本发明公开了一种柔性励磁功率单元并联拓扑结构及其控制方法。本发明的柔性励磁功率单元并联拓扑结构包括多组并联的柔性励磁功率单元，每组柔性励磁功率单元包含一个前级双向交流-直流换流器和一个后级双向直流-直流换流器两级电路，前级双向交流-直流换流器与后级双向直流-直流换流器经中间直流电容回路相连；多组柔性励磁功率单元的输入侧各自均配置串联的交流侧滤波电抗器和交流断路器后再并联，并与励磁变压器的三相交流低压侧相连，励磁变压器的三相交流高压侧与发电机机端相连。本发明的并联拓扑结构及其控制方法在解决柔性励磁系统大电流输出问题的同时，能有效抑制柔性励磁功率单元间的环流问题，并提升柔性励磁故障容错运行能力。
1.一种柔性励磁功率单元并联拓扑结构，其特征在于，包括多组并联的柔性励磁功率单元，每组柔性励磁功率单元包含一个前级双向交流-直流换流器和一个后级双向直流-直流换流器两级电路，前级双向交流-直流换流器与后级双向直流-直流换流器经中间直流电容回路相连；
所述前级双向交流-直流换流器的三相交流输入侧为柔性励磁功率单元的输入侧；所述后级双向直流-直流换流器的直流输出侧为柔性励磁功率单元的输出侧；所述多组柔性励磁功率单元的输入侧各自均配置串联的交流侧滤波电抗器和交流断路器后再并联，并与励磁变压器的三相交流低压侧相连，励磁变压器的三相交流高压侧与发电机机端相连；所述多组柔性励磁功率单元的输出侧各自均配置串联的直流侧滤波电抗器和直流断路器后再并联，并与发电机励磁绕组相连。
2.如权利要求1所述的柔性励磁功率单元并联拓扑结构，其特征在于，所述前级双向交流-直流换流器采用三电平电压源型换流器；所述后级双向直流-直流换流器采用五电平H桥直流换流器；所述中间直流电容回路包含两组并联的前后级中间直流电容单元；
所述三电平电压源型换流器的直流输出侧通过正极、中性点、负极与前级中间直流电容单元相连；所述五电平H桥直流换流器的直流输入侧通过正极、中性点、负极与后级中间直流电容单元相连；
所述中间直流电容单元包含两组相互串联的上桥直流电容组和下桥直流电容组，上桥直流电容组的正极为中间直流电容单元正极，上桥直流电容组的负极与下桥直流电容组的正极相连构成中间直流电容单元中性点，下桥直流电容组的负极为中间直流电容单元负极；所述前级中间直流电容单元和后级中间直流电容单元仅通过正极和负极相连。
3.如权利要求1或2所述的柔性励磁功率单元并联拓扑结构，其特征在于，所述中间直流电容回路还包含过电压保护回路，抑制中间直流电容回路在系统故障下出现的过电压。
4.如权利要求3所述的柔性励磁功率单元并联拓扑结构，其特征在于，所述的过电压保护回路包括过电压监测与脉冲触发回路、可控硅回路和非线性电阻；所述可控硅回路与非线性电阻串联后连接在中间直流电容回路的正负极之间；所述过电压监测与脉冲触发回路在监测到过电压后向可控硅回路发送触发脉冲，通过在中间直流电容回路中接入非线性电阻实现过电压抑制。
5.权利要求1-4任一项所述柔性励磁功率单元并联拓扑结构的控制方法，其特征在于，采用双路冗余且无缝切换的载波柔性同步控制策略，抑制多组柔性励磁功率单元并联输出的并联环流。
6.如权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述的载波柔性同步控制策略包括：
两台柔性励磁调节器分别以主从机方式，通过通讯向多组并联的柔性励磁功率单元下发两种同步令，默认主机方式有效；收到同步令后，柔性励磁功率单元的模拟载波发生器同步清零开始计数；各柔性励磁功率单元的实际载波发生器再逐步向模拟载波发生器同步逼近到同一时刻点清零开始计数；通过模拟载波发生器的同步达到实际载波发生器的柔性同步；
当主机方式同步令异常时，切换到接收从机方式同步令继续运行，保证载波同步的无缝衔接。
7.权利要求1-4任一项所述柔性励磁功率单元并联拓扑结构的控制方法，其特征在于，采用三级故障容错控制策略实现故障穿越。
8.如权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述的三级故障容错控制策略包括：
