一种谐波补偿型柔性直流换流器及控制方法

摘要

本发明公开了一种谐波补偿型柔性直流换流器及控制方法，涉及电力系统输配电领域。该谐波补偿型柔性直流换流器包括有功功率控制和谐波补偿两部分，该换流器一方面通过外环定功率控制保证换流器的有功功率传输，另一方面通过对相控换流器或二极管整流器接入直流输电系统的谐波进行预测分析，作为本谐波补偿型柔性直流换流器的控制指令，与有功控制指令值叠加后对柔性直流换流器进行控制，使柔性直流换流器在有功功率传输的同时，无需配置额外的滤波装置便能对混合直流输电系统接入点的谐波进行补偿，以提升混合直流输电系统的整体电能质量。本发明适用于柔性直流换流器的设计与制造和包含电压源换流器的直流输电系统的谐波补偿控制。

说明书

技术领域

本发明涉及电力系统输配电领域，更具体地，涉及一种谐波补偿型柔性直流换流器及控制方法。

背景技术

我国能源基地和负荷中心在空间上逆向分布的特点促使了能源资源大范围优化配置的迫切需求。由于具备远距离大容量输电的优势，直流输电技术在能源资源优化配置的过程中发挥了重要作用。然而，大量换流器的投入使用和电力系统的电力电子化使电力系统非线性，使得电力系统的谐波问题日益凸显。

当前，工程上应对混合直流输电系统谐波的方法是配置滤波器。滤波器的种类有：无源滤波器、有源滤波器和混合滤波器。无源滤波器具有结构简单、成本低廉、运行可靠性较高、运行费用较低等优点，被广泛的应用于谐波的治理，但其对谐波的滤除率一般只有80％，对基波的无功补偿也很有限。有源滤波依靠电力电子装置，在检测到系统谐波的同时产生一组和系统幅值相等、相位相反的谐波相量，从而抵消系统谐波，使其波形正弦化。有源滤波除了滤除谐波外，同时还可以动态补偿无功功率。其优点是反映动作迅速，滤除谐波可达到95％以上。有源滤波器同无源滤波器比较，治理效果好，主要可以同时滤除多次及高次谐波，不会引起谐振。但有源滤波器缺点为价格高，容量小，对谐波的改善非常有限。无论是无源滤波器还是有源滤波器，都是为抑制系统谐波而配置的额外装置，使系统的结构复杂化，提升了换流器的占地面积，对换流器的选址及工程造价有较大影响，在远海风电直流输电工程中尤为明显。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种谐波补偿型柔性直流换流器及控制方法，使得混合直流输电系统不需额外配置滤波装置，由此解决现有无源滤波技术占地面积大、滤波效果不理想，以及有源滤波器技术投资高、容量受限的问题，大大提高了混合直流输电系统的经济性。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种谐波补偿型柔性直流换流器，应用于采用柔性直流输电的混合直流输电系统，在保证有功功率传输的同时能够通过输出谐波电压的方式来补偿混合直流输电系统的谐波电压或电流，包括有功功率控制器、内环电流控制器、第一限幅环节、谐波补偿控制器、第二限幅环节和第三限幅环节。

有功功率控制器的输出作为内环电流控制器的输入，其中，所述有功功率控制器用于调节柔性直流换流器有功传输，所述内环电流控制器用于确保换流器输出电流的跟踪和换流器内部的环流抑制，所述内环电流控制器输出的调制信号与所述第一限幅环节连接，所述第一限幅环节用于限制所述调制信号的幅值；

混合直流输电系统中相控换流器或二极管整流器的谐波分量为谐波补偿控制器的输入，谐波补偿控制器输出的谐波补偿控制量与所述第二限幅环节连接，第二限幅环节用于限制所述谐波补偿控制量的幅值；

有功功率控制器或内环电流控制器或第一限幅环节的输出量与谐波补偿器的输出量进行叠加得到的换流器的控制量为第三限幅环节的输入，所述第三限幅环节用于限制所述控制量的幅值，进行调制后的换流器的控制量作为对控制点电压和电流的谐波补偿，用于提升混合直流输电系统的电能质量。

优选地，所述有功功率控制器包括：有功功率比例—积分控制器、有功功率比例控制器、有功功率模糊逻辑控制器、有功功率神经网络控制器、有功功率重复控制器及有功功率模型预测控制中的任意一种。

优选地，所述内环电流控制器包括：内环电流比例—积分控制器、内环电流比例控制器、内环电流模糊逻辑控制器和内环电流神经网络控制器中的任意一种。

优选地，所述谐波补偿控制器包括：谐波补偿比例—积分控制器、谐波补偿比例控制器、谐波补偿模糊逻辑控制器、谐波补偿神经网络控制器、谐波补偿重复控制器及谐波补偿模型预测控制中的任意一种。

