CN105656072A - 一种lcc-mmc型直流输电系统功率协调控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种LCC-MMC型直流输电系统功率协调控制方法，根据Δα、ΔE_r、E_r以及U_dc生成MMC定电压控制指令U_dc-ref^*，根据该控制指令U_dc-ref^*对MMC进行控制；根据Δα、E_r以及I_dc生成LCC定电流控制指令I_dc-ref^*，根据该控制指令I_dc-ref^*对LCC进行控制；其中，U_dc为MMC直流侧直流电压，I_dc为MMC直流侧直流电流，ΔE_r为LCC线电压实际误差值，Δα是LCC中晶闸管的实际触发角与设计值之间的实际误差值。该协调控制方法简单有效，实际工程中便于实现；同时考虑引起系统波动的因素，可以准确做出协调控制；协调控制系统直接针对换流器控制指令，响应速度快。

Description

一种LCC-MMC型直流输电系统功率协调控制方法

技术领域

本发明涉及一种LCC-MMC型直流输电系统功率协调控制方法，属于LCC-MMC型直流输电系统功率控制。

背景技术

模块化多电平电压源型换流器(MMC)具备了电压源换流器(VSC)全部的优点，并且本质上彻底解决了换相失败故障，同时还具有制造难度低、开关频率较低、并网点谐波含量少、扩展性强等优点。基于晶闸管换流器(LCC)的高压直流输电系统技术已经发展的非常成熟，但是由于晶闸管换流器自身的限制，换相失败始终是高压直流输电系统难以解决的问题。如图1所示，为一种较为典型的LCC-MMC混合直流输电系统，LCC-MMC混合直流输电系统结合了LCC和MMC的优势，是一种具备较高技术经济性的优化配置方案，在受端系统为直流多馈入地区、弱电网、孤岛供电等工程中将有着广泛的应用场景。

对于LCC-MMC系统中需要两端换流器的运行参数相互协调以保证功率的稳定传输。LCC采用了相控技术，通过对晶闸管换流器触发角的调节来达到控制目标；MMC运行中采用最近电平逼近调制法，通过控制子模块的投入和切除的个数来实现控制目标。LCC采用定直流电流控制，MMC采用定直流电压控制。

运行中LCC和MMC换流器运行过程如果配合得不合理将会导致功率传输的终端或者运行故障发生，因此协调控制对于混合直流输电系统的安全稳定运行有着关键性的作用。业界内关于如何协调两端换流器的控制参数并没有详细的研究，也没有对根据混合直流输电系统中LCC与MMC控制器控制参数之间相互的配合来进行功率协调的控制。

发明内容

本发明的目的是提供一种LCC-MMC型直流输电系统功率协调控制方法。

为实现上述目的，本发明的方案包括一种LCC-MMC型直流输电系统功率协调控制方法，根据Δα、ΔE_r、E_r以及U_dc生成MMC定电压控制指令U_dc-ref ^*，根据该控制指令U_dc-ref ^*对MMC进行控制；

根据Δα、E_r以及I_dc生成LCC定电流控制指令I_dc-ref ^*，根据该控制指令I_dc-ref ^*对LCC进行控制；

其中，U_dc为MMC直流侧直流电压，I_dc为MMC直流侧直流电流，ΔE_r为LCC线电压实际误差值，Δα是LCC中晶闸管的实际触发角与设计值之间的实际误差值。

实现所述根据Δα、ΔE_r、E_r以及U_dc生成MMC定电压控制指令U_dc-ref ^*的手段为：

当Δα>A、且ΔE_r>E_c时，根据ΔE_r和U_dc计算U_dc-ref的第一校正系数DKK，DKK与U_dc-ref的乘积为U_dc-ref的第一校正量；

当Δα>A、且ΔU_dc>U_c时，根据Δα、E_r和U_dc计算U_dc-ref的第二校正系数DUK，DUK与U_dc-ref的乘积为U_dc-ref的第二校正量；

