CN109888812A - 基于准比例谐振控制器的mmc交流故障穿越控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于准比例谐振控制器的MMC交流故障穿越控制方法，通过控制桥臂电流同时调节换流器的直流侧和交流侧电流，根据子模块电容电压均衡控制，将换流器的一个桥臂中的N个子模块电容电压按从小到大排序，若桥臂电流对子模块电容充电，则投入电容电压较低的若干个子模块，切除电容电压较高的子模块；若桥臂电流使子模块电容放电，则投入电容电压较高的若干个子模块，切除电容电压较低的子模块。本发明有效简化了MMC控制器的上层结构，减少了控制器数量和待调整的控制参数，便于工程应用。

Description

基于准比例谐振控制器的MMC交流故障穿越控制方法

技术领域

本发明涉及一种基于准比例谐振控制器的MMC交流故障穿越控制方法，属于电力系统技术领域。

背景技术

柔直电网以模块化多电平换流器(MMC)为换流单元，具有潮流控制灵活、多端源荷互动、易于大规模清洁能源接入等优势，已成为直流输电技术的重要发展方向。构建合理高效的MMC交流故障穿越控制策略对于提高柔直电网的运行可靠性具有重要意义。典型的MMC交流故障穿越控制策略在交流侧采用基于正、负序PI控制器的交流侧电流控制，以抑制不对称短路故障造成的负序电流；在直流侧采用基于交流量控制器的环流抑制，以抑制直流侧二倍频环流。但是，已有的MMC交流故障穿越控制策略使得换流器控制的上层控制存在结构复杂、控制器数量多和需要调整的控制参数多等问题，不利于控制策略的工程应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于准比例谐振控制器的MMC交流故障穿越控制方法，从而简化MMC的上层控制结构，减少控制器数量和待调整的控制参数，便于控制策略的工程应用。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

基于准比例谐振控制器的MMC交流故障穿越控制方法，包括以下步骤：

1)计算交流侧电流参考值；

2)计算桥臂电流的直流参考值；

3)计算换流器的上桥臂和下桥臂电流的参考值；

4)计算换流器的上桥臂和下桥臂电压的参考值；

5)计算换流器的上桥臂和下桥臂的子模块投入数量；

6)基于子模块电容电压均衡控制，选择子模块进行投入；

7)根据换流器桥臂子模块的投入和切除结果，形成桥臂子模块的触发信号。

前述的步骤1)中，计算dq旋转坐标系下的交流侧正序电流参考值通过反Park变换获得三相静止坐标系下的交流侧电流参考值i_skref；

所述交流侧正序电流参考值q分量为：

其中，I_sqref0为正常运行时换流器输出的无功电流参考值，u_s+为电网正序电压幅值，U_rec2为恢复电压，U_ret为脱网电压，α为比例系数；

所述交流侧正序电流参考值d分量为：

其中，I_sdref0为正常运行时换流器输出的有功电流参考值，min为取最小值函数，I_max为最大允许过负荷电流，dir(P₀)表示有功功率的方向，P₀为正时取1，P₀为负时取-1。

前述的步骤2)中，桥臂电流的直流参考值计算如下：

其中，I_{dck_ref}为桥臂电流的直流参考值，u_dcref为直流电压参考值，和是交流侧电压的正序和负序分量。

前述的步骤3)中，换流器的上桥臂和下桥臂电流的参考值计算如下：

其中，i_pkref为换流器上桥臂电流的参考值，i_nkref为换流器下桥臂电流的参考值。

前述的步骤4)中，换流器的上桥臂和下桥臂电压的参考值计算如下：

其中，u_pkref为换流器上桥臂电压的参考值，u_nkref为换流器下桥臂电压的参考值，R_T是换流变压器电阻，u_sk是网侧k相电压，L^-1是拉普拉斯逆变换算子，i_pk是换流器上桥臂k相电流，i_nk是换流器下桥臂k相电流，G_MFQPR(s)为多频率准比例谐振控制器的传递函数，表示如下：

