CN106786708A - 一种含mmc直流输电系统电流振荡抑制的阻尼控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种含MMC直流输电系统电流振荡抑制的阻尼控制方法，包括步骤：构建MMC简化等效模型；选择阻尼控制器结构，确定阻尼控制器的最终表现形式，并配置阻尼控制器的参数；基于阻尼控制器最终表现形式和换流器出口的直流电流，获取阻尼补偿电压；将阻尼补偿电压送入换流阀阀基控制器，得到修正MMC的桥臂参考电压，实现电流振荡分量的抑制。本发明提供的技术方案能有效抑制MMC型直流输电系统的振荡现象及系统不稳定性。

Description

一种含MMC直流输电系统电流振荡抑制的阻尼控制方法

技术领域

本发明涉及直流输电领域，具体讲涉及一种含MMC直流输电系统电流振荡抑制的阻尼控制方法。

背景技术

基于电压源换流器(voltage source converter,VSC)的高压直流(high voltagedirect current,HVDC)输电技术以其有功功率和无功功率独立可控的性能的得到了较快的发展，在光伏和风电等可再生能源接纳、输送和消纳方面具有重大意义。VSC-HVDC存在两电平或三电平以及模块化多电平的拓扑结构，其中以模块化多电平为换流器的拓扑结构在直流输电领域应用最为广泛。

含有MMC的HVDC系统在直流场中存在电容、平波电抗器与直流线路等，因此直流系统存在与主电路参数有关的中低频谐振频率点，也存在与主电路和线路参数有关的高频谐振频率点。由于直流场设备的等效电阻较小，换流阀开关器件的死区效应、通信延时、触发延时等外部因素均可能引起系统振荡，在某些极端情况下会严重恶化直流输电系统的运行性能，严重将导致换流站闭锁停运，给交流系统和直流系统造成重大损失。基于以上原因，如果控制系统不能提供一定的阻尼，直流电流将持续存在较大的中低频振荡分量，易引起监控设备报警，严重情况下可能导致换流站闭锁停运。直流电流的中低频振荡现象在一些柔性直流输电工程中已经出现，这种振荡现象为非衰减和非等幅振荡，具有持续性和周期性。为了使含有MMC的直流输电系统能够在各种潮流工况和外部干扰下稳定可靠的运行，需要抑制直流电流的谐振振荡分量和提高直流输电系统的阻尼特性。

直流电压和直流电流是表征直流输电系统有效运行的重要指标，尽管直流输电系统的稳定性表面上是由直流电压的稳定性来体现的，但直流电流比直流电压更容易体现系统的运行性能。

为了抑制直流电流的谐振振荡以及提高直流输电系统的运行稳定性，需要为直流系统提供一定的阻尼，以使直流输电系统能够快速衰减直流电流的振荡分量。如果控制系统不能提供所需的阻尼，直流电流持续的谐振振荡将增大系统的输电损耗，缩短换流站和直流设备的使用寿命，其中直流电流的高频谐振分量对邻近的设备也会产生电磁干扰，影响其正常工作。

因此，需要提供一种既能抑制直流电流震荡又可兼有提高整个系统稳定性的作用的技术方案。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种含MMC直流输电系统电流振荡抑制的阻尼控制方法，包括步骤：A.构建MMC简化等效模型；B.选择阻尼控制器结构，确定阻尼控制器的最终表现形式，并配置阻尼控制器的参数；C.基于阻尼控制器的最终表现形式和换流器出口的直流电流，获取阻尼补偿电压；D.将阻尼补偿电压送入换流阀阀基控制器，得到修正MMC的桥臂参考电压，实现电流振荡分量的抑制。

步骤B中阻尼控制器的最终表现形式G_damp(S)如下式表示：

式中，R_vir：虚拟电阻；k_HPF：高通滤波器的增益；ω_HPF：高通滤波器的截止频率；s：拉普拉斯算子；k_R：谐振控制器的增益；ω_caf：谐振频率。

虚拟电阻R_vir计算如下式所示：

其中，k_pdc为定直流电压控制器的比例系数，U_s为定直流电压控制站PCC点相电压的幅值，C_eq1为定功率站MMC的等效电容，C_eq2为定直流电压站MMC的等效电容，ω_r为谐振角频率，U_dcN为额定直流电压，a₀和a₁分别为系统根据主电路参数和控制器参数设置而得到的常数，η为抑制系数。

