CN104834782A - 基于载波相移的模块化多电平换流器的控制系统建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力系统运行和控制技术领域，尤其涉及一种基于载波相移的模块化多电平换流器的控制系统建模方法。将基于CPS-SPWM方法的MMC控制系统划分为4个封装控制模块，每个控制模块内利用离散时域算法将原先控制元件转换为等效控制子函数，并通过对等效控制子函数的多次调用避免了大量复制控制元件的工作。通过对封装控制模块信号接口与参数填写卡的设计，避免了原始建模过程中大量控制信号维数转换的工作。此外，外部Fortran编写的子函数文件还可以通过“.obj”文件加密。各封装模块不仅可以有效完成自身特定控制效果要求，还可以可靠地实现大量的数据通信，避免了原始建模方法中大量数据信号的维数转换工作。

Description

基于载波相移的模块化多电平换流器的控制系统建模方法

技术领域

本发明属于电力系统运行和控制技术领域，尤其涉及一种基于载波相移的模块化多电平换流器的控制系统建模方法。

背景技术

模块化多电平换流器(Modular multilevel converter，MMC)是一种新型电压源型换流器(voltage source converter，VSC)拓扑结构。基于子模块级联结构的MMC具备很多优点，如保持桥臂较高等效开关频率的同时降低开关频率和开关损耗，不涉及直接串联开关元件动作一致性问题和输出的交流波形具有较高的质量。因此，MMC在高电压大容量输送电能和电力驱动应用方面十分有前景。在我国在建或已经投用的基于MMC技术的柔直系统有大连4端柔直系统，南澳3端柔直系统和舟山5端柔直系统。这些柔直系统大多用于大规模新能源电源的并网工程，对我国未来清洁能源战略计划产生积极影响。因此，对基于MMC的柔直系统动态特性的分析与研究十分必要。为完成上述研究工作，在电磁暂态软件中建立精确快速的MMC仿真模型则是必要的研究工作。

MMC仿真模型包括一次系统部分和二次控制部分。在二次控制系统建模方面，基于载波相移调制策略(Carrier phase shifted sinusoidal pulse widenmodulation，CPS-SPWM)的控制系统利用直流闭环电压控制器动态实现MMC桥臂间和子模块间的能量平衡。然而，在建立基于CPS-SPWM的MMC控制模型时，需要为MMC每相和每个子模块重复建立大量的直流闭环电压控制器，尤其对较高电平的MMC控制系统，这一问题更为突出。此外，PSCAD现有元件库中的控制元件大多都只能处理单维控制信号。然而，在现有高速精确的MMC桥臂模型(一次系统)中，子模块电容电压测量信号和触发脉冲信号均以多维信号的方式进行传输和计算。由于PSCAD中已有的“data merge”和“dataextract”模块能处理的信号维数十分有限，因此利用现有资源在一次系统和控制系统间进行大量控制信号的“单维和多维”双向转换工作是十分困难的。因此，需要提出一种简单有效的基于CPS-SPWM的MMC封装控制系统的建模方法来较为容易地实现电磁暂态环境下高电平的MMC仿真工作。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种基于载波相移的模块化多电平换流器的控制系统建模方法，包括：

步骤1、将基于载波相移的模块化多电平换流器的控制系统分为依次相连的功率控制模块、平衡控制模块、载波模块和触发模块；

步骤2、利用离散时域算法，将各模块中的控制元件等效为等效控制子函数，再以标准Fortran子函数格式编写到“.f”文件中，利用PSCAD提供的外部文件加载接口完成“.f”文件的加载；

步骤3、在PSCAD中的Fortran Script编译环境下，按照各模块的控制逻辑顺序，依次完成对各等效控制子函数的调用；

步骤4、利用PSCAD中可视化函数和数据传输函数，建立各模块的信号接口和参数填写卡。

所述功率控制模块用于换流器有功功率、无功功率、直流电压和交流电压幅值的控制，包括内外环闭环电流控制系统；功率控制模块中的控制元件包括：Park变换元件、锁相环元件和比例积分控制器。

