CN113178885A - 一种多端mmc-mtdc***的协调启动方法 - Google Patents

一种多端mmc-mtdc***的协调启动方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种多端MMC‑MTDC***的协调启动方法，包括以下步骤：S1、选择MMC‑MTDC***中的单端MMC换流站作为主换流站，进行预充电，直到主换流站的子模块达到预充电的第一目标值；S2、主换流站预充电完成后进行启动；S3、MMC‑MTDC***中除主换流站以外的单端MMC换流站作为从换流站解除闭锁状态，并入MMC‑MTDC***的直流网络中，根据预设的可行性指标，调配主换流站启动时的能量对从换流站进行辅助预充电；S4、从换流站的子模块达到预充电的第二目标值时，从换流站进行启动，从而完成整个MMC‑MTDC***的预充电与启动。与现有技术相比，本发明具有提升多端MMC‑MTDC***启动时的效率、最大限度的减少***启动时的能量暂态冲击、有效提升MMC‑MTDC***的能量利用率等优点。

Description

一种多端MMC-MTDC***的协调启动方法
技术领域
本发明涉及直流输电技术领域，尤其是涉及一种多端MMC-MTDC***的协调启动方法。
背景技术
目前对于多端直流输电***(MTDC)，为了提高MTDC***稳定性，将矢量控制和功率同步控制并存于同一个换流站，提出了一种同步切换控制策略。计算线路两端的电流的差值的暂态能量的大小，从而辨别多端直流***的故障线路。将下垂控制的输入变为直流电抗器的电压，提高VSC-MTDC***的稳定。
现有的研究虽然提升了MTDC***的稳定性和故障识别能力，但是对多端***多换流站的协调启动过程的研究尚且不足。虽然对于提高模块化多电平换流器(MMC)的输出波形质量以及响应速度和减少开关损耗进行了有效的改进，但由于MMC***自身包含大量的电容，需要一个合理的启动过程，来减少***启动暂态过程的能量冲击，但现有技术中对于这方面的处理较少且不完善。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的MMC-MTDC***预充电后单个桥臂上子模块电压不均匀以及并网时存在较大的能量冲击的缺陷而提供一种多端MMC-MTDC***的协调启动方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种多端MMC-MTDC***的协调启动方法，具体包括以下步骤：
S1、选择MMC-MTDC***中的单端MMC换流站作为主换流站，进行预充电，直到所述主换流站的子模块达到预充电的第一目标值；
S2、所述主换流站预充电完成后进行启动；
S3、所述MMC-MTDC***中除主换流站以外的单端MMC换流站作为从换流站解除闭锁状态，并入MMC-MTDC***的直流网络中，根据预设的可行性指标，调配主换流站启动时的能量对从换流站进行辅助预充电；
S4、所述从换流站的子模块达到预充电的第二目标值时，所述从换流站进行启动，从而完成整个MMC-MTDC***的预充电与启动。
所述单端MMC换流站的子模块的预充电方式包括他励预充电和自励预充电。
所述从换流站按照顺序依次并入MMC-MTDC***的直流网络中。
进一步地，所述单端MMC换流站的子模块的预充电方式优选为自励预充电，所述自励预充电包括不可控预充电阶段和可控预充电阶段。
进一步地，所述不可控预充电阶段的顺序在所述可控预充电阶段之前，所述步骤S1中主换流站的预充电具体为自励预充电的不可控预充电阶段，通过MMC换流站级控制器进行控制。
所述单端MMC换流站具体采用三相交流***，在不可控预充电阶段时，当输入电流为正时，电流经过二极管向电容充电，当输入电流为负时，子模块被切除。
所述三相交流***的电压的计算公式如下所示：
uA(t)＝Asin(ωt)
Figure BDA0003057983320000021
Figure BDA0003057983320000022
其中，uA、uB和uC为三相电压，A为电压有效值，ω为角速度，t为时间。
所述主换流站的启动方式为定直流电压启动控制，控制整个***的直流电压，所述从换流站的启动方式为定无功功率启动控制，达到控制直流电流的效果，进而实现MMC-MTDC***主从换流站的协调控制。
所述步骤S1中主换流站的子模块对应的第一目标值具体为主换流站电容总电压的70％。
进一步地，所述主换流站的子模块的电容电压的计算公式如下所示：
Figure BDA0003057983320000023
