CN117060406B - 一种基于owt-dmmc的柔性直流输电系统的运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及柔性直流输电技术领域，公开了一种基于OWT‑DMMC的柔性直流输电系统的运行方法，OWT‑DMMC中，变压器二次侧的三相绕组打开，与线路电感L串联后分别与两个相同半桥式MMC，即MMC‑Ⅰ和MMC‑Ⅱ的同相交流端口连接；变压器一次侧经过交流线路与网侧相连；通过送端换流站与受端换流站其中之一控制直流电压水平，另一换流站则控制直流线路传输有功功率大小；本发明可以实现不同直流端口的潮流能够灵活调节，此外存在冗余直流线路回路，发生直流故障后，不仅能实现故障穿越，而且功率输送不会中断。本发明为柔性直流输电系统提供了一种极具优势的输电结构及运行方式。

Description

一种基于OWT-DMMC的柔性直流输电系统的运行方法

技术领域

本发明涉及柔性直流输电技术领域，具体为一种基于OWT-DMMC的柔性直流输电系统的运行方法。

背景技术

为了应对全球性的化石能源危机与环境、气候变化问题，近年来以太阳能、风能为代表的可再生清洁能源发电方式已经迅速发展并逐步代替传统火电为主的发电方式。然而这种大规模新能源发电模式带来了新的安全稳定运行、与能量消纳难题。模块化多电平换流器（modular multilevel converter，MMC）有着模块化设计、可拓展性好、单个器件开关频率低、谐波性能好等诸多优点，作为变流器已经被广泛应用在高压直流输电（high-voltagedirect current，HVDC）领域。而传统的MMC没有直流故障处理能力，在直流侧发生短路故障后，MMC型变流器无法阻止交流电网向直流线路馈入短路电流，这将引发换流阀的半导体器件因过流而烧毁并使整个输电系统停止运转。因此研究MMC型高压直流输电系统的直流故障清除方法有着重要的工程意义。此外，多端互联直流网络的直流线路电流不是全部可控的，会造成部分线路过负荷，通常每条直流线路上都要额外嵌入潮流控制装备来调节直流电流。

使用直流断路器（DC circuit breaker ，DCCB）来切除短路的直流线路是最直接的方法。然而目前的DCCB受限于关断时间与有限的驱散容量，在某些高压输电工程中仍无法应用，DCCB的性能与成本还需要进一步研究与优化才能在高压输电工程中大规模商业应用。改进子模块使MMC具备隔离直流故障能力成为了当前研究热点。近年来，已经提出很多有直流故障清除能力的改进型子模块，如钳位型双子模块、自阻断子模块、反向阻断子模块。然而应用这些改进子模块会增加很多的器件制造成本与控制复杂度。

综上所述，现有解决方案无法兼顾性能与经济性。这在一定程度上限制了MMC向高压直流输电系统以及直流输配电领域的发展和应用。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种基于OWT-DMMC的柔性直流输电系统的运行方法，能够灵活调节直流端口功率，使环形直流网络全直流线路可控；且拥有直流故障穿越能力，在发生直流故障后，可快速地实现故障隔离并不中断功率传输。技术方案如下：

一种基于OWT-DMMC的柔性直流输电系统的运行方法，OWT-DMMC为开绕组变压器式双模块化多电平换流器，所述OWT-DMMC中，变压器二次侧的三相绕组打开，与线路电感L串联后分别与两个相同半桥式MMC，即MMC-Ⅰ和MMC-Ⅱ的同相交流端口连接；变压器一次侧经过交流线路与网侧相连；

运行方法包括：

步骤1：根据MMC的结构特性，得到OWT-DMMC的数学模型与动态特性方程：

将上桥臂电流i _pj 与下桥臂电流i _nj 的表示为：

（1）

其中，i _nj1和i _nj2分别为j相MMC-Ⅰ和MMC-Ⅱ的下桥臂电流，i _pj1和i _pj2分别为j相MMC-Ⅰ和MMC-Ⅱ的上桥臂电流，j=a，b，c相；i _zj1和i _zj2分别为MMC-Ⅰ和MMC-Ⅱ的上桥臂与下桥臂的平均电流，i _sj 为MMC-Ⅰ和MMC-Ⅱ连接线路的j相电流；

由基尔霍夫电压定律引出OWT-DMMC的动态特性方程，表示为：

（2）

其中，V _sj 为变压器二次侧交流电压，L _s为变压器二次侧线路等效电感，R _s 为线路等效电阻；u _nj1和u _nj2分别为MMC-Ⅰ和MMC-Ⅱ的下桥臂输出电压，L _arm为桥臂等效电感；

