CN106786724B - 一种多回mmc-hvdc馈入极弱电网的控制策略 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多回MMC‑HVDC馈入极弱电网的控制策略，包括：(1)每个MMC都采用同步发电机模拟控制方法，其中有功‑频率环用来模拟同步发电机的摇摆过程，无功‑电压环用来模拟同步发电机的励磁系统，并采用电流内环来限制故障电流和提高MMC响应速度；(2)MMC间的功率分配采用动态功率分配控制方法，该方法不再使用预先设定的功率参考值，而是根据系统负荷的变化，按特定比例动态调整功率参考值。本发明可以使多回MMC‑HVDC馈入极弱电网稳定运行，而且能够快速有效地进行功率分配，并消除系统因功率波动造成的频率偏差，可以使MMC像同步发电机一样具有惯性作用，在工程中具有非常强的参考意义与使用价值。
Description
技术领域
本发明属于电力系统输电技术领域，具体涉及一种多回MMC-HVDC馈入极弱电网的控制策略。
背景技术
模块化多电平换流器(modular multilevel converter，MMC)是电压源换流器型直流输电系统(high voltage direct current，HVDC)最有竞争力、最具应用前景的换流器拓扑。由于其制造难度小、损耗低、波形质量高、能向无源网络供电，MMC在各领域得到了广泛的应用。
随着MMC-HVDC工程的逐渐增多，一个区域电网很有可能形成两回或者多回MMC-HVDC馈入同一交流母线，或者彼此间电气距离很近的情况。例如，在德国风电并网项目中，已投运的HVDC Borwin1工程和HVDC Borwin2工程同落点于德国的Diele，而已投运的HVDCDolwin1工程则落点于离Diele不远处的West。未来，随着我国东海海上风电场的不断开发，华东电网也将形成多柔性直流馈入的情况。
截止目前，已投运的MMC-HVDC工程的最大输送容量为1000MW(鲁西背靠背柔性直流工程)。随着MMC技术的不断发展和制造成本的下降，MMC-HVDC的输送容量还将进一步增加，这等效地降低了区域电网的强度，甚至会形成大容量MMC-HVDC向弱电网供电的情况。
多馈入柔性直流输电系统向极弱交流电网供电的系统简化模型如图1所示，这里考虑两个MMC换流站共同向某个极弱交流电网供电的情况。图1中的SG是容量很小(占负荷功率的15％以内)的小型同步发电机(可视为小水电机组或柴油机组)，大部分的负荷功率由两个换流站(MMC1、MMC2)共同承担。当多回MMC-HVDC馈入极弱电网时，电网的安全稳定运行遇到了新的挑战，此时亟需研究出适用于多回MMC-HVDC馈入极弱电网的控制策略。
发明内容
鉴于上述，本发明提供了一种多回MMC-HVDC馈入极弱电网的控制策略，该控制策略不仅可以使系统安全稳定运行，而且能够快速有效地进行功率分配，并消除因功率波动带来的频率偏差问题，在工程中具有非常强的参考意义与使用价值。
一种多回MMC-HVDC馈入极弱电网的控制策略，包括：
(1)为区域电网馈入功率的每个MMC均采用同步发电机模拟控制方法，所述同步发电机模拟控制方法包括有功-频率控制环节、无功-电压控制环节、输出电流跟踪控制环节以及内部环流抑制控制环节；其中：
所述的有功-频率控制环节用于根据有功功率通过计算得到虚拟同步发电机功角θ；所述的无功-电压控制环节用于根据无功功率通过计算得到dq坐标系下的MMC阀侧电流参考矢量所述的输出电流跟踪控制环节用于根据MMC阀侧电流参考矢量通过计算得到dq坐标系下的MMC桥臂差模电压参考矢量所述的内部环流抑制控制环节以MMC内部环流为0作为控制目标，通过计算得到dq坐标系下的MMC桥臂共模电压参考矢量
