CN104218573A - 一种受端电网发生故障时mmc-hvdc的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种受端电网发生故障时MMC-HVDC的控制方法，包括以下步骤：1、测量得到变压器出口的电压瞬时值和电流瞬时值；2、通过1/4周期信号延迟法获取正序电压d轴分量、正序电压q轴分量、负序电压d轴分量和负序电压q轴分量；正序电流d轴分量、正序电流q轴分量、负序电流d轴分量和负序电流q轴分量；把正负序分量分离开来，并通过坐标变换得到同步旋转坐标系下电网电压的正负序分量；3、将电压方程分为正序方程和负序方程，各电气量正序分量和负序分量分别用上标P、N表示。具有能使柔性直流系统具备不对称故障穿越能力等优点。

Description

一种受端电网发生故障时MMC-HVDC的控制方法

技术领域

本发明涉及一种电力电子和直流输电技术，特别涉及一种受端电网发生故障时MMC-HVDC的控制方法。

背景技术

随着风力发电技术的发展，风电场的规模越来越大，而风电具有间歇性、不可控、远离主干电网等特点。柔性直流输电技术具有独立控制有功无功、稳定交流母线电压、隔离干扰和容易构成多端直流系统等优点，非常适合于大型风电场并网。

在基于电压源换流器的柔性直流输电领域，最早使用的是两电平拓扑结构，其开关器件耐压与传输功率都受到限制，并且需要加入输出滤波装置。为解决这些问题，模块化多电平换流器开始出现并且受到越来越多的关注。由电容与全控开关器件、二极管组成子模块单元，通过在换流器正、负直流母线之间串联子模块单元来构成多电平输出的结构形式。这类拓扑结构(即MMC)有诸多优点：制造难度降低、损耗成倍下降、阶跃电压降低、波形质量高、故障处理能力强等，因此也获得了广泛应用。于2010年投运的美国“Trans Bay Cable”工程、国内已经建成的上海南汇柔性直流输电工程、南澳风电场柔性直流输电工程，以及正在建设的浙江舟山柔性直流工程、大连柔性直流工程都采用这种MMC拓扑结构。

受端交流电网发生不对称故障时，会产生负序分量，将会在MMC交流侧和直流侧产生大量非特征谐波，电压、电流出现畸变，影响功率传输和电压质量，严重故障时会对MMC的开关元件、二极管、电容等设备的运行安全产生影响，较大的负序电流可能会引起系统保护动作，导致MMC-HVDC运行不稳定。在实际工程，若不对称故障持续时间较长，要求换流站在故障期间持续运行而不闭锁，必须设计不对称故障情况下MMC-HVDC的控制策略。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种受端电网发生故障时MMC-HVDC的控制方法，该控制方法抑制了负序电流，减小了受端交流电网发生不对称故障对柔性直流输电系统以及送端电网造成的影响。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种受端电网发生故障时MMC-HVDC的控制方法，包括以下步骤：

1)测量得到变压器出口的电压瞬时值u_sa、u_sb、u_sc和电流瞬时值i_sa、i_sb、i_sc；

2)通过1/4周期信号延迟法获取正序电压d轴分量、正序电压q轴分量、负序电压d轴分量、负序电压q轴分量；正序电流d轴分量、正序电流q轴分量、负序电流d轴分量、负序电流q轴分量。电压矢量u由逆时针方向旋转的正序矢量和顺时针方向旋转的负序矢量合成，在两相静止αβ坐标系中，将电网电压表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_a\left(t\right)=u^P\cos (\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}^P)+u^N\cos (-\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}^N)\\ u_{\mathrm{\β}}\left(t\right)=u^P\sin (\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}^P)+u^N\sin (-\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}^N)\end{array}\right.,---\left(1\right)$

式中，u_a(t)、u_β(t)为t时刻电网电压换算到αβ轴上的值；u^P、θ^P为电压正序分量的幅值及相位；u^N、θ^N为电压负序分量的幅值和相位。将(1)进行T/4延时得到：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_a(t-\frac{T}{4})=u^P\cos (\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}^P-\frac{\mathrm{\π}}{2})+u^N\cos (-\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}^N+\frac{\mathrm{\π}}{2})\\ u_{\mathrm{\β}}(t-\frac{T}{4})=u^P\sin (\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}^P-\frac{\mathrm{\π}}{2})+u^N\sin (-\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}^N+\frac{\mathrm{\π}}{2})\end{array}\right.,---\left(2\right)$

