CN105186840A - 基于降低子模块电容电压的upfc谐波抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于降低子模块电容电压的UPFC谐波抑制方法，通过分析UPFC谐波产生原理提出其抑制原理，给出了利用直流降压及备用子模块投入来实现降低子模块电容电压的方法。在此基础上设计了基于降低子模块电容电压的MMC型UPFC谐波抑制控制策略，包括直流降压控制策略、备用子模块投入控制策略及其启动和配合的策略等。控制策略实现简单，通过实验室仿真模拟，验证了控制策略的正确性，能有效的降低输出电压调制比时UPFC输出谐波含量。该方法充分利用了UPFC系统的设计裕度，有助于提高MMC型UPFC工程运行控制的灵活性。

Description

基于降低子模块电容电压的UPFC谐波抑制方法

技术领域

本发明涉及一种基于降低子模块电容电压的UPFC谐波抑制方法，属于电力自动化技术领域。

背景技术

统一潮流控制器(UnifiedPowerFlowController，UPFC)是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，柔性输电的换流器技术从两电平、三电平等拓扑发展到MMC(ModularMultilevelConverter，模块化多电平)拓扑，这也使柔性输电技术向高电压大功率输电领域得以推广。

MMC换流器通常采用最近电平逼近调制技术，可有效降低器件开关频率、电压电流谐波含量，其应用于子模块数(电平数)较高的柔性直流输电场合，无需采用高频调制方式，能显著降低器件开关频率和损耗；且柔性直流输电工程正常运行时交流侧电压在系统额定电压附件，通过进行合理的设计能保证换流器运行时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，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，针对MMC型UPFC在电压调制比较小时的谐波问题，提出相应的抑制措施对于UPFC及接入电网的安全稳定运行具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于降低子模块电容电压的UPFC谐波抑制方法，解决现有技术中MCC型UPFC输出电压谐波增大、电压畸变严重的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：基于降低子模块电容电压的UPFC谐波抑制方法，包括如下步骤：

步骤一：计算UPFC串联侧输出电压U_acP,se关于额定直流电压U_dcN的电压调制比m_N,se，判断m_N,se是否小于设定值：若m_N,se大于等于设定值，则停止谐波抑制，令直流电压变化量ΔU_dc＝0，子模块数量变化量ΔN＝0，输出ΔU_dc、ΔN至换流器控制；若m_N,se小于设定值，则启动UPFC谐波抑制控制，进一步比较直流电压U_dc与最低直流电压U_dcmin的大小关系：若直流电压U_dc大于最低直流电压U_dcmin，则跳转至步骤二；否则，跳转至步骤三；

步骤二：启用直流降压控制策略，并按照一定电压变化率计算直流电压变化量ΔU_dc，将ΔU_dc输出至换流器控制，改变直流电压参考值U_dcref，令U_dcref＝U_dcref-ΔU_dc；

步骤三：进一步判断投入子模块数量N与(N_e+K)的大小：若N＜(N_e+K)，则启用投入备用子模块控制策略，确定子模块数量变化量ΔN，将ΔN输出至换流器控制，令N＝N_e+ΔN；若N≥(N_e+K)，则返回步骤一；其中N_e为换流器桥臂子模块数量，K为每个桥臂冗余的子模块数量。

步骤二所述直流降压控制策略是通过并联侧MMC控制来降低UPFC直流电压，根据公式(1)实现降低子模块电容电压，从而提高调制比：

$\begin{array}{c}{U}_{dc}=2\frac{U_{acP}}{m}\≥2U_{acP}=U_{dc\min }\\ U_{sm}=\frac{U_{dc}}{N_e}=\frac{2}{N_e}\frac{U_{acP}}{m}\≥\frac{2U_{acP}}{N_e}\end{array}---\left(1\right)$

式中：U_acP为UPFC并联侧交流相电压峰值，U_sm为换流器子模块电压。

步骤三所述投入备用子模块控制策略是根据公式(2)在最低直流电压U_dcmin不变的前提下，采用投入冗余子模块的来进一步降低子模块电容电压，

$U_{sm}=\frac{U_{dc}}{N_e+k}\≥\frac{2U_{acP}}{N_e+k}=\frac{U_{dc\min }}{N_e+k},k=0,...K---\left(2\right)$

