一种无源MMC站并入不同电压等级的直流电网的控制方法

本发明属于柔性直流输电技术领域，特别涉及一种无源MMC站并入不同电压等级 的直流电网的控制方法。

基于电力电子技术的柔性直流系统由于其功率的独立控制、无换向失败等优点， 成为了直流电网发展的主流趋势。模块化多电平换流器（Modular multilevel converter， MMC）作为一种新型的输电技术，换流站桥臂的拓扑结构采用了子模块级联，换流站的系统 级有功类控制包括直流电压控制、有功功率控制和频率控制，无功类控制包括无功功率控 制和交流电压控制，需根据不同的工况对控制方式和具体控制参数进行调整。MMC具有电压 等级容易拓展、输出电压电流谐波含量低波形品质高、开关频率和运行损耗低、可向无源网 络供电等诸多优点，因此MMC已成为构建直流电网的主流换流器。随着直流输电工程逐渐朝 着高压大容量方向发展，多直流电压等级的基于MMC的真双极直流电网是未来直流电网的 发展趋势。

考虑到直流电网可灵活扩展的优势，MMC站接入不同电压等级的真双极直流电网 是今后普遍存在的问题。目前，对该问题的研究较少，尤其针对无源MMC站的并入问题鲜有 涉及。相关研究成果仅停留在双端和多端直流输电系统中某个换流站的启动控制方法和整 个系统的启动控制方法。而在离线MMC站在线并入不同电压等级的直流电网中的过程中，需 要实现DC/DC变换器的平稳启动，而且对于无源MMC站，其不能通过自身交流侧系统为其子 模块进行充电，因此仅能由直流电网提供DC/DC变换器和无源MMC站的充电功率。若不能采 取合理的无源MMC站接入不同电压等级的直流电网的控制方法，将导致无源MMC站并入时产 生的冲击电流过大，损坏子模块电容和其他关键设备并且影响整个直流电网的安全、稳定 运行。因此需采取合理的控制方法，以实现无源MMC站平滑地接入不同电压等级的直流电 网。

本发明的目的是提出一种无源MMC站并入不同电压等级的真双极直流电网的控制 方法。因在研究启动问题时，风电场自身无法建立稳定的交流电，所以本发明所述的无源 MMC站不仅包括交流侧为真实无源系统的MMC站，还包括交流侧为风电场的MMC站；所述无源 站将要并入的直流电网称为原直流电网；所述原直流电网和无源MMC站均为真双极接线方 式；所述无源MMC站和原直流电网由DC/DC变换器实现不同直流电压等级的连接，DC/DC变换 器主要由两端传统半桥式MMC经连接变压器构成；所述DC/DC变换器与原直流电网相连的一 端称为端口1，与无源MMC站相连的一端称为端口2，真双极系统中端口1和端口2均包括正、 负两极，所述控制方法对正、负两极同时采取相同的操作，以下文字描述不区分正负两极， 统一描述。实施本发明提出的控制方法之前，即在无源MMC站接入前，初始状态为原直流电 网已处于稳定运行状态；DC/DC变换器和无源MMC站均处于闭锁状态；各直流断路器和直流 隔离开关均处于打开状态；主要步骤如下：

步骤1：闭合原直流电网与DC/DC变换器相连的直流隔离开关，同时投入限流电阻，当 DC/DC变换器端口1中的子模块电容电压达到额定值的1/2后，退出限流电阻，闭合DC/DC变 换器端口1与连接变压器相连的交流断路器，采用定交流电压和频率控制将端口1解锁，同 时投入直流电压匹配控制；

步骤2：当DC/DC变换器中间交流电压已稳定，并且端口2中的子模块电容经闭锁充电而 使得端口2的直流电压达到交流电压线峰值Ul后，采用定直流电压和无功功率控制将端口2 解锁，将直流电压控制指令由Ul斜率上升至其额定值；

步骤3：当端口2的直流电压实际值上升至额定值后，闭合端口2与无源MMC站之间的直 流断路器，同时投入限流电阻；

步骤4：无源MMC站中的子模块电容电压达到额定值的1/2后，退出限流电阻，采用定交 流电压、频率控制将无源MMC站解锁，同时投入直流电压匹配控制；

步骤5：无源MMC站的交流电压稳定后，闭合无源MMC站交流断路器，无源系统投入，同时 直流电网中定功率控制站改变功率参考值以适应无源系统的投入。

上述步骤1和步骤4所述的直流电压匹配控制，其特征在于，在换流站解锁瞬间增 大换流站每相上下桥臂投入的子模块数量总和，使换流站建立的直流电压和与其相连的直 流系统电压相匹配。