优选地，换流器外环控制可采用有功类或无功类控制量的任意一种或同时采用两种，都可以完成对混合直流输电系统任意点的谐波补偿。

通过对混合直流输电系统建立数学模型，可数值计算出系统任意点的谐波情况，以此为依据及控制参考，控制本谐波补偿型柔性直流换流器在该点产生与该点此前谐波幅值相等、相位相反的谐波电压或电流，完成谐波的补偿，提升混合直流输电系统的电能质量。

作为本发明的另一方面，本发明提供了谐波补偿型柔性直流换流器的控制方法，包括以下步骤：

S1.将有功功率控制器的输出量作为内环电流控制器的输入参考值；

S2.将混合直流输电系统中相控换流器或二极管整流器的谐波分量进行预测分析，作为谐波补偿控制器的输入量，产生对应谐波补偿控制量；

S3.将有功功率控制器或内环电流控制器或第一限幅环节的输出量与谐波补偿器的输出量进行叠加到换流器的控制量；

S4.将换流器的控制量进行调制，确保换流器的有功功率传输和对控制点电压和电流的谐波补偿，以提升混合直流输电系统的电能质量。

优选地，本发明提供的谐波补偿控制方法可应用于两电平换流器、三电平换流器、模块化多电平换流器等任何一种电压源换流器中。

优选地，本发明提供的谐波补偿型柔性直流换流器及其控制系统可应用于任何包含电压源型换流器的混合直流输电系统中，对于系统单极、双极和伪双极主接线形式，均可对混合直流输电系统进行谐波补偿。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，本发明提出的谐波补偿型柔性直流换流器及其控制方法可以在保证有功功率传输的同时对混合直流输电系统的谐波进行补偿，而无需配置额外的滤波装置，简化系统的设计和提升电能的质量，极大减少混合直流输电系统的成本、体积。

附图说明

图1是现有的并联型混合直流输电系统的示意图；

图2是本发明一个实施例谐波补偿型柔性直流环流器的控制原理图；

图3是混合直流输电系统整流侧交流端示意图；

图4是混合直流输电系统由LCC与MMC并联进行有功功率传输示意图；

图5是混合直流输电系统由LCC与MMC串联，为伪双极系统接线，进行有功功率传输示意图；

图6是混合直流输电系统由LCC与MMC串联，为双极系统接线，进行有功功率传输示意图；

图7是混合直流输电系统由LCC与MMC串联，为单极系统接线，进行有功功率传输示意图；

图8是混合直流输电系统单个LCC与多个并联MMC串联进行功率传输示意图；

图9是混合直流输电系统由DR与MMC并联进行有功功率传输示意图；

图10是混合直流输电系统由DR与MMC串联，为伪双极系统接线，进行有功功率传输示意图；

图11是混合直流输电系统由DR与MMC串联，为双极系统接线，进行有功功率传输示意图；

图12是混合直流输电系统由DR与MMC串联，为单极系统接线，进行有功功率传输示意图；

图13是实施例混合直流输电系统采用谐波补偿型柔性直流换流器的结构示意图；

图14为换流器MMC的网侧交流电流实际值；

图15为换流器LCC的网侧交流电流实际值；

图16为电网交流电流实际值；

图17为换流器LCC的有功功率传输实际值；

图18为换流器MMC的有功功率传输实际值。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供了一种谐波补偿型柔性直流换流器，用于直流输电系统有功功率传输，并可充当有源滤波器对混合直流输电系统的谐波进行补偿，减少混合直流输电系统无源滤波的使用，从而减少工程建设成本和占地空间，提升滤波效果，改善混合直流输电系统的电能质量。包括有功功率控制器、内环电流控制器、第一限幅环节、谐波补偿控制器、第二限幅环节和第三限幅环节。

有功功率控制器的输出作为内环电流控制器的输入，其中，所述有功功率控制器用于调节柔性直流换流器有功传输，所述内环电流控制器用于确保换流器输出电流的跟踪和换流器内部的环流抑制，所述内环电流控制器输出的调制信号与所述第一限幅环节连接，所述第一限幅环节用于限制所述调制信号的幅值；

混合直流输电系统中相控换流器或二极管整流器的谐波分量为谐波补偿控制器的输入，谐波补偿控制器输出的谐波补偿控制量与所述第二限幅环节连接，第二限幅环节用于限制所述谐波补偿控制量的幅值；

有功功率控制器或内环电流控制器或第一限幅环节的输出量与谐波补偿器的输出量进行叠加得到的换流器的控制量为第三限幅环节的输入，所述第三限幅环节用于限制所述控制量的幅值，进行调制后的换流器的控制量作为对控制点电压和电流的谐波补偿，用于提升混合直流输电系统的电能质量。

本发明各实施例所涉及的各主要变量或缩写的物理意义列于下表1中。

表1

图1是现有的并联型混合直流输电系统的示意图。LCC与MMC并联共同接入混合直流输电系统进行传输有功功率。LCC处配置无源滤波器，滤除LCC的谐波，并提供无功补偿。带来的问题是，第一，无源滤波器滤波效果有限，对系统谐波情况的改善有限。第二，无源滤波器占地面积大，约为换流站占地面积的三分之一，提升了工程造价和设计难度，在远海风电的建设中，此特点尤为明显。