式中：U_acP为UPFC并联侧交流相电压峰值，U_sm为换流器子模块电压。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：在分析UPFC谐波产生原理提出其抑制原理基础上，给出了利用直流降压及备用子模块投入来实现降低子模块电容电压的方法，并设计了相应的控制实现策略；方法实现简单，可靠性高，在不增加一次设备投资的前提下，充分利用了UPFC系统的设计裕度，提高了UPFC运行的灵活性、安全性。

附图说明

图1是MMC拓扑结构示意图。

图2是UPFC的结构示意图。

图3是降低UPFC输出电压谐波的基本原理分析图。

图4是本发明的流程图。

具体实施方式

如图1所示，是MMC拓扑结构示意图，包括三个并联连接的相单元，每个相单元包括两个串联的桥臂，每个桥臂由三个串联的子模块SM组成。如图2所示，是UPFC的结构示意图，分为并联侧和串联侧，并联侧包括：并联变压器和并联MMC；串联侧包括串联变压器和串联MMC。

下面对降低UPFC输出电压谐波的基本原理进行简述：在最近电平逼近调制时，对于同样的交流电压调制波形，采用较低的子模块电容电压能增加MMC输出电压的电平数，从而使输出电压更接近正弦波，有助于降低谐波含量，如图3所示，是降低UPFC输出电压谐波的基本原理分析图，左侧是子模块电容电压为1.54V的MMC输出电压与参考电压的对比波形图，右侧是子模块电容电压为1.0V的MMC输出电压与参考电压的对比波形图。根据UPFC的结构可知，运行时并联侧交流输出电压与接入电网电压一致，当子模块电容电压降低时，需要采取措施保证并联侧交流输出电压不变。实际工程中，根据设计裕度，一般并联侧交流额定电压峰值选为0.75～0.8倍额定直流电压(即额定工况下的电压调制比m)；同时考虑到MMC子模块冗余，每个桥臂会有一定的数量的备用子模块。通过充分利用这些设计裕度，可以降低MMC子模块电容电压。

下面结合附图对本发明作进一步描述。如图4所示，基于降低子模块电容电压的UPFC谐波抑制方法，包括如下步骤：

步骤一：计算UPFC串联侧输出电压U_acP,se关于额定直流电压U_dcN的电压调制比m_N,se，判断m_N,se是否小于设定值：若m_N,se大于等于设定值，则停止谐波抑制，令直流电压变化量ΔU_dc＝0，子模块数量变化量ΔN＝0，输出ΔU_dc、ΔN至换流器控制；若m_N,se小于设定值，则启动UPFC谐波抑制控制，进一步比较直流电压U_dc与最低直流电压U_dcmin的大小关系：若直流电压U_dc大于最低直流电压U_dcmin，则跳转至步骤二；否则，跳转至步骤三；

步骤二：启用直流降压控制策略，并按照一定电压变化率计算直流电压变化量ΔU_dc，将ΔU_dc输出至换流器控制，改变直流电压参考值U_dcref，令U_dcref＝U_dcref-ΔU_dc；

直流降压控制策略是通过并联侧MMC控制来降低UPFC直流电压，即可实现降低子模块电容电压，从而提高调制比m_N,se。由于调制比裕度限制，m≤1.0，故UPFC直流电压U_dc及换流器子模块电压U_sm满足

$\begin{array}{c}{U}_{dc}=2\frac{U_{acP}}{m}\≥2U_{acP}=U_{dc\min }\\ U_{sm}=\frac{U_{dc}}{N_e}=\frac{2}{N_e}\frac{U_{acP}}{m}\≥\frac{2U_{acP}}{N_e}\end{array}---\left(1\right)$

式中：U_acP为UPFC并联侧交流相电压峰值，U_sm为换流器子模块电压，N_e为换流器桥臂子模块数量。

根据公式(1)实现降低子模块电容电压，从而提高调制比。

步骤三：进一步判断投入子模块数量N与(N_e+K)的大小：若N＜(N_e+K)，则启用投入备用子模块控制策略，确定子模块数量变化量ΔN，每次增加一个子模块，即子模块数量变化量ΔN＝ΔN+1，即投入的子模块数量加1，，将ΔN输出至换流器控制，改变换流器控制中最近电平逼近调制策略的投入子模块数量，令N＝N_e+ΔN，若N≥(N_e+K)，则返回步骤一；其中K为每个桥臂冗余的子模块数量。

