CN104953590A - 基于mmc拓扑结构的统一潮流控制器的谐波分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于MMC拓扑结构的统一潮流控制器的谐波分析方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：确定需要校核的电网运行方式、MMC桥臂子模块数量N及电压调制比m；步骤二：进行基于最近电平逼近调制的MMC输出电压u_vj谐波分布计算；步骤三：进行基于MMC拓扑结构的UPFC接入系统的谐波分析。在分析MMC采用最近电平逼近调制策略的谐波特性的基础上，给出了UPFC谐波分析方法，为基于MMC拓扑的UPFC工程规划设计及系统运行提供理论依据和分析技术。

Description

基于MMC拓扑结构的统一潮流控制器的谐波分析方法

技术领域

本发明涉及一种基于MMC拓扑结构的统一潮流控制器的谐波分析方法。

背景技术

随着电力电子技术的进步及高压大功率全控型器件(如IGBT)的成熟，其在高压输电网中的应用越来越多，这些器件的应用大大提高了电网运行控制的灵活性。其中UPFC(Unified Power Flow Controller，统一潮流控制器)代表了目前柔性交流输电技术的最高水平，通过对换流器的控制实现线路有功和无功功率的准确调节，提高输送能力及阻尼系统振荡，提高电网输送能力和安全稳定水平。

近年来，柔性输电技术取得很大发展，其换流器技术从两电平、三电平等拓扑发展到MMC(Modular Multilevel Converter，模块化多电平)拓扑，MMC的模块化结构使其可扩展性强，这也使柔性输电技术向高电压大功率输电领域进行推广，MMC结构如图1所示。

目前，MMC换流器控制通常采用载波移向正弦脉宽调制、最近电平逼近调制等调制技术，可有效降低器件开关频率、输电电压电流谐波含量。特别是最近电平逼近调制策略，通过从换流器所能生成的电平中选择与调制波采样值最接近的作为控制指令，并触发相应数目的子模块产生所需的电平输出，控制原理及实现简单，其应用于子模块数(电平数)较高的柔性交流直流输电场合，无需借助高频调制方式减小输出电压的谐波含量，能显著降低器件开关频率和损耗。在柔性直流输电中，单个桥臂通常采用上百个子模块级联，且正常运行时交流侧电压在系统额定电压附件，换流器输出交流电压谐波含量很低。

UPFC通过改变串联注入线路电压控制线路潮流，其结构如图2所示，理论上UPFC的串联注入电压可以在0到额定值之间任意可调，在UPFC注入电压较小时，换流器输出电压调制比较小，换流输出电压波形畸变严重，其中会存在相对于注入基波电压较大比例的谐波电压，因此，开展基于MMC拓扑结构的UPFC的谐波特性分析对于UPFC及接入电网的安全稳定运行具有重要意义。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种基于MMC拓扑结构的统一潮流控制器的谐波分析方法，在分析MMC采用最近电平逼近调制策略的谐波特性的基础上，给出了UPFC谐波分析方法，为基于MMC拓扑的UPFC工程规划设计及系统运行提供理论依据和分析技术。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

基于MMC拓扑结构的统一潮流控制器的谐波分析方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：确定需要校核的电网运行方式、MMC桥臂子模块数量N及电压调制比m；

步骤二：进行基于最近电平逼近调制的MMC输出电压u_vj谐波分布计算；

步骤三：进行基于MMC拓扑结构的UPFC接入系统的谐波分析，具体包括：

3A)基于确定的电网运行方式进行电网等值参数计算；

3B)基于UPFC接入系统后的等值回路，计算用MMC输出电压u_vj表示的系统两端母线M、N的电压u_m和u_n；

3C)计算系统电压u_m和u_n中各次谐波含量。

优选，步骤二具体包括如下步骤：

2A)根据MMC桥臂子模块数N及电压调制比m，计算前1/4周期内电平阶跃次数Kmax，相应电平阶跃时刻对应的电角度为θ₁，θ₂，…，θ_K，…，θ_Kmax，满足

