一种MMC型统一潮流控制器充电控制策略

摘要

本发明公开了一种MMC型统一潮流控制器充电控制策略，当统一潮流控制器并联侧及串联侧MMC完成交直流连接，满足准备充电条件后，由并联侧MMC发起换流器充电，充电控制策略包括并联侧MMC的充电控制策略和串联侧MMC的充电控制策略。本发明在分析统一潮流控制器充电过程的基础上，通过并联侧及串联侧MMC不控充电及主动充电的优化配合，实现对统一潮流控制器的平稳的充电启动，设计了相应的换流器控制实现策略；同时本发明实现简单，可靠性高，提高了统一潮流控制器启动运行的安全性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种MMC型统一潮流控制器充电控制策略，属于电力系统自 动化领域。

背景技术

统一潮流控制器(UnifiedPowerFlowController，UPFC)通过对换流器 的控制能够对多个电气参数实现柔性控制，实现线路有功和无功功率的准确调 节，系统无功电压控制控制，有助于提高输送能力及安全稳定水平，是目前柔 性交流输电技术的最高水平。近年来，随着换流器技术从两电平、三电平等拓 扑发展到多电平拓扑技术，其中模块化多电平(ModularMultilevelConverter， MMC)使其中的典型代表，这也使电力电子技术在高电压大功率输电领域得以推 广应用，MMC结构如图1所示。

MMC的电容分散于各子模块(submodule，SM)中，相较于两电平、三电平拓 扑，其电容器充电的动态过程复杂得多。一般来说，MMC电容的预充电方式可分 为他励和自励两种。他励是由辅助电源提供充电功率，自励是指由与换流器相 连交流系统向电容器充电。目前在工程中大部分采用自励充电的方式。考虑到 MMC电容器结构上分布式的特点，在自励充电过程中，需要保持各SM电容能量 的相对均衡，同时为限制充电电流，需要控制注入MMC的功率大小。

但是，MMC-UPFC由于其自身的结构特点和运行方式不同，其启动过程也具 有不同于单个MMC结构换流器以及MMC-HVDC(highvoltagedirectcurrent) 启动的新特点：(1)MMC-UPFC串联侧换流器的预充电过程需要附加额外控制, 由于不具备自励式启动所需要的交流电源串联侧换流器的预充电不能采用自励 式启动方式。串并联直流母线间的电气距离太短，易引起很大的过电流。假如 串联侧换流器以某种方式对其子模块进行预充电，并联侧换流器通过交流电源 进行自励式预充电，当独立充电的两部分连在一起时，由于两者间的电气距离 较短，会造成很大的环路过电流，损坏设备。(2)串联变压器以最小压降投入 系统，是MMC-UPFC的特殊要求，在MMC预充电过程结束后，应通过合理的控制 策略使串联变压器的压降最小。

作为MMC型UPFC系统正常运行的前提和基础，换流器的启动充电主要是子 模块电容器额定电压的建立，这是建立额定直流电压的中心环节。该环节若控 制不当将产生严重的过压和过流，甚至导致系统振荡，影响交流系统正常运行， 危及换流阀等设备及人身安全。因此，针对MMC型UPFC在充电启动过程的控制 策略进行研究，提出一种平稳的充电策略，对于UPFC及接入电网的安全稳定运 行具有重要意义。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种MMC型统一潮流控制器充电 控制策略。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种MMC型统一潮流控制器充电控制策略，当统一潮流控制器并联侧及 串联侧MMC完成交直流连接，满足准备充电条件后，由并联侧MMC发起换流 器充电，充电控制策略包括并联侧MMC的充电控制策略和串联侧MMC的充电 控制策略；

所述并联侧MMC的充电控制策略具体步骤为，

A1)，并联侧MMC发起统一潮流控制器充电指令，并联侧MMC进入充电 状态；

A2)初始化并联侧解锁信号Deblk_sh＝0和主动充电解锁状态标识chg_sh＝1；

A3)并联侧MMC进行不控充电；

投入充电电阻，通过合并联侧交流电源开关对统一潮流控制器换流阀充电；

A4)当交流电流I_sh＜I_th，且并联侧MMC子模块电容电压平均值 U_{sh_sm_avg}＞k_cdU_cN，则转至步骤A5)，否则继续不控充电；

其中，k_cd为电压门槛系数，I_th为并联侧电流无流门槛值，U_cN为子模块电 容电压额定值；

A5)退出充电电阻，并联侧MMC具备准备运行条件；

A6)并联侧MMC解锁，解锁信号Deblk_sh＝1，对并联侧MMC进行主动 充电；

A7)若并联侧MMC处于主动充电解锁状态，即chg_sh＝1，则转至步骤A8， 否则转至步骤A11；

A8)并联侧MMC主动充电控制采用定直流电压控制和定无功功率控制， 利用直流电压控制结合子模块电容电压均衡控制继续进行充电，其中，并联线 路无功功率参考值Q_{sh_ref}＝0，直流电压参考 U_{sh_DC_ref}＝min{U_dc+ΔU_dcref·(t-t₀),U_dcN}；