定义两个MMC对应相桥臂之间的差模电压为：u _diffj =u _nj1–u _nj2；

定义等效电感为：L _eq=L _arm+L _s；

由结构的对称性，得到动态特性方程最终的简化方程为：

（3）

则OWT-DMMC的交流侧电压则由两端MMC的下桥臂或上桥臂的差模电压决定；

步骤2：确定基于OWT-DMMC的柔性直流输电系统的运行方式：

通过送端换流站与受端换流站其中之一控制直流电压水平，另一换流站则控制直流线路传输有功功率大小；

外环控制器通过设定有功类参考与无功类参考产生内环电流的参考值i _dqref ，内环电流控制器产生变流器调制波；

将差模电压u _diffj 在旋转矢量坐标系dq轴下表示为：

（4）

其中，u _{1_dq} 和u _{2_dq} 分别为MMC-Ⅰ与MMC-Ⅱ各自需要产生的电压矢量；

计算MMC-Ⅰ与MMC-Ⅱ的视在功率为：

（5）

其中，P ₁和Q ₁分别为MMC-I输入的有功功率和无功功率，P ₂和Q ₂分别为MMC-II输入的有功功率和无功功率；代表i _dq 的共轭，i _dq 为三相交流线路电流在dq轴下形式；j为虚数；

满足差模电压u _diffj矢量不变的前提下，调整MMC-Ⅰ与MMC-Ⅱ的电压矢量实现潮流控制；若MMC-Ⅰ与MMC-Ⅱ的功率参考值分别为P _dc1ref 和P _dc2ref ，设置比例系数K为P _dc1ref ／（P _dc1ref +P _dc2ref ），则得到MMC-Ⅰ与MMC-Ⅱ调制电压矢量：

（6）

通过MMC-Ⅰ与MMC-Ⅱ调制电压矢量M _1dq 与M _2dq 调节MMC-Ⅰ与MMC-Ⅱ之间的潮流。

进一步的，还包括实现直流故障穿越的方法，具体为：

步骤a：当直流短路故障发生后，将三相放电电路等效为简化放电电路，其为具有初始条件的RLC串联电路，其等效参数为：

（7）

其中，L _arm与R _arm分别代表桥臂等效电感与等效电阻，L _dc与R _dc分别代表直流线路短路路径的电感与电阻，N为每相投入的子模块数量，C为子模块电容；C ₁、L ₁和R ₁分别为简化放电电路的等效电容、等效电感和等效电阻；

步骤b：计算直流短路故障发生后的直流电流：

假设直流短路故障发生在t＝t ₀时刻，此时SM电容器电压为U _c0，并且直流电流为I _dc0，通过此RLC电路解得直流电流为：

（8）

（9）

其中，U _dc0为所有子模块等值电容电压，ω为自然角频率，δ为衰减因子，ω ₀为振荡放电电流角频率，α为初始相位；

步骤c：当直流短路故障被检测到，立即旁通故障侧MMC子模块，用另一侧的正常MMC来支撑电网电压，使OWT-DMMC转变成常规的MMC结构并通过正常侧MMC继续完成交直流侧之间的功率交换。

更进一步的，所述步骤b中计算直流短路故障发生后的直流电流时，若子模块旁通动作发生在t＝t ₁时刻，此时直流故障电流i _dc达到I _dc1，电流回路转变成零输入RL回路，电流逐渐衰减，则之后直流电流表达式为：

（10）

公式中，I _dc1为直流电流达到最大值I _dc1。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的柔性直流输电结构及提出的运行方法，能够实现不同直流端口的潮流的灵活调节，此外存在冗余直流线路回路，发生直流故障后，不仅能实现故障穿越，而且功率输送不会中断，为极具优势的输电结构及运行方式。

附图说明

图1为本发明实施例提供的开绕组变压器式双模块化多电平换流器拓扑示意图。

图2为本发明实施例提供的基于OWT-DMMC的点对点输电系统。

图3为本发明实施例提供的开绕组变压器式双模块化多电平换流器详细电路示意图。

图4为本发明实施例提供的MMC外环控制框图。

图5为本发明实施例提供的复矢量形式下内环控制示意图。

图6为本发明实施例提供的子模块放电阶段等效电路图示意图。

图7为本发明实施例提供的清除直流故障示意图。

图8为本发明实施例提供的潮流变化仿真图。

图9（a）为本发明实施例提供的直流故障穿越仿真图：直流电压变化时域图。

图9（b）为本发明实施例提供的直流故障穿越仿真图：直流线路电流变化时域图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1和图2所示，本实施例提供的应用开绕组变压器式双模块化多电平换流器（open-winding transformer based dual modular multilevel converters，OWT-DMMC）的柔性直流输电结构，图1所示为开绕组变压器式双模块化多电平换流器拓扑示意图。变压器二次侧的三相绕组打开，与线路电感L串联后分别与两个相同半桥式MMC（MMC-Ⅰ，MMC-Ⅱ）的同相交流端口连接。变压器一次侧经过交流线路与网侧相连，一次侧绕组可以是星形联结或三角形联结。