其中，K_p为比例系数，K_rh为h次谐振系数，ω_h为h次谐振角频率，ω_ch为截止角频率。

前述的步骤5)中，换流器的上桥臂和下桥臂的子模块投入数量计算如下：

其中，N_pkref为换流器上桥臂子模块的投入数量，N_nkref为换流器下桥臂子模块的投入数量，f(x)为最近取整函数，U_SM为子模块电容的额定电压。

前述的步骤6)中，子模块的投入方式如下：

将换流器的上桥臂或下桥臂中的子模块电容电压按从小到大排序；若桥臂电流对子模块电容充电，则从电容电压最小的开始选择N_pkref或N_nkref个子模块投入，切除其余子模块；若桥臂电流使子模块电容放电，则从电容电压最大的开始选择N_pkref或N_nkref个子模块投入，切除其余子模块。

前述的步骤7)中，若投入子模块，则子模块的上、下两个IGBT的触发信号分别为1和0；若切除子模块，则子模块的上、下两个IGBT的触发信号分别为0和1。

本发明所达到的有益效果为：

本发明从统一控制换流器交流侧和直流侧电流的角度出发，提出了基于多频率准比例谐振控制器的桥臂电流直接控制策略，通过控制桥臂电流同时调节换流器的直流侧和交流侧电流，该交流故障穿越控制策略在保证MMC对交流侧故障的控制效果的前提下，有效简化了MMC控制器的上层结构，减少了控制器数量和待调整的控制参数，便于工程应用。

附图说明

图1本发明的基于多频率准比例谐振控制器的MMC交流故障穿越控制方法流程图；

图2本发明的模块化多电平换流器拓扑图；

图3本发明实施例中的柔直电网仿真模型示意图；

图4本发明实施例中的MMC1上桥臂电流的仿真波形；

图5本发明实施例中的MMC1交流侧电流的仿真波形；

图6本发明实施例中的MMC1直流侧环流的仿真波形。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员可以更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明技术方案进一步说明。

本发明提出了一种基于多频率准比例谐振控制器的MMC交流故障穿越控制方法，在保证对交流侧故障的穿越控制效果的前提下，有效简化了柔直电网控制器的上层结构，减少了控制器数量和待调整的控制参数，便于工程应用。

以下结合实施例，具体阐述本发明提供的基于多频率准比例谐振控制器的MMC交流故障穿越控制策略；实施例提供的基于多频率准比例谐振控制器的MMC交流故障穿越控制策略，其流程图如图1所示，具体步骤包括：

(1)计算交流侧电流参考值，计算dq旋转坐标系下的交流侧正序电流参考值通过反Park变换获得三相静止坐标系下的交流侧电流参考值i_skref，具体过程如下：

换流器的交流侧发生不对称故障时，将引起换流器的交流侧电压跌落，需要采取一定的控制策略提高交流电网的电压稳定性、保证功率传输的连续性和避免换流器过流。根据电网正序电压跌落的程度确定换流器向交流电网馈入的无功电流的大小，即：

其中，I_sqref0为正常运行时换流器输出的无功电流参考值，u_s+为电网正序电压幅值，U_rec2为恢复电压，U_ret为脱网电压，α为比例系数。在电网电压大于U_rec2时，换流器不需提供无功功率；在电网电压因故障等跌落至U_rec2以下时，换流器输出与电网电压跌落值成比例的无功电流，以对故障的交流电网提供动态无功支撑；在电网电压降至U_ret以下时，换流器可以脱网运行，输出的无功电流为0。

为了减小故障下交流电网的有功不平衡，在换流器输出电流的限值范围内尽可能增大输出电流的有功分量，以维持故障前换流器的有功输送能力，故换流器输出的有功电流参考值为：

其中，I_sdref0为正常运行时换流器输出的有功电流参考值，min为取最小值函数，I_max为最大允许过负荷电流。dir(P₀)表示有功功率的方向，P₀为正时取1，P₀为负时取-1。在电网电压小于U_rec2时，换流器的有功电流参考值将被限幅在既充分发挥换流器的有功支援作用，又能避免换流器过流。在电网电压低于脱网电压时，与故障电网相连的换流器将输出电流降至0，以平稳地脱离故障电网。

(2)根据交流侧和直流侧的直流功率相等，计算桥臂电流的直流参考值。为了保证交流故障时子模块波动能量中的直流分量恒定，则换流器k相的交流侧和直流侧功率要相等，即有：

其中，u_dc为换流器的直流电压，I_dck为换流器的k相直流电流，i_sk是k相交流侧电流，是交流侧电压的正序和负序分量。将直流电压u_dc和交流侧电流i_sk用相应的参考值代替，则由式(1)可求出桥臂电流的直流参考值I_{dck_ref}：

