC-HVDC系统启动过程中，被交流电源充电的MMC子模块电压是被直流电压充电的MMC子模块电压的2倍，在启动控制后会引发直流系统内部较大的电流波动。而非同期并网则会造成很大的交流电流冲击电流，威胁整个交直流系统的安全运行。因此，需要设计一种可实现MMC-HVDC同期并网的平滑启动方法来解决以上问题，完成安全可靠的MMC-HVDC系统平滑启动过程。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，提供一种具备同期并网功能的模块化多电平换流器平滑启动方法，用以解决不同类型换流器间子模块电压不平衡、换流站可同期并网和平滑切换控制器等问题。为了实现上述目的，本专利技术提出的技术方案是，一种具备同期并网功能的模块化多电平换流器平滑启动方法，其特征是所述方法包括：步骤1：在建立电压阶段，使每个模块化多电平换流器的子模块充电至相同的最高电压并完成MMCBi和US_Bi的电压同期过程；其中，MMCBi为第i个被直流电压充电的模块化多电平换流器；US_Bi为与第i个被直流电压充电的模块化多电平换流器MMCBi相连的交流系统；步骤2：在同期并网阶段，完成MMCBi和US_Bi的同期合闸过程，同时完成MMCBi中的控制器平滑切换过程；步骤3：在调整控制器指令阶段，将模块化多电平换流器的控制器指令值调整至稳态运行值，完成系统的启动过程。所述步骤1具体包括：子步骤A1：闭合MMCA与US_A之间的断路器，并投入MMCA与US_A之间的保护电阻，断开MMCBi与US_Bi之间的断路器；其中，MMCA为被交流电源充电的模块化多电平换流器；US_A为与被交流电源充电的模块化多电平换流器MMCA相连的交流系统；子步骤A2：闭锁MMCA的控制器，使MMCA每相仅投入N个子模块；同时，对MMCBi启用幅值-相角控制器，使其每相也只投入N个子模块；子步骤A3：幅值-相角控制器根据US_Bi交流电压基波的幅值和相角，分别控制MMCBi输出的交流电压基波的幅值和相角，使得MMCBi输出的交流电压基波的幅值和相角分别与US_Bi交流电压基波的幅值和相角之差为0。所述保护电阻的阻值为所述步骤2具体包括：子步骤B1：选择US_Bi相电压的一个过零点，闭合MMCBi与US_Bi之间的断路器，同时切除MMCA与US_A之间的保护电阻；子步骤B2：选取MMCA的d-q解耦控制器的指令值并投入MMCA的d-q解耦控制器；其中，如果MMCA的d-q解耦控制器选择功率控制，则其有功功率控制指令值和无功功率控制指令值都选取0；如果MMCA的d-q解耦控制器选择直流电压控制，则其直流电压控制指令值选取1.414×VS_A，VS_A为交流系统US_A的线电压有效值；子步骤B3：将MMCBi的幅值-相角控制器平滑切换至d-q解耦控制器；子步骤B4：选取MMCBi的d-q解耦控制器的指令值；其中，如果MMCBi的d-q解耦控制器选择功率控制，则其有功功率控制指令值和无功功率控制指令值都选取0；如果MMCBi的d-q解耦控制器选择直流电压控制，则其直流电压控制指令值选取1.414×VS_Bi，VS_Bi为交流系统US_Bi的线电压有效值。所述将MMCBi的幅值-相角控制器平滑切换至d-q解耦控制器具体为，使实际控制换流器的调制波mFinal由MMCBi的幅值-相角控制器和d-q解耦控制器产生的调制波构成，调制波mFinal的计算公式为：所述将MMCBi的幅值-相角控制器平滑切换至d-q解耦控制器的过程中，始终保持MMCBi的幅值-相角控制器产生的调制波的幅值和初相角不变。所述将模块化多电平换流器的控制器指令值调整至稳态运行值具体是，将各模块化多电平换流器的d-q解耦控制器指令值均调整至额定值。