开绕组变压器式双模块化多电平换流器可以应用于三端或多端柔性直流输电系统中。图2为基于OWT-DMMC的点对点输电系统，交流网AC1与AC2通过此高压直流输电系统完成功率输送。StationA与StationB为由OWT-DMMC构成的换流站，之间换流站直流端口之间通过双回直流输电线路连接。

本发明的新型输电结构与传统的双端双极MMC型输电系统作用相似，但有明显的性能优势，其运行方式下文详细说明。

本发明基于开绕组变压器式双模块化多电平换流器的柔性直流输电系统运行方式包括：

（1）开绕组变压器式双模块化多电平换流器数学模型

开绕组变压器式双模块化多电平换流器基于MMC的结构，根据MMC的结构特性，可以得出OWT-DMMC的数学模型与动态特性方程，详细电路示意图（如图3所示），i _dc1，i _dc2分别为两个直流端口流出的直流电流；i _pa1，i _na1（i _pa2，i _na2）分别为MMC-Ⅰ（MMC-Ⅱ）的a相上桥臂电流与下桥臂电流；u _pa1，u _na1（u _pa2，u _na2）分别为MMC-Ⅰ（MMC-Ⅱ）的a相上桥臂电压与下桥臂电压；i _sa 、i _sb 、i _sc 为三相交流电流，上桥臂电流i _pj 与下桥臂电流i _nj 可用公式（1）表示：

（1）；

上式中，定义上桥臂与下桥臂的平均电流为桥臂电流i _zj 满足公式（2），其包含环流电流与每相直流电流成分，流经每相子模块电流包含了交流侧相电流，直流回路电流与三相桥臂内的环流，三相桥臂是对称的，于是每相的直流电流都是直流回路电流的三分之一：

（2）；

主导OWT-DMMC的动态特性方程由基尔霍夫电压定律引出，表示为：

（3）；

定义两个MMC对应桥臂之间的相差模电压为u _diffj =u _nj1–u _nj2，定义等效电感L _eq=L _arm+L _s，由结构的对称性，可以得到最终的简化方程为：

（4）。

经过以上分析可以看出，OWMMC的数学模型与传统MMC类似，其中的差别在传统MMC的交流侧相电压是每相上下桥臂之间的差模电压的一半，而OWT-DMMC的交流侧电压则由两端MMC的下桥臂（或上桥臂）的差模电压决定。

（2）基于开绕组变压器式双模块化多电平换流器的柔性直流输电系统运行方式与功能

图2所示的基于开绕组变压器式双模块化多电平换流器的柔性直流输电系统是双端点对点输送系统，变流站StationA为送端整流站，变流站StationB为受端逆变站。送端换流站控制传输有功功率大小，受端换流站则控制直流电压。

外环控制器如图4所示，U _dcref 、P _sref 、Q _sref 、U _gmref 分别是直流平均电压、有功功率、无功功率、交流电网电压幅值的参考值，U _dc1和U _dc2为两端直流电压，P _s 和Q _s 为系统有功功率和无功功率，U _gm 为交流电网电压幅值的实际采样值。外环控制器通过设定有功类参考（功率或直流电压）与无功类参考（无功功率与交流网侧电压幅值）产生内环电流的有功参考值i _dref 与无功参考值i _qref ，内环电流控制器产生变流器调制波。

差模电压u _diffj 在旋转矢量坐标系dq轴下可以表示为：

（5）；

其中，u _{1_dq} ，u _{2_dq} 分别为MMC-Ⅰ与MMC-Ⅱ各自需要产生的电压矢量。于是可以算出MMC-Ⅰ与MMC-Ⅱ的视在功率为：

（6）；

其中，P ₁和Q ₁分别为MMC-I输入的有功功率和无功功率，P ₂和Q ₂分别为MMC-II输入的有功功率和无功功率；代表i _dq 的共轭；j为虚数。

满足公式（5）差模电压矢量不变的前提下，调整MMC-Ⅰ与MMC-Ⅱ的电压矢量便能够实现潮流控制，若MMC-Ⅰ与MMC-Ⅱ的功率参考值为P _dc1ref 和P _dc2ref ，设置比例系数K为P _dc1ref ／（P _dc1ref +P _dc2ref ），则得到MMC-Ⅰ与MMC-Ⅱ调制电压矢量：