式中，符号表示对向靠近零方向取整；

2B)计算MMC输出电压u_vj的傅里叶级数分解如下：

$b_s=\frac{4V_c}{\mathrm{s\π}}\underset{K=1}{\overset{K\max }{\mathrm{\Σ}}}\cos \left({\mathrm{s\θ}}_K\right),s=\mathrm{1,3,5},...$

$u_{\mathrm{vj}}=\underset{s=\mathrm{1,3,5},...}{\mathrm{\Σ}}{b}_s\·\sin \left(\mathrm{s\ωt}\right)$

式中，b_s为电压u_vj的傅里叶分解系数，V_c为MMC子模块电容电压，可认为其保持不变，ω为电网额定频率。

2C)计算MMC输出电压u_vj各次谐波含量为：

${\mathrm{Hm}}_s=\frac{b_s}{b_1}=\frac{\frac{1}{s}\underset{K=1}{\overset{K\max }{\mathrm{\Σ}}}\cos \left(s{\mathrm{\θ}}_K\right)}{\underset{K=1}{\overset{K\max }{\mathrm{\Σ}}}\cos \left({\mathrm{\θ}}_K\right)},s=\mathrm{3,5,7},....$

优选，步骤3A)基于确定的电网运行方式进行电网等值参数计算，其中参数包括：两侧等值系统电源e_m和e_n、等值电感L_m和L_n。

优选，步骤3B)中，

式中，A_n、和A_m、满足：

B_n和B_m满足：

$\begin{array}{c}{B}_n=-\frac{L_n}{L_m+L_l+L_T+L_n}\mathrm{\ξ}\\ B_m=\frac{L_m}{L_m+L_l+L_T+L_n}\mathrm{\ξ}\end{array},$

式中，L_l为线路电感，L_T为UPFC串联侧变压器等值回路的串联变压器等值电感，ξ为UPFC串联侧变压器变比。

本发明利用UPFC及MMC工作及控制原理，实现了基于MMC拓扑结构的UPFC及其接入系统的谐波分析计算方法，通过分析MMC采用最近电平逼近调制策略的谐波特性及计算方法，给出了UPFC接入电网后的谐波分布及其计算方法，算法实现简单，通过实验实验室仿真模拟，验证了分析结果及计算方案的正确性，能有效的指导基于MMC拓扑的UPFC系统谐波特性分析，可计算各种电网运行方式下，不同子模块数量及电压调制比下的电压谐波含量及其变化规律，用于评估UPFC注入系统谐波的大小及影响，为工程规划设计及系统运行维护提供理论依据和技术手段。

本发明的有益效果是：在分析MMC采用最近电平逼近调制策略的谐波特性的基础上，给出了UPFC谐波分析方法，为基于MMC拓扑的UPFC工程规划设计及系统运行提供理论依据和分析技术。算法实现简单，可靠性高，可用于指导工程设计和系统运行维护。

附图说明

图1是MMC拓扑结构的示意图；

图2是UPFC的结构示意图；

图3是本发明基于MMC拓扑结构的统一潮流控制器的谐波分析的流程图；

图4是UPFC接入后的单相等值回路；

图5是UPFC串联侧变压器的等值回路；

图6是考虑UPFC串联变压器的单相等值回路。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明技术方案作进一步的详细描述，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

基于MMC拓扑结构的统一潮流控制器的谐波分析方法，如图3所示，包括如下步骤：

步骤一：确定需要校核的电网运行方式，如冬大/小方式(冬大：冬季能产生最大短路电流的一种运行方式；冬小：冬季能产生最小短路电流的一种运行方式)、夏大/小方式(夏大：夏季能产生最大短路电流的一种运行方式；夏小：夏季能产生最小短路电流的一种运行方式)、规划中的典型方式和其他运行方式等；确定MMC桥臂子模块数量N及电压调制比m，MMC桥臂子模块数量即是图1中单个桥臂内子模块SM的数量。

