CN109660133A - 基于能量平衡的mmc交流侧不对称状态下环流抑制方法 - Google Patents

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夏向阳
石超
刘远
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Abstract

本发明提供了一种基于能量平衡的MMC交流侧不对称状态下环流抑制方法，为了实现MMC‑HVDC在交流侧不对称状态下的稳定运行，本发明将精确环流抑制与换流器桥臂三相能量协调控制相结合，首先根据存储在三相桥臂中的能量表达式，得到能够满足三相桥臂能量平衡的直流环流参考值，再根据直流环流的参考值，和实际环流的比较，通过精确环流抑制模型抑制环流中的交流分量，考虑到还可能有零序分量流入到直流线路侧引发输电直流线路的二次振荡，最后我们需要补偿桥臂零序环流分量产生的零序电压来消除环流中零序分量，从而达到抑制环流和直流侧电压波动的效果。

Description

基于能量平衡的MMC交流侧不对称状态下环流抑制方法
技术领域
本发明专利涉及基于能量平衡的MMC交流侧不对称状态下环流抑制方法，属于电力技术领域。
背景技术
基于模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)高压柔性直流输电技术是以电压源换流器为核心的新一代直流输电技术，是当今世界上电力电子技术应用的制高点。相比传统直流输电技术，柔性直流输电技术不存在换相失败问题，可增加系统动态无功储备，改善电能质量，解决非线性负荷、冲击性负荷对系统的影响，具有更强的可控性和灵活性，在大规模清洁能源并网、海岛供电、交流电网同步/异步互联、构建直流电网等方面具有广泛的应用。
由于模块化多电平换流器(MMC)的储能电容分散安装在各个子模块中，当MMC各相单元瞬时电压不平衡时会在各相单元之间产生环流，环流会引起桥臂电流畸变，增大桥臂电流峰值和有效值，造成桥臂损耗增加，子模块电容电压波动增大,根据已有文献的研究，我们可以得到，正常运行时桥臂电流中只包含有直流分量，基频交流分量，二倍频的交流分量，其中三相环流中只含有2倍频负序分量，并且三相环流可以抵消，只在3个相单元之间流通，不会影响到直流侧。
但当交流侧电网电压不对称时，环流中还将出现2倍频的正序和零序电流，并且零序分量还将流入直流侧导致直流电压电流产生波动，并通过直流传输线路传播到其他换流站，影响其他换流站的正常运行，如何保证柔性直流输电系统在不平衡交流状态下的稳定运行是时下热门的研究方向。
发明内容
为实现模块化多电平换流器在交流侧不对称状态下的稳定运行，本发明将精确环流抑制与换流器桥臂三相能量协调控制相结合，首先根据存储在三相桥臂中的能量表达式，得到能够满足三相桥臂能量平衡的直流环流参考值，再根据直流环流的参考值，和实际环流的比较，通过精确环流抑制模型抑制环流中的交流分量，考虑到还可能有零序分量流入到直流线路侧引发输电直流线路的二次振荡，最后我们需要补偿桥臂零序环流分量产生的零序电压来消除环流中零序分量，从而达到抑制环流和直流侧电压波动的效果。
本发明提供了一种基于能量平衡的MMC交流侧不对称状态下环流抑制方法，包括：
步骤S1：桥臂能量计算环节，根据MMC的数学模型推导得到三相桥臂能量的瞬时表达式。
步骤S2：能量平衡计算环节，以步骤S1所得到的各桥臂能量的瞬时表达式通过一个100Hz滤波器，并三相能量相加除以3即可得到三相能量平衡的平均值，再和各桥臂能量进行比较，经过一个PI调节，得到所需直流分量的参考值。
步骤S3：交流环流抑制环节，利用步骤S2所得到的直流环流参考值，将实际的环流减去直流环流参考值，经过PI调节和有关表达式，即可精确抑制交流环流分量。
步骤S4：零序电流抑制环节，我们通过补偿桥臂零序环流分量产生的零序电压来消除环流中零序分量。
有益效果
