CN103018583B - 基于mmc柔性直流输电系统电平数选择验证方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开基于MMC柔性流输电系统电平数选择验证方法，其特征在于包括以下步骤：1）根据并网运行时柔性直流输电系统在三相电压对称时等效模型搭建柔性直流输电系统仿真模型，构成根据最优电平逼近NLM方法搭建基于MMC的柔性直流输电谐波分析的仿真模型，并形成柔性直流输电系统的PSCAD仿真平台；2）输入调制比M的若干组数值，通过PSCAD仿真平台得到各种主要参数；3）通过PSCAD仿真平台描绘出NLM各次特征谐波含量随电平数的变化曲线和THD含量随电平数的变化曲线，结合电压等级验证得到级联单元数的可行性与正确性，同时得到满足谐波要求的临界点所对应的电平数。本发明通过仿真平台和计算程序的验证MMC柔性直流输电系统电平数以及对应的级联单元数选择的正确性与和合理性。

Description

基于MMC柔性直流输电系统电平数选择验证方法

技术领域

本发明涉及柔性直流输电系统的设计方法，尤其是一种基于MMC柔性直流输电系统电平数选择验证方法。属于电力系统输配电技术领域。

背景技术

随着高压大功率全控型电力电子器件（IGBT，IGCT）的发展，柔性直流输电技术被广泛应用于输配电领域，它是智能电网领域最具代表性的技术，在国内外的工程应用越来越多。与常规直流输电技术相比，该技术具有良好的控制性能，是最新一代的直流输电技术，但换流器的损耗却比常规直流输电要高得多，该技术在国外发展十多年，换流器技术从两电平、三电平技术发展到MMC（ModularMultilevelConverter，即模块化多电平换流器）技术。目前国内外已经有两个采用MMC换流器的柔性直流输电工程，并且该技术将大量地应用于在建或后续的工程中。

实际应用中，在基于模块化多电平换流器MMC（以下简称：MMC）的柔性直流输电系统中，一般情况下必须采用滤波器才能使交流谐波满足相关标准要求，只有在级联电平数足够高的情况下，所述基于MMC的柔性直流输电技术才不用进行滤波器设计。因此，柔性直流输电系统的电平数选择对基于MMC的柔性直流输电系统的滤波器选择及设计显得尤为重要。

目前，基于MMC的柔性直流输电系统还没有一种完整的电平数选择验证方法。

发明内容

本发明的目的，是为了解决上述现有技术的问题，提供一种基于MMC柔性直流输电系统电平数选择验证方法，该方法可验证电平数选择的正确性和合理性。

本发明的目的可以通过以下技术方案达到：

基于MMC柔性直流输电系统电平数选择验证方法，其特征在于包括以下步骤：

1）首先根据并网运行时柔性直流输电系统在三相电压对称时等效模型搭建柔性直流输电系统仿真模型，然后根据搭建好的柔性直流输电系统仿真模型加入NLM控制算法模型，构成根据最优电平逼近NLM方法搭建基于MMC的柔性直流输电谐波分析的仿真模型，并形成柔性直流输电系统的PSCAD仿真平台；

2）根据所搭建的柔性直流输电系统仿真模型，输入调制比M的若干组数值，通过步骤1）所述的PSCAD仿真平台得到各种主要参数，包括系统容量、直流电压、级联单元数目N、载波比、变流单元直流电容值、连接电抗Ls、送端电压、受端电压；

3）根据步骤2）所述通过PSCAD仿真平台得到的各种主要参数，在MATLAB软件中进行编程，对仿真参数进行处理，再根据MATLAB与EXCEL的接口得到处理出来的软件计算出谐波含量和总谐波畸变率THD含量，通过PSCAD仿真平台描绘出NLM各次特征谐波含量随电平数的变化曲线和THD含量随电平数的变化曲线，结合电压等级验证得到级联单元数的可行性与正确性，同时得到满足谐波要求的临界点所对应的电平数。

