CN108303590A - 基于mmc的兆瓦级宽频带阻抗测量装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于MMC的兆瓦级宽频带阻抗测量装置及其控制方法，阻抗测量装置包括电流扰动注入单元；所述电流扰动注入单元包括MMC变流器、与所述MMC变流器连接的隔离分压电路；所述MMC变流器的每相半桥臂包括一个电抗器和四个串联的子模块，所述电抗器与所述子模块串联；所述隔离分压电路包括各相变比为1的Y‑Y型隔离变压器，所述Y‑Y型隔离变压器副边与RC电路并联；所述Y‑Y型隔离变压器每一相原边接所述MMC变流器的对应相桥臂。本发明满足了新能源发电基地内发电装备仿真模型所需的精细化要求，弥补了在高压、兆瓦级、宽频带阻抗特性的精确测量方法与装备上的空白。

Description

基于MMC的兆瓦级宽频带阻抗测量装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及新能源发电中的阻抗测量技术领域，特别是一种基于MMC的兆瓦级宽频带阻抗测量装置及其控制方法。

背景技术

为应对化石能源日益枯竭，风、光等新能源发电在近年来得到了大规模快速的发展。当大规模新能源发电装置接入电网时，电网的阻抗特性对风力、光伏并网逆变器等电力电子装备的控制和稳定运行产生重要影响。在理想情形下，应将新能源发电装备控制为理想的电流源，而电网应表现为理想的电压源，来避免出现阻抗交互耦合的问题。但是在实际情况中，我国新能源发电资源丰富地区多集中于新疆、内蒙古等偏远地区，与用电负荷相距较远，为实现电为资源外送，需通过远距离输电线路与主电网相连接。变压器和长距离输电线路引入的电网阻抗较大，输电过程中不平衡支路负载接入、单相或多相短路故障的发生，新能源发电装备的外特性并不能表现为理想的电流源等因素，将使得弱电网的阻抗和新能源发电装备的阻抗产生交互耦合，造成宽频带、多形态功率振荡的稳定性问题，影响新能源发电系统的稳定运行，严重制约了新能源的开发和利用。因此，新能源发电装备的阻抗测量对大型新能源并网发电系统的稳定性研究具有重要的意义。阻抗分析方法所需原始数据少且简单有效，但国内、外现有阻抗特性测量方法及装备主要面向于低电压、小容量新能源发电装备及微电网系统。目前多样化新能源发电装备数量巨大，控制复杂且存在多时间尺度耦合，不同发电装备的外特性差异很大，且新能源的能源波动与电网扰动等因素使发电装备的阻抗特性测量更趋复杂，缺乏对兆瓦级风电机组、光伏发电单元等发电装备的阻抗特性数据，难以满足新能源发电基地内发电装备仿真模型所需的精细化要求，而高压、兆瓦级、宽频带阻抗特性的精确测量方法与装备在国内外处于空白，关键技术亟待突破。针对此需求，本发明提出一种基于MMC结构的兆瓦级宽频带阻抗测量装置。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种基于MMC的兆瓦级宽频带阻抗测量装置及其控制方法，以满足新能源发电基地内发电装备仿真模型所需的精细化要求，弥补在高压、兆瓦级、宽频带阻抗特性的精确测量方法与装备上的空白。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种基于MMC的兆瓦级宽频带阻抗测量装置，包括电流扰动注入单元；所述电流扰动注入单元包括MMC变流器、与所述MMC变流器连接的隔离分压电路；所述MMC变流器的每相半桥臂包括一个电抗器和四个串联的子模块，所述电抗器与所述子模块串联；所述隔离分压电路包括各相变比为1的Y-Y型隔离变压器，所述Y-Y型隔离变压器副边与RC电路并联；所述Y-Y型隔离变压器每一相原边接所述MMC变流器的对应相桥臂。