将所述第一校正量与所述第二校正量相加，得到U_dc-ref的总校正量，所述总校正量与U_dc-ref的和值为所述MMC定电压控制指令U_dc-ref ^*；

其中，ΔU_dc为MMC直流电压实际误差值，A为用于与Δα进行比较的设定误差值，E_c和U_c分别为设定的误差允许值。

实现所述根据Δα、E_r以及I_dc生成LCC定电流控制指令I_dc-ref ^*的手段为；

当Δα>A、且ΔI_dc>I_c时，根据Δα、E_r以及I_dc计算I_dc-ref的校正系数DIK，DIK与I_dc-ref的乘积为I_dc-ref的校正量，所述I_dc-ref的校正量与I_dc-ref的和值为所述LCC定电流控制指令I_dc-ref ^*；

其中，ΔI_dc为LCC电流实际误差，A为用于与Δα进行比较的设定误差值，I_c为设定的误差允许值。

实现所述根据ΔE_r和U_dc计算U_dc-ref的第一校正系数DKK的计算公式为：实现所述根据Δα、E_r和U_dc计算U_dc-ref的第二校正系数DUK的计算公式为：

其中，α₀为系统触发角设计值，C₁为设定系数。

实现所述根据Δα、E_r以及I_dc计算I_dc-ref的校正系数DIK的计算公式为：

其中，α₀为系统触发角设计值，C₁和C₂均为设定系数。

$C_1=\frac{3\sqrt{2}}{\mathrm{\π}}.$

其中，R为线路阻抗，L_r为换相电感。

本发明的有益效果是，该功率协调控制方法以LCC-MMC型直流输电系统中LCC中晶闸管的触发角α为系统稳定传输的基础判断条件，以功率稳定传输为目标对两端换流器的控制参数进行协调，该协调控制方法可以快速的判断系统不稳定因素，并能够迅速并准确的对两端的控制参数进行调节，以使系统快速恢复到稳定运行的状态，并且可以实时跟踪系统波动。并且，该控制方法在触发角实际误差大于设定误差值的基础上，对电压的实际误差值进行判断，当电压的实际误差值大于电压设定误差值时，根据触发角误差值和电压误差值进行计算，最终得到校正后的电压指令值，最后根据该校正后的电压指令值对MMC进行控制，实现定电压的控制；同理，对电流的实际误差值进行判断，并最终得到校正后的电流指令值，最后根据该校正后的电流指令值对LCC进行控制，通过上述的两个控制，实现了对该直流输电系统的两端的控制参数进行对应调节，达到功率协调控制的目的。

另外，该协调控制方法简单有效，实际工程中便于实现；同时考虑引起系统波动的因素，可以准确做出协调控制；协调控制系统直接针对换流器控制指令，响应速度快。

附图说明

图1是LCC-MMC型直流输电系统的整体结构示意图；

图2是LCC-MMC型直流输电系统功率传输等效示意图；

图3是LCC-MMC型直流输电系统协调控制触发指令生成框图；

图4是定直流电压协调控制框图；

图5是定电流电压协调控制框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

如图1所示，为LCC-MMC型直流输电系统的整体结构示意图，混合直流输电系统中，LCC的拓扑和常规直流输电系统中晶闸管整流器一致，不再赘述；VSC形式比较多，本文采用半桥子模块型式的模块化多电平换流器(MMC)拓扑。

混合直流输电系统中送端采用晶闸管整流器(LCC)，在运行过程中通过控制晶闸管的周期开通来将交流侧电能转换为直流电能并送出。逆变站采用了模块化多电平换流器(MMC)，通过全控型电力电子器件的开通与关断控制将直流电能转换成交流电能并送入到电网中。MMC运行中采用最近电平逼近调制法，通过控制子模块的投入和切除的个数来实现控制目标。