（7）；

通过MMC-Ⅰ与MMC-Ⅱ调制电压矢量M _1dq 与M _2dq 调节MMC-Ⅰ与MMC-Ⅱ之间的潮流。

通过图5所示的电压矢量分配来调节潮流M _1αβ M _2αβ 是MMC-I和MMC-II在αβ轴下的调制电压矢量，θ是锁相环计算的电网电压相位。初始时换流站的两台MMC传输功率皆为0.5pu，之后MMC-Ⅰ与MMC-Ⅲ功率参考值由0.5pu上升至0.75pu，而另一直流回路传输的功率则由0.5pu下降至0.25pu。对应的仿真波形如图8所示。

此外该拓扑结构可以实现直流故障穿越。首先分析故障发生后该电路结构的动态响应，当直流故障发生后子模块速度向故障点放电，直流电流激增。每相投入的子模块数量始终为N，并遵循电压平衡调制策略，等效的三相放电电路如图6所示，L _arm与R _arm代表桥臂等效电感与电阻，L _dc与R _dc代表直流线路短路路径的电感与电阻，右侧简化电路图中的等效参数为：

（8）；

简化放电电路是具有初始条件的RLC串联电路。假设故障发生在t＝t ₀时刻，SM电容器电压为U _c0并且直流电流为I _dc0，通过此RLC电路可以解得直流电流为：

（9）；

（10）。

当直流短路故障被检测到，立即旁通故障侧MMC子模块，故障侧子模块等效电压输出为0，故障电流将逐渐衰减，而另一侧的正常MMC来支撑电网电压，OWT-DMMC转变成常规的MMC结构并通过健全侧MMC继续完成交直流侧之间的功率交换。此时系统结构如图7所示。若子模块旁通动作发生在t＝t ₁时刻，此时直流故障电流i _dc达到I _dc1，电流回路转变成零输入RL回路，电流逐渐衰减，则之后直流电流表达式为：

（11）；

通过公式（11）可以看到，检测到故障并采取动作时直流电流达到最大值I _dc1，而后直流电流最终会降低到零，系统的直流故障电流便实现清除，有效保护了故障侧功率器件的安全。

下面以MMC-Ⅰ与MMC-Ⅲ之间直流线路发生短路故障，将全部额定功率传输转移至MMC-Ⅱ与MMC-Ⅳ之间直流线路传输为例，说明所提出的基于OWT-DMMC的双回直流线路点对点输电系统的直流故障穿越过程。检测到故障电流大于设定值后，换流站A和换流站B都将改变它们的运行模式。MMC-Ⅰ和MMC-Ⅲ的所有子模块将被旁路并停止功率输送，而MMC-Ⅱ和MMC-Ⅳ则继续用于调节交流和直流电网之间的电力传输，并为其相邻的交流电网提供电压支撑以保证交流网的稳定性。采用此结构的双端双极柔性直流输电系统供电可靠性大大提高，直流故障穿越功能快速有效。

当故障解除后，只需将MMC-Ⅰ和MMC-Ⅲ重新投运即可，由于MMC-Ⅰ和MMC-Ⅲ子模块旁路后，其子模块电压可以视为维持在额定值，按其稳定工况下的投运数量解除旁通，无论是桥臂中还是直流侧都会出现很大的冲击电流，因此在逐步增加参考功率的同时，让旁通的子模块逐步投运，使直流电压逐渐增加至额定值，以上基于OWT-DMMC结构双回点对点输电系统直流故障穿越过程的仿真波形如图9（a）和图9（b）所示。

Claims (3)

1.一种基于OWT-DMMC的柔性直流输电系统的运行方法，OWT-DMMC为开绕组变压器式双模块化多电平换流器，其特征在于，所述OWT-DMMC中，变压器二次侧的三相绕组打开，与线路电感L串联后分别与两个相同半桥式MMC，即MMC-Ⅰ和MMC-Ⅱ的同相交流端口连接；变压器一次侧经过交流线路与网侧相连；