其中，ΔU_dcref为直流电压上升速率，U_dc为并联侧解锁充电开始时的直流电 压，t₀和t分别表示主动充电开始时刻及当前时刻；

A9)当并联侧MMC子模块电容电压最小值U_{sh_sm_min}＞k_{cd_H}U_cN，转至 A10，否则转至A7；

其中，k_{cd_h}为子模块电容电压高门槛系数；

A10)并联侧MMC充电结束，主动充电解锁状态标识chg_sh＝0，转至A6；

A11)并联侧MMC转入正常控制模式，采用定直流电压控制和定无功/电压 控制，其中，并联线路无功功率参考值Q_{sh_ref}＝0，直流电压参考U_{sh_DC_ref}＝U_dc；

A12)并联侧和串联侧MMC正常解锁运行后，统一潮流控制器运行，并保 持线路潮流为解锁前的潮流，统一潮流控制器充电启动完成，等待控制人员下 达新的控制指令；

串联侧MMC的充电控制策略具体步骤为，

B1)，并联侧MMC发起统一潮流控制器充电指令，串联侧MMC进入充电 状态；

B2)初始化串联侧解锁信号Deblk_se＝0和主动充电解锁状态标识chg_se＝1；

B3)串联侧MMC进行不控充电；

串联侧MMC由并联侧MMC通过直流侧充电；

B4)当串联侧MMC子模块电容电压最小值U_{se_sm_min}＞U_{L_th}，则转至步骤 B5)，否则继续不控充电，其中，U_{L_th}由满足子模块取能的最低电压决定；

B5)串联侧MMC解锁，解锁信号Deblk_se＝1，对串联MMC进行主动充 电；

B6)若串联侧MMC处于主动充电解锁状态，即chg_se＝1，则转至步骤A7， 否则转至步骤A10；

B7)串联侧MMC主动充电控制采用定有功功率控制和定交流电压控制， 其中，串联线路有功功率参考值P_{L_ref}＝P_L，交流电压参考值U_{se_AC_ref}＝0；

其中，P_L是实际的串联线路有功功率；

B8)当串联侧MMC子模块电容电压最小值U_{se_sm_min}＞0.95U_cN，转至B9， 否则转至B6；

B9)串联侧MMC充电结束，主动充电解锁状态标识chg_se＝0，解锁信号 Deblk_se＝0，转至B5；

B10)串并联MMC转入正常控制模式，采用定线路有功控制和定线路无功控 制，其中，串联线路有功功率参考值P_{L_ref}＝P_L，串联线路无功功率参考值 Q_{L_ref}＝Q_L，以对交流线路功率影响最小；

其中，Q_L是实际的串联线路无功功率；

B11)并联侧和串联侧MMC正常解锁运行后，统一潮流控制器运行，并保 持线路潮流为解锁前的潮流，统一潮流控制器充电启动完成，等待控制人员下 达新的控制指令。

k_cd＝0.75，k_{cd_h}＝0.95。

本发明所达到的有益效果：本发明在分析统一潮流控制器充电过程的基础 上，通过并联侧及串联侧MMC不控充电及主动充电的优化配合，实现对统一 潮流控制器的平稳的充电启动，设计了相应的换流器控制实现策略；同时本发 明实现简单，可靠性高，提高了统一潮流控制器启动运行的安全性。

附图说明

图1是MMC拓扑结构的示意图。

图2是UPFC的结构示意图。

图3是UPFC启动充电方案流程。

图4是MMC-UPFC不控充电等效电路。

图5是UPFC充电启动控制策略原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明 本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图2所示，MMC型UPFC充电启动包括并联侧MMC充电和串联侧MMC 充电。并联侧MMC的充电可以分为两个过程。第一个过程是合并联交流系统 开关，MMC闭锁状态在不控整流的作用下对子模块电容进行不控充电，联接变 阀侧线电压的峰值将在单个桥臂中所有子模块电容上平均分配，而直流电压的 最终值将等于交流线电压的峰值。第二个过程是换流器的解锁，对换流器进行 进一步的充电，使子模块电压和直流电压最终均维持在额定电压附近。由于电 容电压不能突变，因此从电容电压为零对其充电的瞬间直流回路相当于短路状 态，而IGBT器件对过电流非常敏感，过大的电流会损坏器件，因此一般在充电 回路中串接充电电阻，限制充电过程，尤其是充电开始时刻的过电流。充电过 程完成后应及时退出充电电阻，为下一阶段的输送功率做好准备。