式中，u_dcref为直流电压参考值，定有功功率换流器的u_dcref可由直流电压的实测值代替。

(3)计算换流器的上桥臂和下桥臂电流的参考值：

(4)利用多频率准比例谐振控制器计算换流器的上桥臂和下桥臂电压的参考值：

其中，R_T是换流变压器电阻，u_sk是网侧k相电压，L^-1是拉普拉斯逆变换算子，i_pk是换流器上桥臂k相电流，i_nk是换流器下桥臂k相电流。

G_MFQPR(s)为多频率准比例谐振控制器的传递函数，其表达式为：

式中，K_p为比例系数，K_rh为h次谐振系数，ω_h为h次谐振角频率，ω_ch为截止角频率。

多频率准比例谐振控制器由比例调节器、基频准谐振调节器和二倍频准谐振调节器三部分构成，可同时调节桥臂电流中的直流、基频和二倍频分量。

(5)根据最近电平逼近调制算法，计算换流器的上桥臂和下桥臂的子模块投入数量：

其中，f(x)为最近取整函数，U_SM为子模块电容的额定电压。

(6)根据子模块电容电压均衡控制，在换流器k相上桥臂和下桥臂的子模块中分别选出N_pkref和N_nkref个子模块投入，并将桥臂中剩余子模块切除。

将换流器的一个桥臂中的N个子模块电容电压按从小到大排序。若桥臂电流对子模块电容充电，则投入电容电压较低的N_pkref或N_nkref个子模块，切除电容电压较高的子模块；若桥臂电流使子模块电容放电，则投入电容电压较高的N_pkref或N_nkref个子模块，切除电容电压较低的子模块。实施电容电压均衡控制，以确保一个桥臂中各个子模块的电容电压相互均衡。

(7)根据换流器桥臂子模块的投入和切除结果，形成桥臂子模块的触发信号。换流器及其子模块的拓扑结构如图2所示。图2中，u_sa，u_sb，u_sc为网侧三相电压，L_T，R_T为换流变漏电感及电阻，L_arm，R_arm为换流器桥臂电感及桥臂电阻，i_sa，i_sb，i_sc为换流器三相并网电流，u_pa，u_pb，u_pc为换流器上桥臂三相输出电压，u_na，u_nb，u_nc为换流器下桥臂三相输出电压，i_pa，i_pb，i_pc为换流器上桥臂三相电流，i_na，i_nb，i_nc为换流器下桥臂三相电流，u_dc为换流器直流电压，i_dc为换流器直流电流。

若投入子模块，则子模块的上、下两个IGBT的触发信号分别为1和0；若切除子模块，则子模块的上、下两个IGBT的触发信号分别为0和1。

为验证本发明所提基于多频率准比例谐振控制器的MMC交流故障穿越控制策略的有效性，建立柔直电网的仿真模型，仿真模型示意图如图3。图3中，AC1，AC2，AC3，AC4为柔直电网各端交流系统，Z_s1，Z_s2，Z_s3，Z_s4为各交流系统阻抗，T1，T2，T3，T4为柔直电网各端环流变压器，MMC1，MMC2，MMC3，MMC4为柔直电网各端换流器，f(1)为单相接地故障。

该柔直电网仿真模型是包含四个换流器的环形电网，其电气参数如表1和表2所示。

表1

表2

t＝1.2时在换流器MMC1的交流侧设置单相接地短路故障，按照步骤(1)～步骤(7)所示的交流故障穿越控制策略对换流器MMC1的桥臂电流实施有效控制，0.2s后交流侧故障被清除。

图4～图6分别是换流器MMC1的上桥臂电流、交流侧电流和直流侧环流的仿真波形。换流器MMC1的交流侧发生单相接地短路时，MMC1的桥臂电流可快速准确地跟踪其参考值，采用的多频率准比例谐振控制器可同时有效调节桥臂电流中的直流、基频和二倍频分量，如图4所示，图中，i_pa为上桥臂A相电流值，i_{pa_ref}为上桥臂A相电流参考值，i_pb为上桥臂B相电流值，i_{pb_ref}为上桥臂B相电流参考值，i_pc为上桥臂C相电流值，i_{pc_ref}为上桥臂C相电流参考值。由图5和图6可知，基于多频率准比例谐振控制器的MMC交流故障穿越控制策略可抑制换流器交流侧电流中的负序分量，使交流侧电流保持正弦对称性；可抑制换流器直流侧环流中的二倍频分量，从而保证三相环流仍为直流量。因此，本发明所提出的基于多频率准比例谐振控制器的MMC交流故障穿越控制策略在保证对交流侧故障的穿越控制效果的前提下，有效简化了MMC控制器的上层结构，减少了控制器数量和待调整的控制参数，便于工程应用。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应该视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.基于准比例谐振控制器的MMC交流故障穿越控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)计算交流侧电流参考值；