所述子模块为半桥变换器。

相应地，本发明还提供了一种基于MMC的兆瓦级宽频带阻抗测量装置的控制方法，包括以下步骤：

1)在每个采样周期的起始点，对MMC变流器各相各个子模块的直流侧电压u_d1a、u_d2a、…、u_d8a，u_d1b、u_d2b、…、u_d8b，u_d1c、u_d2c、…、u_d8c，MMC变流器三相输出电流i_ca、i_cb、i_cc，三相负载电流i_la、i_lb、i_lc，以及电流扰动注入单元三相电压u_sa、u_sb、u_sc分别进行采样；

2)将MMC变流器三相输出电流i_ca、i_cb、i_cc经abc/dq变换后得到MMC变流器三相输出电流d轴分量i_cd、q轴分量i_cq，三相负载电流i_la、i_lb、i_lc经abc/dq变换后得到三相负载电流q轴分量i_lq，电流扰动注入单元三相电压u_sa、u_sb、u_sc经abc/dq变换后得到电流扰动注入单元三相电压d轴分量u_sd；

3)将电压参考值u_ref与子模块输出的直流电压u_dc作差，得到电压误差量Δu；

4)电压误差量Δu经PI控制后得到的电流误差量i₁，电流误差量i₁与MMC变流器三相输出电流d轴分量i_cd作差后再经过PI控制器，得到电压量u₁；

5)MMC变流器三相输出电流q轴分量i_cq与比例系数K_s相乘后加上电压量u₁及电流扰动注入单元三相电压d轴分量u_sd，得到电压量u₂；

6)电压量u₂除以子模块输出的直流电压u_dc与比例系数K_c的乘积，得到调制波信号q轴分量u_rq；

7)三相负载电流q轴分量i_lq与MMC变流器三相输出电流q轴分量i_cq作差后，差值经过PI调节得到电压量u₃；

8)MMC变流器三相输出电流q轴分量i_cq与比例系数K_s相乘后加上电压量u₃，得到电压量u₄；

9)电压量u₄除以子模块输出的直流电压u_dc与比例系数K_c的乘积，得到调制波信号d轴分量u_rd；

10)调制波信号q轴分量u_rq与调制波信号d轴分量u_rd经过abc/dq反变换后限幅输出，得到MMC变流器三相上桥臂调制波信号u_ra+、u_rb+、u_rc+；

11)三相上桥臂调制波信号u_ra+、u_rb+、u_rc+取反与参考地相加后得到MMC变流器三相下桥臂调制波信号u_ra-、u_rb-、u_rc-；

12)三相上、下桥臂调制波信号u_ra+、u_rb+、u_rc+、u_ra-、u_rb-、u_rc-和三角载波进行载波移相SPWM多电平调制，得到子模块中开关管的占空比信号u_ra1、…u_ra8、u_rb1…u_rb8、u_rc1、…u_rc8，控制子模块开关管的开通与关断。

子模块输出的直流电压u_dc的表达式为：

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明满足了新能源发电基地内发电装备仿真模型所需的精细化要求，弥补了在高压、兆瓦级、宽频带阻抗特性的精确测量方法与装备上的空白。

