CN107404130A - Mmc冗余子模块直流电压支撑控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种MMC冗余子模块直流电压控制方法，步骤一、实时监控定直流电压控制换流站在向系统输出或吸收有功功率子模块情况下的子模块电容电压值变化；步骤二、依据电容电压值实时调节投入子模块个数，换流站向系统输出功率，子模块电容电压下降时，包含：阶段一：直流电压恒定阶段：以维持直流电压稳定及交流出口电压跟随参考值为目标，实时调整处于投入状态的子模块数量；阶段二：直流电压下降阶段。换流站从系统吸收功率，子模块电容电压上升时，减少子模块投入数量以始终维持直流电压稳定。本发明改进建立在模块化多电平换流站基础上，具备良好的适用性和实用性；显著提升MMC换流站面对功率波动时的控制能力，增强互联交直流系统稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统控制领域，特别是涉及一种对MMC冗余子模块直流电压支撑的控制方法。
背景技术
近年来，柔性直流输电技术快速发展，成为解决新能源发电大规模集中接入、电能大范围远距离输送等问题的有效解决方案。MMC型柔性直流输电技术在高压大容量输电场景应用前景广阔，但其发展和应用还存在若干问题亟需解决。
借助柔性直流系统实现可再生能源接入时，由于可再生能源发电具有间歇性和波动性特点，造成有功功率供给侧波动；此外，由于电力系统负荷波动、不正常运行或故障的特点，造成有功功率需求侧变化；均会打破柔性直流系统功率的供需平衡状态。此时，暂态不平衡功率作用于MMC换流站导致MMC冗余子模块电容充电或放电，再加上常规MMC换流站控制方式将造成直流电压变化及交流侧出口电压变化，造成换流站交流侧出口电压变化无法准确跟踪参考值，影响交直流系统稳定性的问题。目前尚无明确借助子模块投切数目变化维持交/直流系统稳定的电压控制方法。
在本发明中将考虑子模块电容电压变化，设计一种MMC冗余子模块电容电压控制方法。
发明内容
针对现有技术及其存在的柔性直流系统中暂态功率波动造成直流电压变化及交流侧出口电压无法准确跟踪参考值，影响交直流系统稳定性的问题，本发明提出了一种MMC冗余子模块直流电压支撑控制方法，通过实时调整处于投入状态下的MMC冗余子模块数量来维持直流电压稳定，并使交流侧输出逼近参考值。
本发明的MMC冗余子模块直流电压控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、实时监控定直流电压控制换流站在向系统输出或吸收有功功率子模块这两种情况下的子模块电容电压值变化情况；
步骤二、依据电容电压值实时调节投入子模块个数，实现桥臂子模块冗余度的调整，具体包括：
换流站在向系统输出有功功率的情况下，通过多投入子模块实现MMC换流站直流侧输出电压稳定，又包含直流电压恒定和直流电压下降两个阶段；策略包括：
阶段一：直流电压恒定阶段：
以维持直流电压稳定及交流出口电压跟随参考值为目标，实时调整处于投入状态的子模块数量；当子模块全部投入时，实时监控到子模块电容电压达到阶段一的最低值：
其中，r为MMC换流站子模块冗余度；此时，单相投入子模块数目为最大值，也就是配置子模块总数量NSUM；
桥臂子模块冗余度r，定义为：
其中，NSUM为单个桥臂配置子模块总数量，N为MMC换流站功率平衡时投入的子模块个数；
阶段二：直流电压下降阶段：
当子模块电容电压在跌到Ucmin1后，即使继续下降，单相投入子模块数目始终为NSUM，直流侧电压则开始从额定值下跌；为维持直流侧电压稳定性，使得直流侧电压偏离额定值幅度受到直流电压下限约束，若直流电压在偏离±d％以内，将直流侧电压保持稳定，则子模块电容电压最小值为
Ucmin2＝Ucmin1×(1-d％)
MMC换流站吸收额外有功功率的情况下，通过少投入子模块实现MMC换流站直流侧输出电压稳定；策略包括：
若子模块电容承受最大电压为：
UCmax＝UCN×(1+p％)
则投入子模块数目最少为：
子模块电容电压上升时，减少子模块投入数量可以始终维持直流电压稳定。此时限制条件来自于子模块电容允许的最高工作电压UCmax。
与现有技术相比，本发明具有以下积极的技术效果：
1、本发明建立在MMC原有换流站拓扑结构的基础上，从控制方法进行改进，无需增加额外投资，具备较好的经济性；
2、本发明方法建立在模块化多电平换流站基础上，与子模块具体结构无关，具备良好的适用性和实用性；
3、显著提升MMC换流站面对功率波动时的控制能力，增强互联交直流系统的稳定性。
附图说明
图1为MMC换流站输出额外功率时冗余子模块直流电压支撑控制方法原理示意图；
图2为MMC换流站吸收额外功率时冗余子模块直流电压支撑控制方法原理示意图。
附图标记：101、MMC子模块