步骤二：进行基于最近电平逼近调制的MMC输出电压u_vj谐波分布计算。

优选，步骤二具体包括如下步骤：

2A)根据MMC桥臂子模块数N及电压调制比m，计算前1/4周期内电平阶跃次数Kmax，相应电平阶跃时刻对应的电角度为θ₁，θ₂，…，θ_K，…，θ_Kmax，满足

式中，符号表示对向靠近零方向取整；

2B)计算MMC输出电压u_vj的傅里叶级数分解如下：

$b_s=\frac{4V_c}{\mathrm{s\π}}\underset{K=1}{\overset{K\max }{\mathrm{\Σ}}}\cos \left({\mathrm{s\θ}}_K\right),s=\mathrm{1,3,5},...$

$u_{\mathrm{vj}}=\underset{s=\mathrm{1,3,5},...}{\mathrm{\Σ}}{b}_s\·\sin \left(\mathrm{s\ωt}\right)$

式中，b_s为电压u_vj的傅里叶分解系数，V_c为MMC子模块电容电压，可认为其保持不变，ω为电网额定频率。

2C)计算MMC输出电压u_vj各次谐波含量为：

${\mathrm{Hm}}_s=\frac{b_s}{b_1}=\frac{\frac{1}{s}\underset{K=1}{\overset{K\max }{\mathrm{\Σ}}}\cos \left(s{\mathrm{\θ}}_K\right)}{\underset{K=1}{\overset{K\max }{\mathrm{\Σ}}}\cos \left({\mathrm{\θ}}_K\right)},s=\mathrm{3,5,7},....$

步骤三：进行基于MMC拓扑结构的UPFC接入系统的谐波分析，UPFC接入后的单相等值回路如图4所示，UPFC串联侧等效为一个电压源e_v串接入线路mn的m侧，e_v为UPFC串联侧MMC输出电压经串联变压器后输出的电压，两侧等值系统电源为e_m和e_n，为理想电压源。线路电感为L_l，m、n侧等值系统等值电感分别为L_m，L_n。

进一步的，UPFC串联侧变压器等值回路如图5所示，表示为一个理想变压器和漏电感，其中，u_v为UPFC串联侧MMC输出的交流电压，e_p为MMC输出电压u_v经串联变压器变比折算至串变二次侧后的电势，设串变变比(即UPFC串联侧变压器变比)为ξ，e_p＝ξu_v。L_T为串联变压器等值电感(折算到电网侧)。

忽略变压器励磁阻抗L_Tm的影响，则考虑串联变压器的单相等值回路如图6所示，则步骤三具体包括如下步骤：

3A)基于确定的电网运行方式进行电网等值参数计算，优选，参数包括：两侧等值系统电源e_m和e_n、等值电感L_m和L_n。

3B)基于UPFC接入系统后的等值回路，计算用MMC输出电压u_vj表示的系统两端母线M、N的电压u_m和u_n。

优选，步骤3B)中，

式中，A_n、和A_m、满足：

B_n和B_m满足：

$\begin{array}{c}{B}_n=-\frac{L_n}{L_m+L_l+L_T+L_n}\mathrm{\ξ}\\ B_m=\frac{L_m}{L_m+L_l+L_T+L_n}\mathrm{\ξ}\end{array},$

