[发明专利]考虑低频振荡的模块化多电平换流器通用环流控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及轻型直流输电（VSC-HVDC）领域的控制方法,特别是一种考虑低频振荡的模块化多电平换流器通用环流控制方法。

背景技术

直流输电在远程输电上的优越性能，使其在风力发电、海上发电等可再生能源发电远距离传输中有着极其可观的应用前景，而模块化多电平换流器是基于轻型直流输电中电压源换流器（VSC-HVDC）的新型拓扑结构。模块化多电平换流器以高功率因数、低畸变率、器件耐压小、容错冗余度好等优点在轻型直流输电、中高压无功补偿领域受到广泛研究与应用，成为高压直流输电中两电平拓扑和三电平拓扑之外的可选方案。

模块化多电平换流器共有3相、6个桥臂，每相由上、下两个桥臂组成，每个桥臂由数目相同或者相近的子模块与电感串联构成。采用合理的调制策略，控制子模块电容的投入与切除，使输出电压呈多电平波形，模块数足够多时，输出电压可近似于正弦波，上、下桥臂子模块电容的投入总数固定，使得直流侧电压保持恒定，这样既形成了与交流电网的工作接口，又实现了与直流网络的稳定连接。理想情况下子模块电容电压保持平衡，桥臂电流中只含有工频分量与直流分量。

工程实际中，受子模块电容容值、电抗感值以及子模块损耗不一致等参数的影响，子模块循环充放电导致子模块电容电压不可能完全相同，甚至出现很大偏差，这导致实际的桥臂电流出现畸变，严重时可能发生谐振，不仅增加换流器的损耗，也影响换流器的稳定运行。

模块化多电平换流器电容与电感相串联的特殊结构，使得相间或者与外电网发生谐振可能性很高，在工程应用中尤其值得关注。模块化多电平换流器内部发生振荡的原因与发生振荡的频率以及有效的抑制措施是十分重要的问题。

针对模块化多电平换流器的工作原理，多位学者提出了模块化多电平换流器桥臂电流的谐波成分及其含量，并重点对桥臂电流中二倍频环流的产生原因及抑制方法进行研究，对桥臂电流中低频振荡环流的产生原因及抑制方法少有提及。屠卿瑞等人在“模块化多电平换流器型直流输电内部环流机理分析”（高电压技术，2010，36（02），547～552）中指出二倍频环流的负序性质及其幅值解析表达式，以增大桥臂电抗达到抑制环流的目的，不仅增加换流器成本，而且影响换流器的功率运行范围；卓谷颖等人在“模块化多电平换流器不平衡环流抑制研究”（电力系统保护与控制，2012，40（24），118～124）中提出一种基于双同步旋转坐标变换的MMC环流抑制控制，但只适用于三相系统；杨晓峰等人在“基于MMC环流模型的通用环流抑制策略”（中国电机工程学报，2012，32（18），59～65）中提出适用于任意相且无需坐标变换的通用环流抑制策略，对二倍频与低频脉动环流的抑制效果明显，但未说明低频脉动环流的产生原因；汤广福等人在专利“一种基于模块化多电平换流器的阀电流控制方法”专利号（2011110063053.4）提出了针对二倍频环流与低频振荡环流的抑制方法，但需要多个调节器，且对振荡频率等未提及。

图1是模块化多电平换流器MMC三相结构图，图2是子模块SM结构图，为半H桥结构，图3为模块化多电平换流器单相结构图。MMC相内由多个子模块与电抗串联组成，相间通过公共直流母线并联。通过合理的控制，使每相的子模块进行相应的投切操作，既可以保证直流母线电压的稳定，又能在交流端得到接近正弦的输出电压。单个MMC可用作电能质量治理设备如STATCOM，两个MMC直流侧通过直流输电线路相连可实现电能的直流传输。

模块化多电平换流器由三个相单元组成，每相分为上、下两个桥臂，上、下桥臂相对于直流母线为串联结构，而相对于交流电网是并联结构。每个桥臂都由数目相同或者相近的子模块与一个桥臂电抗串联组成，子模块结构为半H桥，由两个全控型开关器件串联后与电容并联而成。

模块化多电平换流器桥臂电流由两部分组成，一部分是交流电网流出（流入）的交流电流，另一部分是直流母线流入（流出）的直流电流。换流器工作中，由于实际工况比理想情况复杂的多，桥臂电流发生畸变，其成分还含有二倍频及其倍数次谐波电流，以及可能发生的低频振荡电流，不仅增加了子模块与电抗的电流应力，也增大了换流器的损耗，严重时系统将无法正常运行。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种考虑低频振荡的模块化多电平换流器通用环流控制方法，降低整个换流器的损耗，改善系统的动态响应性能，并对异常工况的桥臂振荡环流进行控制，增强系统的稳定性，解决模块化多电平换流器工程应用中的环流控制难题。