(2)MMC间的功率分配采用动态功率分配方法，即根据区域电网负荷的变化，按特定比例动态调整各MMC的功率参考值。
所述有功-频率控制环节通过以下控制方程计算出虚拟同步发电机功角θ：
其中：ω*为角频率参考值，s为拉普拉斯算子，P*为MMC的有功功率参考值，P为MMC的有功功率实际值，ω0为区域电网的额定角频率，J为设定的虚拟转动惯量，D为设定的虚拟阻尼系数。
所述无功-电压控制环节的具体控制方法如下：
首先，对MMC的网侧电压进行Park变换，得到对应dq坐标系下的网侧电压d轴分量实际值usd和网侧电压q轴分量实际值usq；
然后，令网侧电压q轴分量参考值并通过以下控制方程计算出网侧电压d轴分量参考值
其中：Q*为MMC的无功功率参考值，Q为MMC的无功功率实际值，s为拉普拉斯算子，U0为输出功率为零时MMC的额定电压，kp为设定的比例系数，ki为设定的积分系数；
最后，使的差值结果依次经PI(比例积分)调节以及限幅环节后得到阀侧电流d轴分量参考值使的差值结果依次经PI调节以及限幅环节后得到阀侧电流q轴分量参考值 和即组成了dq坐标系下的MMC阀侧电流参考矢量
所述输出电流跟踪控制环节通过以下控制方程计算出dq坐标系下的MMC桥臂差模电压参考矢量
其中：为dq坐标系下的MMC网侧电压矢量，其由MMC网侧电压经Park变换得到；L＝Lac+L0/2，R＝R0/2，Lac为区域电网对应戴维南等效电路中的等效电感值，L0为MMC的桥臂电感值，R0为MMC的桥臂等效电阻值，ω为区域电网的实际角频率，j为虚数单位，t为时间。
所述内部环流抑制控制环节通过以下控制方程计算出dq坐标系下的MMC桥臂共模电压参考矢量
其中：为dq坐标系下的MMC内部环流参考矢量，其为0矢量；L0为MMC的桥臂电感值，R0为MMC的桥臂等效电阻值，ω为区域电网的实际角频率，j为虚数单位，t为时间。
所述同步发电机模拟控制方法以-2θ作为坐标变换角将反变换为三相桥臂共模参考电压，以θ作为坐标变换角将反变换为三相桥臂差模参考电压；使三相桥臂共模参考电压与三相桥臂差模参考电压对应相相加即得到MMC三相上桥臂的调制电压，使三相桥臂共模参考电压与三相桥臂差模参考电压对应相相减即得到MMC三相下桥臂的调制电压；进而根据所述调制电压通过相应调制算法生成MMC各桥臂的开关控制信号用以对MMC进行控制。
所述动态功率分配方法基于以下方程表达式：
其中：和分别为第i个发电单元的有功功率参考值和无功功率参考值，λi和γi分别为第i个发电单元的有功功率分配系数和无功功率分配系数，n为发电单元的总数，区域电网中的同步发电机以及为区域电网馈入功率的MMC均为发电单元；Ptotal和Qtotal分别为区域电网所需总的有功功率和无功功率，其通过对区域电网中的负荷测量统计得到。
本发明具有以下有益技术效果：
(1)本发明中的有功-频率环能够很好地模拟同步发电机转子的运动过程，使MMC像同步发电机一样具有惯性作用。
(2)本发明中的无功-电压环能够很好地模拟同步发电机的励磁系统，使得MMC在维持输出电压稳定的情况下，还具有无功调节能力。
(3)本发明中的电流内环具有电流限幅能力，可以避免换流器闭锁或故障时的过电流问题。
(4)本发明通过动态功率分配控制，能够对各换流器进行精确的功率配置，并且可以消除频率偏差。
附图说明
图1为多馈入柔性直流输电系统向极弱交流电网的供电示意图。
图2为MMC单相接入交流系统的等效结构示意图。
图3为本发明MMC同步发电机模拟控制架构的整体示意图。
图4为本发明动态功率分配控制示意图。
图5为采用本发明控制策略稳态运行情况下MMC1、MMC2和SG关于有功功率、无功功率、交流电压以及系统频率的仿真波形示意图。