本发明优选的技术方案如下：

本发明优选的一种实施方案是：步骤1）所述的NLM方法可以为通过电平数目的叠加拟合正弦参考波的方法。

本发明优选的一种实施方案是：所述NLM方法的谐波可以采用傅立叶级数的方式进行解析分析，其控制算法的计算公式为其中V_n为第n次谐波的电压，α_k为各电平所对应的阶跃角度。

本发明优选的一种实施方案是：所述各电平所对应的阶跃角度α_k的计算公式可以如下：

1）当电平数N为奇数时，电平阶跃变化处为参考波等于两个电平的中间点时，即α_k=arcsin(k-0.5)，其中k＝1,2,…,N/2；

2）当电平数N为偶数时， ${\mathrm{\α}}_k=\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\α}}_1=0\\ {\mathrm{\α}}_{2n}={\mathrm{\α}}_{2n+1}=\arcsin \left(n\right)\end{array}\right.,$ 其中n=1,2,…(N-2)/2。

本发明优选的一种实施方案是：步骤1）中所述柔性直流输电系统在三相电压对称时的等效模型的公式可以如下：

$\left\{\begin{array}{c}(\frac{R}{2}+s\frac{L_s}{2})i_d\left(s\right)=\mathrm{\ω}\frac{L_c}{2}{i}_q\left(s\right)+v_{\mathrm{conv}\_d}\left(s\right)-v_{\mathrm{sd}}\left(s\right)\\ (\frac{R}{2}+s\frac{L_c}{2})i_q\left(s\right)=-\mathrm{\ω}\frac{L_c}{2}{i}_d\left(s\right)+v_{\mathrm{conv}\_q}\left(s\right)-v_{\mathrm{sq}}\left(s\right)\end{array}\right.$

本发明优选的一种实施方案是：所述输入调制比M的数值可以为0.6～1。

本发明具有如下突出的有益效果：

1、本发明搭建的仿真模型所采用的NLM方法适合电平数目比较大的情况下使用，在这种情况下输出波形将非常接近正弦波，各次谐波含量和THD都将比较小，甚至不需交流滤波器就能够使并网点电压谐波符合标准。

2、本发明从柔性直流输电系统的谐波含量角度出发，在容量和电压等级一定的情况下，通过仿真平台和计算程序的验证MMC柔性直流输电系统电平数以及对应的级联单元数选择的正确性与和合理性。可以通过计算程序和仿真模型得到满足谐波标准的情况下得到临界的电平数，再结合电压等级的验证就可以得到选择出来的级联单元数目可行性与正确性。

附图说明

图1为本发明NLM方法的波形示意图。

图2为本发明电平数为奇数时NLM的波形示意图。

图3为本发明电平数为偶数时NLM的波形示意图。

图4为本发明柔性直流输电系统的仿真模型图。

图5为本发明Excel与MATLAB结合计算谐波的软件界面图。

图6为本发明NLM各次特征谐波含量随电平数目的变化曲线图。

图7为本发明NLM的THD含量随电平数目的变化曲线图。

具体实施方式

具体实施例1：

图1-图7构成本发明的具体实施例1。

本发明实施例1涉及基于MMC的柔性直流输电系统的滤波器选择及设计方法，其特征在于包括以下步骤：

1）首先根据并网运行时柔性直流输电系统在三相电压对称时等效模型搭建柔性直流输电系统仿真模型，然后根据搭建好的柔性直流输电系统仿真模型加入NLM控制算法模型，构成根据最优电平逼近NLM方法搭建基于MMC的柔性直流输电谐波分析的仿真模型，并形成柔性直流输电系统的PSCAD仿真平台；

2）根据所搭建的柔性直流输电系统仿真模型，输入调制比M的若干组数值，通过步骤1）所述的PSCAD仿真平台得到各种主要参数，包括系统容量、直流电压、级联单元数目N、载波比、变流单元直流电容值、连接电抗Ls、送端电压、受端电压；