附图说明

图1为本发明一实施例基于MMC的兆瓦级宽频带阻抗测量装置系统结构图；

图2为本发明一实施例基于MMC的兆瓦级宽频带阻抗测量装置的控制方法控制框图。

具体实施方式

如图1所示，本发明基于MMC的兆瓦级宽频带阻抗测量装置包括电流扰动注入单元、信号处理单元、宽频带阻抗计算与监控单元，其中电流扰动注入单元由MMC变流器与隔离分压电路构成，MMC变流器三相中每相半桥臂由一个电抗器和4个子模块串联而成，各相通过变比为1的Y-Y隔离变压器隔离输出，经过分压电路分压后接入待测系统，提供电压扰动源。分压电路由RLC并联电路及与隔离变压器副边并联的RC电路构成，RLC并联电路谐振在电网频率附近，与隔离变压器副边并联的RC电路的容抗很小，当电网频率附近的信号通过此分压电路时，绝大部分的电压分压在RLC并联电路，而RC电路上压降相对较小,可降低电流扰动注入装置的输出电压，减小模块数量，同时RLC并联电路中电感支路可保证扰动电流大部分注入到电网；子模块由单相半桥构成；所述隔离分压电路由变比为1的Y-Y隔离变压器和分压电路组成；所述分压电路由C₁、L、r₁，C₂、r₂构成；所述子模块由单相半桥构成，T₁、T₂为晶闸管，D₁、D₂为反向并联在晶闸管上的二极管，C₃为子模块电容，四个子模块串联经线路电抗r₃、L_r后构成每相半桥臂，u_a、u_b、u_c为三相MMC子模块输出相电压，i_ca、i_cab、i_cc为三相MMC子模块输出相电流，N为零电位中性点。所述待测系统为与电网相连的风力发电装备，包括风机，DFIG，整流桥，逆变桥，变压器。u_sa、u_sb、u_sc为三相输出相电压，i_la、i_lb、i_lc为输出相电流，L_line为线路电感、R_line为线路电阻。

图2为控制框图，一种基于MMC的兆瓦级宽频带阻抗测量装置的控制方法，其控制采用电流扰动注入控制方式，通过载波移相SPWM多电平调制控制每相H桥变换器的功率器件导通与关断。该方法包括以下步骤：在每个采样周期的起始点，对兆瓦级宽频带阻抗测量装置A、B、C三相每个子模块的直流侧电压u_d1a、u_d2a、…、u_d8a，u_d1b、u_d2b、…、u_d8b，u_d1c、u_d2c、…、u_d8c，MMC三相输出电流i_ca、i_cb、i_cc，三相负载电流i_la、i_lb、i_lc，以及扰动注入装置三相电压u_sa、u_sb、u_sc分别进行采样，将经过AD转换器转换后的数据送给DSP控制器；采样得到的MMC三相输出电流i_ca、i_cb、i_cc经abc/dq变换后得到MMC三相输出电流d轴分量i_cd、q轴分量i_cq，三相负载电流i_la、i_lb、i_lc经abc/dq变换后得到三相负载电流q轴分量i_lq，扰动注入装置三相电压u_sa、u_sb、u_sc经abc/dq变换后得到扰动注入装置三相电压d轴分量u_sd；将采样得到的A、B、C三相每个子模块的输出直流电压u_d1a、u_d2a、…、u_d8a，u_d1b、u_d2b、…、u_d8b，u_d1c、u_d2c、…、u_d8c相加后除以6，得到半桥变换器输出的直流电压u_dc，表达式为：

将电压参考值u_ref与半桥变换器输出的直流电压u_dc作差，得到电压误差量Δu；电压误差量Δu经PI控制后得到的电流误差量i₁与MMC三相输出电流d轴分量i_cd作差后再经过PI控制器，得到电压量u₁；MMC三相输出电流q轴分量i_cq与比例系数K_s相乘后加上电压量u₁及扰动注入装置三相电压d轴分量u_sd，可得到电压量u₂；电压量u₂除以半桥变换器输出的直流电压u_dc与比例系数K_c的乘积，得到调制波信号q轴分量u_rq；三相负载电流q轴分量i_lq与MMC三相输出电流q轴分量i_cq作差后经过PI调节得到电压量u₃；MMC三相输出电流q轴分量i_cq与比例系数K_s相乘后加上电压量u₃，得到电压量u₄；电压量u₄除以半桥变换器输出的直流电压u_dc与比例系数K_c的乘积，得到调制波信号d轴分量u_rd；调制波信号q轴分量u_rq与调制波信号d轴分量u_rd经过abc/dq反变换后限幅输出，得到三相上桥臂调制波信号u_ra+、u_rb+、u_rc+；三相上桥臂调制波信号u_ra+、u_rb+、u_rc+取反与参考地相加后得到三相下桥臂调制波信号u_ra-、u_rb-、u_rc-；三相上、下桥臂调制波信号u_ra+、u_rb+、u_rc+、u_ra-、u_rb-、u_rc-和三角载波进行载波移相SPWM多电平调制，得到子模块半桥变换器中开关管的占空比信号u_ra1、…u_ra8、u_rb1…u_rb8、u_rc1、…u_rc8，控制逆变电路开关管的开通与关断。