具体实施方式
MMC换流站矢量控制方式借助在直流侧投入固定数量子模块维持直流电压稳定。但在子模块电容电压变化时，直接导致直流侧电压变化，交流侧出口电压偏离调制波。
下面将结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细描述。
本发明的MMC冗余子模块直流电压支撑控制方法，该方法具体包括以下操作：
步骤一、实时监控定直流电压控制换流站子模块电容电压值；
步骤二、依据此电容电压值实时调节投入子模块个数，所依据的桥臂子模块冗余度，定义如式(1)所示：
其中，NSUM为单个桥臂配置子模块总数量，N为MMC换流站功率平衡时投入的子模块个数。
基本控制原理：MMC换流站功率平衡时，子模块电容电压周期性小范围波动。当功率失衡，子模块电容电压波动幅度偏离正常范围。
若直流电压参考值为Uref，实时测量子模块电容电压值为UC，为维持直流电压Udc在Uref附近，此时MMC换流器单相需要投入的子模块个数为：
由矢量控制得到上、下桥臂电压差参考值vref，此时MMC换流站上下桥臂投入子模块个数差值为：
得到Nadj与Ndiff后，上下桥臂投切子模块个数Np、NL满足：
以下实施例分别针对换流站向系统输出或吸收有功功率这两种情况进行技术方案的详细说明。
第一种情况：MMC换流站输出额外有功功率。
如图1所示的MMC换流站输出额外功率时冗余子模块直流电压支撑控制方法原理示意图。此时子模块电容放电，电压下降。与子模块额定电压UCN比较，偏差量为：
ΔUC＝UCN-UC (5)
式中，UCN为子模块电容电压实测值。
由于子模块电容电压减小带来的直流电压减小量为：
ΔUdc＝N×ΔUC (6)
当ΔUdc＝UC时，即直流电压下降幅度恰好为此时单个子模块电容电压实测值，则此时单相投入子模块个数为
Nadj＝N+1 (7)
从而通过多投入子模块实现MMC换流站直流侧输出电压稳定。依据式(3)调整上下桥臂投入子模块的数量差Ndiff，维持交流侧输出电压逼近参考值。
子模块电容电压下降时，Nadj＞N，但投入子模块数量不会超过桥臂配置子模块总数量NSUM。当子模块电容电压下降幅度过大，Nadj上升直至NSUM后，无法投入更多的子模块，此时子模块电容电压下降直接导致直流电压Udc下降。因此，将第一种情况下的直流电压支撑控制依据直流电压是否变化划分成两个阶段：
阶段一：直流电压恒定阶段
以维持直流电压稳定及交流出口电压跟随参考值为目标，实时调整处于投入状态的子模块数量；当子模块全部投入时，子模块电容电压达到阶段一的最低值：
其中，r为MMC换流站子模块冗余度。此时，单相投入子模块数目为最大值NSUM。
举例说明，如图1，正常工作时，直流电压Udc由3个子模块电容电压支撑，此时子模块电容电压为UCN。当子模块电容电压下降ΔUC至UC时，直流电压降为Udc’。此时将投入子模块数量从3调整至4，直流电压由4个子模块电容电压支撑，达到预设值Udc，此时子模块电容电压为UC。
阶段二：直流电压下降阶段
当子模块电容电压在跌到Ucmin1后，即使继续下降，单相投入子模块数目始终为NSUM，直流侧电压则开始从额定值下跌。为维持直流侧电压稳定性，使得直流侧电压偏离额定值幅度受到直流电压下限约束。以±d％为例，若直流电压在偏离±d％(如±10％)以内，将直流侧电压保持稳定，则子模块电容电压最小值为：
Ucmin2＝Ucmin1×(1-d％) (9)
第二种情况：MMC换流站吸收额外有功功率。
如图2所示的MMC换流站吸收额外功率时冗余子模块直流电压支撑控制方法原理示意图。此时子模块电容充电，电压上升。与子模块额定电压UCN比较，偏差量为
ΔUC＝UC-UCN (10)
式中，UC为子模块电容电压实测值。
由于子模块电容电压升高带来直流电压增加量为：
ΔUdc＝N×ΔUC (11)
当ΔUdc＝UC时，即直流电压上升幅度恰好为此时单个子模块电容电压实测值，则此时单相投入子模块个数为
Nadj＝N-1 (12)
从而通过少投入子模块实现MMC换流站直流侧输出电压稳定。依据式(3)调整上下桥臂投入子模块的数量差Ndiff，维持交流侧输出电压逼近参考值。
若子模块电容承受最大电压为：
UCmax＝UCN×(1+p％) (13)
则投入子模块数目最少为：
子模块电容电压上升时，减少子模块投入数量可以始终维持直流电压稳定。此时限制条件来自于子模块电容允许的最高工作电压UCmax。
举例说明，如图2，正常工作时，直流电压Udc由4个子模块电容电压支撑，此时子模块电容电压为UCN。当子模块电容电压上升ΔUC至UC时，直流电压降为Udc’。此时将投入子模块数量从4调整至3，直流电压由3个子模块电容电压支撑，达到预设值Udc，此时子模块电容电压为UC。