图2为本发明一个实施例谐波补偿型柔性直流环流器的控制原理图，将有功功率控制器的输出量作为内环电流控制器的输入参考值，其中，所述有功功率控制器用于调节柔性直流换流器有功传输，所述内环电流控制器用于确保换流器输出电流对参考值的跟踪和换流器内部的环流抑制；

将混合直流输电系统的谐波分量进行预测分析，作为谐波补偿控制器的输入量，产生对应谐波补偿控制量；

将内环电流控制器的调制信号与谐波补偿器的调制信号进行叠加得到换流器的控制量；

将换流器的控制量进行调制，确保换流器的有功功率传输和对控制点电压和电流的谐波补偿，以提升混合直流输电系统的电能质量。

图3为混合直流输电系统整流侧交流端示意图，交流端既可以只包含一种交流系统，也可以是交流电网、风电孤岛和光伏基地的任意组合。组合方式有：交流电网+风电孤岛、交流电网+光伏基地、风电孤岛+光伏基地以及交流电网+风电孤岛+光伏基地。

图4为另一实施例中混合直流输电系统由LCC与MMC并联进行有功功率传输示意图，该实施例的LCC与MMC的数目均不限于一个，MMC在传输有功功率的同时可对LCC的谐波进行补偿，无需配置额外滤波装置。

图5为另一实施例中混合直流输电系统由LCC与MMC串联，为伪双极系统接线，进行有功功率传输示意图，该实施例的LCC与MMC的数目均不限于一个，MMC在传输有功功率的同时可对LCC的谐波进行补偿，无需配置额外滤波装置。

图6为另一实施例中混合直流输电系统由LCC与MMC串联，为双极系统接线，进行有功功率传输示意图，该实施例的LCC与MMC的数目均不限于一个，MMC在传输有功功率的同时可对LCC的谐波进行补偿，无需配置额外滤波装置。

图7为另一实施例中混合直流输电系统由LCC与MMC串联，为单极系统接线，进行有功功率传输示意图，该实施例的LCC与MMC的数目均不限于一个，MMC在传输有功功率的同时可对LCC的谐波进行补偿，无需配置额外滤波装置。

图8为另一实施例中混合直流输电系统LCC与MMC串联进行功率传输示意图，该实施例的级联换流阀的LCC与MMC可由多个换流器并联组成，MMC均可采用谐波补偿控制对混合直流输电系统进行谐波补偿。

图9为另一实施例中混合直流输电系统由DR与MMC并联进行有功功率传输示意图，该实施例的DR与MMC的数目均不限于一个，MMC在传输有功功率的同时可对DR的谐波进行补偿，无需配置额外滤波装置。

图10为另一实施例中混合直流输电系统由DR与MMC串联，为伪双极系统接线，进行有功功率传输示意图，该实施例的DR与MMC的数目均不限于一个，MMC在传输有功功率的同时可对DR的谐波进行补偿，无需配置额外滤波装置。

图11为另一实施例中混合直流输电系统由DR与MMC串联，为双极系统接线，进行有功功率传输示意图，该实施例的DR与MMC的数目均不限于一个，MMC在传输有功功率的同时可对DR的谐波进行补偿，无需配置额外滤波装置。

图12为另一实施例中混合直流输电系统由DR与MMC串联，为单极系统接线，进行有功功率传输示意图，该实施例的DR与MMC的数目均不限于一个，MMC在传输有功功率的同时可对DR的谐波进行补偿，无需配置额外滤波装置。

图13所示柔性直流输电系统用于仿真测试本发明所提出的谐波补偿型柔性直流换流器对有功功率传输和对系统谐波补偿的有效性。LCC与MMC并联共同接入混合直流输电系统进行传输有功功率，其中LCC与MMC的容量皆为800MVA，LCC与MMC直流端电压皆为400KV。LCC采用定直流电流控制，MMC采用定有功功率和谐波补偿控制。t＝3.0s时刻，MMC谐波补偿控制投入运行，在补偿点产生与此前谐波幅值相等、相位相反的补偿谐波。

图14为换流器MMC的网侧交流电流实际值。可以看到，在3s时刻谐波补偿控制投入运行后，换流器MMC在网侧产生对应的谐波交流电流。

图15为换流器LCC的网侧交流电流实际值。可以看到，在谐波补偿控制投入运行前后，换流器LCC一直在网侧产生谐波交流电流。

图16为电网交流电流实际值。可以看到，在3s前谐波补偿控制未投入，电网电流中含有大量谐波，在3s时刻谐波补偿控制投入运行后，电网电流的谐波电流被补偿。

图17为换流器LCC的有功功率传输实际值。可以看到，在3s时刻谐波补偿控制投入运行后，换流器LCC仍能保证有功功率的恒定传输。

图18为换流器MMC的有功功率传输实际值。可以看到，在3s时刻谐波补偿控制投入运行后，换流器MMC仍能保证有功功率的恒定传输。

以上内容本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。