所述平衡控制模块用于抑制环流和MMC各子模块电容电压平衡控制，包括闭环直流电压控制器和比例控制器。

所述载波模块用于产生N条相移载波供每个桥臂的子模块使用，其中，N表示每个桥臂常规运行时的子模块个数。

所述触发模块通过比较各子模块的载波和调制波来驱动各子模块正常运行。

所述等效控制子函数包括：Park变换等效子函数、PLL等效子函数、PI等效子函数和载波等效子函数。

所述步骤2中的外部文件加载接口还能通过仅加载由编译“.f”文件产生的“.obj”文件实现对用户开发的子函数的加密。

所述各模块的信号接口具体包括：

功率控制模块：输入量为三相电压电流；输出量为MMC三相调制波；三相电压电流为6个单维信号或者2个3维信号；MMC三相调制波为3个单维信号；

平衡控制模块：输入量为由功率控制模块产生的MMC三相调制波、MMC六个桥臂的桥臂电流和MMC各子模块电容电压；输出量为MMC各子模块的调制波；MMC六个桥臂的桥臂电流为6个单维信号，MMC各子模块电容电压按六个桥臂划分为6个多维信号，每个多维信号的维数由该桥臂包含子模块的个数决定；MMC各子模块的调制波同样为6个多维信号，每个多维信号的维数也由该桥臂包含子模块的个数决定；

载波模块：无信号输入量；输出量为N个相移载波，为一个N维信号；

触发模块：输入量为平衡模块产生的MMC各子模块调制波和载波模块产生的N个相移载波；输出量为MMC各子模块的触发信号。

所述各模块的参数填写卡具体包括：

功率控制模块：用于将测量输入信号标幺化的基准电压和基准容量值；功率控制方式选取选项；桥臂电感和换流电感输入值；控制目标整定值；PLL参数和PI参数；可监测信号输出卡；

平衡控制模块：用于将测量输入信号标幺化的基准电压和基准容量值；测量的直流电压；每个桥臂包含子模块的个数；PI参数；可监测信号输出卡；

载波模块：N个相移载波输入值；载波最大值与最小值；载波频率；

触发模块：相移载波个数N。

所述各模块的工作流程包括：首先，功率控制模块采集交流电压电流，根据控制器指令值，生成MMC三相调制波并传送给平衡控制模块；之后，平衡控制模块在MMC三相调制波的基础上加入平衡控制信号，为每个MMC子模块生成包含平衡控制的各子模块调制波；最后，触发模块通过比较包含平衡控制的各子模块调制波和载波模块生成的N条相移载波来产生各IGBT的触发信号。

本发明的有益效果在于：将基于CPS-SPWM方法的MMC控制系统划分为4个封装控制模块，每个控制模块内利用离散时域算法将原先控制元件转换为等效控制子函数，并通过对等效控制子函数的多次调用避免了大量复制控制元件的工作。通过对封装控制模块信号接口与参数填写卡的设计，避免了原始建模过程中大量控制信号维数转换的工作。此外，外部Fortran编写的子函数文件还可以通过“.obj”文件加密。各封装模块不仅可以有效完成自身特定控制效果要求，还可以可靠地实现大量的数据通信，避免了原始建模方法中大量数据信号的维数转换工作。

附图说明

图1一次系统与控制系统间的控制信号交互示意图；

图2控制系统的封装模块控制框图；

图3M-δ控制器的控制框图；

图4实施例2的三端MMC-HVDC系统图；

图5功率控制模块测试的动态特性图；

图6平衡控制模块测试的动态特性图。

具体实施方式

下面结合附图，对实施例作详细说明。

实施例1

本实施例以在PSCAD环境中设计的基于CPS-SPWM的MMC控制系统来说明本发明的建模方法。

步骤1：将基于CPS-SPWM的MMC封装控制系统划分4个封装控制模块，即功率控制模块、平衡控制模块、载波模块和触发模块。

现有MMC一次系统与二次系统信号交互情况如附图1所示。其中，下标i＝A,B,C，表示ABC三相；j＝u或l，分别表示上桥臂或下桥臂；k＝1,2,…,N，表示桥臂中子模块编号。本发明中下标i、j和k的含义与此处相同。

附图1中MMC一次系统包括6个MMC等效桥臂模型，其主要参数包括一个桥臂内子模块个数N和子模块电容值C。在交流侧方面，控制器通过测量元件得到交流母线三相电压(u_{s_i})、电流(i_{s_i})以及MMC的6个桥臂电流(i_{arm_ij})。在直流侧方面，测量量包括直流电压U_dc和各子模块电容电压V_{c_ijk}。控制系统的控制指令值包括有功指令值P_ref、无功功率指令值Q_ref、直流电压指令值U_dcref、交流电压幅值指令值U_sref和桥臂子模块数N。以上各测量量和控制器指令值通过控制系统的作用就可以为每个子模块的IGBT生成触发信号(F_{P_ijk})，从而控制换流器的动态特性。