式中，L_l为线路电感，L_T为UPFC串联侧变压器等值回路的串联变压器等值电感，ξ为UPFC串联侧变压器变比。

3C)计算系统电压u_m和u_n中各次谐波含量(u_vj中除基波外，谐波主要是3,5,7…等奇次谐波，则u_m和u_n中也含有3,5,7…等奇次谐波)：

本发明利用UPFC及MMC工作及控制原理，实现了基于MMC拓扑结构的UPFC及其接入系统的谐波分析计算方法，通过分析MMC采用最近电平逼近调制策略的谐波特性及计算方法，给出了UPFC接入电网后的谐波分布及其计算方法，算法实现简单，通过实验实验室仿真模拟，验证了分析结果及计算方案的正确性，能有效的指导基于MMC拓扑的UPFC系统谐波特性分析，可计算各种电网运行方式下，不同子模块数量及电压调制比下的电压谐波含量及其变化规律，用于评估UPFC注入系统谐波的大小及影响，为工程规划设计及系统运行维护提供理论依据和技术手段。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或者等效流程变换，或者直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.基于MMC拓扑结构的统一潮流控制器的谐波分析方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：确定需要校核的电网运行方式、MMC桥臂子模块数量N及电压调制比m；

步骤二：进行基于最近电平逼近调制的MMC输出电压u_vj谐波分布计算；

步骤三：进行基于MMC拓扑结构的UPFC接入系统的谐波分析，具体包括：

3A)基于确定的电网运行方式进行电网等值参数计算；

3B)基于UPFC接入系统后的等值回路，计算用MMC输出电压u_vj表示的系统两端母线M、N的电压u_m和u_n；

3C)计算系统电压u_m和u_n中各次谐波含量。

2.根据权利要求1所述的基于MMC拓扑结构的统一潮流控制器的谐波分析方法，其特征在于，步骤二具体包括如下步骤：

2A)根据MMC桥臂子模块数N及电压调制比m，计算前1/4周期内电平阶跃次数K max，相应电平阶跃时刻对应的电角度为θ₁，θ₂，…，θ_K，…，θ_K max，满足

式中，符号表示对向靠近零方向取整；

2B)计算MMC输出电压u_vj的傅里叶级数分解如下：

$b_s=\frac{4V_c}{\mathrm{s\π}}\underset{K=1}{\overset{K\max }{\mathrm{\Σ}}}\cos \left(s{\mathrm{\θ}}_K\right),s=\mathrm{1,3,5},\·\·\·$

$u_{\mathrm{vj}}=\underset{s=\mathrm{1,3,5},\·\·\·}{\mathrm{\Σ}}{b}_s\·\sin \left(\mathrm{s\ωt}\right)$

式中，b_s为电压u_vj的傅里叶分解系数，V_c为MMC子模块电容电压，可认为其保持不变，ω为电网额定频率；

2C)计算MMC输出电压u_vj各次谐波含量为：

$H{m}_s=\frac{b_s}{b_1}=\frac{\frac{1}{s}\underset{K=1}{\overset{K\max }{\mathrm{\Σ}}}\cos \left(s{\mathrm{\θ}}_K\right)}{\underset{K=1}{\overset{K\max }{\mathrm{\Σ}}}\cos \left({\mathrm{\θ}}_K\right)},s=\mathrm{3,5,7},\·\·\·.$

3.根据权利要求1所述的基于MMC拓扑结构的统一潮流控制器的谐波分析方法，其特征在于，步骤3A)基于确定的电网运行方式进行电网等值参数计算，其中参数包括：两侧等值系统电源e_m和e_n、等值电感L_m和L_n。

4.根据权利要求2所述的基于MMC拓扑结构的统一潮流控制器的谐波分析方法，其特征在于，步骤3B)中，

式中，A_n、和A_m、满足：

B_n和B_m满足：

$\begin{array}{c}{B}_n=-\frac{L_n}{L_m+L_l+L_T+L_n}\mathrm{\ξ}\\ B_m=\frac{L_m}{L_m+L_l+L_T+L_n}\mathrm{\ξ}\end{array},$

式中，L_l为线路电感，L_T为UPFC串联侧变压器等值回路的串联变压器等值电感，ξ为UPFC串联侧变压器变比。

5.根据权利要求4所述的基于MMC拓扑结构的统一潮流控制器的谐波分析方法，其特征在于，系统电压u_m和u_n中各次谐波含量为：