在MMC换流站输入输出功率不平衡时，虽然造成子模块电容电压变化，但是改变原有MMC控制方式固定子模块投入数目的思路，依据子模块电容电压的实时监测值，改变投入子模块数量，实现在功率波动较小时，维持直流电压稳定；功率波动较大时，减小直流电压波动范围，同时使交流侧输出波形跟随参考值。
Claims (1)
1.一种MMC冗余子模块直流电压控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、实时监控定直流电压控制换流站在向系统输出或吸收有功功率子模块这两种情况下的子模块电容电压值变化情况；
步骤二、依据电容电压值实时调节投入子模块个数，具体包括：
换流站在向系统输出有功功率的情况下，通过多投入子模块实现MMC换流站直流侧输出电压稳定，又包含直流电压恒定和直流电压下降两个阶段；策略包括：
阶段一：直流电压恒定阶段：
以维持直流电压稳定及交流出口电压跟随参考值为目标，实时调整处于投入状态的子模块数量；当子模块全部投入时，实时监控到子模块电容电压达到阶段一的最低值：
<mrow>
<msub>
<mi>U</mi>
<mrow>
<mi>c</mi>
<mi>min</mi>
<mn>1</mn>
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</msub>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<msub>
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<mi>N</mi>
</mrow>
</msub>
<mrow>
<mn>1</mn>
<mo>+</mo>
<mi>r</mi>
</mrow>
</mfrac>
</mrow>
其中，r为MMC换流站子模块冗余度；此时，单相投入子模块数目为最大值，也就是配置子模块总数量NSUM；
桥臂子模块冗余度r，定义为：
<mrow>
<mi>r</mi>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<msub>
<mi>N</mi>
<mrow>
<mi>S</mi>
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</mrow>
</msub>
<mo>-</mo>
<mi>N</mi>
</mrow>
<mi>N</mi>
</mfrac>
<mo>&times;</mo>
<mn>100</mn>
<mi>%</mi>
</mrow>
其中，NSUM为单个桥臂配置子模块总数量，N为MMC换流站功率平衡时投入的子模块个数；
阶段二：直流电压下降阶段：
当子模块电容电压在跌到Ucmin1后，即使继续下降，单相投入子模块数目始终为NSUM，直流侧电压则开始从额定值下跌；为维持直流侧电压稳定性，使得直流侧电压偏离额定值幅度受到直流电压下限约束，若直流电压在偏离±d％以内，将直流侧电压保持稳定，则子模块电容电压最小值为
Ucmin2＝Ucmin1×(1-d％)
MMC换流站吸收额外有功功率的情况下，通过少投入子模块实现MMC换流站直流侧输出电压稳定；策略包括：
若子模块电容承受最大电压为：
UCmax＝UCN×(1+p％)
则投入子模块数目最少为：
<mrow>
<msub>
<mi>N</mi>
<mi>min</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<msub>
<mi>U</mi>
<mrow>
<mi>r</mi>
<mi>e</mi>
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<mrow>
<msub>
<mi>U</mi>
<mrow>
<mi>C</mi>
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<mrow>
<mo>(</mo>
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<mo>+</mo>
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<mo>)</mo>
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</mrow>
</mfrac>
<mo>=</mo>
<mfrac>
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</mfrac>
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