CN111654051A - 一种适用于混合型mmc的直流故障穿越控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于混合型MMC的直流故障穿越控制方法，属于发电、变电或配电的技术领域。控制架构由交流控制器、直流电压调节器、虚拟直流电机控制器、直流调制比控制器四部分组成。正常运行时，虚拟直流电机控制器引入直流电机电磁与机械特性，直流电网正常运行时的电压稳定性。MMC发生直流双极短路故障时，该方法直流调制比控制器提前于故障判别调整MMC直流电压，限制故障早期电流上升率及峰值；且虚拟直流电机控制器与直流电压调节器共同实现了MMC无模式切换的直流故障穿越运行。本发明所提供的方法既改善系统故障前稳态运行性能，同时实现无模式切换的直流故障穿越。

Description

一种适用于混合型MMC的直流故障穿越控制方法

技术领域

本发明涉及一种适用于混合型MMC的直流故障穿越技术，具体公开了一种适用于混合型MMC的直流故障穿越控制方法，属于发电、变电或配电的技术领域。

背景技术

模块化多电平换流器(MMC，Modular Multilevel Converter)因谐波含量少、开关频率低、可靠性高等优势在柔性直流输电领域具有广阔的发展和应用场景。

随着直流输电容量和输电距离的不断提升，在直流输电领域采用架空线已经是势在必行。然而，相较于直流电缆，架空线的高故障发生率现已成为制约直流输电技术发展的重要因素之一。同时，虽可通过混合型MMC的闭锁进行故障电流抑制，但MMC的闭锁使其失去了保护的选择性且会对交流系统产生冲击，不利于系统的稳定运行，因此直流故障穿越技术应运而生。

然而，目前基于混合型MMC的典型直流故障穿越控制方法，均需要在故障识别后(1～3ms)实现故障电流限制和故障穿越运行，因此其故障穿越动作滞后于故障发生。但柔性直流电网是一个低惯量弱阻尼的系统，在故障识别阶段，故障电流上升速度极快，可能已达额定电流的十几倍，远超过MMC闭锁的阈值，导致系统闭锁限流而无法进入故障穿越运行模式。此外，故障消失后，MMC的运行模式须再次切换至定电压/定功率模式，不利于快速恢复供电。因此，传统控制策略在面临瞬时性故障时，频繁的模式切换既难以及时地限制故障电流的上升也无法快速地恢复供电，不利于系统稳定运行。因此，设计无需模式切换且可快速处理直流故障的直流故障穿越控制方法具有十分重大的意义。

发明内容

本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供了一种适用于混合型MMC的直流故障穿越控制方法，利用故障时电气量变化，实现超前于故障判别的故障处理与穿越，且全过程无须模式切换，解决了混合型MMC传统直流故障穿越控制策略在故障识别阶段无故障电流抑制能力以及模式切换频繁不利于瞬时性故障穿越的技术问题。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

一种适用于混合型MMC的直流故障穿越控制方法，混合型MMC桥臂拓扑由半桥子模块与可输出负向电压子模块串联而成，直流故障穿越控制方法包含正常运行时电压稳定和故障穿越控制两种运行状态。

状态1：控制稳态运行时电压稳定的步骤如下：

步骤1：直流系统负荷功率P_L的突变使得电源功率P_G与P_L不匹配，此时，MMC直流电压U_dc偏离额定值U_dcn，产生电压偏差ΔU_dc；

步骤2：电压偏差ΔU_dc经控制器PI₁后与U_dcn相乘得到虚拟直流电机机械功率P_m；

步骤3：根据虚拟直流电机传递函数与机械功率P_m得到直流电流信号指令I_{dc_ref}；

步骤4：根据指令电流偏差信号ΔI_{dc_ref}调整直流调制比M_dc，控制换流站输出电压U_{dc_MMC}恢复额定值，调整直流电流I_dc大小，匹配系统功率需求。状态2：发生直流故障后的故障穿越控制方法包括如下8个步骤：