其中，Uc_sm为主换流站的子模块的电压，Uph为MMC-MTDC***的交流侧相电压，N为换流站中子模块的数量。
所述步骤S4中从换流站的子模块对应的第二目标值具体如下所示：
uvalid/2N
其中，uvalid为MMC-MTDC***的直流侧电压有效值。
进一步地，所述直流侧电压有效值的计算公式具体如下所示：
Figure BDA0003057983320000031
其中，A1、A2和An为MMC-MTDC***的直流侧电压对应的正弦函数中的系数，所述MMC-MTDC***的直流侧电压对应的正弦函数如下所示：
Udc(t)＝A1 sin(B1x+C1)+D1+A2sin(B2x+C2)+D2+....+An sin(Bnx+Cn)+Dn
其中，B1、B2、Bn、C1、C2、Cn、D1、D2和Dn为正弦函数的系数。
所述可行性指标的具体公式如下所示：
Figure BDA0003057983320000032
其中，
Figure BDA0003057983320000033
为本地换流站对远端换流站不可控充电子模块电容的最大电压值，Udcref/2N为主换流站启动完成后直流母线对从换流站的子模块电压可充到的最大值，uvalid/2N为主换流站启动过程中从换流站的子模块电压可以充电达到的最大值，Udcref/N为从换流站启动完成后的子模块的电容电压。
所述主换流站或从换流站若不符合可行性指标，则进行故障检测与故障分析，若符合则由***级控制器控制主换流站和从换流站进行启动。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明通过先完成主换流站的预充电，利用主换流站在并入电网启动时暂态过程对电网产生的能量冲击，对从换流站进行辅助预充电，提升了多端MMC-MTDC***启动时的效率，最大限度的减少***启动时的能量暂态冲击，有效提升了MMC-MTDC***的能量利用率。
2.本发明的从换流站在不同的时间并入直流网络中，其子模块电容电压的波动及偏差可以稳定在较小的范围内，有效满足直流电压和子模块电容电压的要求。
附图说明
图1为本发明的流程示意图；
图2为本发明三相MMC***自励预充电的拓扑结构图；
图3为本发明三相MMC***不可控预充电阶段的原理图；
图4为本发明三相交流***线电压过零点相位图；
图5为本发明MMC-MTDC***换流站的控制框图；
图6为本发明MMC-MTDC***的主从控制框图；
图7为本发明三相MMC***的内外环控制框图；
图8为本发明实施例中五端MMC-MTDC***协调预充电与启动仿真模型的结构示意图；
图9为本发明实施例中MMC2换流站的子模块电容电压的变化示意图；
图10为本发明实施例中MMC3换流站的子模块电容电压的变化示意图；
图11为本发明实施例中MMC4换流站的子模块电容电压的变化示意图；
图12为本发明实施例中MMC5换流站的子模块电容电压的变化示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例
如图1所示，一种多端MMC-MTDC***的协调启动方法，包括以下步骤：
S1、选择MMC-MTDC***中的单端MMC换流站作为主换流站，进行预充电，直到主换流站的子模块达到预充电的第一目标值；
S2、主换流站预充电完成后进行启动；
S3、MMC-MTDC***中除主换流站以外的单端MMC换流站作为从换流站解除闭锁状态，并入MMC-MTDC***的直流网络中，根据预设的可行性指标，调配主换流站启动时的能量对从换流站进行辅助预充电；
S4、从换流站的子模块达到预充电的第二目标值时，从换流站进行启动，从而完成整个MMC-MTDC***的预充电与启动。
单端MMC换流站的子模块的预充电方式包括他励预充电和自励预充电。
从换流站按照顺序依次并入MMC-MTDC***的直流网络中。
单端MMC换流站的子模块的预充电方式优选为自励预充电，如图2所示，自励预充电包括不可控预充电阶段和可控预充电阶段。
不可控预充电阶段的顺序在可控预充电阶段之前，步骤S1中主换流站的预充电具体为自励预充电的不可控预充电阶段，通过MMC换流站级控制器进行控制。
如图3所示，单端MMC换流站具体采用三相交流***，在不可控预充电阶段时，当输入电流为正时，电流经过二极管向电容充电，当输入电流为负时，子模块被切除。
三相交流***的电压的计算公式如下所示：
uA(t)＝Asin(ωt)
Figure BDA0003057983320000051
Figure BDA0003057983320000052
其中，uA、uB和uC为三相电压，A为电压有效值，ω为角速度，t为时间。