步骤C中直流电流的获取途径包括：检测换流器的输出电流或计算获得。

步骤C中的阻尼补偿电压计算公式如下式所示：

Δu_damp＝G_damp(s)·i_dc

其中，i_dc为换流器出口的直流电流。

步骤D中修正MMC的桥臂参考电压如下所示：

其中，和分别为j相上桥臂和下桥臂的参考电压，MMC交流侧输出电压的参考值；环流抑制参考电压。

与最接近的现有技术比，本发明提供的技术方案具有以下优异效果：

1、本发明提供的技术方案能有效抑制MMC型直流输电系统中直流电流的振荡现象；

2、本发明的阻尼控制方法具有较强的稳定性，能够有效提供系统运行稳定性；

3、本发明提供的技术方案无需增加外部硬件电路以及相关设备，控制算法原理简单，易于工程实现。

附图说明

图1是本发明的主电路结构；

图2是本发明的等效简化电路；

图3是本发明抑制直流电流振荡的阻尼控制器实现原理；

图4是本发明抑制阻尼控制器的实现方法；

图5是本发明阻尼控制器的结构；

图6是本发明的方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作进一步说明，本发明提出的直流电流振荡抑制阻尼的控制方法所需步骤如下：

1)建立MMC简化等效模型

图1为模块化多电平换流器(MMC)的拓扑结构，若忽略其内部特性，只考虑外部特性，则MMC可以简化等效为图2所示的结构，其中i_d表示受控电流源输出的电流，i_dc表示MMC直流电流，u_dc为MMC直流电压，u_ceq为投入子模块平均电压，C_eq为MMC等效电容，p_c为注入MMC的有功功率，L_s和R_s为桥臂电抗器的等效电感和等效电阻，从而可以得到MMC简化模型的电磁暂态方程为

2)分析阻尼控制方法实现形式

直流电流振荡是由于直流输电系统不能提供足够大的阻尼，为了抑制直流电流的振荡需要从提供直流系统阻尼特性方面进行考虑。

本发明在不增加外围设备和硬件电路的情况下提出了一种抑制直流电流的阻尼控制方法，考虑到MMC桥臂电压的可控性，阻尼控制方法的实现形式可以利用MMC桥臂电压的可控性来实现。以阻尼控制器配置在定功率站为例(配置在定直流电压站也可以)，可以得到图3所示的阻尼控制方法原理图，图中的L_d表示平波电抗器的等效电感。Δu_damp为阻尼控制器产生的阻尼补偿电压。

在实际控制系统中，为了实现直流电流的抑制，MMC桥臂参考电压需修正为：

式(1)所示的方程就是图4所示阻尼控制策略的实现方式，其中和分别j(j＝a,b,c)相上桥臂和下桥臂的参考电压，为MMC交流侧输出电压的参考值，为环流抑制参考电压。

3)获取换流器出口直流电流

为了抑制直流输电系统的直流电流振荡，需要反馈换流器出口直流电流。直流电流的获取途径有两种方式，一是直接检测换流器输出的直流电流，二是间接计算得到直流电流。

4)选取阻尼控制器结构

抑制直流电流用的阻尼控制方式具有多种形式，即虚拟电阻、高通滤波器以及谐振控制器等，选取阻尼控制器结构需要根据直流系统的特性来选取，即可以只选择一种，也可以选择多种，例如，若直流输电系统的换流站均为MMC型结构，则可以只使用阻尼电阻或者高通滤波器，若直流输电系统存在LCC型换流器，则可以三者的组合形式。考虑到实际系统的交流侧可能发生故障，从而导致直流电流存在2倍频的波动，因此，为了更加有效的抑制直流电流的振荡，推荐将谐振控制器也选取在内。因此，可以得到阻尼控制控制器的最终实现形式为：

式中R_vir为虚拟电阻，k_HPF为高通滤波器的增益，ω_HPF为高通滤波器的截止频率，s为拉普拉斯算子，k_R为谐振控制器的增益，ω_caf为谐振频率。

需要说明的是：虚拟电阻只是本发明专利给出了一种叙述，还可以是比例系数等，高通滤波器不限于一阶，也可以是二阶，谐振控制器不限于理想谐振控制器也不限于只有一种谐振控制器，对于其它能够提取直流电流波动分量的滤波器和谐振控制器均属于本发明专利所保护的范围，凡是在桥臂电压中叠加补偿值的方式也均属于本发明专利保护之内。