本专利技术可实现模块化多电平换流器同期并网的平滑启动，解决了建立电压阶段子模块电容电压不平衡的问题、同期并网阶段换流器同期并网问题和不同SPWM类型控制器平滑切换问题；另外，本专利技术提出的幅值-相角控制器有效解决子模块充电电压不平衡问题，消除了MMC与交流系统交流电压幅值和相角差的问题；最后，本专利技术对多端MMC-HVDC系统也有效。附图说明图1是MMC-HVDC系统结构图；图2是M-δ控制器的设计框图；图3是一组优化后的PI控制器参数的调整效果图；图4是等效充电电路图，其中，(a)是从ts到时刻的等效充电电路图；(b)是从ts到时刻的等效充电电路图；图5是M-δ控制器至d-q解耦控制器切换示意图；其中，(a)是M-δ控制器至d-q解耦控制器不在同一运行点的示意图，(b)是M-δ控制器突然切换至d-q解耦控制器造成的调制波突变示意图；图6是调制波的振荡示意图；图7是保持mM-δ幅值和相角不变时的调制波波本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具备同期并网功能的模块化多电平换流器平滑启动方法，其特征在于，所述平滑启动方法包括：步骤1：在建立电压阶段，使每个模块化多电平换流器的子模块充电至相同的最高电压并完成MMC

【技术特征摘要】
1.一种具备同期并网功能的模块化多电平换流器平滑启动方法，其特征在于，所述平滑启动方法包括：步骤1：在建立电压阶段，使每个模块化多电平换流器的子模块充电至相同的最高电压并完成MMCBi和US_Bi的电压同期过程；其中，MMCBi为第i个被直流电压充电的模块化多电平换流器；US_Bi为与第i个被直流电压充电的模块化多电平换流器MMCBi相连的交流系统；步骤2：在同期并网阶段，完成MMCBi和US_Bi的同期合闸过程，同时完成MMCBi中的控制器平滑切换过程；步骤3：在调整控制器指令阶段，将模块化多电平换流器的控制器指令值调整至稳态运行值，完成系统的启动过程；所述步骤1具体包括：子步骤A1：闭合MMCA与US_A之间的断路器，并投入MMCA与US_A之间的保护电阻，断开MMCBi与US_Bi之间的断路器；其中，MMCA为被交流电源充电的模块化多电平换流器；US_A为与被交流电源充电的模块化多电平换流器MMCA相连的交流系统；子步骤A2：闭锁MMCA的控制器，使MMCA每相仅投入N个子模块；同时，对MMCBi启用幅值-相角控制器，使其每相也只投入N个子模块；子步骤A3：幅值-相角控制器根据US_Bi交流电压基波的幅值和相角，分别控制MMCBi输出的交流电压基波的幅值和相角，使得MMCBi输出的交流电压基波的幅值和相角分别与US_Bi交流电压基波的幅值和相角之差为0。2.根据权利要求1所述的平滑启动方法，其特征在于，所述保护电阻的阻值为其中，R1为保护电阻的阻值；Uab为交流线电压幅值；I1为平滑启动开始时刻到子模块的功率驱动板的达到正常工作电压时刻之前的最大充电电流幅值；ω0为功角频率；LL为换流器和交流系统间线路上的等效电感值；W3＝ω0L0-N/(2ω0CSM)；W4＝ω0(2Ld+2L0/3)-2N/(3ω0CSM)；Rd为直流线路电阻；L0为桥臂电感；CSM为子模块的电容值；Ld为直流线路的电感值；N为子模块的数量。3.根据权利要求1-2中任意一项权利要求所述的平滑启动方法，其特征在于，所述步骤2具体包括：子步骤B1：选择US_Bi相电压的一个过零点，闭合MMCBi与US_Bi之间的断路器，同时切除MMCA与US_A之间的保护电阻；子步骤B2：选取MMCA的...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘崇茹，李海峰，田鹏飞，洪国巍，林周宏，李庚银，
申请(专利权)人：华北电力大学，
类型：发明
国别省市：北京,11