步骤1：实时监测直流线路电压U_{dc_line}，直流双极短路故障发生时，直流电压U_{dc_line}迅速降低至一接近零的较小值；

步骤2：直流电压U_{dc_line}通过电压前馈环节与电压前馈系数K_U相乘，从而减小电压前馈调制系数M_u；

步骤3：上桥臂参考电压U_{pj_ref}、下桥臂参考电压U_{nj_ref}可由下式求得：

式中，M_I为直流电流前馈调制系数，u_j为交流控制器输出参考电压，U_dcn为额定直流电压，根据桥臂参考电压减小桥臂子模块的投入数量和控制负压子模块输出反向电压；

步骤4：直流电压U_{dc_line}下降至零，直流电压外环控制器PI₁迅速饱和失去电压调节能力，达到上限幅值ΔI_lim，上限幅值ΔI_lim经电压控制器后得到故障时刻虚拟直流电机的机械功率P_{m_f}；

步骤6：机械功率P_{m_f}经故障时虚拟直流电机传递函数后得到故障时刻直流电流参考值I_{dc_ref}；

步骤7：直流电流I_dc与电流参考值I_{dc_ref}相减得到电流差值ΔI_dc，电流偏差ΔI_dc经控制器PI₂后得到直流电流前馈调制系数M_I；

步骤8：通过控制M_I调节混合型MMC的桥臂参考电压，控制混合型MMC直流输出电压U_dc，从而使直流故障电流I_dc跟踪指令值。

作为本发明的一种优选方案，混合型MMC稳态运行时，直流调制比M_dc＝1，MMC输出直流电压U_dc＝U_dcn，电压偏差为ΔU_dc为零，此时，上桥臂参考电压为

下桥臂参考电压为

作为本发明的一种优选方案：混合型MMC发生直流故障时，直流电压U_{dc_line}下降，导致电压调制系数M_U≈0，直流调制比M_dc迅速减小，换流站输出电压U_{dc_MMC}减小。

作为本发明的一种优选方案：混合型MMC发生直流双极短路故障时，直流电压U_dc下降导致电压PI控制器饱和限幅，直流电流参考值I_{dc_ref}被限制，上桥臂参考电压为

下桥臂参考电压为

直流电流实际值I_dc跟随指令值I_{dc_ref}。

作为本发明的一种优选方案：虚拟直流电机的转子运动方程为：

式中，J为虚拟电机转动惯量，kg·m²；D为虚拟直流电机阻尼系数，N·m·s/rad；T_e为电磁转矩N·m，T_m为机械转矩，N·m；θ为虚拟直流电机转子角位移，rad；ω为虚拟直流电机实际角速度,rad/s；ω₀为虚拟直流电机额定角速度，rad/s；t为时间，s。

作为本发明的一种优选方案：虚拟直流电机的电磁方程为：

式中，E_a为虚拟直流电机电枢电压，V；U为虚拟直流电机端口电压，V；I_a为虚拟直流电机电枢电流，A；C_T为转矩系数；Ф为磁通，Wb；P_e为电磁功率，W；R_a为虚拟直流电机电枢电阻，Ω。

作为本发明的一种优选方案：混合型MMC正常运行瞬时，虚拟直流电机小信号模型电流偏差ΔI_{dc_ref}与功率偏差ΔP_m传递函数为：

作为本发明的一种优选方案：故障时刻，直流电流参考值I_{dc_ref}为：

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：

(1)本发明实时监测MMC输出并对输出电压偏差进行虚拟直流电机控制实时调整直流指令，在面临直流双极短路故障时通过电压前馈调制修正直流调制比系数，而在平稳运行时依据直流指令调整直流调制比系数，既提升系统在正常运行时的电压稳定性又能够在故障情形下实现对故障电流的控制，无须模式切换即可降低直流故障电流上升速率与峰值，提升了故障穿越与稳态运行切换的连续性。

