CN109149623A - 一种基于模块化多电平柔性直流输电风电场并网的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于模块化多电平柔性直流输电风电场并网的控制方法。包括以下步骤：首先构建模块化多电平换流器的高压直流的数学模型；接着构建基于无差拍控制的分序电流内环控制器和系统外环功率控制模块；之后将模块化多电平换流器的环流分量分离成两个直流分量，并构建相应的环流抑制控制模块；最后启用冗余模块抑制功率波动，对传统控制器进行改进，从而能够有效抑制模块化多电平换流器相间环流谐波分量。本发明有效地抑制了换流器中的环流谐波，能够维持电容电压平衡，该控制方法具有较好的电容电压动态调节能力，能够提高模块化多电平换流器的高压直流系统的可靠性。

Description

一种基于模块化多电平柔性直流输电风电场并网的控制方法

技术领域

本发明属于电力系统继电保护领域，特别是一种基于模块化多电平柔性直流输电风电场并网的控制方法。

背景技术

由于风力发电不占用耕地面积、无污染、能源利用率高，因此风力发电发展突飞猛进。目前，柔性直流输电系统具有显著的优势而成为海上风电传输和陆地风电并网的首选方案。与两电平和三电平的电压源换流器相比，模块化多电平换流器(MMC)在提高系统容量、电压等级问题等多个方面具有明显优势，因此基于模块化多电平换流器的高压直流(MMC-HVDC)系统是近年来国内外研究的重中之重。

国内国外的许多科研单位及学者对MMC-HVDC系统的数学模型、拓扑结构、内外环控制、故障保护策略进行了大量研究，取得了比较多的研究成果。MMC继承了电压源换流器所有优势的同时，还具有触发系统均压要求低、系统可扩展能力强、系统开关频率低和换流站运行总消耗低等优势。

当MMC-HVDC系统发生故障时，系统内部各个元件都有可能承受过电压、过电流、过热等不正常应力，导致设备或元件的损坏，系统闭锁或者停止运行。通过设计合理的控制措施或者保护策略，为系统提供快速的无功或电压支持，确保整个系统不间断运行。无论对于电源还是用户的正常工作来说，都要求柔性直流输电系统能够长期稳定地运行。所以在MMC-HVDC系统发生各类故障时，要保证系统内各元件和设备不受损害，为了及早恢复供电还要对故障系统提供应急启动预案及应急救援支持。因此，合理分析故障特性、根据故障特性设计故障保护控制策略非常重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于模块化多电平柔性直流输电风电场并网的控制方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于模块化多电平柔性直流输电风电场并网的控制方法，包括以下步骤：

步骤1、构建模块化多电平换流器的高压直流的数学模型；

步骤2、构建基于无差拍控制的分序电流内环控制器；

步骤3、将模块化多电平换流器的环流分量分离成两个直流分量；

步骤4、对功率波动进行抑制，从而能够有效抑制模块化多电平换流器相间环流谐波分量。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明的方法实现了电流分序，能够保证交流系统故障时系统三相电流仍然保持对称，抑制了系统交流负序分量，维持换流器安全运行不脱网；2)本发明通过启用MMC子模块的冗余模块来有效抑制功率波动，尤其是二倍工频功率波动，大大简化了控制器的设计，提高了换流器的效率；3)本发明有效地抑制了换流器中的环流谐波问题，能够维持电容电压平衡，该控制方法具有较好的电容电压动态调节能力，提高了MMC-HVDC系统的可靠性。当系统出现不对称故障时，能够有效抑制系统交流负序分量，维持换流器安全运行不脱网。

附图说明

图1是基于模块化多电平柔性直流输电风电场并网的控制方法流程图。

图2是基于模块化多电平柔性直流输电风电场并网结构示意图。

图3是系统不对称故障时控制策略中的正序系统内环电流控制模块结构框图。

图4是系统不对称故障时控制策略中的负序系统内环电流控制模块结构框图。

图5是第一种改进的环流抑制控制模块结构框图。

图6是第二种改进的环流抑制控制模块结构框图。

图中编号所代表的含义为：1建立MMC-HVDC的数学模型，2为设计不对称故障的控制方案，3为设计传统的环流抑制控制器，4为设计改进的环流抑制控制模块。

具体实施方式

结合附图，本发明的一种基于模块化多电平柔性直流输电风电场并网的控制方法，包括以下步骤：

步骤1、构建模块化多电平换流器的高压直流的数学模型；所述的模块化多电平换流器的高压直流的数学模型为：

式中， K表示子模块的投入和切除，当K＝1时，子模块代表处于投入模式；当K＝0时，子模块代表处于切除模式。

步骤2、构建基于无差拍控制的分序电流内环控制器；所述分序电流内环控制器为：

1)正序电流控制器：

2)负序电流控制器：

式中，L表示桥臂电抗的电感值，R表示桥臂等效电阻，“+”号代表正序，“-”号代表负序，为状态变量，是扰动变量，为输入变量。

步骤3、将模块化多电平换流器的环流分量分离成两个直流分量为：

式中，i_pj和i_nj(j＝a,b,c)为三相桥臂电流，i_diffj为三相内部电流。

步骤4、对功率波动进行抑制，从而能够有效抑制模块化多电平换流器相间环流谐波分量。对功率波动进行抑制具体为：

步骤4-1、对二倍工频功率波动进行抑制，所用公式为：

nP_c＝P_s·2sin(2wt)+P_c·2cos(2wt)

