CN107677956A - 一种柔性直流输电mmc换流阀运行试验装置的电流控制方法 - Google Patents

一种柔性直流输电mmc换流阀运行试验装置的电流控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种柔性直流输电MMC换流阀运行试验装置的电流控制方法，先设定第一阀组件和第二阀组件的直流参考电压以及第一阀组件的基频参考电压；通过基波电流闭环控制方法得到第二阀组件的基频参考电压；通过二倍频电流闭环控制方法得到第一阀组件和第二阀组件的二倍频参考电压；分别对两个阀组件的基频、二倍频和直流参考电压求和，得到两个阀组件总的参考电压，对两个阀组件总的参考电压进行最近电平逼近调制，得到两个阀组件的子模块投入数。本发明能够精确控制阀组件电流中基频分量、二倍频分量及直流分量，解决了现有技术中操作不直观，电流交、直流分量难以精确控制的问题。

Description

一种柔性直流输电MMC换流阀运行试验装置的电流控制方法
技术领域
本发明涉及电力系统柔性输配电、电力电子及用户电力技术领域，具体将涉及一种柔性直流输电MMC换流阀运行试验装置的电流控制方法。
背景技术
模块化多电平换流器(MMC)由若干个子模块按照一定的方式连接而成。MMC阀在进行大容量传输时，必须长期高电压、大电流运行，其可靠性是电力系统安全运行的关键，而通过搭建一个与实际工况相同的负荷环境来验证换流器工作性能是极为困难的，为此，必须构建一个等效试验平台，对换流器进行与实际工况强度相当的试验验证。MMC阀组件由多个子模块串联而成，其电气特性反映了整个MMC换流阀的电气特性，因此可通过对MMC阀组件的电气测试验证MMC阀的可靠性。
申请号为201310090549.X的中国专利《柔性直流输电MMC换流阀运行试验装置及试验方法》公开了一种试验装置及其试验方法，图1给出了该试验装置的示意图，其主要包括两个低压端直接相连、高压端经负载电抗器连接的阀组件，通过两组阀组件子模块电容器与负载电抗器之间的能量交换产生所需考核的大电流，当电路稳定运行时，通过调节两个阀组件的交流电压幅值和相位差，得到交、直流叠加的电流应力，达到对两个阀组件电流考核的目的。但是，该试验方法主要存在以下两点不足：
(1)该方法仅对阀组件上的基波电流和直流分量进行了控制，未针对二倍频分量进行控制。而实际工程中，在换流器无环流抑制功能时，阀组件会流经一定的二倍频环流；有环流抑制功能时，阀组件中二倍频环流成分则极小。为了对阀组件进行与实际电流应力一致的电气测试，这就要求试验装置具有二倍频电流分量的可控能力。
(2)该方法是通过调节两个阀组件交流电压的幅值和相位差实现电流控制的，属于电流的开环控制。而交流电压幅值、相位差与电流中的直流分量、基波分量存在强耦合关系，改变电压的幅值或相位差会同时改变电流中的交、直流分量。因此若要输出特定交、直流成分的电流，需经过多次试凑才能得到合适的交流电压指令。这使得实际操作起来极为困难、不直观，也易因指令设定不当导致过流故障发生，威胁设备安全。
综上所述，现有技术中对于操作不直观，电流交、直流分量难以精确控制的问题，尚缺乏有效的解决方案。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种柔性直流输电MMC换流阀运行试验装置的电流控制方法，能够精确控制阀组件电流中基频分量、二倍频分量及直流分量，解决了现有技术中操作不直观，电流交、直流分量难以精确控制的问题。
本发明所采用的技术方案是：
一种柔性直流输电MMC换流阀运行试验装置的电流控制方法，所述柔性直流输电MMC换流阀运行试验装置包括两个低压端直接相连、高压端经负载电抗器连接的阀组件，分别为第一阀组件和第二阀组件；第一阀组件和第二阀组件均包括多个串联的子模块；所述电流控制方法包括以下步骤：
设定第一阀组件和第二阀组件的直流参考电压以及第一阀组件的基频参考电压；
通过基波电流闭环控制方法得到第二阀组件的基频参考电压；
采用二倍频电流闭环控制方法，获得第一阀组件和第二阀组件的二倍频参考电压；