投入备用子模块控制策略是根据公式(2)在最低直流电压U_dcmin不变的前提下，采用投入冗余子模块的来进一步降低子模块电容电压，

$U_{sm}=\frac{U_{dc}}{N_e+k}\≥\frac{2U_{acP}}{N_e+k}=\frac{U_{dc\min }}{N_e+k},k=0,...K---\left(2\right)$

式中：U_acP为UPFC并联侧交流相电压峰值，U_sm为换流器子模块电压。

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

对于N_e＝30，额定直流电压为±20kV，U_dcN＝40kV，相应的子模块电容电压U_smN＝1.333kV，额定运行调制比m_N＝0.8，则UPFC并联侧交流相电压峰值为

$U_{acP}=m_N\frac{U_{dcN}}{2}=20*0.8=16kV$

根据式(1)，保证交流侧输出电压不变的前提下，调制比m＝1.0时直流电压及子模块电压如下，可见，子模块电容电压可以从1.333kV降低到1.067kV。

U_dcmin＝2U_acP＝32kV

$U_{sm}=\frac{2U_{acP}}{N_e}=1.067kV$

进一步，取冗余的子模块数量K＝4，则最低的子模块电容电压为

$U_{sm}=\frac{2U_{acP}}{N_e+K}=0.941kV.$

本发明利用UPFC调制比裕度和换流器备用子模块，实现了一种基于MMC型UPFC谐波抑制方法。通过分析UPFC谐波产生原理提出其抑制原理，给出了利用直流降压及备用子模块投入来实现降低子模块电容电压的方法。在此基础上设计了基于降低子模块电容电压的MMC型UPFC谐波抑制控制策略，包括直流降压控制策略、备用子模块投入控制策略及其启动和配合的策略等。控制策略实现简单，通过实验室仿真模拟，验证了控制策略的正确性，能有效的降低低输出电压调制比时UPFC输出谐波含量。该方法充分利用了UPFC系统的设计裕度，有助于提高MMC型UPFC工程运行控制的灵活性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.基于降低子模块电容电压的UPFC谐波抑制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：计算UPFC串联侧输出电压U_acP,se关于额定直流电压U_dcN的电压调制比m_N,se，判断m_N,se是否小于设定值：若m_N,se大于等于设定值，则停止谐波抑制，令直流电压变化量ΔU_dc＝0，子模块数量变化量ΔN＝0，输出ΔU_dc、ΔN至换流器控制；若m_N,se小于设定值，则启动UPFC谐波抑制控制，进一步比较直流电压U_dc与最低直流电压U_dcmin的大小关系：若直流电压U_dc大于最低直流电压U_dcmin，则跳转至步骤二；否则，跳转至步骤三；

步骤二：启用直流降压控制策略，并按照一定电压变化率计算直流电压变化量ΔU_dc，将ΔU_dc输出至换流器控制，改变直流电压参考值U_dcref，令U_dcref＝U_dcref-ΔU_dc；

步骤三：进一步判断投入子模块数量N与(N_e+K)的大小：若N＜(N_e+K)，则启用投入备用子模块控制策略，确定子模块数量变化量ΔN，将ΔN输出至换流器控制，令N＝N_e+ΔN；若N≥(N_e+K)，则返回步骤一；其中N_e为换流器桥臂子模块数量，K为每个桥臂冗余的子模块数量。

2.根据权利要求1所述基于降低子模块电容电压的UPFC谐波抑制方法，其特征在于，步骤二所述直流降压控制策略是通过并联侧MMC控制来降低UPFC直流电压，根据公式(1)实现降低子模块电容电压，从而提高调制比：

$U_{dc}=2\frac{U_{acP}}{m}\≥2U_{acP}=U_{dc\min }$

(1)

$U_{sm}=\frac{U_{dc}}{N_e}=\frac{2}{N_e}\frac{U_{acP}}{m}\≥\frac{2U_{acP}}{N_e}$

式中：U_acP为UPFC并联侧交流相电压峰值，U_sm为换流器子模块电压。

3.根据权利要求1所述基于降低子模块电容电压的UPFC谐波抑制方法，其特征在于，步骤三所述投入备用子模块控制策略是根据公式(2)在最低直流电压U_dcmin不变的前提下，采用投入冗余子模块的来进一步降低子模块电容电压，

$U_{sm}=\frac{U_{dc}}{N_e+k}\≥\frac{2U_{acP}}{N_e+k}=\frac{U_{dc\min }}{N_e+k},k=0,...K---\left(2\right)$

式中：U_acP为UPFC并联侧交流相电压峰值，U_sm为换流器子模块电压。