本实施例中，根据三相交流***的电压的计算公式，可以计算得到如图4所示的单个预充电周期内6个零点相位如下所示：
Figure BDA0003057983320000053
其中，t1、t2、t3、t4、t5和t6为6个零点相位，Δt为偏移的周期量，m为偏移的周期数，T为交流***的周期。
根据周期内6个零点相位计算得到不可控充电MMC***子模块的充电状态，具体如表1所示：
表1不可控预充电阶段三相导通情况
Figure BDA0003057983320000054
MMC-MTDC换流站级***的控制框图如图5所示，其中uabc和iabc为电源的三相电压和电流，Rac为线路电阻，Udc是直流侧电容电压，Lac为交流侧电感，Uac为交流侧电压，usd和usq为交流侧电压的dq分量，isd和isq是三相电源电流分解到直角坐标系上的量，Ps和Qs是MMC-MTDC***有功功率和无功功率，Udcref和usref分别为直流侧电压目标值、交流侧电压目标值，Psref为电网的有功功率目标值，Qsref为电网无功功率目标值。
在dq坐标系下，MMC***的启动控制包括电流控制和功率控制，其中电流控制用于调节变量，使dq轴电流可以有效的跟踪参考值idref和iqref，在一定程度上抑制相间环流；功率控制用于计算内环电流控制所需的dq轴电流目标值。
主换流站的启动方式为定直流电压启动控制，控制整个***的直流电压，从换流站的启动方式为定无功功率启动控制，达到控制直流电流的效果，进而实现MMC-MTDC***主从换流站的协调控制。
MMC-MTDC***主从控制框图如图6所示，主换流站控制MMC-MTDC***的Udc稳定，从换流站控制P2和P3，从而实现主从站的协调控制。
步骤S1中主换流站的子模块对应的第一目标值具体为主换流站电容总电压的70％。
主换流站的子模块的电容电压的计算公式如下所示：
Figure BDA0003057983320000061
其中，Uc_sm为主换流站的子模块的电压，Uph为MMC-MTDC***的交流侧相电压，N为换流站中子模块的数量。
步骤S4中从换流站的子模块对应的第二目标值具体如下所示：
uvalid/2N
其中，uvalid为MMC-MTDC***的直流侧电压有效值。
直流侧电压有效值的计算公式具体如下所示：
Figure BDA0003057983320000062
其中，A1、A2和An为MMC-MTDC***的直流侧电压对应的正弦函数中的系数，MMC-MTDC***的直流侧电压对应的正弦函数如下所示：
Udc(t)＝A1 sin(B1x+C1)+D1+A2sin(B2x+C2)+D2+....+An sin(Bnx+Cn)+Dn
其中，B1、B2、Bn、C1、C2、Cn、D1、D2和Dn为正弦函数的系数。
可行性指标的具体公式如下所示：
Figure BDA0003057983320000071
其中，
Figure BDA0003057983320000072
为本地换流站对远端换流站不可控充电子模块电容的最大电压值，Udcref/2N为主换流站启动完成后直流母线对从换流站的子模块电压可充到的最大值，uvalid/2N为主换流站启动过程中从换流站的子模块电压可以充电达到的最大值，Udcref/N为从换流站启动完成后的子模块的电容电压。
主换流站或从换流站若不符合可行性指标，则进行故障检测与故障分析，若符合则由***级控制器控制主换流站和从换流站进行启动。
如图7所示，本实施例通过MMC内环和外环控制MMC***的暂态充电过程，实现主换流站的启动，协调完成多个从换流站的预充电，完成整个MMC-MTDC***的协调启动。
本实施例中，为验证上述的MMC-MTDC协调启动控制方法的可行性，在MATLAB/Simulink上搭建了五端MMC-MTDC***仿真模型，五端MMC-MTDC***协调预充电与启动仿真模型结构图如图8所示，其中MMC1为主换流站，MMC2-MMC5为从换流站，具体仿真参数如表2所示：
表2五端MMC-MTDC***协调预充电与启动仿真模型参数
Figure BDA0003057983320000073
Figure BDA0003057983320000081
在MMC1主换流站启动和多个换流站并入直流网络的过程中，MMC1主换流站除了直流侧电压受到冲击影响外，子模块电容电压易受到冲击而出现较大的电容电压偏差的问题。如图9-12所示，在主MMC1换流站启动时，产生的能量给其他从MMC换流站同时充电，从MMC换流站分别在1.5s、2.5s、3.5s、4.5s并入直流网络中，子模块电容电压有一定的波动及偏差，但在各自控制器的作用下，很快就使偏差稳定在5％以内，可见本发明的协调启动的控制方法满足直流电压和子模块电容电压的要求，而且产生的能量冲击较小。