由于该LCC-MMC型直流输电系统属于现有技术，所以，关于该直流输电系统的具体的构成不再详细说明。

由于LCC采用定电流控制，所以，可以将LCC等效为一个电流源；MMC采用定电压控制，所以，可以将MMC等效为一个电压源，如图2所示，其为LCC-MMC型混合直流输电系统功率传输等效示意图。

系统功率传输过程中系统运行参数存在以下关系：

$E_{dr}=\frac{3\sqrt{2}}{\mathrm{\π}}{E}_{r}cos\mathrm{\α}-\frac{3{\mathrm{\ωL}}_r}{\mathrm{\π}}{I}_d---\left(1\right)$

E_dr＝U_dc＋RI_d(2)

在式(1)和式(2)中，I_d为直流电流；E_r为LCC换流器交流线电压有效值；L_r为换流变压器每一相的换相电感；α为LCC触发角；E_dr为LCC整流器直流侧直流电压；U_dc为MMC直流侧直流电压，R为线路等效阻抗。

式(1)是LCC换流器自身的特性，式(2)是LCC-MMC系统所决定的。在图1所示的混合直流输电系统稳态运行过程中，需要同时满足式(1)和式(2)两个约束条件。

对公式(1)和公式(2)进行变换可以得到：

$\mathrm{\α}=\arccos \left(\frac{C_2{I}_d+U_{dc}}{C_1{E}_r}\right)=\arccos \[f(U_{dc},I_d,E_r)\]---\left(3\right)$

系统运行过程中，触发角α由公式(3)决定，式(3)中C₁和C₂为常数，与LCC-MMC系统拓扑相关。由于LCC采用定直流电流控制，MMC采用定直流电压控制，因此，对于稳定运行的混合直流输电系统，触发角α的值应该不变或者只在极小范围内波动。

由(3)式可知，较小的系统参数变化量Δf都可能引起α的大范围波动，即Er、Idc以及Udc等三个因素的较小的改变都有可能引起触发角α的波动。可见，采用触发角α作为LCC-MMC系统运行参数协调是否合理的判断依据是准确和可行的。

利用触发角为判断依据进行功率协调控制的步骤如下：

首先，计算LCC中晶闸管的实际触发角α与设计值α₀之间的实际误差值Δα，并比较该实际误差值Δα与设定误差值A的大小；其中，系统触发角设计值α₀为常数，为设定的触发角的数值，根据具体情况进行设定。在实际运行中，实际触发角必然会与设计值之间存在着一定的误差，两者的误差即为Δα，而设定误差值A为设定的系统允许的角度误差范围，用于与实际误差值Δα进行比较，当Δα>A时，表明触发角的误差值过大，该直流输电系统中功率就可能存在着一定程度上的不均衡，那么，这就需要进行功率调节。

然后，进行以下判断和处理：

当Δα>A、且ΔE_r>E_c时，根据ΔE_r和U_dc计算U_dc-ref的第一校正系数DKK，计算公式为：

$DKK=\frac{C_1{\mathrm{\ΔE}}_r}{U_{dc}}{\mathrm{cos\α}}_0---\left(4\right)$

DKK与U_dc-ref的乘积为U_dc-ref的第一校正量ΔU_dc-ref；

当Δα>A、且ΔU_dc>U_c时，根据Δα、E_r和U_dc计算U_dc-ref的第二校正系数DUK，计算公式为：

$DUK=\frac{2C_1{E}_r}{U_{dc}}sin\frac{2{\mathrm{\α}}_0-\mathrm{\Δ}\mathrm{\α}}{2}sin\frac{\mathrm{\Δ}\mathrm{\α}}{2}---\left(5\right)$

DUK与U_dc-ref的乘积为U_dc-ref的第二校正量ΔU_1dc-ref；

将第一校正量ΔU_dc-ref与第二校正量ΔU_1dc-ref相加，得到U_dc-ref的总校正量，总校正量与U_dc-ref的和值为MMC定电压控制指令U_dc-ref ^*，根据该控制指令U_dc-ref ^*对MMC进行控制；