图6为采用本发明控制策略MMC2故障退出情况下MMC1、MMC2和SG关于有功功率、无功功率、交流电压以及系统频率的仿真波形示意图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
图2为单相MMC接入交流系统的等效结构，其中usk为k相电网电压(k＝a,b,c，表示abc三相)，ivk为MMC输出电流，ipk、ink分别表示上、下桥臂电流，upk、unk分别表示上、下桥臂电压，icirk表示桥臂环流，R0为桥臂等效电阻，L0为桥臂电感，Lac为换流器出口处到交流系统等值电势之间的等效电感(包括系统等值电感和变压器漏电感)，Udc表示直流电压。
表征MMC交直流侧动态特性的数学模型如下：
式中，L＝Lac+L0/2，R＝R0/2。上标abc表示该电气量是在abc三相静止坐标系下的矢量。和分别表示桥臂差模电压矢量和桥臂共模电压矢量，它们的k(k＝a,b,c)相表达式为：
从式(1)和(2)可以看出，通过控制MMC桥臂电压的差模分量，就可以控制MMC的输出电流；通过控制MMC桥臂电压的共模分量，就可以控制MMC的内部环流，因此MMC的电流内环包括输出电流跟踪控制器和桥臂环流抑制控制器。
为了得到易于控制的直流量，常用方法是对式(1)和(2)进行坐标变换，将abc三相静止坐标系下的正弦交流量变换到dq轴同步旋转坐标系下的直流量，经过坐标变换过后的结果如下：
式中，上标dq表示该电气量为dq轴坐标系下的矢量，ω为电网角频率。
根据式(5)可设计MMC电流内环的输出电流跟踪控制部分，根据式(6)可设计MMC电流内环的环流抑制控制部分，它们的控制架构如图3所示。因为控制目标是要抑制内部环流，故环流的dq轴指令值和都设成零。
之后对桥臂差模电压和桥臂共模电压进行dq反变换，就能得到abc三相静止坐标下的桥臂差模电压指令值和桥臂共模电压指令值。根据下式就可计算出触发所需要的桥臂电压指令值为：
同步发电机对电网的惯性作用主要体现在转子的运动过程中。当发电机的机械功率(或机械转矩)与电磁功率(或电磁转矩)不平衡时，它们的功率差(或转矩差)将改变发电机转子的旋转角速度。而同步发电机转动惯量的大小直接影响转子角速度改变的快慢。描述这一动态过程的运动方程就是我们通常所说的摇摆方程如下：
其中，ω*为有功频率环输出的角频率参考值，ω0为电网额定角频率，P*为有功功率参考值，P为有功功率实际值，J为表征虚拟转动惯量的参数，D为表征虚拟阻尼系数的参数。
式(9)可以进一步写成如下形式：
上式就是同步发电机模拟控制的有功-频率环控制方程，根据该控制方程，可设计其控制器如图3中所示的有功-频率环部分。
无功-电压环主要包括无功功率的调节模块和输出电压的调节模块。其输出电压的指令值U*包括两部分，一部分是输出功率为零时的空载电压U0，另一部分是用于调节无功功率而带来的电压波动分量ΔU。为了消除无功功率的静态误差，无功-电压环控制方程可以写成：
式中，U*为输出电压参考值，U0为输出功率为零时的空载电压，Q*为无功功率参考值，Q为无功功率实际值，kp为PI控制器的比例系数，ki为PI控制器的积分系数。
在获得输出电压的指令值之后，通过PI控制器，就可以得到电流内环所需要的输出电流指令值和如下：
其中dq轴电压指令值为：
至此，我们得到了单个MMC的同步发电机模拟控制器完整模型，其整体如图3所示。
采用同步发电机模拟控制方法之后，每个MMC换流站都可以看成一个同步发电机。这里将实际的同步发电机和采用同步发电机模拟控制的MMC换流站统称为发电单元(Generation Unit，GU)。在系统的有功功率和无功功率发生波动后，为了使发电单元的实际出力与其指令值一致，以达到消除频率和电压偏差的目的，我们对每个发电单元的功率指令值进行动态调整，发电单元i的有功指令值和无功指令值按如下式子进行设置：