而对于UPFC串联侧MMC，由于其无法进行交流侧自励充电，需要通过直 流侧来进行充电，即通过并联侧MMC来对串联侧MMC充电。对UPFC系统串 联侧MMC的充电也分为两个过程。第一个过程是在并联侧换流器充电的同时， 串联侧换流器同时通过直流侧不控充电为子模块电容充电，但该电压最终值仅 是并联侧换流器子模块的一半；第二个过程是通过主动充电对串联换流器的子 模块进一步充电。

根据上述分析，可设计了UPFC的充电时序和串并联侧的配合策略，实现 对UPFC换流器的平稳的充电启动。

具体方案如图3所示：

第一阶段，UPFC串联侧和并联侧MMC通过并联侧进行不控充电。

并联侧及串联侧MMC完成交直流连接，投入充电电阻，通过合并联侧交 流电源开关对UPFC换流阀充电，串联侧MMC由并联侧MMC通过直流侧充电， 其子模块电容电压为并联侧子模块电容电压的一半；如果该过程一直持续，最 终交流线电压的峰值在并联侧单个桥臂中所有子模块电容上平均分配，直流电 压的将等于交流电压的峰值，直流电压在串联侧MMC每个相单元的所有子模 块电容上平均分配，串联侧MMC子模块电容电压为并联侧MMC的一半，等效 充电模型如图4所示。

第二阶段，串联侧MMC进行主动充电。

串联侧MMC主动充电是通过换流阀充电解锁来实现。为了防止在较高的直 流电压下解锁后，使得并联侧MMC与串联侧MMC直流侧电压差过大而产生较大 的冲击电流，造成子模块电容电压波动较大，在第一阶段，直流电压建立的初 期，当满足子模块取能的最低电压要求后，解锁串联侧MMC。

为了保证串联侧MMC子模块充电的稳定性，充电期间串联侧MMC采用定有 功功率控制和定交流电压控制，其中，串联线路有功功率P_{L_ref}等于实际的串联 线路有功功率P_L，交流电压参考值U_{se_AC_ref}＝0，以保证充电阶段串联侧MMC解 锁后对交流线路功率影响最小。

串联侧MMC主动充电阶段，串联侧MMC解锁瞬间直流电压下降，然后逐步 上升，由于串联侧MMC解锁后投入子模块数量为相单元子模块数量的一半，即 直流电压由N个子模块共同承担。在MMC子模块电容电压均衡控制的作用下， 最终，串联侧MMC子模块电容电压趋于相等，且与并联侧MMC子模块电容电压 相等。

第三阶段，并联侧MMC进行主动充电。

充电过程中，随着子模块电容电压上升，充电电流逐渐下降，当并联侧交 流充电电流降为零后，并联侧不控充电结束。由于并联侧不控充电不能将串并 联子模块电容电压充至额定值，无法满足MMC-UPFC正常工作的需要，所以需要 采用控制策略对进一步对子模块电容电压进行充电，直到充电到额定水平。当 并联侧MMC不控充电结束后(充电电流为零)，退出充电电阻，并解锁并联侧MMC 采用定直流电压控制和定无功功率控制，利用直流电压控制结合子模块电容电 压均衡控制继续充电，使各模块间电容能量能够保持相对均衡并稳步上升，直 至MMC子模块电容电压到达额定水平。其中，并联线路无功功率参考值 Q_{sh_ref}＝0，直流电压参考U_{sh_DC_ref}为额定直流电压U_dcN，即U_{sh_DC_ref}＝U_dcN， 为降低对系统的冲击，定直流电压控制采用带斜率的控制方式，即直流电压参 考值按下式确定，

U_{sh_DC_ref}＝min{U_dc+ΔU_dcref·(t-t₀),U_dcN}

其中，ΔU_dcref为直流电压上升速率，U_dc为并联侧解锁充电开始时的直流电 压，t₀和t分别表示主动充电开始时刻及当前时刻。

如图5所示，根据上述方案制定的策略如下：

当统一潮流控制器并联侧及串联侧MMC完成交直流连接，满足准备充电 条件后，由并联侧MMC发起换流器充电，充电控制策略包括并联侧MMC的充 电控制策略和串联侧MMC的充电控制策略。