当柔性励磁功率单元因故障停止运行时，采用过电压保护回路作为第一级防护，控制中间直流电容回路不发生过电压；其次，监测中间直流电容回路电压，确保其在正常运行范围内的条件下，重启柔性励磁功率单元控制器，尝试恢复正常运行控制；最后，若重启恢复控制失败，或者中间直流电容回路电压异常，则跳开柔性励磁功率单元的交流侧断路器和直流断路器。
一种柔性励磁功率单元并联拓扑结构及其控制方法
技术领域
[0001] 本发明属于发电机励磁系统领域，具体地说是一种柔性励磁功率单元并联拓扑结构及其控制方法。
背景技术
[0002] 近年来，特高压交直流输电技术在我国得到了广泛的应用，全球能源互联网战略快速推进。此外，为满足经济社会快速发展的用电需求，满足清洁排放和对环保的要求，各大电网将陆续有大批风电、光伏等新能源机组接入电网。大规模、高比例的风电、光伏等可再生能源的并网给能源结构的优化与环境问题的缓解带来了崭新机遇，但同时也对电网的运行和控制提出了严峻的挑战。电力电子化电力系统在超低频功率振荡、次同步振荡、毫秒级无功电压支撑等电磁/机电混合领域的运行风险增加、控制手段匮乏。这些问题的解决和设备性能提升，在一次系统采取措施成本很高，难度也很大。如能通过改进大型同步发电机励磁控制系统及其控制策略实现，效果将会更加显著，同时成本也大幅度降低。
[0003] 目前，常规发电机励磁系统是基于半控器件晶闸管整流的方式实现，其控制速度慢、且仅可以控制器件开通无法控制关断。因此，常规励磁系统仅可以通过控制整流输出的直流电压幅值来间接实现发电机励磁电流、机端电压和无功功率的控制，励磁系统在消耗大量机组无功的同时却无法实现对定子侧的反向作用。同时，发电机组励磁回路是一个大的电感，其物理上存在一个很大的转子时间常数，严重限制了励磁控制对机组实际电气特性的控制响应速度。因此，作为系统关键支撑的发电机励磁系统受制于其控制速度和控制维度限制，已难以适应电力电子化电网的运行需求。需要通过基础电力电子拓扑结构和控制技术创新研究，从底层实现对发电机励磁系统这一涉及电网稳定控制的核心设备性能提升。
[0004] 基于IGBT元件的AC-DC和DC-DC功率变换回路应用于励磁系统低电压大电流场合时存在单功率单元电流输出能力弱的问题，但多功率单元并联存在环流、均流以及故障容错等工程应用问题。
发明内容
[0005] 本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种柔性励磁功率单元并联拓扑结构及其控制方法，以实现柔性励磁系统的大电流输出应用，减小功率单元间环流问题，并提升柔性励磁系统的故障容错运行能力。
[0006] 为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种柔性励磁功率单元并联拓扑结构，其包括多组并联的柔性励磁功率单元，每组柔性励磁功率单元包含一个前级双向交流-直流(AC-DC)换流器和一个后级双向直流-直流(DC-DC)换流器两级电路，前级双向交流-直流换流器与后级双向直流-直流换流器经中间直流电容回路相连；
[0007] 所述前级双向交流-直流换流器的三相交流输入侧为柔性励磁功率单元的输入侧；所述后级双向直流-直流换流器的直流输出侧为柔性励磁功率单元的输出侧；所述多组柔性励磁功率单元的输入侧各自均配置串联的交流侧滤波电抗器和交流断路器后再并联，并与励磁变压器的三相交流低压侧相连，励磁变压器的三相交流高压侧与发电机机端相连；所述多组柔性励磁功率单元的输出侧各自均配置串联的直流侧滤波电抗器和直流断路器后再并联，并与发电机励磁绕组相连。
[0008] 进一步地，所述前级双向交流-直流换流器采用三电平电压源型换流器；所述后级双向直流-直流换流器采用五电平H桥直流换流器；所述中间直流电容回路包含两组并联的前后级中间直流电容单元；
[0009] 所述三电平电压源型换流器的直流输出侧通过正极、中性点、负极与前级中间直流电容单元相连；所述五电平H桥直流换流器的直流输入侧通过正极、中性点、负极与后级中间直流电容单元相连；