其中，为发电单元i的有功功率参考值，为发电单元i的无功功率参考值，Ptotal和Qtotal为区域电网总的有功功率和无功功率，λi为发电单元i的有功功率分配系数，γi为发电单元i的无功功率分配系数。当所有发电单元总的有功和无功出力分别等于总的有功和无功指令值时，系统就不存在频率偏差，因此有：
图4所示了动态功率分配控制架构，每个发电单元所发出的有功功率和无功功率都传送到上层能量管理系统。能量管理系统算出总的功率后，按照分配比例λiPtotal、γiQtotal再发送回各个发电单元作为它们的功率指令值。需要指出的是，负荷的改变势必会引起发电单元出力的变化，因此实时测量各发电单元的输出功率能够反映实际负荷的大小。
为了验证所提控制策略的准确性和有效性，我们在PSCAD/EMTDC仿真软件中搭建了如图1所示的改进三机九节点系统；系统初始负荷为330MW有功功率和90Mvar无功功率，向系统供电的发电单元包括一个小型同步发电机和两回MMC-HVDC。同步发电机的参数如表1所示，初始有功出力为30MW；由于发电机的容量占系统负荷比例很小，因此该区域电网为一个极弱系统。两回MMC-HVDC的参数如表2所示，馈入区域电网的MMC换流站控制系统参数如表3所示。
表1
| 电气量 | 数值 |
| 额定容量 | 40MVA |
| 额定线电压 | 13.8kV |
| 额定线电流 | 1.67kA |
| 惯性时间常数 | 2s |
| 原动机与调速器:R | 0.04 |
| 原动机与调速器:T<sub>R</sub> | 5s |
| 励磁系统:K<sub>A</sub> | 200 |
| 励磁系统:T<sub>A</sub> | 0.02s |
表2
表3
| 控制参数 | MMC1 | MMC2 |
| 有功-频率环的虚拟转动惯量 | 6.4 | 3.2 |
| 有功-频率环的虚拟阻尼系数 | 50 | 25 |
| 无功-电压环的比例系数 | 0.5 | 1 |
| 无功-电压的积分常数 | 2.5 | 2.5 |
| 动态有功分配系数λ | 2/3 | 1/3 |
| 动态无功分配系数γ | 2/3 | 1/3 |
仿真工况1：系统进入稳态运行之后，在t＝3s负荷的有功功率增加150MW。图5显示了各电气量的响应情况，从图5中可以看出，系统所增加的有功负荷全都由MMC1换流站和MMC2换流站承担，且增加的比例等于动态功率分配的比例2:1。有功的波动引起了系统频率的波动，但很快便恢复到了额定值，不存在频率的偏差，具有快速二次调频的效果。在t＝7s负荷的无功功率增加60Mvar，这增加的60Mvar无功功率由MMC1和MMC2按照2:1的比例进行分配。无功功率的波动并没有造成输出电压的静态偏差，表明本发明控制策略能够模拟同步发电机励磁系统的功能。
仿真工况2：MMC2换流站在t＝3s时发生故障并退出运行，检测到故障之后，MMC2换流站便不再参与动态功率分配控制，而是由同步发电机和MMC1换流站承担区域电网所需的功率。图6为故障前后系统的响应情况，从图6中可以看出，MMC2退出运行后，系统的频率和电压经历短时波动后恢复稳定。MMC2退出运行所产生的功率缺额都由MMC1承担，保证一个换流站故障不会引起区域电网的大面积停电，提高了系统的可靠性和稳定性。
上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种多回MMC-HVDC馈入极弱电网的控制策略，包括：
(1)为区域电网馈入功率的每个MMC均采用同步发电机模拟控制方法，所述同步发电机模拟控制方法包括有功-频率控制环节、无功-电压控制环节、输出电流跟踪控制环节以及内部环流抑制控制环节；其中：