3）根据步骤2）所述通过PSCAD仿真平台得到的各种主要参数，在MATLAB软件中进行编程，对仿真参数进行处理，再根据MATLAB与EXCEL的接口得到处理出来的软件计算出谐波含量和总谐波畸变率THD含量，通过PSCAD仿真平台描绘出NLM各次特征谐波含量随电平数的变化曲线和THD含量随电平数的变化曲线，结合电压等级验证得到级联单元数的可行性与正确性，同时得到满足谐波要求的临界点所对应的电平数。

本实施例所述的最优电平逼近NLM方法，为通过电平数目的叠加拟合正弦参考波的方法，电平数目越高，对正弦参考波拟合的越好，因此最优电平逼近NLM方法是适和电平数目比较大的情况下使用，在这种情况下输出波形将非常接近正弦波，各次谐波含量和总谐波畸变率THD量都将比较小，甚至不需交流滤波器就能够使并网点电压谐波符合标准。

参照图1，最优电平逼近NLM的波形采用傅立叶级数的方式进行解析分析，第n次谐波的电压可以表达如下：

$V_n=\frac{4}{\mathrm{n\π}}\underset{k=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\cos \left(n{\mathrm{\α}}_k\right)---(2-1)$

其中V_n为第n次谐波的电压，α_k为各电平所对应的阶跃角度，若得到各电平所对应的阶跃角度，即可对最优电平逼近NLM方法的谐波进行解析计算。各阶跃角度值可采取如下方法进行分析。

参照图2，当电平数N为奇数时，由于NLM方法是依据参考正弦波（归一化后）取其最为接近的电平数目，因此电平阶跃变化处必为参考波等于两个电平的中间点时，即

α_k=arcsin(k-0.5)，其中k＝1,2,…,N/2（2-2）

参照图3，当电平数N为偶数时，可以看出，此时波形与标准波形并不完全一样，主要区别是不会有中间电平（或者说0电平）。为了仍能够通过表达式（2-1）对该波形进行计算，可以认为波形的零电平时间为0，且

${\mathrm{\α}}_k=\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\α}}_1=0\\ {\mathrm{\α}}_{2n}={\mathrm{\α}}_{2n+1}=\arcsin \left(n\right)\end{array}\right.,$ 其中n=1,2,…(N-2)/2（2-3）

最优电平逼近NLM方法各电平所对应的阶跃角度可以采用如上方法计算出来，但代入到表达式（2-1）后得到的解析式仍比较复杂，此时谐波的定性分析计算采用计算机仿真进行。

本实施例的电平数选择仿真验证方法，包括以下步骤：

1）参照图4，根据最优电平逼近NLM方法搭建模块化多电平换流器MMC柔性直流输电谐波分析的仿真模型：在并网运行时，根据柔性直流输电系统在三相电压对称时的等效模型来搭建柔性直流输电系统仿真模型，将搭建好的柔性直流输电系统仿真模型加入最优电平逼近NLM控制算法模型，控制算法模型如表达式（2-1）所示，利用PSCAD仿真软件搭建整个输电系统的仿真平台；

2）根据所搭建的柔性直流输电系统仿真模型，输入调制比M的数值，取M=1.0，通过PSCAD仿真平台得到各种主要参数如下：

系统容量	300MVA
		直流电压	±150kV
级联单元数N	4
		载波比	10
变流单元直流电容值	250uF
		连接电抗Ls	0.1H
送端电压	交流110kV
		受端电压	交流220kV

3）参照图5、图6和图7，根据PSCAD仿真平台得到的各种主要参数，在MATLAB软件中进行编程，对仿真参数进行处理，再根据MATLAB与EXCEL的接口得到处理出来的软件计算出谐波含量和THD含量，通过PSCAD仿真平台描绘出NLM各次特征谐波含量随电平数的变化曲线和THD含量随电平数的变化曲线，结合电压等级验证得知级联单元数的可行性与正确性，同时得到满足谐波要求的临界点所对应的电平数。

