CN103066587B - 一种模块化多电平柔性直流系统的优化配置方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的一种模块化多电平柔性直流系统的优化配置方法，包括步骤有：（1）配置双极拓扑结构的换流器；（2）根据双极拓扑结构的换流器配置电容能量平衡电流的通路；（3）计算子模块的输出电压设定值，通过所述通路，根据输出电压设定值控制子模块，用于实现电容能量平衡。本发明使用元器件数量少，价格便宜，易于实现高压大容量架空线传输结构，其平衡策略可有效实现电容能量平衡。

Description

一种模块化多电平柔性直流系统的优化配置方法
技术领域
本发明属于柔性直流输电技术领域，具体涉及一种模块化多电平柔性直流系统的优化配置方法。
背景技术
柔性直流输电系统是基于以全控型器件（IGBT）为核心的电压源型换流器的直流输电系统，其性能优越，应用扩展性好，在风电接入、电网互联、城市供电以及孤岛供电等多个领域有着广阔的应用前景，近年来，模块化多电平柔性直流输电技术发展极为迅速。
柔性直流输电系统的换流器是其核心元件，用于实现交直流电气量的转换，高压柔性直流换流器的发展从原有的两电平拓扑、三电平拓扑，逐渐转变为现在的模块化多电平拓扑，其由6个桥臂组成，上下两个桥臂为一个单项换流单元。每个桥臂由多个子模块（Submodule,SM）串联而成，子模块是由两个（或四个）IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor，绝缘栅双极型晶体管)及电容器组成的半桥（或全桥）结构，如图1和图2所示。其工作原理是通过IGBT器件的开通和关断，将电容投入电路或者退出电路，合理的控制多个子模块的投入和退出，就可以在交直流侧形成稳定的电压，从而形成稳定的系统工作点进行功率传输，如图2所示。
然而，现有的模块化多电平技术采用多个子模块叠加，需要大量的电容和IGBT器件，若采用全桥拓扑，需要的器件数量更多，价格非常昂贵，采用新型的拓扑以降低系统造价，并将系统从电缆应用推广到架空线应用已成为非常重要的研究方向。
新型拓扑结构的提出为柔性直流向高压大容量架空线领域发展提供了崭新的方法。新型拓扑价格相对较低，损耗小，可实现大容量等级应用，有着广阔的应用前景。
现有技术中，其拓扑结构主要有三种基本结构，结构一为采用全桥子模块级联和IGBT引导开关结合的形式，可以在应用较少子模块的情况下实现功率传输，同时能够实现交直流故障穿越；结构二采用单相全桥结构和半桥子模块级联结构串并联的形式，实现功率传输，但结构二难以实现直流故障穿越，交流故障也需要通过复杂的控制实现；文章提出的结构三，即如图4和图5所示的叙述的拓扑结构，可通过串联或者并联的方式实现功率传输，同时由于采用全桥级联，交直流故障穿越实现简单。
针对上述结构二的结构，其演变的拓扑结构难以实现直流故障穿越。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种模块化多电平柔性直流系统的优化配置方法，实现电容能量平衡。
本发明提供的一种模块化多电平柔性直流系统的优化配置方法，其改进之处在于，所述方法包括如下步骤：
（1）配置双极拓扑结构的换流器；
（2）根据双极拓扑结构的换流器配置电容能量平衡电流的通路；
（3）计算子模块的输出电压设定值，通过所述通路，根据输出电压设定值控制子模块，用于实现电容能量平衡。
其中，步骤（1）所述配置双极拓扑结构的换流器是通过两个串联型拓扑结构的换流器的负极和正极连接于同一接地点，另外的正极和负极连接传输线路，构成双极拓扑结构的换流器，或
通过两个并联型拓扑结构的换流器的负极和正极连接于同一接地点，另外的正极和负极连接传输线路，构成双极拓扑结构的换流器。
其中，所述串联型拓扑结构的换流器是采用单相换流单元的A相负极和B相正极联结、B相负极和C相正极联结，A相正极和C相负极分别作为直流线路的正负极的接线形式。
其中，所述并联型拓扑结构的换流器是采用A、B、C三相正极联结后作为直流线路正极，A、B、C三相负极联结后作为直流线路负极的接线形式。
