一种应用于高压直流输电的主动换相型电流源换流器基频控制策略

技术领域

本发明涉及直流输电技术领域，具体涉及一种主动换相型电流源换流器用于HVDC的基频控制策略。

背景技术

由于能源与用电负荷的空间分布不平衡，高压直流输电被广泛用于远距离大容量输电，目前工程中应用的HVDC换流器有电网换相换流器(Line-commutated Converter，LCC)和电压源换流器(Voltage Source Converter，VSC)两种。LCC具有建设成本低、运行损耗低等优点，但由于采用的器件为晶闸管，存在换相失败的风险；其次，LCC还需要大量的滤波器和无功补偿设备，占地面积巨大；另外，LCC还不能对无源系统供电。这些问题使得LCC的应用受到局限。VSC采用了全控开关器件，在运行性能上得到大幅提升，但也存在很多问题，例如，直流侧故障难以清除，大量电容器件使得换流器的体积庞大，成本造价较高等等。

基于全控型器件的主动换相型电流源换流器(Current Source Converter，CSC)结合了LCC 和VSC的优点，无换相失败问题，无需占地面积很大的无功补偿设备和储能电容，仅需较小的交流滤波电容和滤波电感，造价低、占地少，还可向无源系统供电，因此应用前景十分广阔。

目前CSC广泛采用的控制策略为脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)，然而 PWM-CSC应用于HVDC存在很多问题。例如，CSC的直流电压波动剧烈，且谐波复杂，难以完全滤除，无法达到远距离直流输电的要求；另外，PWM-CSC的开关频率较高，不仅损耗大，还给串联器件的均压带来困难；而且由于PWM调制比的限制，交流系统有功和无功的运行范围较小。因此应用于HVDC的CSC控制策略亟需改进。

发明内容

为了克服上述PWM-CSC用于HVDC的直流电压波动大、开关损耗高、有功无功运行范围小等问题，本发明提出了一种基于CSC的基频控制方法，包括基频独立控制和基频协调控制。其特征在于，CSC不再使用PWM调制，而是采用基频调制，每个开关在一个周期内仅开通和关断一次，等间隔触发各桥臂开关器件，且在开关器件导通120°电角度后将其主动关断。

本发明控制策略适用的主站换流器拓扑为n个6脉动CSC级联的CSC，n≥1。此处以n＝2为例进行说明，即以12脉动CSC为例进行说明。12脉动CSC由两台6脉动换流器在直流侧串联、交流侧并联而成，分别为高阀组CSC1和低阀组CSC2；高低阀组的各个桥臂由多个串联的全控开关器件组成，可以是逆阻型IGBT/IGCT，也可以是逆导型IGBT/IGCT与二极管串联；CSC1桥臂交流出口侧并联了星形连接的三相电容C1，再经串联的三相电抗器L1与星星连接的变压器T1相连，接入交流电网；CSC2桥臂交流出口侧并联了星形连接的三相电容C2，再经三相电抗器L2与星角连接的变压器T2相连，接入交流电网。

由于基频调制降低了控制的自由度，基频独立控制只能对单个电气量进行控制，如直流电压、直流电流，而无法对PQ进行解耦控制。

整流侧直流电压U

同理可得，逆变侧直流电压U

直流电流I

其中，N

根据式(1)～(3)，可以对基频独立控制策略进行设计。定直流电压控制器可设计为：直流电压测量值与参考值相减，经过一个PI环节，再经过限幅环节，即可得到触发角，用于生成开关器件的触发脉冲；定直流电流控制器可设计为：直流电流测量值与参考值相减，经过一个 PI环节，再经过限幅环节，即可得到触发角，用于生成开关器件的触发脉冲。

基频协调控制是将HVDC两端系统的整流站与逆变站进行协调，共同控制主站的有功功率和无功功率，实现了PQ解耦控制。

根据基尔霍夫定律，可列出式(4)：

其中，h(l)是高(低)阀组；j是相单元(j＝a，b，c)；I

当触发角为α时，高阀组出口处电流I

根据高低阀组的关系，可得：

由式(4)-(6)，可得流入交流系统的电流I

I

其中，

再根据功率瞬时功率理论，可得有功功率和无功功率：

因此，根据式(8)可以对基频协调控制策略进行设计，实现PQ解耦控制。PQ解耦控制分为外环控制和内环控制。外环控制输入为有功功率测量值P

本发明的有益效果是，在保证交流谐波特性满足要求的前提下，可以有效降低CSC的直流电压波动，降低开关损耗，协调控制策略可实现PQ解耦控制，并增大了PQ运行区间。

附图说明

图1是本发明提供的12脉动CSC拓扑结构图；

图2是本发明提供的基频独立控制策略框图；

图3是本发明提供的基频协调控制策略框图。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

图1是12脉动CSC拓扑结构图，此处以12脉动换流器为例进行说明，但本发明的保护范围不限于此。12脉动CSC由两台6脉动换流器在直流侧串联、交流侧并联而成，分别为高阀组CSC1和低阀组CSC2；高低阀组的各个桥臂由多个串联的全控开关器件组成，可以是逆阻型IGBT/IGCT，也可以是逆导型IGBT/IGCT与二极管串联；CSC1桥臂交流出口侧并联了星形连接的三相电容C1，再经串联的三相电抗器L1与星星连接的变压器T1相连，接入交流电网；CSC2桥臂交流出口侧并联了星形连接的三相电容C2，再经三相电抗器L2与星角连接的变压器T2相连，接入交流电网；高低阀组的变压器相位差为30°。

1)基频独立控制策略

基频控制是指每个开关器件在一个周期内仅开通和关断一次。基频独立控制策略可以由式 (1)-(3)设计得到，如图2所示。直流电压控制器为：直流电压测量值与参考值相减，经过一个 PI环节，再经过限幅环节，即可得到触发角，用于生成开关器件的触发脉冲；直流电流控制器为：直流电流测量值与参考值相减，经过一个PI环节，再经过限幅环节，即可得到触发角，用于生成开关器件的触发脉冲。

由于采用了全控器件，可以主动关断开关器件，因此触发角的理论范围可以是-180°～180°，而由式(1)～(3)可知，实现相同的直流电压或直流电流，触发角有正负对称的两个值，这两个触发角的选择并不影响有功功率的大小，但会影响无功的传输方向。因此可以通过限幅环节对触发角的运行区间进行限制，从而选择无功的传输方向，这为交流系统提供了选择，对交流系统是有利的。

2)基频协调控制策略

基频独立控制策略仅有触发角这一个控制自由度，无法实现有功无功解耦控制。而基频协调控制将HVDC两端换流站分为主站和子站，通过主站与子站的协调控制，实现对主站的PQ 解耦控制。

为简化外环控制器和内环控制器的设计，作如下变量替换。令：

将式(9)代入式(7)可得：

其中，i

根据式(9)、(10)可对内环控制器进行设计，根据式(8)可对外环控制器进行设计。外环和内环控制器如图3所示。PQ解耦控制分为外环控制和内环控制。外环控制输入为有功功率测量值P

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。