分别对两个阀组件的基频、二倍频和直流参考电压求和，得到两个阀组件总的参考电压，根据最近电平逼近调制方式分别对两个阀组件总的参考电压进行调制，得到两个阀组件的子模块投入数。
进一步的，所述通过基波电流闭环控制方法得到第二阀组件的基频参考电压，包括：
采集自第二阀组件高压端流向第一阀组件高压端的电流；
获取该电流的基波d轴电流分量和基波q轴电流分量；
将基波d轴电流分量与基波d轴电流分量的参考值做差，得到基波d轴电流分量偏差值，将基波q轴电流分量与基波q轴电流分量的参考值做差，得到基波q轴电流分量偏差值；
依次对基波d轴电流分量偏差值和基波q轴电流分量偏差值进行PI调节器调节、电压前馈控制和解耦控制，得到第二阀组件的基波d轴参考电压和基波q轴参考电压；
将基波d轴参考电压和基波q轴参考电压经基频坐标反变换，取a相电压作为第二阀组件的基频参考电压。
进一步的，所述获取该电流的基波d轴电流分量和基波q轴电流分量，包括：
将电流通过坐标变换，从三相静止坐标系变换到两相旋转坐标系中，在该坐标系下进行分解得到d轴电流和q轴电流；
d轴电流和q轴电流经过低通滤波器，得到电流的基波d轴电流分量和基波q轴电流分量。
进一步的，所述基波d轴电流分量的参考值是由第二阀组件所承受的电流应力的直流分量幅值与第一阀组件的直流参考电压的乘积与第一阀组件的基频参考电压幅值做商得到。
进一步的，所述基波q轴电流分量的参考值是由第二阀组件所承受的电流应力的基波分量幅值的平方与基波d轴电流分量的参考值的平方做差得到。
进一步的，所述采用二倍频电流闭环控制方法，获得第一阀组件和第二阀组件的二倍频参考电压，包括：
采集第二阀组件高压端流向第一阀组件高压端的电流；
获取该电流的二倍频d轴电流分量和二倍频q轴电流分量；
将二倍频d轴电流分量与二倍频d轴电流分量的参考值做差，得到二倍频d轴电流分量偏差值，将二倍频q轴电流分量与二倍频q轴电流分量的参考值做差，得到二倍频q轴电流分量偏差值；
依次对二倍频d轴电流分量偏差值和二倍频q轴电流分量偏差值进行PI调节器调节、电压前馈控制和电压解耦控制，得到第二阀组件的二倍频d轴参考电压和基波q轴参考电压；
将第二阀组件的二倍频d轴参考电压和二倍频q轴参考电压经二倍频坐标反变换，取a相电压作为第二阀组件的二倍频参考电压；
将第二阀组件的二倍频参考电压取反，得到第一阀组件的二倍频参考电压。
进一步的，所述获取该电流的二倍频d轴电流分量和二倍频q轴电流分量，包括：
将电流通过坐标变换，从三相静止坐标系变换到两相旋转坐标系中，在该坐标系下进行分解得到d轴电流和q轴电流；
d轴电流和q轴电流经过高通滤波器，得到电流iac的二倍频d轴电流分量和二倍频q轴电流分量。
进一步的，所述二倍频d轴电流分量的参考值是由第二阀组件所承受的电流应力的二倍频电流分量幅值与基波分量幅值的商与基波q轴电流分量的参考值乘积得到。
进一步的，所述二倍频q轴电流分量的参考值Iq_2F是由第二阀组件所承受的电流应力的二倍频电流分量幅值与基波分量幅值的商与基波d轴电流分量的参考值乘积得到。
进一步的，在得到子模块投入数后，两个阀组件分别按照子模块投入数控制相应子模块的投入和切除，使得两个阀组件分别输出含交、直流成分的电压，从而在负载电抗器上产生所期望的含交、直流分量的电流。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明通过基波电流闭环控制和二倍频电流闭环控制方法，实现对阀组件电流中基频分量、二倍频分量及直流分量的精准控制，解决了现有技术中操作不直观，电流交、直流分量难以精确控制的问题；不仅满足MMC换流阀连续电流运行试验的要求，而且试验时仅需输入各电流分量的大小即可，试验操作非常直观、简单。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1是本发明实施例公开的柔性直流输电MMC换流阀运行试验装置结构示意图；