当Δα>A、且ΔI_dc>I_c时，根据Δα、E_r以及I_dc计算I_dc-ref的校正系数DIK，计算公式为，

$DIK=\frac{2C_1{E}_r}{C_2{I}_{dc}}sin\frac{2{\mathrm{\α}}_0-\mathrm{\Δ}\mathrm{\α}}{2}sin\frac{\mathrm{\Δ}\mathrm{\α}}{2}---\left(6\right)$

DIK与I_dc-ref的乘积为I_dc-ref的校正量，I_dc-ref的校正量与I_dc-ref的和值为LCC定电流控制指令I_dc-ref ^*，根据该控制指令I_dc-ref ^*对LCC进行控制；

其中，U_dc-ref是初始的MMC控制指令，即没有采用本发明提供的协调控制方法时的MMC定电压控制指令；I_dc-ref是初始的LCC控制指令，即没有采用本发明提供的协调控制方法时的LCC定电流控制指令。

采用该协调控制方法，能够对应得到电压校正量和电流校正量，初始的控制指令U_dc-ref加上得到的电压校正量之后就为新的MMC定电压控制指令U_dc-ref ^*，同理，初始的控制指令I_dc-ref加上得到的电流校正量之后就为新的LCC定电流控制指令I_dc-ref ^*。

另外，I_dc为MMC直流侧直流电流，ΔE_r、ΔI_dc以及ΔU_dc分别为LCC线电压实际误差值、LCC电流实际误差以及MMC直流电压实际误差值，ΔE_r、ΔI_dc以及ΔU_dc均是由实际的检测值与设定的比较值进行做差运算得到的；E_c、I_c以及U_c分别为设定的误差允许值。C₁和C₂均为设定系数，其根据具体情况进行设定。

在本实施例中，公式中涉及到的C₁和C₂分别为：其中，R为线路阻抗，L_r为换相电感。

根据得到的指令值经过处理能够得到对应的触发脉冲，根据触发脉冲对LCC和MMC中的开关管进行触发控制。

以下通过控制触发指令的形式对该控制方法进行说明，其中，当误差超过允许范围时，对应的控制触发指令输出“1”；当误差在允许范围内时，输出的触发指令为“0”。比如，如图3所示，其为LCC-MMC型混合直流输电系统协调控制触发指令生成框图，其中，当Δα<A时，AK＝0；当Δα>A时，AK＝1；进而，当ΔE_r>E_c时，EK＝1，同时，当AK＝1时，EKK＝1；当ΔI_dc>I_c时，IK＝1，同时，当AK＝1时，IKK＝1；当ΔU_dc>U_c时，UK＝1，同时，当AK＝1时，UKK＝1。

Δα为LCC触发角测量值与设计值之间的误差，A为系统允许的角度误差范围，当Δα<A时，AK＝0；，当Δα>A时，AK＝1。

如图4所示，当LCC交流侧电压E_r值变化时，经过分析计算得到U_dc-ref的校正系数DKK，将DKK、指令触发值EKK和U_dc-ref三者相乘后得到U_dc-ref需要的校正量ΔU_dc-ref。

当MMC直流电压U_dc值与系统设计参数有偏差时，经过分析计算得到U_dc-ref的校正系数DUK，将DUK、指令触发值UKK和U_dc-ref三者相乘得到得需要的校正量ΔU_1dc-ref。

将两个需要的电压指令校正量进行相加，即ΔU_dc-ref+ΔU_1dc-ref，然后再与U_dc-ref相加得到校正后MMC定电压控制指令U_dc-ref ^*。

如图5所示，当直流电流I_d值与系统设计参数有偏差时，经过分析计算得到I_dc-ref的校正系数DIK，将DIK、指令触发值IKK和I_dc-ref三者相乘得到I_dc-ref需要的校正量，然后与I_dc-ref相加得到校正后LCC定电流控制指令I_dc-ref ^*。