(2)本发明利用对电气量的监测，可提前于故障判别阶段进行故障电流限制与故障穿越，降低了对通信时延的要求，且有效避免换流站在故障早期因过流而闭锁。

(3)本发明在直流系统正常运行遭遇功率波动时，通过虚拟直流电机迅速补偿MMC直流电流输出电流，减小功率不匹配引起的电压偏差。

本发明在具体实施例二中，显著降低了故障时直流电流大小，本发明所述方法的直流电流峰值约为传统直流故障穿越控制方法的25％，桥臂电流峰值约为传统直流故障穿越方法的35％，本发明在故障穿越全过程中，桥臂无过流闭锁风险，保证了直流故障穿越运行的可靠性；在瞬时性直流双极短路故障情况下，本发明在故障消失后，无须模式切换，自主快速恢复系统供电，利于提高供电可靠性。

附图说明

图1为本发明公开的混合型MMC主电路及控制策略框图。

图2为本发明直流故障穿越方法的控制框图。

图3为采用本发明控制方法系统稳态运行时的虚拟直流电机小信号模型。

图4为采用本发明控制方法系统稳态运行时电压稳定能力测试的仿真系统结构图。

图5为传统直流外环交流内环的解耦控制框图。

图6(a)、图6(b)、图6(c)分别为仿真系统稳态运行过程中遭遇有功功率突增或突降时的有功功率波形、功率突增直流电压波形与功率突降直流电压波形。

图7为本发明在直流双极短路故障情况下直流控制环路的运行状态。

图8为传统直流故障穿越的控制框图。

图9为永久性直流双极短路故障下采用本发明控制方法与传统直流故障穿越方法的直流电流仿真结果。

图10为永久性直流双极短路故障下采用本发明控制方法与传统直流故障穿越方法的A相上桥臂电流仿真结果。

图11为瞬时性直流双极短路故障下采用本发明控制方法与传统直流故障穿越方法的直流电流仿真结果。

图12为瞬时性直流双极短路故障下采用本发明控制方法与传统直流故障穿越方法的有功功率仿真结果。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中给出，下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

图1为混合型MMC主电路及控制策略框图，混合型MMC的单个桥臂由若干个半桥子模块HBSM、若干个可输出负压子模块与一个桥臂电抗L串联而成，此处可输出负压子模块以全桥子模块FBSM为例而不局限于全桥子模块。

图2为本发明公开的直流故障穿越控制方法的控制框图，由四个控制器共同构成：交流输出控制器、换流站直流电压控制器、虚拟直流电机控制器、直流调制比控制器。

具体实施例一：

当混合型MMC正常运行时，直流故障电流波动，维持输出电压稳定的方法包括如下4个步骤：

步骤1：直流系统负荷功率P_L突变使得电源功率P_G与P_L不匹配，此时线路直流电压U_{dc_line}偏离额定值U_dcn，产生电压偏差ΔU_dc；

步骤2：电压偏差ΔU_dc经控制器PI₁后与直流电压参考值U_dcn相乘后得到虚拟直流电机机械功率P_m；

步骤3：根据图3所示系统稳态运行时的虚拟直流电机小信号模型以及虚拟直流电机传递函数与机械功率P_m得到直流电流信号指令I_{dc_ref}；

步骤4：根据指令电流偏差信号ΔI_{dc_ref}调整直流调制比M_dc，控制换流站输出电压U_dc恢复额定值，调整直流电流I_dc大小，匹配系统功率需求，

通过建立如图4所示的仿真案例，对比了本发明控制策略与图5所示传统直流外环交流内环解耦控制策略所示在正常运行时遭遇功率波动的结果。正常运行时功率站额定直流发出功率为400MW，当t＝4s时系统遭遇功率突增，功率站由400MW增长为500MW，t＝7s时出现功率突降，功率站由500MW降至300MW.电压站的有功功率响应与直流电压仿真结果如图11所示。