[0010] 所述中间直流电容单元包含两组相互串联的上桥直流电容组和下桥直流电容组，上桥直流电容组的正极为中间直流电容单元正极，上桥直流电容组的负极与下桥直流电容组的正极相连构成中间直流电容单元中性点，下桥直流电容组的负极为中间直流电容单元负极；所述前级中间直流电容单元和后级中间直流电容单元仅通过正极和负极相连。
[0011] 进一步地，所述中间直流电容回路还包含过电压保护回路，抑制中间直流电容回路在系统故障下出现的过电压。
[0012] 更进一步地，所述的过电压保护回路包括过电压监测与脉冲触发回路、可控硅回路和非线性电阻；所述可控硅回路与非线性电阻串联后连接在中间直流电容回路的正负极之间；所述过电压监测与脉冲触发回路在监测到过电压后向可控硅回路发送触发脉冲，通过在中间直流电容回路中接入非线性电阻实现过电压抑制。
[0013] 本发明采用的另一技术方案如下：上述柔性励磁功率单元并联拓扑结构的控制方法，其采用双路冗余且无缝切换的载波柔性同步控制策略，抑制多组柔性励磁功率单元并联输出的并联环流，减小功率单元间环流问题。
[0014] 进一步地，所述的载波柔性同步控制策略包括：
[0015] 两台柔性励磁调节器分别以主从机方式，通过通讯向多组并联的柔性励磁功率单元下发两种同步令，默认主机方式有效；收到同步令后，柔性励磁功率单元的模拟载波发生器同步清零开始计数；各柔性励磁功率单元的实际载波发生器再逐步向模拟载波发生器同步逼近到同一时刻点清零开始计数；通过模拟载波发生器的同步达到实际载波发生器的柔性同步；
[0016] 当主机方式同步令异常时，切换到接收从机方式同步令继续运行，保证载波同步的无缝衔接。
[0017] 本发明采用的又一技术方案如下：上述柔性励磁功率单元并联拓扑结构的控制方法，其采用三级故障容错控制策略实现故障穿越，提升柔性励磁故障容错运行能力。
[0018] 进一步地，所述的三级故障容错控制策略包括：
[0019] 当柔性励磁功率单元因故障停止运行时，采用过电压保护回路作为第一级防护，控制中间直流电容回路不发生过电压；其次，监测中间直流电容回路电压，确保其在正常运行范围内的条件下，重启柔性励磁功率单元控制器，尝试恢复正常运行控制；最后，若重启恢复控制失败，或者中间直流电容回路电压异常，则跳开柔性励磁功率单元的交流侧断路器和直流断路器。
[0020] 本发明具有以下有益效果：本发明所述的柔性励磁功率单元并联拓扑结构通过并联多组柔性励磁功率单元，能够突破柔性励磁系统的电流输出瓶颈问题，实现柔性励磁系统的大电流输出应用；同时，通过应用中性点隔离、断路器、同步载波控制以及三级故障容错控制等措施，能有效抑制柔性励磁功率单元间的环流问题，并提升柔性励磁故障容错运行能力。
附图说明
[0021] 图1是本发明实施例1中的柔性励磁功率单元并联拓扑结构图；
[0022] 图2是本发明实施例2中含独立过电压保护回路的柔性励磁功率并联单元拓扑结构图；
[0023] 图3是本发明实施例3中含共享过电压保护回路的柔性励磁功率单元并联拓扑结构图；
[0024] 图4是本发明实施例4中柔性励磁功率单元并联拓扑结构的载波同步控制策略流程图。
[0025] 图5是本发明实施例5中柔性励磁功率单元并联拓扑结构的三级故障容错控制策略流程图。
具体实施方式
[0026] 下面结合实施例和说明书附图来对本发明进行进一步说明，但本发明的保护范围不限于下述实施例。在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和变更，都落入本发明的保护范围。
[0027] 实施例1
[0028] 本实施方式所提出的柔性励磁功率单元并联拓扑结构如图1所示，包括多组并联的柔性励磁功率单元，每组柔性励磁功率单元包含一个前级双向交流-直流(AC-DC)换流器和一个后级双向直流-直流(DC-DC)换流器两级电路，前级AC-DC换流器与后级DC-DC换流器经中间直流电容回路相连。