图2是本发明实施例公开的柔性直流输电MMC换流阀运行试验装置的电流控制方法框图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的，现有技术中存在不具备对二倍频电流分量控制，实际操作起来极为困难、不直观，也易因指令设定不当导致过流故障发生，威胁设备安全的不足，为了解决如上的技术问题，本发明针对申请号为201310090549.X的中国专利《柔性直流输电MMC换流阀运行试验装置及试验方法》所公开的试验装置，提供一种可对阀组件电流应力中的基频、二倍频及直流分量进行精准控制的电流控制方法，以解决现有技术中操作不直观，电流交、直流分量难以精确控制的问题。
如图1所示，柔性直流输电MMC换流阀运行试验装置包括两个低压端直接相连、高压端经负载电抗器连接的阀组件，分别为第一阀组件和第二阀组件；第一阀组件和第二阀组件均包括多个串联的子模块SM。
如图2所示，本申请提供了一种柔性直流输电MMC换流阀运行试验装置的电流控制方法，该电流控制方法包括以下步骤：
步骤101：设定第一阀组件和第二阀组件的直流参考电压为Udc以及第一阀组件的基频参考电压为U1sin(ωt)；
步骤102：通过基波电流闭环控制方法得到第二阀组件的基频参考电压；其中，该第二阀组件的基频参考电压为基波电流闭环控制部分的输出；
步骤103：采用二倍频电流闭环控制方法，获得第一阀组件和第二阀组件的二倍频参考电压；其中，第二阀组件的二倍频参考电压为二倍频电流闭环控制部分的输出，将该输出取反作为第一阀组件的二倍频参考电压；
步骤104：将第一阀组件的直流参考电压、基频参考电压和二倍频参考电压相加，得到第一阀组件的总的参考电压，经最近电平调制得到第一阀组件的子模块投入数；将第二阀组件的直流参考电压、基频参考电压和二倍频参考电压相加，得到第二阀组件的总的参考电压，经最近电平调制得到第二阀组件的子模块投入数；
步骤105：两个阀组件分别按照各自子模块投入数控制相应子模块的投入和切除，使得两个阀组件分别输出含交、直流成分的电压，从而在负载电抗器上产生所期望的含交、直流分量的电流。
本实施例提出的柔性直流输电MMC换流阀运行试验装置的电流控制方法，可对阀组件电流中直流分量、基波分量和二倍频分量进行精准控制，不仅满足MMC换流阀连续电流运行试验的要求，而且试验时仅需输入各电流分量的大小即可，试验操作非常直观、简单。
为了得到第二阀组件的基频参考电压，采用基波电流闭环控制方法，其具体包括以下步骤：
步骤201：采集自第二阀组件高压端流向第一阀组件高压端的电流iac；
步骤202：获取该电流iac的基波d轴电流分量id_F和基波q轴电流分量iq_F；
步骤203：将基波d轴电流分量id_F与基波d轴电流分量的参考值Id_F做差，得到基波d轴电流分量偏差值，将基波q轴电流分量iq_F与基波q轴电流分量的参考值Iq_F做差，得到基波q轴电流分量偏差值；
步骤204：依次对基波d轴电流分量偏差值和基波q轴电流分量偏差值进行PI调节器调节、电压前馈控制和解耦控制，得到第二阀组件的基波d轴参考电压Ud2_F和基波q轴参考电压Uq2_F；
步骤205：将第二阀组件的基波d轴参考电压Ud2_F和基波q轴参考电压Uq2_F经基频dq/abc坐标变换，从两相旋转坐标系变换到三相静止坐标系中，得到a、b、c三相电压，取a相电压作为输出，即第二阀组件的基频参考电压为
其中，获取该电流iac的基波d轴电流分量id_F和基波q轴电流分量iq_F具体包括：
将电流iac通过坐标变换，从三相静止坐标系变换到两相旋转坐标系中，在该坐标系下进行分解得到d轴电流和q轴电流；
d轴电流和q轴电流经过低通滤波器，得到电流iac的基波d轴电流分量id_F和基波q轴电流分量iq_F。
其中，基波d轴电流分量的参考值Id_F是由第二阀组件所承受的电流应力的直流分量幅值Idc与第一阀组件的直流参考电压Udc的乘积与第一阀组件的基频参考电压幅值U1做商得到；该基波d轴电流分量的参考值Id_F具体计算公式为：
式中，Udc为第一阀组件的直流参考电压；Idc为第二阀组件所承受的电流应力的直流分量幅值；U1为第一阀组件的基频参考电压幅值。
其中，所述基波q轴电流分量的参考值Iq_F是由第二阀组件所承受的电流应力的基波分量幅值IF的平方与基波d轴电流分量的参考值Id_F的平方做差得到；该基波q轴电流分量的参考值Iq_F具体计算公式为：