图6(a)为电压站直流功率波形，可见传统直流外环交流内环解耦控制策略在功率突增与突降时不能快速地响应系统功率需求，出现了低频振荡现象；而本发明公开的方法可快速响应直流功率需求。

此外由图6(b)可见，在t＝4s时功率站供给有功突增，采用本发明公开的方法控制直流故障穿越后电压站电压上升约为15kV并平滑快速地恢复至额定400kV运行，而传统控制外环直流内环交流方法的电压偏差高达30kV且存在振荡现象；图6(c)展示了t＝7s时功率站供给有功突降时的电压波形，可见采用本发明公开的直流故障穿越控制方法后直流电压可快速恢复到额定水平且无振荡现象。

具体实施例二：

如图7所示，为本发明所提直流故障穿越控制方法，在直流双极短路故障时，控制系统的状态，其直流故障穿越具体步骤如下所示：

1)实时监测直流线路电压U_{dc_line}，直流双极短路故障发生时，直流电压U_{dc_line}迅速降低至一接近零的较小值；

2)直流电压U_{dc_line}通过电压前馈环节，与电压前馈系数K_U相乘，从而减小电压前馈调制系数M_u；

3)直流电压U_dc下降至零，直流电压外环控制器PI₁迅速饱和失去电压调节能力，达到上限幅值ΔI_lim，上限幅值ΔI_lim经电压控制器后得到故障时刻虚拟直流电机的机械功率P_{m_f}；

4)机械功率P_{m_f}经故障时虚拟直流电机传递函数后，得到故障时刻直流电流参考值I_{dc_ref}；

7)直流电流I_dc与电流参考值I_{dc_ref}相减得到电流差值ΔI_dc，电流偏差ΔI_dc经控制器PI₂后得到调制比M_I；

8)通过控制M_I调节混合型MMC的桥臂参考电压，控制混合型MMC直流输出电压U_dc，从而使直流故障电流I_dc跟踪指令值。

下面利用PSCAD/EMTDC仿真平台，建立一单端电压站仿真系统，并与传统直流故障穿越方法对比，故障检测时间3ms，结合仿真结果对本发明说明，主电路参数如表1所示：

表1

传统直流故障穿越方法如图8所示，且交流控制器与本发明控制方法一致，其直流控制器采用模式切换的控制方式，正常运行时模式选择开关选择U_dcn,当直流短路故障发生，模式选择开关切换至定电流运行模式。另外本发明控制方法直流控制环的关键参数如下表2所示。

表2

仿真系统在t＝4s时发生永久性直流双极短路故障，故障过渡电阻为0.1Ω.图9为传统直流故障穿越控制方法与本发明所提直流故障穿越方法直流线路电流对比结果，可见当直流双极短路故障发生后，传统直流故障穿越控制方法需要3ms的故障判别时间方可切换至直流故障穿越过程，而该阶段直流电流已上升至额定电流的8倍；本发明的直流故障穿越方法在故障发生3ms后即t＝4.003s时，直流故障电流约为额定电流1.5倍，整个直流故障穿越过程的直流电流峰值不超过2倍，有效限制了直流故障的上升速率与峰值，保护换流站安全运行。

图10为永久性直流双极短路故障情况下，换流站A相上桥臂电流波形。可见，采用传统直流故障穿越控制方法后桥臂电流达到近4kA，远超过正常运行时桥臂电流峰值的2倍，按工程运行情况，一般此时换流站闭锁所有子模块，无法切换至直流故障穿越运行；而采用本发明直流故障穿越方法后桥臂电流峰值无明显上升，约为稳态电流的1.2倍，换流站可不闭锁，继续运行为交流系统提供无功支撑能力。

图11与图12分别为混合型MMC遭遇瞬时性故障时的直流电流波形与功率波形。仿真系统在t＝4s时发生瞬时性直流双极短路故障，故障持续时间100ms即t＝4.1s时故障消失。由图11可见，典型直流故障穿越方法即使直流故障消失后，若无模式切换信号，MMC仍处于定电流模式控制直流电流为零，无法快速恢复供电；本发明的控制方法，在故障消失后，直流电流迅速自主返回为故障前的额定运行状态，直流电流恢复额定值1kA，同时由图12可见有功功率也迅速由0恢复至额定功率400MW，加快了系统的供电恢复。

