CN107104431A - 一种mmc‑hvdc输电系统mmc模块小信号建模方法 - Google Patents
一种mmc‑hvdc输电系统mmc模块小信号建模方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种MMC‑HVDC输电系统MMC模块小信号建模方法，将平均值模型从三相静止坐标系变换到两相同步旋转坐标系，将变换后的平均值模型线性化，得到MMC模块小信号模型。本发明的模型计及了模块的自身损耗，能较好地反应基于MMC拓扑结构的换流器外特性对所连交、直流网络的动态响应，同时计算量较小，仿真效率高，适用于不需要观测MMC内部动态特性的全系统小扰动稳定性分析。
Description
技术领域
本发明属于柔性直流输电领域，特别涉及一种MMC-HVDC(基于模块化多电平换流器的柔性直流输电系统)输电系统MMC模块小信号建模方法。
背景技术
柔性直流输电(voltage source converter based high-voltage dc，VSC-HVDC)技术作为新一代直流输电技术，相较于传统直流输电技术，具有控制灵活、功率因数高等优良特性。包括柔性直流输电在内的电力系统随时都受到小扰动，例如负荷波动和网络参数缓变。所以一个良好的电力系统，必须要是小干扰稳定的，否则系统即便在稳定情况下也无法正常运行。
柔性直流输电工程采用的电压源换流器(VSC)主要有三种形式：两电平换流器、二极管箝位型三电平换流器和模块化多电平换流器(modular multilevel converter，MMC)。相较于两电平和三电平拓扑结构，MMC拓扑结构因具有损耗低、波形质量高、故障处理能力强等优点而被广泛采纳。但是MMC拓扑结构十分复杂，在对MMC-HVDC输电网络进行小信号建模时大部分技术将MMC模块直接忽略，实际上MMC模块的自身损耗会通过影响换流器直流侧有功输出而影响系统的动态特性。鉴于此，有必要对双端MMC-HVDC系统MMC小信号建模。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种MMC-HVDC输电系统MMC模块小信号建模方法，将平均值模型(average value models based on switching functions，AVM)从三相静止坐标系变换到两相同步旋转坐标系，运用于MMC的小信号建模，在考虑MMC模块外特性的基础上计及了MMC模块的自身损耗，能较好地反应换流器外特性对所连交、直流网络的动态响应。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种MMC-HVDC输电系统MMC模块小信号建模方法，包括以下步骤：
步骤1：将平均值模型从三相静止坐标系变换到两相同步旋转坐标系，具体为：
根据MMC的拓扑结构，计及换流器的功率损耗Ploss，MMC直流侧和交流侧的有功功率之间的关系式为
Pac＝Pdc+Ploss
式中，Pac为MMC交流侧有功功率，Pdc为MMC直流侧有功功率，Vdc、Idc分别为直流电压和直流电流，ej(j＝a,b,c)是由内环控制器产生的j相交流端口对中性点的电压指令值；
式通过派克变换改写为
电流损耗Iloss为：
式中，Ic为包含换流器损耗的等值直流电流，由式求得；
R为MMC换流器开关与阻性损耗的等值电阻，按照稳态时换流器的有功功率损耗为1％的比例进行计算；isd和isq分别为公共耦合点PCC处电流的d轴分量和q轴分量，ucd和ucq换流器交流侧输出电压的d轴分量和q轴分量；
换流器输出直流电流为
Idc＝Ic-Iloss
步骤2：将变换后的平均值模型线性化，得到MMC模块小信号模型，具体为：
将式泰勒级数展开并线性化得：
且
ΔIdc＝ΔIc-ΔIloss。
根据上述方案，还包括步骤3：MMC小信号模型通过损耗电流的方式引入换流器直流侧输出直流电压的小信号模型，具体为：
换流器直流侧功率方程为
式中，下角标i取1时为整流侧，取2时为逆变侧，Ce为整个MMC模块的等效电容；将式整理线性化得：
与现有技术相比，本发明的有益效果是：运用变换后的AVM模型对MMC模块进行小信号建模，引入损耗电流，计及了MMC模块的自身损耗，能较好地反应基于MMC拓扑结构的换流器外特性对所连交、直流网络的动态响应，同时计算量较小，仿真效率高，适用于不需要观测MMC内部动态特性的全系统小扰动稳定性分析。
附图说明
图1是两端柔性直流网路拓扑结构。
图2是MMC拓扑结构图。
图3是MMC模块直流侧等效受控源示意图。
图4是两端柔性直流网络测试系统结构图。
图5是电磁暂态模型与小信号模型仿真小扰动波形对比(换流站1交流侧电流d轴分量)。
图6是电磁暂态模型与小信号模型仿真小扰动波形对比(换流站1交流侧电流q轴分量)。
图7是电磁暂态模型与小信号模型仿真小扰动波形对比(换流站2交流侧电流d轴分量)。
图8是电磁暂态模型与小信号模型仿真小扰动波形对比(换流站2交流侧电流q轴分量)。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。采用如图1所示的两端MMC-HVDC直流输电系统。
图1中左侧为整流侧，其网络参数下标为1，右侧为逆变侧，其网络参数下标为2，电流流向以图中箭头所示方向为正方向。为换流器所连接交流有源网络的等效电压源，Rn+jXn为该有源网络的等效阻抗，为公共耦合点PCC处的电压，换流变压器为Y-Δ连接方式，Rf和Lf分别为换流变压器和电抗器的等效电阻和电抗，为换流器的交流侧输出电压，直流线路采用π型等效，为换流器的直流侧输出电压；i12为直流线路电流；R12和L12为直流线路的等值电阻和电抗；C为直流网络的π型等效电容和MMC模块等效电容的合并电容。