Claims (4)

1.一种基于MMC的兆瓦级宽频带阻抗测量装置，其特征在于，包括电流扰动注入单元；所述电流扰动注入单元包括MMC变流器、与所述MMC变流器连接的隔离分压电路；所述MMC变流器的每相半桥臂包括一个电抗器和四个串联的子模块，所述电抗器与所述子模块串联；所述隔离分压电路包括各相变比为1的Y-Y型隔离变压器，所述Y-Y型隔离变压器副边与RC电路并联；所述Y-Y型隔离变压器每一相原边接所述MMC变流器的对应相桥臂。

2.根据权利要求1所述的基于MMC的兆瓦级宽频带阻抗测量装置，其特征在于，所述子模块为半桥变换器。

3.一种权利要求1所述的基于MMC的兆瓦级宽频带阻抗测量装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在每个采样周期的起始点，对MMC变流器各相各个子模块的直流侧电压u_d1a、u_d2a、…、u_d8a，u_d1b、u_d2b、…、u_d8b，u_d1c、u_d2c、…、u_d8c，MMC变流器三相输出电流i_ca、i_cb、i_cc，三相负载电流i_la、i_lb、i_lc，以及电流扰动注入单元三相电压u_sa、u_sb、u_sc分别进行采样；

2)将MMC变流器三相输出电流i_ca、i_cb、i_cc经abc/dq变换后得到MMC变流器三相输出电流d轴分量i_cd、q轴分量i_cq，三相负载电流i_la、i_lb、i_lc经abc/dq变换后得到三相负载电流q轴分量i_lq，电流扰动注入单元三相电压u_sa、u_sb、u_sc经abc/dq变换后得到电流扰动注入单元三相电压d轴分量u_sd；

3)将电压参考值u_ref与子模块输出的直流电压u_dc作差，得到电压误差量Δu；

4)电压误差量Δu经PI控制后得到的电流误差量i₁，电流误差量i₁与MMC变流器三相输出电流d轴分量i_cd作差后再经过PI控制器，得到电压量u₁；

5)MMC变流器三相输出电流q轴分量i_cq与比例系数K_s相乘后加上电压量u₁及电流扰动注入单元三相电压d轴分量u_sd，得到电压量u₂；

6)电压量u₂除以子模块输出的直流电压u_dc与比例系数K_c的乘积，得到调制波信号q轴分量u_rq；

7)三相负载电流q轴分量i_lq与MMC变流器三相输出电流q轴分量i_cq作差后，差值经过PI调节得到电压量u₃；

8)MMC变流器三相输出电流q轴分量i_cq与比例系数K_s相乘后加上电压量u₃，得到电压量u₄；

9)电压量u₄除以子模块输出的直流电压u_dc与比例系数K_c的乘积，得到调制波信号d轴分量u_rd；

10)调制波信号q轴分量u_rq与调制波信号d轴分量u_rd经过abc/dq反变换后限幅输出，得到MMC变流器三相上桥臂调制波信号u_ra+、u_rb+、u_rc+；

11)三相上桥臂调制波信号u_ra+、u_rb+、u_rc+取反与参考地相加后得到MMC变流器三相下桥臂调制波信号u_ra-、u_rb-、u_rc-；

12)三相上、下桥臂调制波信号u_ra+、u_rb+、u_rc+、u_ra-、u_rb-、u_rc-和三角载波进行载波移相SPWM多电平调制，得到子模块中开关管的占空比信号u_ra1、…u_ra8、u_rb1…u_rb8、u_rc1、…u_rc8，控制子模块开关管的开通与关断。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，子模块输出的直流电压u_dc的表达式为：