所述并联侧MMC的充电控制策略具体步骤为：

A1)，并联侧MMC发起统一潮流控制器充电指令，并联侧MMC进入充电 状态；

A2)初始化并联侧解锁信号Deblk_sh＝0和主动充电解锁状态标识chg_sh＝1；

A3)并联侧MMC进行不控充电；

投入充电电阻，通过合并联侧交流电源开关对统一潮流控制器换流阀充电；

A4)当交流电流I_sh＜I_th，且并联侧MMC子模块电容电压平均值 U_{sh_sm_avg}＞k_cdU_cN，则转至步骤A5)，否则继续不控充电；其中，k_cd为电压门 槛系数(一般小于0.866)，可取0.75，I_th为并联侧电流无流门槛值，U_cN为子模 块电容电压额定值；

A5)退出充电电阻，并联侧MMC具备准备运行条件；

A6)并联侧MMC解锁，解锁信号Deblk_sh＝1，对并联侧MMC进行主动 充电；

A7)若并联侧MMC处于主动充电解锁状态，即chg_sh＝1，则转至步骤A8， 否则转至步骤A11；

A8)并联侧MMC主动充电控制采用定直流电压控制和定无功功率控制， 利用直流电压控制结合子模块电容电压均衡控制继续进行充电，其中，并联线 路无功功率参考值Q_{sh_ref}＝0，直流电压参考 U_{sh_DC_ref}＝min{U_dc+ΔU_dcref·(t-t₀),U_dc}；

其中，ΔU_dcref为直流电压上升速率，U_dc为并联侧解锁充电开始时的直流电 压，t₀和t分别表示主动充电开始时刻及当前时刻。

A9)当并联侧MMC子模块电容电压最小值U_{sh_sm_min}＞k_{cd_H}U_cN，转至 A10，否则转至A7；其中k_{cd_H}为子模块电容电压高门槛系数(小于1)，可取0.95；

A10)并联侧MMC充电结束，主动充电解锁状态标识chg_sh＝0，转至A6；

A11)并联侧MMC转入正常控制模式，采用定直流电压控制和定无功/电压 控制，其中，并联线路无功功率参考值Q_{sh_ref}＝0，直流电压参考U_{sh_DC_ref}＝U_dc；

A12)并联侧和串联侧MMC正常解锁运行后，统一潮流控制器运行，并保 持线路潮流为解锁前的潮流，统一潮流控制器充电启动完成，等待控制人员下 达新的控制指令；

串联侧MMC的充电控制策略具体步骤为：

B1)，并联侧MMC发起统一潮流控制器充电指令，串联侧MMC进入充电 状态；

B2)初始化串联侧解锁信号Deblk_se＝0和主动充电解锁状态标识chg_se＝1；

B3)串联侧MMC进行不控充电；

串联侧MMC由并联侧MMC通过直流侧充电；

B4)当串联侧MMC子模块电容电压最小值U_{se_sm_min}＞U_{L_th}，则转至步骤 B5)，否则继续不控充电，其中，U_{L_th}由满足子模块取能的最低电压决定；

B5)串联侧MMC解锁，解锁信号Deblk_se＝1，对串联MMC进行主动充 电；

B6)若串联侧MMC处于主动充电解锁状态，即chg_se＝1，则转至步骤A7， 否则转至步骤A10；

B7)串联侧MMC主动充电控制采用定有功功率控制和定交流电压控制， 其中，串联线路有功功率参考值P_{L_ref}＝P_L，交流电压参考值U_{se_AC_ref}＝0；

其中，P_L是实际的串联线路有功功率；

B8)当串联侧MMC子模块电容电压最小值U_{se_sm_min}＞k_{cd_H}U_cN，转至B9， 否则转至B6；

B9)串联侧MMC充电结束，主动充电解锁状态标识chg_se＝0，解锁信号 Deblk_se＝0，转至B5；

B10)串并联MMC转入正常控制模式，采用定线路有功控制和定线路无功控 制，其中，串联线路有功功率参考值P_{L_ref}＝P_L，串联线路无功功率参考值 Q_{L_ref}＝Q_L，以对交流线路功率影响最小；

其中，Q_L是实际的串联线路无功功率；

B11)并联侧和串联侧MMC正常解锁运行后，统一潮流控制器运行，并保 持线路潮流为解锁前的潮流，统一潮流控制器充电启动完成，等待控制人员下 达新的控制指令。

综上所述，本发明在分析统一潮流控制器充电过程的基础上，通过并联侧 及串联侧MMC不控充电及主动充电的优化配合，实现对统一潮流控制器的平 稳的充电启动，设计了相应的换流器控制实现策略；同时本发明实现简单，可 靠性高，提高了统一潮流控制器启动运行的安全性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通 技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变 形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。