所述的有功-频率控制环节用于根据有功功率通过计算得到虚拟同步发电机功角θ；所述的无功-电压控制环节用于根据无功功率通过计算得到dq坐标系下的MMC阀侧电流参考矢量所述的输出电流跟踪控制环节用于根据MMC阀侧电流参考矢量通过计算得到dq坐标系下的MMC桥臂差模电压参考矢量所述的内部环流抑制控制环节以MMC内部环流为0作为控制目标，通过计算得到dq坐标系下的MMC桥臂共模电压参考矢量
(2)MMC间的功率分配采用动态功率分配方法，即根据区域电网负荷的变化，按特定比例动态调整各MMC的功率参考值。
2.根据权利要求1所述的控制策略，其特征在于：所述有功-频率控制环节通过以下控制方程计算出虚拟同步发电机功角θ：
其中：ω*为角频率参考值，s为拉普拉斯算子，P*为MMC的有功功率参考值，P为MMC的有功功率实际值，ω0为区域电网的额定角频率，J为设定的虚拟转动惯量，D为设定的虚拟阻尼系数。
3.根据权利要求1所述的控制策略，其特征在于：所述无功-电压控制环节的具体控制方法如下：
首先，对MMC的网侧电压进行Park变换，得到对应dq坐标系下的网侧电压d轴分量实际值usd和网侧电压q轴分量实际值usq；
然后，令网侧电压q轴分量参考值并通过以下控制方程计算出网侧电压d轴分量参考值
其中：Q*为MMC的无功功率参考值，Q为MMC的无功功率实际值，s为拉普拉斯算子，U0为输出功率为零时MMC的额定电压，kp为设定的比例系数，ki为设定的积分系数；
最后，使的差值结果依次经PI调节以及限幅环节后得到阀侧电流d轴分量参考值使的差值结果依次经PI调节以及限幅环节后得到阀侧电流q轴分量参考值 和即组成了dq坐标系下的MMC阀侧电流参考矢量
4.根据权利要求1所述的控制策略，其特征在于：所述输出电流跟踪控制环节通过以下控制方程计算出dq坐标系下的MMC桥臂差模电压参考矢量
其中：为dq坐标系下的MMC网侧电压矢量，其由MMC网侧电压经Park变换得到；L＝Lac+L0/2，R＝R0/2，Lac为区域电网对应戴维南等效电路中的等效电感值，L0为MMC的桥臂电感值，R0为MMC的桥臂等效电阻值，ω为区域电网的实际角频率，j为虚数单位，t为时间。
5.根据权利要求1所述的控制策略，其特征在于：所述内部环流抑制控制环节通过以下控制方程计算出dq坐标系下的MMC桥臂共模电压参考矢量
其中：为dq坐标系下的MMC内部环流参考矢量，其为0矢量；L0为MMC的桥臂电感值，R0为MMC的桥臂等效电阻值，ω为区域电网的实际角频率，j为虚数单位，t为时间。
6.根据权利要求1所述的控制策略，其特征在于：所述同步发电机模拟控制方法以-2θ作为坐标变换角将反变换为三相桥臂共模参考电压，以θ作为坐标变换角将反变换为三相桥臂差模参考电压；使三相桥臂共模参考电压与三相桥臂差模参考电压对应相相加即得到MMC三相上桥臂的调制电压，使三相桥臂共模参考电压与三相桥臂差模参考电压对应相相减即得到MMC三相下桥臂的调制电压；进而根据MMC三相上桥臂及MMC三相下桥臂的调制电压通过相应调制算法生成MMC各桥臂的开关控制信号用以对MMC进行控制。
7.根据权利要求1所述的控制策略，其特征在于：所述动态功率分配方法基于以下方程表达式：
其中：Pi *和分别为第i个发电单元的有功功率参考值和无功功率参考值，λi和γi分别为第i个发电单元的有功功率分配系数和无功功率分配系数，n为发电单元的总数，区域电网中的同步发电机以及为区域电网馈入功率的MMC均为发电单元；Ptotal和Qtotal分别为区域电网所需总的有功功率和无功功率，其通过对区域电网中的负荷测量统计得到。
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