简化后得到：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_a(t-\frac{T}{4})=u^P\sin (\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}^P)-u^N\sin (-\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}^N)\\ u_{\mathrm{\β}}(t-\frac{T}{4})=-u^P\cos (\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}^P)+u^N\cos (-\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}^N)\end{array}\right.,---\left(3\right)$

结合式(1)与式(3)可得到两相αβ静止坐标系下电压正负序分量的表达式：

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}^P\left(t\right)\\ u_{\mathrm{\β}}^P\left(t\right)\\ u_{\mathrm{\α}}^N\left(t\right)\\ u_{\mathrm{\β}}^N\left(t\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{u}^P\cos (\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}^P)\\ u^P\sin (\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}^P)\\ u^N\cos (-\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}^N)\\ u^N\sin (-\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}^N)\end{array}\right]=\frac{1}{2}\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& -1\\ 0& 1& 1& 0\\ 1& 0& 0& 1\\ 0& 1& -1& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}\left(t\right)\\ u_{\mathrm{\β}}\left(t\right)\\ u_{\mathrm{\α}}(t-\frac{T}{4})\\ u_{\mathrm{\β}}(t-\frac{T}{4})\end{array}\right]=M\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}\left(t\right)\\ u_{\mathrm{\β}}\left(t\right)\\ u_{\mathrm{\α}}(t-\frac{T}{4})\\ u_{\mathrm{\β}}(t-\frac{T}{4})\end{array}\right],---\left(4\right)$

此时正负序分量分离开来，可以通过αβ-dq坐标变换得到同步旋转坐标系下电网电压的正负序分量。对于电流的正负序量的提取也可以采取同样的方法。

3)通过基于负序电压前馈的双序控制环节，对MMC的交流侧电压调制波中实时补偿负序电压分量，从而抑制负序电流。

通过T/4信号延迟法获取正序电压d轴分量、正序电压q轴分量、负序电压d轴分量、负序电压q轴分量；正序电流d轴分量、正序电流q轴分量、负序电流d轴分量和负序电流q轴分量。

根据模块化多电平换流器的电压方程，将电压方程分为正序方程和负序方程，各电气量正序分量和负序分量分别用上标P和N表示，电压方程表达式如下：

$\left\{\begin{array}{c}L\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{sd}}^P}{\mathrm{dt}}=u_{\mathrm{sd}}^P+{\mathrm{\ωLi}}_{\mathrm{sq}}^P-{\mathrm{Ri}}_{\mathrm{sd}}^P-u_d^P\\ L\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{sq}}^P}{\mathrm{dt}}=u_{\mathrm{sq}}^P-{\mathrm{\ωLi}}_{\mathrm{sd}}^P-{\mathrm{Ri}}_{\mathrm{sq}}^P-u_q^P\end{array}\right.,---\left(5\right)$

$\left\{\begin{array}{c}L\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{sd}}^N}{\mathrm{dt}}=u_{\mathrm{sd}}^N-{\mathrm{\ωLi}}_{\mathrm{sq}}^N-{\mathrm{Ri}}_{\mathrm{sd}}^N-u_d^N\\ L\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{sq}}^N}{\mathrm{dt}}=u_{\mathrm{sq}}^N+{\mathrm{\ωLi}}_{\mathrm{sd}}^N-{\mathrm{Ri}}_{\mathrm{sq}}^N-u_q^N\end{array}\right.,---\left(6\right)$

式中，L为变压器T_M2电抗L_M2和和二分之一桥臂电抗L₀之和，R为逆变器电阻值。正序控制环节的有功电流参考值来自外环的定直流电压控制，无功电流参考值来自外环的定无功控制；分析式(6)发现若负序电流得到抑制，则进而有本发明采用负序电压前馈控制，实时补偿交流系统不对称引起的负序电压，从而达到抑制负序电流的目的。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