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，在不脱离本发明的发明构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰均落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种适用于混合型MMC的直流故障穿越控制方法，其特征在于，实时监测MMC输出的直流电压，对MMC输出直流电压偏离参考值的差值进行虚拟直流电机控制得到MMC输出直流电流的参考值，根据MMC输出直流电压偏离其参考值的差值确定直流电流前馈调制系数，对MMC输出直流电压迅速跌落时的采样值进行前馈控制得到电压前馈调制系数，再根据电压前馈调制系数修正直流电流前馈调制系数得到直流调制比系数，根据直流调制比修正MMC上下桥臂的参考电压。

2.根据权利要求1所述一种适用于混合型MMC的直流故障穿越控制方法，其特征在于，在MMC输出直流电流波动时，根据MMC输出直流电压偏离其参考值的差值确定直流调制比系数以维持MMC稳态运行。

3.根据权利要求1所述一种适用于混合型MMC的直流故障穿越控制方法，其特征在于，对MMC输出直流电压偏离参考值的差值进行虚拟直流电机控制得到MMC输出直流电流的参考值的具体方法为：对MMC输出直流电压偏离参考值的差值进行PI控制得到差值电流，将所得差值电流与MMC输出直流电压参考值的相乘得到机械功率，机械功率经虚拟直流电机传递函数的传递得到MMC输出直流电流的参考值。

4.根据权利要求1所述一种适用于混合型MMC的直流故障穿越控制方法，其特征在于，根据电压前馈调制系数修正直流电流前馈调制系数得到直流调制比系数的方法为在直流电流前馈调制系数上累加电压前馈调制系数，M_dc＝M_I+M_U，M_dc为直流调制比系数，M_I为直流电流前馈调制系数，M_U为电压前馈调制系数。

5.根据权利要求4所述一种适用于混合型MMC的直流故障穿越控制方法，其特征在于，根据直流调制比修正MMC上下桥臂的参考电压的表达式为：

U_{pj_ref}、U_{nj_ref}分别为上桥臂参考电压、下桥臂参考电压，U_dcn为额定直流电压，u_j为交流输出参考电压；

当MMC稳态运行时，M_dc＝1，

当MMC发生直流故障时，电压前馈调制系数随着MMC输出直流电压的下降减小直至M_U≈0，直流调制比系数随着电压前馈调制系数的减小迅速减小，上下桥臂参考电压减小直至跟随MMC输出直流电流参考值；

当MMC发生直流双极短路故障时，电压前馈调制系数随着MMC输出直流电流参考值的限制减小为0，

6.根据权利要求3所述一种适用于混合型MMC的直流故障穿越控制方法，其特征在于，所述虚拟直流电机的转子运动方程为：

J为虚拟直流电机的转动惯量，D为虚拟直流电机的阻尼系数，T_e为电磁转矩，T_m为机械转矩，θ为虚拟直流电机的转子角位移，ω为虚拟直流电机的实际角速度，ω₀为虚拟直流电机的额定角速度，t为时间。

7.根据权利要求6所述一种适用于混合型MMC的直流故障穿越控制方法，其特征在于，所述虚拟直流电机的电磁方程为：

E_a为虚拟直流电机的电枢电压，U为虚拟直流电机的端口电压，I_a为虚拟直流电机的电枢电流，C_T为转矩系数，Ф为磁通，P_e为电磁功率，R_a为虚拟直流电机的电枢电阻。

8.根据权利要求7所述一种适用于混合型MMC的直流故障穿越控制方法，其特征在于，MMC输出直流电压迅速跌落时的MMC输出直流电流参考值为：

I_{dc_ref}为MMC输出直流电流参考值，ΔI_lim为差值电流的极限值。

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