其中，若所述双极拓扑结构的换流器是通过两个串联型拓扑结构的换流器构成的，则在正极与接地极之间设置滤波器I，在负极与接地极之间设置滤波器I；
所述滤波器I由串联的子模块构成；所述子模块包括并联的电容和半桥结构的IGBT模块。
其中，若所述双极拓扑结构的换流器是通过两个并联型拓扑结构的换流器构成的，则在所述双极拓扑结构的换流器的直流输出端设置有滤波器I；
所述滤波器I由串联的子模块构成；所述子模块包括并联的电容和半桥结构的IGBT模块。
其中，步骤（2）所述根据双极拓扑结构的换流器配置电容能量平衡电流的通路的方法包括：
在双极拓扑结构的换流器的交流侧设置滤波器II。
其中，步骤（2）所述根据双极拓扑结构的换流器配置电容能量平衡电流的通路的方法包括：
增加一个单项三绕组变压器，其三个绕组对应交流电网的变压器；所述三绕组采用心形连接的方式，任意两个绕组之间设置有电容和电阻。
其中，步骤（3）所述计算子模块的输出电压设定值的步骤包括：
1）根据三相实际子模块能量和设定能量的差，经过控制环节得到注入电流幅值设定值；
2）根据电流幅值设定值和相位设定值得到三次谐波注入的设定值；
3）将三次谐波设定值和实际值比较，经过所述控制环节，得到级联子模块的输出电压设定值。
其中，当双极拓扑结构的换流器的容量出现老化损失时，调节滤波器I的输出电压，对其进行相应补偿。
与现有技术比，本发明的有益效果为：
1、本发明使用元器件数量少，价格便宜，易于实现高压大容量架空线传输结构；
2、本发明提出的平衡策略可有效实现电容能量平衡；
3、本发明的变压器接线形式和相关通路设计可有效提供电容能量平衡电流通路；
4、本发明的滤波器配置方案既可以灵活滤除谐波，也可以阻断电容放电电流，而且能够补偿长期老化造成的容值损失；
5、本发明提出的两种通过单相结构组合可实现三相结构的拓扑，可以有效实现交直流故障穿越，同时，所提出的拓扑或者变压器配置方法可有效实现系统电压均衡策略，同时所提出的一种可选的滤波器设计方案可有效实现有源滤波、阻断故障电流，同时还能补偿由于元件老化导致的容值损失。
附图说明
图1为本发明提供的半桥结构的子模块结构示意图。
图2为本发明提供的全桥结构的子模块结构示意图。
图3为本发明提供的子模块单相工作机理示意图。
图4为本发明提供的换流器接入系统的拓扑结构示意图一。
图5为本发明提供的换流器接入系统的拓扑结构示意图二。
图6为本发明提供的双极拓扑结构示意图。
图7为本发明提供的滤波器通路配置方法。
图8为本发明提供的变压器的配置方法。
图9为本发明提供的滤波器采用子模块实现的方式。
图10为本发明提供的优化配置方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
本实施例提供的一种模块化多电平柔性直流系统的优化配置方法，其流程图如图10所示，具体包括如下步骤：
（1）配置双极拓扑结构的换流器，其结构图如图6所示；
所述配置双极拓扑结构的换流器是通过两个串联型拓扑结构的换流器的负极和正极连接于同一接地点，另外的正极和负极连接于传输线路，构成双极拓扑结构的换流器，或
通过两个并联型拓扑结构的换流器的负极和正极连接于同一接地点，另外的正极和负极连接于传输线路，构成双极拓扑结构的换流器。
若所述双极拓扑结构的换流器是通过两个串联型拓扑结构的换流器构成的，则在正极与接地极之间设置滤波器I，在负极与接地极之间设置滤波器I；若所述双极拓扑结构的换流器是通过两个并联型拓扑结构的换流器构成的，则在所述双极拓扑结构的换流器的直流输出端设置有滤波器I；
所述滤波器I用于滤除谐波，由串联的子模块构成；所述子模块包括并联的电容和半桥结构的IGBT模块，如图9所示。其中，所述串联型拓扑结构的换流器是采用单相换流单元的A相负极和B相正极联结、B相负极和C相正极联结，A相正极和C相负极分别作为直流线路的正负极的接线形式。并联型拓扑结构的换流器是采用A、B、C三相正极联结后作为直流线路正极，A、B、C三相负极联结后作为直流线路负极的接线形式。
（2）根据双极拓扑结构的换流器配置电容能量平衡电流的通路，其通过两种方式实现；