5)配置阻尼控制器参数

阻尼控制器的参数在抑制直流电流振荡时具有重大作用，选择合适的控制器参数能够在抑制直流电流振荡的时候兼顾动态响应特性。考虑到直流输电系统直流电流的振荡频率与MMC子模块电容、投入模块数、桥臂电抗器、平波电抗器、直流线路、稳态运行点等相关，直流电流振荡频率难以用一个统一的公式确定，以国内某±320kV/1000MW柔性直流输电工程为例，直流电流振荡的频率在25Hz附近波动，因此，为了提取直流电流的波动分量，高通滤波器的截止频率推荐选取5～50rad/s中的某个值；谐振频率ω_caf即可以是2倍工频角频率，也是是12倍工频角频率，在某些特殊场合也可以是其它值。为更加简单的选取R_vir、k_HPF和k_R，三者可以选择同一个值，其中计算公式为

式(3)中k_pdc为定直流电压控制器的比例系数，U_s为定直流电压控制站PCC点相电压幅值，C_eq1为定功率站MMC的等效电容，C_eq2为定直流电压站MMC的等效电容，ω_r为直流的谐振角频率，U_dcN为额定直流电压，a₀和a₁为根据主电路参数和控制器参数设置而得到的常数，η为抑制系数，在(0，1)中取值，η越小则说明抑制程度越好，推荐取0.4～0.5左右的值，其中a₀和a₁的表达式为

式(4)中L_line为直流线路的等效电感。

需要说明的是(4)只是给出一种推荐计算方式，并不说明一定非要按照此公式计算。

6)获取阻尼补偿电压

当系统阻尼控制器设计完之后，需要获取阻尼补偿电压来实现直流电流振荡的抑制，阻尼补偿电压的表示为

Δu_damp＝G_damp(s)·i_dc (5)

将所得到的阻尼补偿电压送入换流阀阀基控制器中产生桥臂参考电压，控制MMC桥臂输出电压，从而实现直流电流振荡分量的抑制。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (6)

1.一种含MMC直流输电系统电流振荡抑制的阻尼控制方法，其特征在于，包括步骤：

A.构建MMC简化等效模型；

B.选择阻尼控制器的结构，确定所述阻尼控制器的最终表现形式，并配置所述阻尼控制器的参数；

C.基于所述阻尼控制器的最终表现形式和换流器出口的直流电流，获取阻尼补偿电压；

D.将所述阻尼补偿电压送入换流阀阀基控制器，得到修正MMC的桥臂参考电压，实现电流振荡分量的抑制。

2.如权利要求1所述的阻尼控制方法，其特征在于，所述步骤B中所述阻尼控制器的最终表现形式G_damp(S)如下式表示：

式中，R_vir：虚拟电阻；k_HPF：高通滤波器的增益；ω_HPF：高通滤波器的截止频率；s：拉普拉斯算子；k_R：谐振控制器的增益；ω_caf：谐振频率。

3.如权利要求2所述的阻尼控制方法，其特征在于，所述虚拟电阻R_vir计算如下式所示：

$R_{vir}\≈\frac{1}{1.5k_{pdc}{U}_s}(\frac{\sqrt{(1-{\mathrm{\η}}^2)a_0^2+a_1^2}}{{\mathrm{\η\ω}}_r(C_{eq1}+C_{eq2})}-U_{dcN})$

其中，k_pdc为定直流电压控制器的比例系数，U_s为定直流电压控制站PCC点相电压的幅值，C_eq1为定功率站MMC的等效电容，C_eq2为定直流电压站MMC的等效电容，ω_r为谐振角频率，U_dcN为额定直流电压，a₀和a₁分别为系统根据主电路参数和控制器参数设置而得到的常数，η为抑制系数。

4.如权利要求1所述的阻尼控制方法，其特征在于，所述步骤C中所述直流电流的获取途径包括：检测所述换流器的输出电流或计算获得。

5.如权利要求4所述的阻尼控制方法，其特征在于，所述步骤C中的所述阻尼补偿电压计算公式如下式所示：

Δu_damp＝G_damp(s)·i_dc

其中，i_dc为所述换流器出口的直流电流。

6.如权利要求5所述的阻尼控制方法，其特征在于，所述步骤D中所述修正MMC的桥臂参考电压如下所示：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{pj}^{*}=0.5\·u_{dc}-e_j^{*}-u_{cirj}^{*}-0.5\·{\mathrm{\Δu}}_{damp}\\ u_{nj}^{*}=0.5\·u_{dc}+e_j^{*}-u_{cirj}^{*}-0.5\·{\mathrm{\Δu}}_{damp}\end{array}\right.$

其中，和分别为j相上桥臂和下桥臂的参考电压，MMC交流侧输出电压的参考值；环流抑制参考电压。