本发明采用了1/4周期信号延迟法提取正负序分量，相对于瞬时对称分量法、二次谐波滤除的相序分离法等算法更加简单高效。通过设计负序电压前馈的双序控制策略，相比传统的利用正序和负序分量的双闭环控制，减少了计算量，同时减少了两个PI环节，使控制需要的量更少，实现过程更简单易行。

附图说明

图1为本发明的实施例的两端MMC-HVDC系统结构图。

图2为本发明的实施例的模块化多电平换流器拓扑结构图。

图3为本发明的实施例的半桥模块的拓扑结构图。

图4为本发明的正负序分量分离的信号延迟法。

图5为本发明的负序电压前馈的双序控制策略。

图6为本发明的实施例的故障点电压仿真图。

图7为本发明的实施例的故障电流仿真图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，本实例是风电场1向受端交流电网输送功率的两端柔性直流输电系统。送端的风电场1经过升压变压器T_M1升压至送端的MMC整流站，进过直流电缆2将功率传送至受端的MMC逆变器，经过调压变压器T_M2调压将电能通过受端PCC3输送至受端的交流电网4。

如图2所示，本实施例的基于全桥与半桥模块的混合型多电平换流器包括连接于正负极直流母线之间的三相单元，每个相单元由上桥臂和下桥臂组成，每个桥臂包括N个半桥模块(SM₁，SM₂，···，SM_N)，N为正整数。图中，A，B和C分别表示换流器交流侧三相；L₀表示桥臂电抗器；U_dc为正负极直流母线间的电压差。

如图3所示，本实施例的半桥模块由带有反并联二极管D1的绝缘栅双极晶体管VT1、带有反并联二极管D2的绝缘栅双极晶体管VT2和一个电容C组成，绝缘栅双极晶体管VT1和VT2串联后与电容C并联，绝缘栅双极晶体管VT1和VT2的串联点为半桥模块的一个输出端，电容C的任意一端为半桥模块的另一个输出端，U_C表示半桥模块电容电压；U_SM表示半桥模块端口输出电压。

如图4所示，本实施例本文采用T/4信号延迟的方法实现提取正负序分量。以电压信号为例子，先将三相电压变换至在两相静止坐标系中，将电网电压延迟1/4个工频周期，进行相应运算即可分离正负序分量。对于电流的负序量的提取也可以采取同样的方法。

电压矢量u由逆时针方向旋转的正序矢量和顺时针方向旋转的负序矢量合成，在两相静止αβ坐标系中，将电网电压表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_a\left(t\right)=u^P\cos (\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}^P)+u^N\cos (-\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}^N)\\ u_{\mathrm{\β}}\left(t\right)=u^P\sin (\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}^P)+u^N\sin (-\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}^N)\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中，u_a(t)、u_β(t)为t时刻电网电压换算到αβ轴上的值；u^P、θ^P为电压正序分量的幅值及相位；u^N、θ^N为电压负序分量的幅值和相位。将(4-2)进行T/4延时得到：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_a(t-\frac{T}{4})=u^P\cos (\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}^P-\frac{\mathrm{\π}}{2})+u^N\cos (-\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}^N+\frac{\mathrm{\π}}{2})\\ u_{\mathrm{\β}}(t-\frac{T}{4})=u^P\sin (\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}^P-\frac{\mathrm{\π}}{2})+u^N\sin (-\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}^N+\frac{\mathrm{\π}}{2})\end{array}\right.---\left(2\right)$

简化后得到：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_a(t-\frac{T}{4})=u^P\sin (\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}^P)-u^N\sin (-\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}^N)\\ u_{\mathrm{\β}}(t-\frac{T}{4})=-u^P\cos (\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}^P)+u^N\cos (-\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}^N)\end{array}\right.---\left(3\right)$