根据上述仿真平台的主要参数，本实施例的应用如下：

A、根据晶闸管的耐压水平得到一个桥臂级联单元为54，电平数为109，计算出来的谐波含量很小，可以不用加装滤波器都能满足系统的实际运行要求；

B、在电压等级比较低的城市配网系统中，电压比较低的情况下，一个桥臂级联单元为6，电平数为13的情况下，可以得到谐波的含量比标准要高，这样选择出来的级联单元数目满足不了谐波要求，所以要提高电平数或者增加滤波器设计。

参照图6和图7，通过这样的方法，结合电压等级验证得知级联单元数的可行性与正确性，同时得到满足谐波要求的临界点所对应的电平数，得到满足谐波要求的临界点是在多少电平数，从本实施例的仿真平台参数中，可以知道满足谐波含量的临界点的电平数是20左右。

其他具体实施例：

本发明的其他具体实施例的主要特点是：步骤2）中所输入的调制比M的数值为0.6、0.7、0.8、0.9、或1。其余同具体实施例1。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施例，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范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.基于MMC柔性直流输电系统电平数选择验证方法，其特征在于包括以下步骤：

1)首先根据并网运行时柔性直流输电系统在三相电压对称时等效模型搭建柔性直流输电系统仿真模型，然后根据搭建好的柔性直流输电系统仿真模型加入NLM控制算法模型，构成根据最优电平逼近NLM方法搭建基于MMC的柔性直流输电谐波分析的仿真模型，并形成柔性直流输电系统的PSCAD仿真平台；所述的NLM方法为通过电平数目的叠加拟合正弦参考波的方法；所述NLM方法的谐波采用傅立叶级数的方式进行解析分析，其表达式为谐波电平其中V_n为第n次谐波的电压，α_k为各谐波电平所对应的阶跃角度；m为最大电平数；

2)根据所搭建的柔性直流输电系统仿真模型，输入调制比M的若干组数值，通过步骤1)所述的PSCAD仿真平台得到各种主要参数，包括系统容量、直流电压、级联单元数目、载波比、变流单元直流电容值、连接电抗Ls、送端电压、受端电压；

3)根据步骤2)中通过所述PSCAD仿真平台得到的各种主要参数，在MATLAB软件中进行编程，对仿真参数进行处理，再根据MATLAB与EXCEL软件计算得到的谐波含量和总谐波畸变率THD含量，通过PSCAD仿真平台描绘出NLM各次特征谐波含量随电平数的变化曲线和THD含量随电平数的变化曲线，结合电压等级验证得到级联单元数的可行性与正确性，同时得到满足谐波要求的临界点所对应的电平数。

2.根据权利要求1所述的基于MMC柔性直流输电系统电平数选择验证方法，其特征在于：步骤1)中所述并网运行时柔性直流输电系统在三相电压对称时等效模型表达式如下：

$\left\{\begin{array}{c}\left(\frac{R}{2}+s\frac{L_c}{2}\right)i_d\left(s\right)=\mathrm{\ω}\frac{L_c}{2}{i}_q\left(s\right)+v_{conv\_d}\left(s\right)-v_{sd}\left(s\right)\\ \left(\frac{R}{2}+s\frac{L_c}{2}\right)i_q\left(s\right)=-\mathrm{\ω}\frac{L_c}{2}{i}_d\left(s\right)+v_{conv\_q}\left(s\right)-v_{sq}\left(s\right)\end{array}\right..$

3.根据权利要求1或2所述的基于MMC柔性直流输电系统电平数选择验证方法，其特征在于：所述各谐波电平所对应的阶跃角度α_k通过如下方法取得：

1)当电平数N为奇数时，电平阶跃变化处为参考波等于两个电平的中间点时，即α_k＝arcsin(k-0.5)，其中k＝1,2,…,N/2；

2)当电平数N为偶数时， ${\mathrm{\α}}_k=\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\α}}_1=0\\ {\mathrm{\α}}_{2n}={\mathrm{\α}}_{2n+1}=arcsin\left(n\right)\end{array}\right.,$ 其中n＝1,2,…(N-2)/2。

4.根据权利要求1或2所述的基于MMC柔性直流输电系统电平数选择验证方法，其特征在于：所述输入调制比M输入的数值为0.6-1。