MMC控制系统包括4个封装控制模块：功率控制模块、平衡模块、载波模块和触发模块，见附图2。首先，功率控制模块采集交流电压电流，配合控制器指令值，从而生成三相基础调制波(m_{_b_i})并传送给平衡控制模块。之后，平衡控制模块在m_{_b_i}的基础上加入平衡控制信号，为每个子模块生成包含平衡控制的调制波m_{_m_ijk}。最后，触发模块通过比较m_{_m_ijk}和载波模块生成的N条相移载波C_{arrier_k}产生各IGBT的触发信号F_{P_ijk}。

步骤2：对于步骤1中的4个封装控制模块，利用外部Fortran编译环境为每个模块编写用于实现其特定控制功能的等效控制子函数。

根据附图2中各封装模块需要完成的控制效果，设计相应控制框图，并对控制框图中重要控制元件建立等效控制子函数。对于某一个封装控制模块而言，在能够达到相同控制效果的前提下，可以设计出多类型的控制框图。因此本实施例以功率控制模块的一种设计框图为例，进行详细步骤介绍。

附图3为M-δ控制器的控制框图，该控制器属于一种静止坐标系下的功率控制器。M-δ控制器根据交流电压幅值整定值U_sref来调节MMC输出交流电压的幅值。DFT是离散傅里叶变换，可以得到交流电压u_{s_i}的幅值U_{s_i}。ω₀是基频角频率。由附图3可知，对于该控制器需要转换为等效控制子函数的控制元件有PI控制器和离散傅里叶变换(Discrete Fourier Transform，DFT)元件。根据离散时域算法，PI控制器和DFT元件可以分别写成式(1)和(2)的形式。

y(t)＝f_PI[x(t),K_p,T,max,min,Δt]  (1)

y(t)＝f_DFT[x(t),f_b,Δt]  (2)

式(1)和(2)中，x(t)和y(t)分别表示控制元件的输入和输出变量。K_p和T表示PI的比例增益和时间常数。max和min表示PI的输出上下限值。Δt和f_b分别表示仿真时间步长(或采样周期)和DFT的基准频率。

其余封装控制模块均可以类似形式，将其控制框图内的关键控制元件在外部Fortran文件中编写为等效控制子函数的形式。“.f”和“.obj”文件的生成与加载方法可参见PSCAD/EMTDC的说明文件。

步骤3：在PSCAD中的Fortran Script编译环境下，通过调用步骤2中等效控制子函数来实现步骤1中各封装控制模块的特定控制效果。

根据附图3所示控制框图，首先需要调用DFT的等效控制子函数由交流电压u_{s_i}得到交流电压幅值U_{s_i}。之后使交流电压幅值指令值U_sref和交流电压幅值U_{s_i}的差值经过PI的等效控制子函数，得到调制波幅值。最后与相角结合，生成三相基础调制波。对于ABC三相，上述子函数调用过程需要重复3次。其他封装控制子模块的等效控制子函数调用方法与上例类似，这里不再赘述。

步骤4：根据控制需求，利用PSCAD可视化函数和数据传输函数的功能，为步骤1中4个封装控制模块设计外观和数据接口，完成封装控制模块的通信与封装控制系统的建立过程；

1)功率控制模块

首先，介绍一种MMC最常用的基于旋转坐标系下的功率控制模块外观和数据接口的设计，其中包括2个PARK变换模块，1个锁相环(phase-lock-loop，PLL)和4个PI控制器。该模块的数据接口有三相电压输入(3个单维信号)、三相电流输入(3个单维信号)和三相基础调制波输出(3个单维信号)信号接口。参数卡包括基准电压和容量值、控制方式选择卡、各控制元件参数卡和监控信号卡。这样，用户可以方便地选择控制方式，修改控制器参数和监控主要控制信号的动态特性。

如附图3所示的静止坐标系下的功率控制(M-δ控制器)，控制模块的信号接口为：三相电压输入(3个单维信号)和三相基础调制波输出信号接口(3个单维信号)。参数填写卡有：基准频率、初相角、交流电压幅值参考值和PI参数。