[0029] 所述前级AC-DC换流器的三相交流输入侧为柔性励磁功率单元的输入侧；所述后级DC-DC换流器的直流输出侧为柔性励磁功率单元的输出侧；所述多组柔性励磁功率单元的输入侧各自均配置串联的交流侧滤波电抗器和交流断路器后再并联，并与励磁变压器的三相交流低压侧相连，励磁变压器的三相交流高压侧与发电机机端相连；所述多组柔性励磁功率单元的输出侧各自均配置串联的直流侧滤波电抗器和直流断路器后在并联，并与发电机励磁绕组相连。
[0030] 所述中间直流电容回路包含两组并联的前后级中间直流电容单元；所述中间直流电容单元包含两组相互串联的上桥直流电容组和下桥直流电容组，上桥直流电容组的正极为中间直流电容单元正极，上桥直流电容组的负极与下桥直流电容组的正极相连构成前级直流电容回路中性点，下桥直流电容组的负极为中间直流电容单元负极；所述前级中间直流电容单元和后级中间直流电容单元仅通过正极和负极相连。
[0031] 所述前级双向AC-DC换流器采用三电平电压源型换流器；所述后级双向DC-DC换流器采用五电平H桥直流换流器；所述三电平电压源型换流器的直流输出侧通过正极、中性点、负极与前级中间直流电容单元相连；所述五电平H桥直流换流器的直流输入侧通过正极、中性点、负极与后级中间直流电容单元相连。
[0032] 实施例2
[0033] 本实施方式所提出的含独立过电压保护回路的柔性励磁功率并联单元拓扑结构图如图2所示。在实施例1所述的柔性励磁功率单元并联拓扑结构之外，每组柔性励磁功率并联单元独立配置相应的过电压保护回路，包括独立的过电压监测与脉冲触发回路、独立的可控硅回路和独立的非线性电阻组成。所述可控硅回路由单个晶闸管构成，并与非线性电阻串联后连接在中间直流电容回路的正负极；所述过电压监测与脉冲触发回路在监测到过电压后向可控硅回路发送触发脉冲，使非线性电阻接入中间直流电容回路的正负极实现过电压抑制。
[0034] 实施例3
[0035] 本实施方式所提出的含独立过电压保护回路的柔性励磁功率并联单元拓扑结构图如图3所示。在实施例1所述的柔性励磁功率单元并联拓扑结构之外，各组柔性励磁功率单元共享同一个过电压保护回路，包括集成的过电压监测与脉冲触发回路、与各组柔性励磁功率单元对应数量的晶闸管和非线性电阻。所述各晶闸管的阳极并联与非线性电阻相连，非线性电阻的另一极与各组柔性励磁功率单元的中间直流电容回路的正极相连，各晶闸管的阴极分别于对应的柔性励磁功率单元中间直流电容回路的阴极相连；所述集成的过电压监测与脉冲触发回路具备监测各组柔性励磁功率单元中间直流电容回路电压的功能，并能向对应功率单元的晶闸管发送触发脉冲，使非线性电阻能接入到对应的柔性励磁功率单元中间直流电容回路的正负极实现过电压抑制。
[0036] 实施例4
[0037] 本实施方式所提出的柔性励磁功率单元并联拓扑结构的控制方法，其采用的双路冗余且无缝切换的载波同步控制策略如图4所示，具体实施方法如下：两台柔性励磁调节器分别以主从机方式，通过通讯向多组并联的柔性励磁功率单元下发两种同步令，默认主机方式有效；收到同步令后，柔性励磁功率单元的模拟载波发生器同步清零开始计数；各功率单元的实际载波发生器再逐步向模拟载波发生器同步逼近到同一时刻点清零开始计数；通过模拟载波发生器的同步达到实际载波发生器的柔性同步。当主机方式同步令异常时，切换到接收从机方式同步令继续运行，保证载波同步的无缝衔接。
[0038] 实施例5
[0039] 本实施方式所提出的柔性励磁功率单元并联拓扑结构的控制方法，其采用的三级故障容错控制策略如图5所示。基于实施例1和实施例2，或者实施例1和实施例3，所述三级故障容错控制策略具体实施方法如下：第一级，当并联运行中的某一柔性励磁功率单元因故障停止运行时，过电压保护回路作为第一级防护，控制中间直流电容回路不发生过电压；第二级，监测中间直流电容回路电压，确保其在正常运行范围内的条件下尝试重启柔性励磁功率单元控制器，以恢复故障柔性励磁功率单元的正常运行控制；第三级，若重启恢复控制失败，或者中间直流电容回路电压异常，则跳开柔性励磁功率单元的交流侧断路器和直流断路器，以隔离故障功率单元便于在线维护检修。
[0040] 以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。