式中，IF为第二阀组件所承受的电流应力的基波分量幅值；Id_F为基波d轴电流分量的参考值。
其中，基频dq/abc坐标变换具体为：
为了得到第一阀组件和第二阀组件的二倍频参考电压，采用二倍频电流闭环控制方法，该方法具体包括以下步骤：
步骤301：采集第二阀组件高压端流向第一阀组件高压端的电流iac；
步骤302：获取该电流iac的二倍频d轴电流分量id_2F和二倍频q轴电流分量iq_2F；
步骤303：将二倍频d轴电流分量id_2F与二倍频d轴电流分量的参考值Id_2F做差，得到二倍频d轴电流分量偏差值，将二倍频q轴电流分量iq_2F与二倍频q轴电流分量的参考值Iq_2F做差，得到二倍频q轴电流分量偏差值；
步骤304：依次对二倍频d轴电流分量偏差值和二倍频q轴电流分量偏差值进行PI调节器调节、电压前馈控制和电压解耦控制，得到第二阀组件的二倍频d轴参考电压Ud2_2F和基波q轴参考电压Uq2_2F；
步骤305：将第二阀组件的二倍频d轴参考电压Ud2_2F和二倍频q轴参考电压Uq2_2F经二倍频dq/abc坐标变换，从两相旋转坐标系变换到三相静止坐标系中，得到a、b、c三相电压，取a相电压作为输出，即第二阀组件的二倍频参考电压为U2fsin(2ωt+θ)；
步骤306：将第二阀组件的二倍频参考电压U2fsin(2ωt+θ)取反，得到第一阀组件的二倍频参考电压为-U2fsin(2ωt+θ)。
其中，获取该电流iac的二倍频d轴电流分量id_2F和二倍频q轴电流分量iq_2F具体包括：
将电流iac通过坐标变换，从三相静止坐标系变换到两相旋转坐标系中，在该坐标系下进行分解得到d轴电流和q轴电流；
d轴电流和q轴电流经过高通滤波器，得到电流iac的二倍频d轴电流分量id_2F和二倍频q轴电流分量iq_2F。
其中，所述二倍频d轴电流分量的参考值Id_2F是由第二阀组件所承受的电流应力的二倍频电流分量幅值I2F与基波分量幅值IF的商与基波q轴电流分量的参考值Iq_F乘积得到；该二倍频d轴电流分量的参考值Id_2F具体计算公式为：
式中，I2F为第二阀组件所承受的电流应力的二倍频电流分量幅值；IF为第二阀组件所承受的电流应力的基波分量幅值；Iq_F为基波q轴电流分量的参考值。
考虑到了MMC实际运行中二倍频电流与基波电流存在特定的相位关系，据此得到的本试验装置中二倍频电流指令与基波电流指令的对应关系。其中，I2F可以根据需要设置为一定数值，以考核换流器没有环流抑制时的阀组件电流应力；也可以给定为零，以考核换流器有环流抑制时的阀组件电流应力。
其中，所述二倍频q轴电流分量的参考值Iq_2F是由第二阀组件所承受的电流应力的二倍频电流分量幅值与基波分量幅值的商与基波d轴电流分量的参考值Id_F乘积得到；该二倍频q轴电流分量的参考值Iq_2F具体计算公式为：
式中，I2F为第二阀组件所承受的电流应力的二倍频电流分量幅值；IF为第二阀组件所承受的电流应力的基波分量幅值；Id_F为基波d轴电流分量的参考值。
从以上的描述中，可以看出，本申请上述的实施例实现了如下技术效果：
本发明通过基波电流闭环控制和二倍频电流闭环控制方法，实现对阀组件电流中基频分量、二倍频分量及直流分量的精准控制，解决了现有技术中操作不直观，电流交、直流分量难以精确控制的问题；不仅满足MMC换流阀连续电流运行试验的要求，而且试验时仅需输入各电流分量的大小即可，试验操作非常直观、简单。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种柔性直流输电MMC换流阀运行试验装置的电流控制方法，所述柔性直流输电MMC换流阀运行试验装置包括两个低压端直接相连、高压端经负载电抗器连接的阀组件，分别为第一阀组件和第二阀组件；第一阀组件和第二阀组件均包括多个串联的子模块；其特征是，所述电流控制方法包括以下步骤：
设定第一阀组件和第二阀组件的直流参考电压以及第一阀组件的基频参考电压；
通过基波电流闭环控制方法得到第二阀组件的基频参考电压；
采用二倍频电流闭环控制方法，获得第一阀组件和第二阀组件的二倍频参考电压；