通过输出的校正系数对LCC和MMC控制参数进行校正，并根据校正后的指令值对LCC和MMC进行控制，以实现功率协调控制。另外，当Δα<A时，表明直流输电系统的功率波动不大，此时无需利用上述控制方法进行功率协调，即该直流输电系统保持当前的控制参数来运行。

本发明提出的用于LCC-MMC型混合直流输电系统协调控制方法采用检测得到的LCC中晶闸管的触发角α作为系统稳定运行的判断依据，以功率稳定传输为目标设计协调控制系统，按照系统运行过程对两端控制参数进行校正和调节，该协调控制方法可以快速的判断系统不稳定的因素，并能够迅速并准确的对两端的控制参数进行调节，以使系统快速恢复到稳定运行的状态。

以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种LCC-MMC型直流输电系统功率协调控制方法，其特征在于，

根据Δα、ΔE_r、E_r以及U_dc生成MMC定电压控制指令U_dc-ref ^*，根据该控制指令U_dc-ref ^*对MMC进行控制；

根据Δα、E_r以及I_dc生成LCC定电流控制指令I_dc-ref ^*，根据该控制指令I_dc-ref ^*对LCC进行控制；

其中，U_dc为MMC直流侧直流电压，I_dc为MMC直流侧直流电流，ΔE_r为LCC线电压实际误差值，Δα是LCC中晶闸管的实际触发角与设计值之间的实际误差值。

2.根据权利要求1所述的LCC-MMC型直流输电系统功率协调控制方法，其特征在于，实现所述根据Δα、ΔE_r、E_r以及U_dc生成MMC定电压控制指令U_dc-ref ^*的手段为：

当Δα>A、且ΔE_r>E_c时，根据ΔE_r和U_dc计算U_dc-ref的第一校正系数DKK，DKK与U_dc-ref的乘积为U_dc-ref的第一校正量；

当Δα>A、且ΔU_dc>U_c时，根据Δα、E_r和U_dc计算U_dc-ref的第二校正系数DUK，DUK与U_dc-ref的乘积为U_dc-ref的第二校正量；

将所述第一校正量与所述第二校正量相加，得到U_dc-ref的总校正量，所述总校正量与U_dc-ref的和值为所述MMC定电压控制指令U_dc-ref ^*；

其中，ΔU_dc为MMC直流电压实际误差值，A为用于与Δα进行比较的设定误差值，E_c和U_c分别为设定的误差允许值。

3.根据权利要求1所述的LCC-MMC型直流输电系统功率协调控制方法，其特征在于，实现所述根据Δα、E_r以及I_dc生成LCC定电流控制指令I_dc-ref ^*的手段为；

当Δα>A、且ΔI_dc>I_c时，根据Δα、E_r以及I_dc计算I_dc-ref的校正系数DIK，DIK与I_dc-ref的乘积为I_dc-ref的校正量，所述I_dc-ref的校正量与I_dc-ref的和值为所述LCC定电流控制指令I_dc-ref ^*；

其中，ΔI_dc为LCC电流实际误差，A为用于与Δα进行比较的设定误差值，I_c为设定的误差允许值。

4.根据权利要求2所述的LCC-MMC型直流输电系统功率协调控制方法，其特征在于，实现所述根据ΔE_r和U_dc计算U_dc-ref的第一校正系数DKK的计算公式为：实现所述根据Δα、E_r和U_dc计算U_dc-ref的第二校正系数DUK的计算公式为：

其中，α₀为系统触发角设计值，C₁为设定系数。

5.根据权利要求3所述的LCC-MMC型直流输电系统功率协调控制方法，其特征在于，实现所述根据Δα、E_r以及I_dc计算I_dc-ref的校正系数DIK的计算公式为：

其中，α₀为系统触发角设计值，C₁和C₂均为设定系数。

6.根据权利要求4所述的LCC-MMC型直流输电系统功率协调控制方法，其特征在于，

7.根据权利要求5所述的LCC-MMC型直流输电系统功率协调控制方法，其特征在于，其中，R为线路阻抗，L_r为换相电感。