结合式(4-2)与式(4-4)可得到两相αβ静止坐标系下电压正负序分量的表达式：

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}^P\left(t\right)\\ u_{\mathrm{\β}}^P\left(t\right)\\ u_{\mathrm{\α}}^N\left(t\right)\\ u_{\mathrm{\β}}^N\left(t\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{u}^P\cos (\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}^P)\\ u^P\sin (\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}^P)\\ u^N\cos (-\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}^N)\\ u^N\sin (-\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}^N)\end{array}\right]=\frac{1}{2}\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& -1\\ 0& 1& 1& 0\\ 1& 0& 0& 1\\ 0& 1& -1& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}\left(t\right)\\ u_{\mathrm{\β}}\left(t\right)\\ u_{\mathrm{\α}}(t-\frac{T}{4})\\ u_{\mathrm{\β}}(t-\frac{T}{4})\end{array}\right]=M\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}\left(t\right)\\ u_{\mathrm{\β}}\left(t\right)\\ u_{\mathrm{\α}}(t-\frac{T}{4})\\ u_{\mathrm{\β}}(t-\frac{T}{4})\end{array}\right]---\left(4\right)$

此时正负序分量分离开来，可以通过αβ-dq坐标变换得到同步旋转坐标系下电网电压的正负序分量，如图4所示。对于电流的正负序量的提取也可以采取同样的方法。此方法有T/4的延时，相对而言本文故障时间较长，影响较小。

如图5所示，通过T/4信号延迟法获取正序电压d轴分量正序电压q轴分量负序电压d轴分量负序电压q轴分量正序电流d轴分量正序电流q轴分量负序电流d轴分量负序电流q轴分量采用负序电压前馈控制，实时补偿交流系统不对称引起的负序电压，从而达到抑制负序电流的目的。同时为避免故障期间发生过电流，对dq轴电流参考值都进行了限幅。控制逻辑示意图如图5所示。

某一具体故障仿真例：柔性直流系统额定容量为200MW，额定直流电压为±160kV，送端风电场送出100MW的功率。两端的模块化多电平换流器直流侧为±160kV，交流侧线电压为166kV，调制比为0.85。1.5s时在图1所示的F点(PCC点)发生两相接地故障时，故障相电压跌落至0.2pu，故障点电压如图6所示。逆变站采用本发明所提出的不对称控制策略，负序电流得到抑制，故障电流保持三相对称，结果如图7所示。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种受端电网发生故障时MMC-HVDC的控制方法，其特征在于，当受端电网发生不对称故障时，该控制方法包括如下步骤：

1)测量得到变压器出口的电压瞬时值u_sa,u_sb,u_sc和电流瞬时值i_sa,i_sb,i_sc；

2)通过1/4周期信号延迟法获取正序电压d轴分量正序电压q轴分量负序电压d轴分量和负序电压q轴分量；正序电流d轴分量、正序电流q轴分量负序电流d轴分量和负序电流q轴分量电压矢量u由逆时针方向旋转的正序矢量和顺时针方向旋转的负序矢量合成，在两相静止αβ坐标系中，将电网电压表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_a\left(t\right)=u^P\cos (\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}^P)+u^N\cos (-\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}^N)\\ u_{\mathrm{\β}}\left(t\right)=u^P\sin (\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}^P)+u^N\sin (-\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}^N)\end{array}\right.,---\left(1\right)$

式中，u_a(t)和u_β(t)为t时刻电网电压换算到αβ轴上的值；u^P和θ^P为电压正序分量的幅值及相位；u^N和θ^N为电压负序分量的幅值和相位，将(1)进行T/4延时得到：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_a(t-\frac{T}{4})=u^P\cos (\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}^P-\frac{\mathrm{\π}}{2})+u^N\cos (-\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}^N+\frac{\mathrm{\π}}{2})\\ u_{\mathrm{\β}}(t-\frac{T}{4})=u^P\sin (\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}^P-\frac{\mathrm{\π}}{2})+u^N\sin (-\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}^N+\frac{\mathrm{\π}}{2})\end{array}\right.,---\left(2\right)$

简化后得到：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_a(t-\frac{T}{4})=u^P\sin (\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}^P)-u^N\sin (-\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}^N)\\ u_{\mathrm{\β}}(t-\frac{T}{4})=-u^P\cos (\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}^P)+u^N\cos (-\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}^N)\end{array}\right.,---\left(3\right)$