2)计算桥臂电流的直流参考值；

3)计算换流器的上桥臂和下桥臂电流的参考值；

4)计算换流器的上桥臂和下桥臂电压的参考值；

5)计算换流器的上桥臂和下桥臂的子模块投入数量；

6)基于子模块电容电压均衡控制，选择子模块进行投入；

7)根据换流器桥臂子模块的投入和切除结果，形成桥臂子模块的触发信号。

2.根据权利要求1所述的基于准比例谐振控制器的MMC交流故障穿越控制方法，其特征在于，所述步骤1)中，计算dq旋转坐标系下的交流侧正序电流参考值通过反Park变换获得三相静止坐标系下的交流侧电流参考值i_skref；

所述交流侧正序电流参考值q分量为：

其中，I_sqref0为正常运行时换流器输出的无功电流参考值，u_s+为电网正序电压幅值，U_rec2为恢复电压，U_ret为脱网电压，α为比例系数；

所述交流侧正序电流参考值d分量为：

其中，I_sdref0为正常运行时换流器输出的有功电流参考值，min为取最小值函数，I_max为最大允许过负荷电流，dir(P₀)表示有功功率的方向，P₀为正时取1，P₀为负时取-1。

3.根据权利要求2所述的基于准比例谐振控制器的MMC交流故障穿越控制方法，其特征在于，所述步骤2)中，桥臂电流的直流参考值计算如下：

其中，I_{dck_ref}为桥臂电流的直流参考值，u_dcref为直流电压参考值，和是交流侧电压的正序和负序分量。

4.根据权利要求3所述的基于准比例谐振控制器的MMC交流故障穿越控制方法，其特征在于，所述步骤3)中，换流器的上桥臂和下桥臂电流的参考值计算如下：

其中，i_pkref为换流器上桥臂电流的参考值，i_nkref为换流器下桥臂电流的参考值。

5.根据权利要求4所述的基于准比例谐振控制器的MMC交流故障穿越控制方法，其特征在于，所述步骤4)中，换流器的上桥臂和下桥臂电压的参考值计算如下：

其中，u_pkref为换流器上桥臂电压的参考值，u_nkref为换流器下桥臂电压的参考值，R_T是换流变压器电阻，u_sk是网侧k相电压，L^-1是拉普拉斯逆变换算子，i_pk是换流器上桥臂k相电流，i_nk是换流器下桥臂k相电流，G_MFQPR(s)为多频率准比例谐振控制器的传递函数，表示如下：

其中，K_p为比例系数，K_rh为h次谐振系数，ω_h为h次谐振角频率，ω_ch为截止角频率。

6.根据权利要求5所述的基于准比例谐振控制器的MMC交流故障穿越控制方法，其特征在于，所述步骤5)中，换流器的上桥臂和下桥臂的子模块投入数量计算如下：

其中，N_pkref为换流器上桥臂子模块的投入数量，N_nkref为换流器下桥臂子模块的投入数量，f(x)为最近取整函数，U_SM为子模块电容的额定电压。

7.根据权利要求6所述的基于准比例谐振控制器的MMC交流故障穿越控制方法，其特征在于，所述步骤6)中，子模块的投入方式如下：

将换流器的上桥臂或下桥臂中的子模块电容电压按从小到大排序；若桥臂电流对子模块电容充电，则从电容电压最小的开始选择N_pkref或N_nkref个子模块投入，切除其余子模块；若桥臂电流使子模块电容放电，则从电容电压最大的开始选择N_pkref或N_nkref个子模块投入，切除其余子模块。

8.根据权利要求7所述的基于准比例谐振控制器的MMC交流故障穿越控制方法，其特征在于，所述步骤7)中，若投入子模块，则子模块的上、下两个IGBT的触发信号分别为1和0；若切除子模块，则子模块的上、下两个IGBT的触发信号分别为0和1。