运行方法包括：

步骤1：根据MMC的结构特性，得到OWT-DMMC的数学模型与动态特性方程：

将上桥臂电流i _pj 与下桥臂电流i _nj 的表示为：

（1）；

其中，i _nj1和i _nj2分别为j相MMC-Ⅰ和MMC-Ⅱ的下桥臂电流，i _pj1和i _pj2分别为j相MMC-Ⅰ和MMC-Ⅱ的上桥臂电流，j=a，b，c相；i _zj1和i _zj2分别为MMC-Ⅰ和MMC-Ⅱ的上桥臂与下桥臂的平均电流，i _sj 为MMC-Ⅰ和MMC-Ⅱ连接线路的j相电流；

由基尔霍夫电压定律引出OWT-DMMC的动态特性方程，表示为：

（2）；

其中，V _sj 为变压器二次侧交流电压，L _s为变压器二次侧线路等效电感，R _s为线路等效电阻；u _nj1和u _nj2分别为MMC-Ⅰ和MMC-Ⅱ的下桥臂输出电压，L _arm为桥臂等效电感；

定义两个MMC对应相桥臂之间的差模电压为：u _diffj = u _nj1–u _nj2；

定义等效电感为：L _eq =L _arm +L _s；

由结构的对称性，得到动态特性方程最终的简化方程为：

（3）；

则OWT-DMMC的交流侧电压则由两端MMC的下桥臂或上桥臂的差模电压决定；

步骤2：确定基于OWT-DMMC的柔性直流输电系统的运行方式：

通过送端换流站与受端换流站其中之一控制直流电压水平，另一换流站则控制直流线路传输有功功率大小；

外环控制器通过设定有功类参考与无功类参考产生内环电流的参考值i _dqref ，内环电流控制器产生变流器调制波；

将差模电压u _diffj 在旋转矢量坐标系dq轴下表示为：

（4）；

其中，u _{1_dq} 和u _{2_dq} 分别为MMC-Ⅰ与MMC-Ⅱ各自需要产生的电压矢量；

计算MMC-Ⅰ与MMC-Ⅱ的视在功率为：

（5）；

其中，P ₁和Q ₁分别为MMC-I输入的有功功率和无功功率，P ₂和Q ₂分别为MMC-II输入的有功功率和无功功率；代表i _dq 的共轭，i _dq 为三相交流线路电流在dq轴下形式；j为虚数；

满足差模电压u _diffj矢量不变的前提下，调整MMC-Ⅰ与MMC-Ⅱ的电压矢量实现潮流控制；若MMC-Ⅰ与MMC-Ⅱ的功率参考值分别为P _dc1ref 和P _dc2ref ，设置比例系数K为P _dc1ref ／（P _dc1ref +P _dc2ref ），则得到MMC-Ⅰ与MMC-Ⅱ调制电压矢量：

（6）；

通过MMC-Ⅰ与MMC-Ⅱ调制电压矢量M _1dq 与M _2dq 调节MMC-Ⅰ与MMC-Ⅱ之间的潮流。

2.根据权利要求1所述的一种基于OWT-DMMC的柔性直流输电系统的运行方法，其特征在于，还包括实现直流故障穿越的方法，具体为：

步骤a：当直流短路故障发生后，将三相放电电路等效为简化放电电路，其为具有初始条件的RLC串联电路，其等效参数为：

（7）；

其中，L _arm与R _arm分别代表桥臂等效电感与等效电阻，L _dc与R _dc分别代表直流线路短路路径的电感与电阻，N为每相投入的子模块数量，C为子模块电容；C ₁、L ₁和R ₁分别为简化放电电路的等效电容、等效电感和等效电阻；

步骤b：计算直流短路故障发生后的直流电流：

假设直流短路故障发生在t＝t ₀时刻，此时SM电容器电压为U _c0，并且直流电流为I _dc0，通过此RLC电路解得直流电流为：

（8）；

（9）；

其中，U _dc0为所有子模块等值电容电压，ω为自然角频率，δ为衰减因子，ω ₀为振荡放电电流角频率，α为初始相位；

步骤c：当直流短路故障被检测到，立即旁通故障侧MMC子模块，用另一侧的正常MMC来支撑电网电压，使OWT-DMMC转变成常规的MMC结构并通过正常侧MMC继续完成交直流侧之间的功率交换。

3.根据权利要求2所述的一种基于OWT-DMMC的柔性直流输电系统的运行方法，其特征在于，所述步骤b中计算直流短路故障发生后的直流电流时，若子模块旁通动作发生在t＝t ₁时刻，此时直流故障电流i _dc达到I _dc1，电流回路转变成零输入RL回路，电流逐渐衰减,则之后直流电流表达式为：

（10）；

公式中，I _dc1为直流电流达到最大值I _dc1。