换流器MMC模块的小信号建模
在研究整个电力系统的稳定和控制器的设计时，不需要分析换流器内部动态特性，只需考虑MMC模块对于换流器所连交、直流网络的外特性，从而不需要对MMC模块的内部进行详细建模。本发明采用AVM受控源等效模型，能准确反应小扰动情况下MMC模块与换流器交流侧和直流侧之间的动态响应。
MMC的拓扑结构如图2所示，计及换流器的功率损耗Ploss，MMC直流侧和交流侧的有功功率之间的关系式为
Pac＝Pdc+Ploss (4)
式中，Pac为MMC交流侧有功功率，Pdc为MMC直流侧有功功率，Vdc，Idc分别为直流电压和直流电流，ej(j＝a,b,c)是由内环控制器产生的j相交流端口对中性点的电压指令值。
式(5)通过派克变换改写为
电流损耗Iloss为：
式中，Ic为包含换流器损耗的等值直流电流，由式(8)求得；R为MMC换流器开关与阻性损耗的等值电阻，按照稳态时换流器的有功功率损耗为1％的比例来进行计算。
isd和isq分别为公共耦合点PCC处电流的d轴分量和q轴分量，ucd和ucq换流器交流侧输出电压的d轴分量和q轴分量。
换流器输出直流电流为
Idc＝Ic-Iloss (9)
将式(7)泰勒级数展开并线性化得：
ΔIdc＝ΔIc-ΔIloss (11)
由式(6)～(9)得MMC模块的受控电流源等效模型如图3所示。
换流器直流侧功率方程为
式中，下角标i取1时为整流侧，取2时为逆变侧，Ce为整个MMC模块的等效电容。将式(11)整理线性化得
将本发明的MMC模块小信号模型与已有的交流网络、控制器和直流线路的小信号模型联立，得整个交直流混联系统的小信号模型。
为验证本发明所提出换流器MMC模块的小信号建模的有效性，搭建如图4所示两端柔性直流输电网络系统拓扑：其潮流参考方向如图中绿色箭头所示。Ba-A1和Ba-A2分别为两条交流母线，Bb-A1和Bb-A2分别为两条直流母线。按照本发明的小信号建模方式在Matlab中建小信号模型，输电网络的参数如表1所示。
表1输电网络参数表
通过换流器MMC模块的小信号建模后，对系统进行数字仿真。数字仿真的扰动方式为：在4s时，于交流网络2的外环有功功率指令值设置-30kW的小扰动，使得有功功率指令由-900kW突变为-930kW，持续0.5s。
小信号模型1忽略了MMC模块，其交、直流网络以及双闭环控制器小信号模型同文献Giddani O.Kalcon,Grain P.Adam,Olimpo Anaya-Lara,StephenLo,and KjetilUhlen.Small-Signal Stability Analysis of Multi-Terminal VSC-Based DCTransmission Systems[J].IEEE Transactions on Power Systems,2012,27(13):1818-1830。小信号模型2为本发明所推导的小信号模型，在模型1的基础上计及了MMC模块自身损耗以及交流网络等值阻抗与公共点电压相角之间的动态响应，与模型1和PSCAD中电磁暂态模型的仿真对比如图5至图8所示。
可以得出，因计及了MMC自身损耗，模型2相较于模型1能够更为准确地反应该系统的小扰动动态特性，进一步证明了MMC自身损耗会影响输电系统的动态响应。本发明所推导的小信号模型2与基于PSCAD的电磁暂态仿真模型能很好地吻合，验证了本发明小信号模型的正确性。
Claims (2)
1.一种MMC-HVDC输电系统MMC模块小信号建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将平均值模型从三相静止坐标系变换到两相同步旋转坐标系，具体为：
根据MMC的拓扑结构，计及换流器的功率损耗Ploss，MMC直流侧和交流侧的有功功率之间的关系式为
Pac＝Pdc+Ploss
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式中，Pac为MMC交流侧有功功率，Pdc为MMC直流侧有功功率，Vdc、Idc分别为直流电压和直流电流，ej(j＝a,b,c)是由内环控制器产生的j相交流端口对中性点的电压指令值；
式通过派克变换改写为
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式中，Ic为包含换流器损耗的等值直流电流，由式求得；
R为MMC换流器开关与阻性损耗的等值电阻，按照稳态时换流器的有功功率损耗为1％的比例进行计算；isd和isq分别为公共耦合点PCC处电流的d轴分量和q轴分量，ucd和ucq换流器交流侧输出电压的d轴分量和q轴分量；
换流器输出直流电流为
Idc＝Ic-Iloss
步骤2：将变换后的平均值模型线性化，得到MMC模块小信号模型，具体为：
将式泰勒级数展开并线性化得：
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且
ΔIdc＝ΔIc-ΔIloss。
2.如权利要求1所述的一种MMC-HVDC输电系统MMC模块小信号建模方法，其特征在于，
还包括步骤3：MMC小信号模型通过损耗电流的方式引入换流器直流侧输出直流电压的小信号模型，具体为：
换流器直流侧功率方程为
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式中，下角标i取1时为整流侧，取2时为逆变侧，Ce为整个MMC模块的等效电容；将式整理线性化得：
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