分别对两个阀组件的基频、二倍频和直流参考电压求和，得到两个阀组件总的参考电压，根据最近电平逼近调制方式分别对两个阀组件总的参考电压进行调制，得到两个阀组件的子模块投入数。
2.根据权利要求1所述的柔性直流输电MMC换流阀运行试验装置的电流控制方法，其特征是，所述通过基波电流闭环控制方法得到第二阀组件的基频参考电压，包括：
采集自第二阀组件高压端流向第一阀组件高压端的电流；
获取该电流的基波d轴电流分量和基波q轴电流分量；
将基波d轴电流分量与基波d轴电流分量的参考值做差，得到基波d轴电流分量偏差值，将基波q轴电流分量与基波q轴电流分量的参考值做差，得到基波q轴电流分量偏差值；
依次对基波d轴电流分量偏差值和基波q轴电流分量偏差值进行PI调节器调节、电压前馈控制和解耦控制，得到第二阀组件的基波d轴参考电压和基波q轴参考电压；
将基波d轴参考电压和基波q轴参考电压经基频坐标反变换，取a相电压作为第二阀组件的基频参考电压。
3.根据权利要求2所述的柔性直流输电MMC换流阀运行试验装置的电流控制方法，其特征是，所述获取该电流的基波d轴电流分量和基波q轴电流分量，包括：
将电流通过坐标变换，从三相静止坐标系变换到两相旋转坐标系中，在该坐标系下进行分解得到d轴电流和q轴电流；
d轴电流和q轴电流经过低通滤波器，得到电流的基波d轴电流分量和基波q轴电流分量。
4.根据权利要求2所述的柔性直流输电MMC换流阀运行试验装置的电流控制方法，其特征是，所述基波d轴电流分量的参考值是由第二阀组件所承受的电流应力的直流分量幅值与第一阀组件的直流参考电压的乘积与第一阀组件的基频参考电压幅值做商得到。
5.根据权利要求2所述的柔性直流输电MMC换流阀运行试验装置的电流控制方法，其特征是，所述基波q轴电流分量的参考值是由第二阀组件所承受的电流应力的基波分量幅值的平方与基波d轴电流分量的参考值的平方做差得到。
6.根据权利要求1所述的柔性直流输电MMC换流阀运行试验装置的电流控制方法，其特征是，所述采用二倍频电流闭环控制方法，获得第一阀组件和第二阀组件的二倍频参考电压，包括：
采集第二阀组件高压端流向第一阀组件高压端的电流；
获取该电流的二倍频d轴电流分量和二倍频q轴电流分量；
将二倍频d轴电流分量与二倍频d轴电流分量的参考值做差，得到二倍频d轴电流分量偏差值，将二倍频q轴电流分量与二倍频q轴电流分量的参考值做差，得到二倍频q轴电流分量偏差值；
依次对二倍频d轴电流分量偏差值和二倍频q轴电流分量偏差值进行PI调节器调节、电压前馈控制和电压解耦控制，得到第二阀组件的二倍频d轴参考电压和基波q轴参考电压；
将第二阀组件的二倍频d轴参考电压和二倍频q轴参考电压经二倍频坐标反变换，取a相电压作为第二阀组件的二倍频参考电压；
将第二阀组件的二倍频参考电压取反，得到第一阀组件的二倍频参考电压。
7.根据权利要求6所述的柔性直流输电MMC换流阀运行试验装置的电流控制方法，其特征是，所述获取该电流的二倍频d轴电流分量和二倍频q轴电流分量，包括：
将电流通过坐标变换，从三相静止坐标系变换到两相旋转坐标系中，在该坐标系下进行分解得到d轴电流和q轴电流；
d轴电流和q轴电流经过高通滤波器，得到电流iac的二倍频d轴电流分量和二倍频q轴电流分量。
8.根据权利要求6所述的柔性直流输电MMC换流阀运行试验装置的电流控制方法，其特征是，所述二倍频d轴电流分量的参考值是由第二阀组件所承受的电流应力的二倍频电流分量幅值与基波分量幅值的商与基波q轴电流分量的参考值乘积得到。
9.根据权利要求6所述的柔性直流输电MMC换流阀运行试验装置的电流控制方法，其特征是，所述二倍频q轴电流分量的参考值Iq_2F是由第二阀组件所承受的电流应力的二倍频电流分量幅值与基波分量幅值的商与基波d轴电流分量的参考值乘积得到。
10.根据权利要求1所述的柔性直流输电MMC换流阀运行试验装置的电流控制方法，其特征是，在得到子模块投入数后，两个阀组件分别按照子模块投入数控制相应子模块的投入和切除，使得两个阀组件分别输出含交、直流成分的电压，从而在负载电抗器上产生所期望的含交、直流分量的电流。
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