此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，所取名称可以不同，本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明结构所做的举例说明。凡依据本发明构思的构造、特征及原理所做的等效变化或者简单变化，均包括于本发明的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实例做各种各样的修改或补充或采用类似的方法，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种多端MMC-MTDC***的协调启动方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1、选择MMC-MTDC***中的单端MMC换流站作为主换流站，进行预充电，直到所述主换流站的子模块达到预充电的第一目标值；
S2、所述主换流站预充电完成后进行启动；
S3、所述MMC-MTDC***中除主换流站以外的单端MMC换流站作为从换流站解除闭锁状态，并入MMC-MTDC***的直流网络中，根据预设的可行性指标，调配主换流站启动时的能量对从换流站进行辅助预充电；
S4、所述从换流站的子模块达到预充电的第二目标值时，所述从换流站进行启动，从而完成整个MMC-MTDC***的预充电与启动。
2.根据权利要求1所述的一种多端MMC-MTDC***的协调启动方法，其特征在于，所述单端MMC换流站的子模块的预充电方式包括他励预充电和自励预充电。
3.根据权利要求2所述的一种多端MMC-MTDC***的协调启动方法，其特征在于，所述单端MMC换流站的子模块的预充电方式优选为自励预充电，所述自励预充电包括不可控预充电阶段和可控预充电阶段。
4.根据权利要求3所述的一种多端MMC-MTDC***的协调启动方法，其特征在于，所述不可控预充电阶段的顺序在所述可控预充电阶段之前，所述步骤S1中主换流站的预充电具体为自励预充电的不可控预充电阶段。
5.根据权利要求1所述的一种多端MMC-MTDC***的协调启动方法，其特征在于，所述主换流站的启动方式为定直流电压启动控制，所述从换流站的启动方式为定无功功率启动控制。
6.根据权利要求1所述的一种多端MMC-MTDC***的协调启动方法，其特征在于，所述步骤S1中主换流站的子模块对应的第一目标值具体为主换流站电容总电压的70％。
7.根据权利要求6所述的一种多端MMC-MTDC***的协调启动方法，其特征在于，所述主换流站的子模块的电容电压的计算公式如下所示：
Figure FDA0003057983310000021
其中，Uc_sm为主换流站的子模块的电压，Uph为MMC-MTDC***的交流侧相电压，N为换流站中子模块的数量。
8.根据权利要求7所述的一种多端MMC-MTDC***的协调启动方法，其特征在于，所述步骤S4中从换流站的子模块对应的第二目标值具体如下所示：
uvalid/2N
其中，uvalid为MMC-MTDC***的直流侧电压有效值。
9.根据权利要求8所述的一种多端MMC-MTDC***的协调启动方法，其特征在于，所述直流侧电压有效值的计算公式具体如下所示：
Figure FDA0003057983310000022
其中，A1、A2和An为MMC-MTDC***的直流侧电压对应的正弦函数中的系数，所述MMC-MTDC***的直流侧电压对应的正弦函数如下所示：
Udc(t)＝A1 sin(B1x+C1)+D1+A2 sin(B2x+C2)+D2+....+An sin(Bnx+Cn)+Dn
其中，B1、B2、Bn、C1、C2、Cn、D1、D2和Dn为正弦函数的系数。
10.根据权利要求8所述的一种多端MMC-MTDC***的协调启动方法，其特征在于，所述可行性指标的具体公式如下所示：
Figure FDA0003057983310000023
其中，
Figure FDA0003057983310000024
为本地换流站对远端换流站不可控充电子模块电容的最大电压值，Udcref/2N为主换流站启动完成后直流母线对从换流站的子模块电压可充到的最大值，uvalid/2N为主换流站启动过程中从换流站的子模块电压可以充电达到的最大值，Udcref/N为从换流站启动完成后的子模块的电容电压。
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