①在双极拓扑结构的换流器的交流侧设置滤波器，如图7所示（此图只画出双极结构的一半，其另一半原理和结构与此部分一样）。此滤波器为三次谐波滤波器
②改变变压器的接线方式，如图8所示，增加一个单项三绕组变压器，其三个绕组对应交流电网中的变压器；所述三绕组采用心形连接的方式，任意两个绕组之间设置有电容和电阻（如图中的10所示）其电容和电阻采取串联或并联的方式，其值根据注入三次谐波的相位要求设定。
（3）计算子模块的输出电压设定值，通过所述通路，根据输出电压设定值控制子模块，用于实现电容能量平衡。
计算子模块的输出电压设定值的步骤包括：
1）根据三相实际子模块能量和设定能量的差，经过控制环节（如比例积分环节，双反馈环节）得到注入电流幅值设定值；
2）根据电流幅值设定值和相位设定值得到三次谐波注入的设定值；
3）将三次谐波设定值和实际值比较，经过所述控制环节，得到级联子模块的输出电压设定值。
上述方式的一种可替代方案是将三次谐波设定与基频分量设定叠加作为总体输入，集中进行电流控制跟踪；
当双极拓扑结构的换流器的容量出现老化损失时，调节滤波器I的输出电压，对其进行相应补偿。
本实施例通过串联或者并联单相结构单元的方式，可以实现三相功率传输；通过改变变压器接线方式，可以提供用于电容能量平衡的零序电流通路；以串联半桥子模块的形式代替直流滤波器，可以实现灵活的有源滤波，同时可以在直流故障情况下关断电容放电电流，快速实现故障隔离，还可以实现容值损失的补偿。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：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，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.一种模块化多电平柔性直流系统的优化配置方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)配置双极拓扑结构的换流器；
所述配置双极拓扑结构的换流器是通过两个串联型拓扑结构的换流器的负极和正极连接于同一接地点，另外的正极和负极连接传输线路，构成双极拓扑结构的换流器，或通过两个并联型拓扑结构的换流器的负极和正极连接于同一接地点，另外的正极和负极连接传输线路，构成双极拓扑结构的换流器；
(2)根据双极拓扑结构的换流器配置电容能量平衡电流的通路；
所述步骤(2)的具体方法包括：在双极拓扑结构的换流器的交流侧设置滤波器II或者增加一个单相三绕组变压器，其三个绕组对应交流电网的变压器；所述三绕组采用星形连接的方式，任意两个绕组之间设置有电容和电阻；
(3)计算子模块的输出电压设定值，通过所述换流器配置电容能量平衡电流的通路，根据输出电压设定值控制子模块，用于实现电容能量平衡；
所述计算子模块的输出电压设定值的步骤包括：
1)根据三相实际子模块能量和设定能量的差，经过控制环节得到注入电流幅值设定值；
2)根据电流幅值设定值和相位设定值得到三次谐波注入的设定值；
3)将三次谐波设定值和实际值比较，经过所述控制环节，得到级联子模块的输出电压设定值；
所述串联型拓扑结构的换流器是采用单相换流单元的A相负极和B相正极连接、B相负极和C相正极连接，A相正极和C相负极分别作为直流线路的正负极的接线形式；
所述并联型拓扑结构的换流器是采用A、B、C三相正极连接后作为直流线路正极，A、B、C三相负极连接后作为直流线路负极的接线形式；
若所述双极拓扑结构的换流器是通过两个串联型拓扑结构的换流器构成的，则在正极与接地极之间设置滤波器I，在负极与接地极之间设置滤波器I；
所述滤波器I由串联的子模块构成；所述子模块包括电容和半桥结构的IGBT模块；
若所述双极拓扑结构的换流器是通过两个并联型拓扑结构的换流器构成的，则在所述双极拓扑结构的换流器的直流输出端设置有滤波器I；
所述滤波器I由串联的子模块构成；所述子模块包括电容和半桥结构的IGBT模块；
当双极拓扑结构的换流器的容量出现老化损失时，调节滤波器I的输出电压，对其进行相应补偿。
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