式中，n为冗余子模块数；

步骤4-2、确定三相输出电流：

式中，

步骤4-3、进行坐标变换得到i'_2fd和i'_2fq，之后对i'_2fd和i'_2fq进行控制，使得i'_2fd＝0、i'_2fq＝0，从而完成对换流器环流谐波分量的抑制。

本发明的方法实现了电流分序，能够保证交流系统故障时系统三相电流仍然保持对称，抑制了系统交流负序分量，维持换流器安全运行不脱网。

下面进行更详细的描述。

本发明的一种基于模块化多电平柔性直流输电风电场并网的控制器设计，包括以下步骤：

步骤一、阐述MMC的拓扑结构和工作原理，这里采用三相模块化多电平换流器，建立MMC-HVDC的数学模型；

步骤一中，这里采用一个简单的5电平MMC-HVDC系统。对于5电MMC-HVDC系统，每个相单元由8个子模块组成，分成4个子模块和4个子模块一组，分别组成上下桥臂。如图2-6所示。U_p表示上桥臂电压，U_n表示下桥臂电压。U_dc表示总的直流侧电压。

为了达到直流侧电压恒定的目的，就要求三个相单元中处于切除状态的子模块个数都相等且不变，从而实现交流侧输出正弦电压直流侧输出恒值电压的要求，得出电压特性公式：

由于等效电阻值相等，所以直流侧电压恒定对应直流电流恒定。根据拓扑结构以及三个相单元的物理参数的对称性，使三个相单元平均分配直流电流，得出电流特性公式：

当子模块处于投入模式时，直流电容经过充电使子模块电压等于电容额定电压U_c。当电流方向为正方向时，交流系统通过绝缘栅双极晶体管给直流电容充电，电容电压逐渐升高；当电流方向为反方向时，电容处于放电状态，电容电压降低。使用K来表示子模块的投入和切除，当K＝1时，子模块代表处于投入模式；当K＝0时，子模块代表处于切除模式。此时开关函数应满足下式：

整理后得到用开关函数表示的桥臂电流关系式为

式中sum代表每一相相单元上下桥臂全部子模块电容电压的总和。进而得到桥臂电压为：

根据基尔霍夫第二定律得到MMC上下桥臂电压的微分方程组：

由于MMC-HVDC双极稳态运行时，直流正负极电压相等并且中性点接地，所以u₀＝0，再将上述公式进一步推导得到：

又根据基尔霍夫第一定律得到换流器电流公式为：

最终推导出换流阀交直流侧输出电压表达式：

以上推导即为MMC-HVDC用开关函数表示的数学模型。

步骤二、在电网发生不对称故障的情况下，系统会出现大量的交流负序分量，为了避免换流器脱网问题的发生，设计一种基于无差拍控制的分序电流内环控制器和系统外环功率控制模块；

MMC-HVDC系统采用双闭环控制策略，分别是内环电流控制和外环电压控制。其中，内环电流控制原理是通过调节换流器输出电压，使三相电流跟随其参考值。因为MMC-HVDC交流侧为三相，而三相交流abc可以通过派克变换转换成dq，进而将控制三相abc变量转换成控制dq变量，简化了控制方式；而外环控制器根据定有功功率控制、定无功功率控制和定直流电压控制，计算内环电流控制的电流参考值。

推导出的频域下dq轴电压电流关系式为：

式中，L表示桥臂电抗的电感值，R表示桥臂等效电阻。“+”号代表正序，“-”号代表负序。为状态变量，是扰动变量，则为输入变量，可见d、q轴电流之间存在耦合。引入电压耦合补偿项以及交流电网电压前馈项采用比例积分(PI)控制时，可得到正序电流控制器的输入变量取值为下式：

同理可以根据对称法推出负序电流控制器为下式：

由上述公式即可得出正序和负序内环电流控制器结构框图。由于现在多用双端背靠背直流系统，而根据两端柔性直流输电系统的运行需要以及正常稳态运行特性，故两侧换流站必须有一侧采用定直流电压控制配合定无功功率控制，这样可以保证直流侧电压稳定；另一侧一般采用定有功功率控制配合定无功功率控制，这样可以是MMC-HVDC系统传输功率保持稳定。

内环电流控制器的作用是让i_d和i_q跟踪其参考值，而外环控制器则根据有功和无功功率以及直流电压等参考值，计算内环电流参考值。为了抑制负序电流，防止电力电子器件过电流，可以将负序电流的参考值设为零：