2)平衡控制模块

除了三相基础调制波外，其余控制信号都是以多维信号的方式设计的(均为N维信号)。由于控制模块信号接口较多，且桥臂电流为单维信号，为了操作简便考虑，将桥臂电流以变量参数填写的方式设置于参数填写卡中。其他参数填写卡包括PI参数、比例控制器参数与监控信号卡。

3)载波与触发模块

载波模块产生N个相移的三角载波(N维信号输出)，其参数卡中基本参数包括：载波频率、幅值和个数。触发模块的信号接口有：各子模块调制波(6个N维信号)输入、载波输入(1个N维信号)和各子模块触发脉冲输出(6个N维信号)接口信号。其参数填写卡中基本参数为N。

通过以上数据接口的设计，各封装控制模块可以构成如附图2所示的封装控制系统。再加以控制目标参考值和合适的控制参数，该封装控制系统就可以控制MMC一次系统稳定运行。该封装控制系统的优势为：

首先，利用发明提出的封装控制系统可以极大程度简化基于CPS-SPWM的MMC建模过程。使用PSCAD原有控制元件建立MMC控制系统时需要大量复制控制元件，然而使用本发明提出的封装控制系统时，只需要4个封装控制模块。封装控制模块中利用离散时域算法将控制元件转换为等效控制子函数，因此大量复制工作被转变为对等效控制子函数的多次调用。同时，需要用户处理的封装控制器的控制信号较少，因为封装控制器将大量控制信号以多维信号的方式进行计算和传输，如附图2中的V_{c_ijk},m_{_m_ijk}和F_{P_ijk}在封装模块中均是以多维信号方式处理的。因此利用封装控制器无需进行大量控制信号的维数转换工作。由于控制参数集中填写在4个封装模块中而不是分散在大量的控制元件中，因此在调试控制器参数时更为方便。

其次，本发明提出的封装控制系统具备很好的扩展性。功率控制模块可以方便地在多类控制器中切换。封装控制系统的设计还考虑了其他附加控制策略并入的接口。如可将一些附加控制策略的控制信号方便地加入附图2中的m_{_b_i}中，从而将该附加控制策略嵌入本发明所设计的封装控制系统内。此外，对某一个封装控制模块的修改或扩展并不影响其他封装控制模块的功能。因此各封装模块的程序调试过程十分高效简便。

实施例2

本实施例采用一个三端MMC-HVDC系统来验证根据本发明方法建立的封装控制系统的动态特性。如附图4所示，MMC每个桥臂中有100个子模块，直流电压为200kV。直流输电线路的电阻和电感分别为0.15Ω和25mH.MMC₁和MMC₂接入有源交流系统U_s1和U_s2中，其中U_s1＝U_s2＝110kV，X_L＝j3.14Ω。MMC₃向无源交流负荷供电，其中Z_Load＝(363.0+j121.0)Ω。每个子模块中的电容为3mF，桥臂电感为40mH。MMC₁和MMC₂采用图3所示的d-q解耦控制器而MMC₃采用M-δ控制器。MMC₁采用定有功、无功功率控制，其中P_ref＝100MW，Q_ref＝30Mvar。MMC₂采用定直流电压、无功功率控制，其中U_dcref＝200kV，Q_ref＝10Mvar。MMC₃采用定交流电压幅值控制，其中U_sref＝89.8kV。仿真步长为50μs。

MMC₁和MMC₂在5s前达到稳态，在5s时MMC₃并网且开始向无源交流负荷供电。附图5-附图6给出了MMC₃从并网至稳态这一过程中三端柔直系统的动态过程，其中附图5为功率控制模块的动态特性，附图6为平衡控制模块的动态特性。附图5中E_K指开关K处的交流相电压幅值。可以明显看出功率控制模块具备很好的动态特性，因此在附图5所示的并网过程中没有出现较大波动。MMC-HVDC系统中的换流站很快过渡至新的稳态。

平衡控制模块在整个并网动态过程中也起到了关键作用。附图6中，I_cir1-I_cir3是MMC₁-MMC₃的A相环流；V_cau1-V_cau3是MMC1-MMC3的A相上桥臂电容电压。如附图6所示，三个换流器的相间环流幅值被直流闭环控制器基本消除，因此子模块电容电压平衡效果较好。