本发明充分利用了无源MMC站和DC/DC变换器的闭锁充电和解锁充电特点，充分利 用了MMC灵活的控制方式，通过五个步骤保证了无源MMC站和DC/DC变换器的有序充电，保证 了无源MMC并入过程中的平滑性，对原直流电网系统的冲击较小，工程实践性强。

图1为典型的真双极直流电网拓扑示意图，该直流电网分为上、下两层，上层为四 端环状结构，下层为含无源MMC站的单端柔直线路，上、下层直流电压等级不同，由DC/DC变 换器相连。其中C1、C2、C3、C4、C5代表MMC换流站，其中C5为无源MMC站，G1、G2、G3、G4代表交 流系统，B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7代表直流母线。

图2为对应图1中DC/DC变换器的正极拓扑示意图，该DC/DC变换器采用基于MMC的 传统半桥式结构。

图3为对应图1真双极直流电网的下层部分的详细接线方式示意图，包括图2所示 的DC/DC变换器、无源站C5以及各开关的详细接线方式。

需要说明的是本发明针对的直流电网并不局限于图1所示的典型的直流电网拓 扑，该上层四端直流电网可替换为MMC换流站任意互连的直流电网系统。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例 中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

初始状态为图1中所示的上层直流电网处于正常运行状态，图1中所示的下层含 DC/DC变换器的单端柔直线路的具体接线方式示意图如图3所示，图1中所示的DC/DC变换器 的正极拓扑示意图如图2所示，图2和图3所示的DC/DC变换器和无源MMC站均处于闭锁状态， 图3所示的各开关均处于打开状态，主要步骤如下：

步骤1：闭合图3所示的原直流电网的直流母线与DC/DC变换器相连的直流隔离开关，同 时投入限流电阻，此时，由直流电网提供充电功率，DC/DC变换器的端口1在闭锁状态下进行 不控充电。当DC/DC变换器端口1中的子模块电容电压达到额定值的1/2（额定值的1/2为子 模块电容电压在此不控充电阶段能够达到的最大值）后，退出限流电阻，闭合DC/DC变换器 端口1与连接变压器相连的交流断路器，采用定交流电压和频率控制将端口1解锁，同时投 入直流电压匹配控制。直流电压匹配控制即在MMC的基本控制策略（此阶段为MMC矢量控制 中具体的定交流电压和频率控制）基础上，在瞬间增大换流站每相上、下桥臂投入的子模块 数量总和，以使换流站建立的直流电压和与其相连的直流系统电压相匹配，减小瞬间产生 的冲击电流。随后，在定交流电压和频率控制的作用下，DC/DC变换器中间的交流电压逐渐 建立，DC/DC变换器端口1经解锁状态下的可控充电，其子模块电容电压逐渐提升至额定值， DC/DC变换器端口2在闭锁状态下进行不控充电。

步骤2：当DC/DC变换器中间交流电压已稳定，并且端口2中的子模块电容经闭锁充 电而使得端口2的直流电压达到交流电压线峰值Ul后，采用定直流电压和无功功率控制将 端口2解锁，将直流电压控制指令由Ul斜率上升至其额定值。此时，DC/DC变换器端口2在闭 锁状态下的进行可控充电，其子模块电容电压逐渐提升至额定值。

步骤3：当端口2的直流电压实际值上升至额定值后，闭合端口2与无源MMC站之间 的直流断路器，同时投入限流电阻。此时，无源MMC站在闭锁状态下进行不控充电。

步骤4：无源MMC站中的子模块电容电压达到额定值的1/2（额定值的1/2为子模块 电容电压在此不控充电阶段能够达到的最大值）后，退出限流电阻，采用定交流电压、频率 控制将无源MMC站解锁，同时投入与步骤1中所述相同的直流电压匹配控制。此时，无源MMC 站在解锁锁状态下进行可控充电，在定交流电压、频率控制下，其交流电压逐渐建立。

步骤5：无源MMC站的交流电压稳定后，闭合无源MMC站交流断路器，无源系统投入， 同时直流电网中定功率控制站改变功率参考值以适应无源系统的投入。

需要说明的是步骤1，2，3，4和5整体作为发明内容整体作为发明内容，五个步骤为 有机的不可分割的整体。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换， 都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围 为准。