当负序电流为零时，根据有功和无功功率参考值解出正序dq轴电流参考值。当采用定直流电压控制时，可以根据直流电压参考值得到正序d轴电流参考值：

根据上一层系统控制层需要，外环控制策略跟随系统控制层调度而改变，主要的外

环控制策略包括定有功功率控制策略、定无功功率控制策略、定直流电压控制策略等。

步骤三、为了抑制相间环流谐波分量，设计将MMC的环流分量分离成两个直流分量，按照这个原理设计相应控制模块；

在旋转坐标系下，将按a-c-b方向相互流动的环流分离成两个直流量，环流抑制器的原理公式如式(15)所示：

式中，i_pj和i_nj(j＝a,b,c)为三相桥臂电流，i_diffj为三相内部电流。

首先将三相的桥臂电流i_pj和i_nj(j＝a,b,c)相加后除以2，得到三相内部电流i_diffj，经过两倍频负序坐标变换T_abc/dq，得到MMC内部环流的dq轴分量i_2fd和i_2fq，将它们与环流dq轴分量的参考值i_{2fd_ref}和i_{2fq_ref}(取i_{2fd_ref}＝i_{2fq_ref}＝0)做差比较后，经过比例积分调节器，再引入电压前馈量2w₀L₀i_2fd、2w₀L₀i_2fq以消除dq轴耦合部分后，可得到内部不平衡电压降的dq轴参考值u_{diffd_ref}和u_{diffq_ref}。最后经过逆变换T_acb/dq得到负序三相的内部不平衡电压降参考值u_{diffj_ref}(j＝a,b,c)。其中，

步骤四、在步骤三设计出来的环流抑制控制器的基础上，启用冗余模块抑制功率波动，对传统控制器进行改进，从而能够有效抑制MMC相间环流谐波分量；

故障分为永久故障和瞬时故障。永久故障只能切断线路、闭锁换流器，防止破坏系统稳定性，损坏设备。故在此处不进行讨论。对于瞬时故障，其持续时间短(根据我国电力系统运行经验，一般小于0.4μs)，在其持续的时间内合理的控制方式可以增加系统故障穿越能力。首先抑制二倍工频功率波动。由前文所述得：

由于为了防止子模块故障，系统都会有冗余设计。故可将这部分多余的能量存在冗余部分。nP_c＝P_s·2sin(2wt)+P_c·2cos(2wt)，n为冗余子模块数。根据功率预测设定的系统功率上下限，以判断是否启用冗余模块抑制功率波动。

进一步得到三相输出电流：

又由步骤三的计算过程可知：

将公式(19)和公式(20)相结合，得出：

再进行坐标变换得到i'_2fd和i'_2fq。经过PID控制器，对i'_2fd和i'_2fq进行控制，使得i'_2fd＝0、i'_2fq＝0，从而达到抑制换流器的环流谐波分量。

本发明有效地抑制了换流器中的环流谐波问题，能够维持电容电压平衡，该控制方法具有较好的电容电压动态调节能力，提高了MMC-HVDC系统的可靠性。当系统出现不对称故障时，能够有效抑制系统交流负序分量，维持换流器安全运行不脱网。

Claims (5)

1.一种基于模块化多电平柔性直流输电风电场并网的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、构建模块化多电平换流器的高压直流的数学模型；

步骤2、构建基于无差拍控制的分序电流内环控制器；

步骤3、将模块化多电平换流器的环流分量分离成两个直流分量；

步骤4、对功率波动进行抑制，从而能够有效抑制模块化多电平换流器相间环流谐波分量。

2.如权利要求1所述的基于模块化多电平柔性直流输电风电场并网的控制方法，其特征在于，步骤1所述的模块化多电平换流器的高压直流的数学模型为：

式中， K表示子模块的投入和切除，当K＝1时，子模块代表处于投入模式；当K＝0时，子模块代表处于切除模式。

3.如权利要求1所述的基于模块化多电平柔性直流输电风电场并网的控制方法，其特征在于，步骤2中所述分序电流内环控制器为：

1)正序电流控制器：

2)负序电流控制器：

式中，L表示桥臂电抗的电感值，R表示桥臂等效电阻，“+”号代表正序，“-”号代表负序，为状态变量，是扰动变量，为输入变量。

4.如权利要求1所述的基于模块化多电平柔性直流输电风电场并网的控制方法，其特征在于，步骤3中将模块化多电平换流器的环流分量分离成两个直流分量为：

式中，i_pj和i_nj(j＝a,b,c)为三相桥臂电流，i_diffj为三相内部电流。

5.如权利要求1所述的基于模块化多电平柔性直流输电风电场并网的控制方法，其特征在于，步骤4对功率波动进行抑制具体为：

步骤4-1、对二倍工频功率波动进行抑制，所用公式为：

nP_c＝P_s·2sin(2wt)+P_c·2cos(2wt)

式中，n为冗余子模块数；

步骤4-2、确定三相输出电流：

式中，

步骤4-3、进行坐标变换得到i'_2fd和i'_2fq，之后对i'_2fd和i'_2fq进行控制，使得i'_2fd＝0、i'_2fq＝0，从而完成对换流器环流谐波分量的抑制。