CN110943471A - 基于系统能量最优分布的mmc故障控制策略 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于系统能量最优分布的MMC故障控制策略，包括以下步骤：分析不同控制目标下桥臂间的能量流动对内外部相关电气参数的影响，基于MMC‑HVDC系统故障下运行功率区间优化分析给出的系统能最优分布，开展故障点能量与换流器内部能量流动的协同控制策略设计，同时根据故障穿越期间换流器暂态能量变化规律，优化控制MMC各桥臂电流分量来调节换流器交直流侧及桥臂间的功率流向，结合先进控制理论(模型预测、非线性电流、滑模控制等)研究换流器故障穿越快速调控方法，对故障情况下多个控制目标进行寻优。本发明可实现对于MMC交流侧故障的有效穿越控制，同时实现在多目标安全运行域内，系统指标趋近最优的输出效果。

Description

基于系统能量最优分布的MMC故障控制策略
本发明公开了一种基于能量最优分布原理的MMC-HVDC交流侧故障控制方法，该方法应用于柔性直流输电领域。
背景技术
基于模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)的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，作为一项新兴技术，其相关的故障保护和控制策略还不成熟。因此研究柔性直流输电系统故障时的保护与控制策略有重要意义。
MMC-HVDC系统交流侧常见故障主要包括断线故障、短路故障、阻抗不平衡等。在交流不对称故障情况下，MMC能量流动机理与系统电气参数变化存在耦合特性，其能量流动过程和能量分布情况将更为复杂，导致故障特征分析困难，因此，有必要对于系统能量流动过程进行重新分析。现有研究主要通过对于各桥臂总能量进行均衡控制，提升子模块电容电压均压效果，并对换流器故障过程各桥臂子模块总能量变化规律进行分析，有一些学者提出了基于能量平衡的控制策略，控制效果相较于传统控制效果更好，但仅仅从换流器内部能量变化过程进行分析，控制结构略显复杂，且未对系统不同工况下的能量流动过程进行详细的描述。同时在交流侧发生故障时，为了维持交流系统的稳定，需要换流器继续保持向交流系统输送有功功率和无功功率的能力。但在故障穿越期间有功功率和无功功率传输范围会受到多个电气量约束的限制，有必要确定能够满足多电气量约束的的功率极限传输范围，以便在满足换流器正常运行的前提下尽可能多地传输功率。且故障情况下MMC功率运行区间精准计算更为复杂和困难，因而在不同故障类型、不同电压跌落程度下基于暂态能量变化规律的功率运行区间的确定及能量重新分布的优化有待进一步研究，本发明所提控制策略旨在解决这一技术难题。
基于上述分析，本发明提出了基于系统能量最优分布的MMC故障控制方法。通过基于MMC-HVDC系统故障下运行功率区间优化分析给出的系统能最优分布，开展故障点能量与换流器内部能量流动的协同控制策略设计。深入分析了换流器功率流向与桥臂电流各分量的关系，结合先进控制理论(模型预测、非线性电流、滑模控制等)研究换流器故障控制快速调控方法，设计适用于多控制目标的寻优方法，能够实现MMC-HVDC系统在不同工况下的能量全局主动优化。
发明内容
为了实现交流侧故障穿越及系统能量优化的主动协同控制，本发明提供了一种根据MMC功率运行区间最优化的思想提出的基于能量最优分布的交流侧控制策略，深入分析了系统暂态能量流动规律，能有效实现交流侧故障情况下的系统相关控制。
本发明提供了基于系统能量最优分布的MMC故障穿越控制方法，包括：
步骤S1：分析不同控制目标下桥臂间的能量流动对内外部相关电气参数的影响，探寻能量流动机理与系统电气参数变化的耦合特性。
步骤S2：考虑不同内外部电气参数波动特性、系统的多因素约束对MMC可运行功率区域的影响，基于MMC-HVDC系统故障下运行功率区间优化分析给出系统的能量最优分布。
步骤S3：结合步骤S2给出的系统能量最优分布，优化控制MMC各桥臂电流分量来调节换流器交直流侧及桥臂间的功率流向，实现运行功率最大下交流侧故障穿越及系统能量优化的主动协同控制。
步骤S4：结合先进控制理论研究换流器故障穿越快速调控方法，简化控制结构，对故障期间MMC多个控制目标进行合理划分，设计适用于多控制目标的寻优方法，提高故障响应速度。
本发明的有益效果在于：
探寻了能量流动机理与系统电气参数变化的耦合特性，结合对于系统暂态能量流动规律的分析，深入的阐述了MMC-HVDC系统内部运行机理，考虑不同内外部电气参数波动特性、系统的多因素约束对MMC可运行功率区域的影响，对MMC-HVDC系统故障下运行功率区间进行优化分析给出了系统的能量最优分布，帮助实现优化控制MMC各桥臂电流分量以调节换流器交直流侧及桥臂间的功率流向，有助于MMC-HVDC系统交侧故障运行功率最大下的穿越控制及系统能量优化的主动协同控制，结合先进控制理论研究换流器故障穿越快速调控方法，对于多个控制目标进行寻优方法设计，实现在多目标安全运行域内，系统指标趋近最优的输出效果，提出的控制策略能够实现MMC-HVDC系统正常及故障工况下安全稳定控制，无需进行切换。
附图说明
图1为功率区间优化图
图2为MMC结构示意图
图3为MMC-HVDC系统交流侧故障穿越控制策略设计流程图
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明作进一步的说明。