本发明分析了MMC交流侧不对称状态下对桥臂能量的影响，以及此时环流的组成。提出了一种在桥臂能量平衡前提下的环流抑制新策略，能在保证各项桥臂能量相等的同时，又能精确抑制环流，减少直流侧电压的波动，实现了在交流侧不对称运行下MMC-HVDC的稳定运行。
附图说明
图1是本发明提供的MMC环流抑制流程图；
图2是本发明提供的MMC等效电路图；
图3是根据三相桥臂能量平衡所得到的直流环流参考值控制框图；
具体实施方式
根据已知MMC的数学模型，和MMC的拓扑结构图2，可以得到桥臂环流的表达式(1)，可知桥臂环流包括有直流分量和交流分量。
而MMC的内部状态方程可表示为：
式中：udiffj为电抗器两端电压；R0、L0分别为电抗器电阻和电感；j＝a,b,c；uj为相输出的电压；ij为交流侧输出线电流；ujp和ujn分别为上下桥臂等效电压源；Udc为直流母线电压；ej为j相内部电动势，其表达式为
式中：M为电压调制波；ω0为基波角频率；为j相电压相位角。
在忽略传输过程中的功率损耗时，存储在桥臂子模块中总的的能量的动态过程可以表示为：
同理我们可以得到不同桥臂间的能量表达式如下：
观察得到，每项桥臂的不平衡与环流分量有关，因而，我们考虑在满足桥臂能量平衡的前提下抑制环流中的交流分量，为了得到直流环流的参考值，我们首先需要通过一个100Hz陷波器，过滤掉其中的二倍频交流分量。
其中Eleg为三相能量的平均值，j＝a,b,c,为经过滤波器后，仅由直流环流造成的能量不平衡条件下，各桥臂的能量值。
通过各桥臂能量值与桥臂能量平均值的比较，再根据式(5)，引入PI调节，如图3，则可以得到直流环流的参考值
我们可以通过测得桥臂中的环流icirj-real，以及直流环流参考值那么ucirj可以表示为：
则联立(2)式，以及(7)和所得的直流环流参考值，与原来的实际环流进行比较，再经过一个PI调节，附加ucirj和ΔUdcj作为扰动量输入，从而实现环流中交流环流的精确抑制，可得到如下的表达式。
而对于直流输电线路的二次振荡问题，我们可以写出在考虑二倍频波动时直流侧电压的表达式：
其中ujp和unp为上下桥臂电压，为零序环流分量。
而上下桥臂电压又可以表示为：
其中u'dcj初始电压。则根据式9,10则可设计相应的零序环流抑制，这里我们选用PR调节。
通过以上的几个构想的环节，我们则可以在满足能量平衡的前提之下，实现环流的抑制，和抑制直流侧电压的二次振荡。
以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种新型的基于能量平衡的MMC交流侧不对称状态下环流抑制方法，其特征在于，包括：
步骤S1：桥臂能量计算环节，根据MMC的数学模型推导得到三相桥臂能量的瞬时表达式。
步骤S2：能量平衡计算环节，以步骤S1所得到的各桥臂能量的瞬时表达式通过一个100Hz滤波器，并三相能量相加除以3即可得到三相能量平衡的平均值，再和各桥臂能量进行比较，经过一个PI调节，得到所需直流分量的参考值。
步骤S3：交流环流抑制环节，利用步骤S2所得到的直流环流参考值，将实际的环流减去直流环流参考值，经过PI调节和有关表达式，即可精确抑制交流环流分量。
步骤S4：零序电流抑制环节，我们通过补偿桥臂零序环流分量产生的零序电压来消除环流中零序分量。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据MMC的数学模型推导得到三相桥臂能量的瞬时表达式。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，将实际的环流减去直流环流参考值，经过PI调节和有关表达式，即可精确抑制交流环流分量。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于通过补偿桥臂零序环流分量产生的零序电压来消除环流中零序分量。
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