表1给出了建议一个101电平MMC时，采用原始建模方法和采用本发明提出的建模方法时的工作量对比。其中，主要控制元件指PI控制器、PLL、比例控制器、PARK变换、载波发生器和触发器；主要控制信号指子模块电容电压、加入平衡控制信号的调制波、载波和触发脉冲；信号维数转换是指将多个一维控制信号转换为一个多维信号，或反之。通过表1中对采用PSCAD原有控制元件和采用封装控制系统建立101电平MMC模型时所需要的工作量的对比，可以看出明显看出采用本发明提出的封装控制系统可以极大程度地简化基于CPS-SPWM的MMC控制系统建模过程。尤其是建立多端高电平的柔直系统时，本发明提出的封装控制系统在建模过程中的优势将会更为凸显。

表1 建立101电平MMC控制系统工作量对比

实施例2的验证结果说明采用本发明提出的建模方法所建立的封装控制系统具备良好的动态特性。相较于原始建模方法，建模工作量有了极大程度的减少，且建模过程也有明显简化。

此测试实施例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。

Claims (10)

1.一种基于载波相移的模块化多电平换流器的控制系统建模方法，其特征在于，包括：

步骤1、将基于载波相移的模块化多电平换流器的控制系统分为依次相连的功率控制模块、平衡控制模块、载波模块和触发模块；

步骤2、利用离散时域算法，将各模块中的控制元件等效为等效控制子函数，再以标准Fortran子函数格式编写到“.f”文件中，利用PSCAD提供的外部文件加载接口完成“.f”文件的加载；

步骤3、在PSCAD中的Fortran Script编译环境下，按照各模块的控制逻辑顺序，依次完成对各等效控制子函数的调用；

步骤4、利用PSCAD中可视化函数和数据传输函数，建立各模块的信号接口和参数填写卡。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述功率控制模块用于换流器有功功率、无功功率、直流电压和交流电压幅值的控制，包括内外环闭环电流控制系统；功率控制模块中的控制元件包括：Park变换元件、锁相环元件和比例积分控制器。

3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述平衡控制模块用于抑制环流和MMC各子模块电容电压平衡控制，包括闭环直流电压控制器和比例控制器。

4.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述载波模块用于产生N条相移载波供每个桥臂的子模块使用，其中，N表示每个桥臂常规运行时的子模块个数。

5.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述触发模块通过比较各子模块的载波和调制波来驱动各子模块正常运行。

6.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述等效控制子函数包括：Park变换等效子函数、PLL等效子函数、PI等效子函数和载波等效子函数。

7.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤2中的外部文件加载接口还能通过仅加载由编译“.f”文件产生的“.obj”文件实现对用户开发的子函数的加密。

8.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述各模块的信号接口具体包括：

功率控制模块：输入量为三相电压电流；输出量为MMC三相调制波；三相电压电流为6个单维信号或者2个3维信号；MMC三相调制波为3个单维信号；

平衡控制模块：输入量为由功率控制模块产生的MMC三相调制波、MMC六个桥臂的桥臂电流和MMC各子模块电容电压；输出量为MMC各子模块的调制波；MMC六个桥臂的桥臂电流为6个单维信号，MMC各子模块电容电压按六个桥臂划分为6个多维信号，每个多维信号的维数由该桥臂包含子模块的个数决定；MMC各子模块的调制波同样为6个多维信号，每个多维信号的维数也由该桥臂包含子模块的个数决定；

载波模块：无信号输入量；输出量为N个相移载波，为一个N维信号；

触发模块：输入量为平衡模块产生的MMC各子模块调制波和载波模块产生的N个相移载波；输出量为MMC各子模块的触发信号。

9.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述各模块的参数填写卡具体包括：

功率控制模块：用于将测量输入信号标幺化的基准电压和基准容量值；功率控制方式选取选项；桥臂电感和换流电感输入值；控制目标整定值；PLL参数和PI参数；可监测信号输出卡；

平衡控制模块：用于将测量输入信号标幺化的基准电压和基准容量值；测量的直流电压；每个桥臂包含子模块的个数；PI参数；可监测信号输出卡；

载波模块：N个相移载波输入值；载波最大值与最小值；载波频率；

触发模块：相移载波个数N。

10.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述各模块的工作流程包括：首先，功率控制模块采集交流电压电流，根据控制器指令值，生成MMC三相调制波并传送给平衡控制模块；之后，平衡控制模块在MMC三相调制波的基础上加入平衡控制信号，为每个MMC子模块生成包含平衡控制的各子模块调制波；最后，触发模块通过比较包含平衡控制的各子模块调制波和载波模块生成的N条相移载波来产生各IGBT的触发信号。