如图1所示，分析不同控制目标下桥臂间的能量流动对内外部相关电气参数的影响，并对不同交流侧故障进行分类讨论，构建MMC最大功率传输能力随电压跌落程度(k)变化的解析表达式。考虑到不同内外部电气参数波动特性将会改变MMC可运行区域的功率极限，对MMC功率运行区间优化方法进行研究，目的在于提高交流侧故障穿越期间MMC最大功率传输能力，求取不同故障工况下MMC-HVDC系统能量最优分布。
如图2所示为MMC的拓扑图，旨在对MMC内部能量流动机理进行详细分析，它包含6个桥臂，单个桥臂包含N个子模块(SM)和一个串联电抗器L0，每相上下两个桥臂构成一个相单元，三个相单元构成一个完整的三相模块化多电平换流器，其中，
Figure BDA0002263320290000031
分别为换流器上下桥臂端口电压，
Figure BDA0002263320290000032
为换流器上下桥臂电流，
Figure BDA0002263320290000033
为交流侧各相电压和电压，Zs、Za为交流网侧等效阻抗和桥臂等效阻抗，VDC、Vu DC、Vl DC为高压直流侧电压及上下极电压，其中，k＝a，b，c。
根据能量守恒定律，可得到MMC功率关系如下
Pk_g＝Pk_dc+Pk_u+Pk_l (1)
式1中，Pk_g为MMC由交流侧吸收的一个周期平均有功功率，Pk_dc为MMC输出到直流侧的一个周期平均有功功率，Pk_u和Pk_l分别为MMC上下桥臂一个周期平均有功功率。正常工作时，忽略其器件损耗，即MMC上下桥臂有功功率为0，则MMC由交流侧吸收的有功功率Pk_g与输出到直流侧的有功功率Pk_dc相等(以整流端为例，逆变端同理)，关系如式2所示，其中T为一个周期。
Figure BDA0002263320290000041
换流器内部能量变化情况利用子模块电压求取，各能量变量之间的关系如下所示
Figure BDA0002263320290000042
Figure BDA0002263320290000043
式中，Ek_u、Ek_l分别为换流器k相上桥臂和下桥臂的能量，vku_cap、vkl_cap为各相上桥臂和下桥臂子模块电容电压和，Cm、N为子模块电容和换流器各桥臂子模块数量。
换流器内部总能量，可由下表示
Esum＝∑Ek_u+∑Ek_l (5)
如图3所示为MMC-HVDC系统交流侧故障穿越控制策略设计流程图，结合上述交直流功率交互和换流器内部能量分析，对系统瞬时能量与相关物理量的数学关系进行分析，充分考虑各电气参数(子模块电压、桥臂电流、直流电压等)对系统能量分布的影响。根据功率运行区间优化给出的系统能量最优分布，同时结合故障下系统的安全稳定控制，给出换流器内部各桥臂间的功率交换参考。
通过调整三相桥臂电流直流母线电流分量ik_dc在MMC三相桥臂间的分布，以控制换流器与直流侧及MMC各相单元的功率交换，调节换流器三相单元的能量分布。
桥臂电流的直流母线电流分量ik_dc通过直流线路构成回路，是直流输电的工作电流，两者间的关系如式(7)所示。
Figure BDA0002263320290000044
Pk≈VDCik_dc (7)
式中Psum、Pa→b、Pa→c分别为换流器和直流侧间所需的总功率交换值、a相和b相桥臂间及a相和c相单元间所需的功率交换值。
由式(6)和(7)可推出ik_dc与Psum、Pa→b、Pa→c之间关系如下所示
Figure BDA0002263320290000051
由式(9)分析可知，可以通过控制换流器内部各桥臂电流的直流分量ik_dc，调节直流母线功率在各相间的分布。MMC各相单元上下桥臂能量分布可通过调节MMC上、下桥臂电流的交流环流分量ik_cir分量进行调节，如式(9)所示
Figure BDA0002263320290000052
其中，Pk_u-l为MMC各相上下桥臂所需的功率交换。
同时借助先进控制理论(模型预测、非线性电流、滑模控制等)研究故障穿越快速调控方法，简化控制结构，提高故障响应速度，优化有限控制集，减小运算量，提出的控制策略能够实现MMC-HVDC系统正常及故障工况下的安全控制，无需进行切换。

Claims (3)

1.一种新型的基于系统能量最优分布的MMC故障控制方法，其特征在于，包括：
步骤S1：分析不同控制目标下桥臂间的能量流动对内外部相关电气参数的影响，探寻能量流动机理与系统电气参数变化的耦合特性。
步骤S2：考虑不同内外部电气参数波动特性、系统的多因素约束对MMC可运行功率区域的影响，基于MMC-HVDC系统故障下运行功率区间优化分析给出系统的能量最优分布。
步骤S3：结合步骤S2给出的系统能量最优分布，优化控制MMC各桥臂电流分量来调节换流器交直流侧及桥臂间的功率流向，实现运行功率最大下交流侧故障穿越及系统能量优化的主动协同控制。
步骤S4：结合先进控制理论研究换流器故障穿越快速调控方法，简化控制结构，对故障期间MMC多个控制目标进行合理划分，设计适用于多控制目标的寻优方法，提高故障响应速度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对于MMC-HVDC系统故障运行功率区间进行优化给出系统的能量最优分布，提高了MMC功率运行极限。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，结合先进控制理论如：模型预测、非线性电流、滑模控制等，研究换流器故障穿越快速调控方法，对故障情况下多个控制目标进行寻优。
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