结合式(1)与式(3)可得到两相αβ静止坐标系下电压正负序分量的表达式：

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}^P\left(t\right)\\ u_{\mathrm{\β}}^P\left(t\right)\\ u_{\mathrm{\α}}^N\left(t\right)\\ u_{\mathrm{\β}}^N\left(t\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{u}^P\cos (\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}^P)\\ u^P\sin (\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}^P)\\ u^N\cos (-\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}^N)\\ u^N\sin (-\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}^N)\end{array}\right]=\frac{1}{2}\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& -1\\ 0& 1& 1& 0\\ 1& 0& 0& 1\\ 0& 1& -1& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}\left(t\right)\\ u_{\mathrm{\β}}\left(t\right)\\ u_{\mathrm{\α}}(t-\frac{T}{4})\\ u_{\mathrm{\β}}(t-\frac{T}{4})\end{array}\right]=M\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}\left(t\right)\\ u_{\mathrm{\β}}\left(t\right)\\ u_{\mathrm{\α}}(t-\frac{T}{4})\\ u_{\mathrm{\β}}(t-\frac{T}{4})\end{array}\right],---\left(4\right)$

把正负序分量分离开来，并通过αβ-dq坐标变换得到同步旋转坐标系下电网电压的正负序分量；

3)将电压方程分为正序方程和负序方程，各电气量正序分量和负序分量分别用上标P、N表示，电压方程表达式如下：

$\left\{\begin{array}{c}L\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{sd}}^P}{\mathrm{dt}}=u_{\mathrm{sd}}^P+{\mathrm{\ωLi}}_{\mathrm{sq}}^P-{\mathrm{Ri}}_{\mathrm{sd}}^P-u_d^P\\ L\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{sq}}^P}{\mathrm{dt}}=u_{\mathrm{sq}}^P-{\mathrm{\ωLi}}_{\mathrm{sd}}^P-{\mathrm{Ri}}_{\mathrm{sq}}^P-u_q^P\end{array}\right.,---\left(5\right)$

$\left\{\begin{array}{c}L\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{sd}}^N}{\mathrm{dt}}=u_{\mathrm{sd}}^N-{\mathrm{\ωLi}}_{\mathrm{sq}}^N-{\mathrm{Ri}}_{\mathrm{sd}}^N-u_d^N\\ L\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{sq}}^N}{\mathrm{dt}}=u_{\mathrm{sq}}^N+{\mathrm{\ωLi}}_{\mathrm{sd}}^N-{\mathrm{Ri}}_{\mathrm{sq}}^N-u_q^N\end{array}\right.,---\left(6\right)$

式中，L为变压器T_M2电抗L_M2和和二分之一桥臂电抗L₀之和，R为逆变器电阻值，正序控制环节的有功电流参考值来自外环的定直流电压控制，无功电流参考值来自外环的定无功控制；分析式(6)发现若负序电流得到抑制，则进而有实时补偿交流系统不对称引起的负序电压，从而抑制负序电流。

2.根据权利要求1所述的受端电网发生故障时MMC-HVDC的控制方法，其特征在于，所述的柔性直流系统的两端换流器是采用的模块化多电平结构的换流器，由6个桥臂组成，每个桥臂由子模块和桥臂电抗器串联组成，通过控制每个桥臂的投入、切除子模块的个数，使交流侧的输出电压逼近交流正弦电压，直流侧的输出电压逼近直流电压。

3.根据权利要求1所述的受端电网发生故障时MMC-HVDC的控制方法，其特征在于，所述的提取正负序分量的方法为T/4信号延迟法，相比较瞬时对称分量法、二次谐波滤除的相序分离法算法更加简单高效。

4.根据权利要求1所述的受端电网发生故障时MMC-HVDC的控制方法，其特征在于，所述的负序电压前馈的双序控制策略是在两相αβ静止坐标系下将负序电压的α轴分量、β轴分量与正序分量的α轴分量、β轴分量相加，形成调制波的α轴、β轴分量，并经过坐标变换形成三相调制波。

5.根据权利要求1所述的受端电网发生故障时MMC-HVDC的控制方法，其特征在于，通过设计负序电压前馈的双序控制策略，输出电流因负序分量得到抑制以保持三相对称，使换流器在出现不对称故障时持续运行。