CN111799832A - 一种mmc-hvdc输电系统的协调控制方法 - Google Patents

一种mmc-hvdc输电系统的协调控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明揭示一种MMC‑HVDC输电系统的协调控制方法，包括：定义MMC上桥臂控制函数fuk与MMC下桥臂控制函数flk，并获得fuk的目标控制函数与flk的目标控制函数；获得MMC上桥臂电流iuk及MMC下桥臂电流ilk，iuk的表达式为：
Figure DDA0002583738390000011
ilk的表达式为：
Figure DDA0002583738390000012
并通过MMC上桥臂电流iuk、MMC下桥臂电流ilk及控制角α，对MMC上桥臂控制函数fuk的目标控制函数与MMC下桥臂控制函数flk的目标控制函数进行控制。通过MMC上桥臂电流iuk、MMC下桥臂电流ilk及控制角α，对获知的MMC上桥臂控制函数fuk的目标控制函数及MMC下桥臂控制函数flk的目标控制函数进行控制，不仅控制策略简单且精准，而且，当在负载变化和直流电压波动同时存在的情况下，为交流电网提供准确的性能和快速的频率响应，提升基于模块化多电平换流器的柔性直流输电系统运行性能和稳定性。

Description

一种MMC-HVDC输电系统的协调控制方法
技术领域
本发明涉及电力系统技术领域，具体地，涉及一种MMC-HVDC输电系统的协调控制方法。
背景技术
柔性直流输电技术的发展始于上世纪90年代。基于模块化多电平换流器的高压直流输电(Modular Multilevel Converter based High Voltage Direct Current，MMC-HVDC)在电网异步互联、海上风电并网、向城市、海岛或偏远地区供电等领域具有广阔的应用前景，近年来受到学术界和工程界的广泛关注。基于模块化多电平换流器的高压直流输电(Modular Multilevel Converter based High Voltage Direct Current，MMC-HVDC)技术相较于传统直流输电技术，其优势主要表现在：(1)没有无功补偿问题；(2)没有换相失败缺陷；(3)能同时调节有功功率和无功功率；(4)谐波水平较低。
相比于传统两电平和三电平型换流器拓扑，模块化多电平换流器拓扑采用子模块串联结构，而非器件直接串联结构，克服了传统两电平和三电平换流器拓扑结构中的均压难题。世界上新建的柔性直流输电工程大多采用模块化多电平换流器，模块化多电平换流器及基于模块化多电平换流器的柔性直流输电(MMC-HVDC)得到了学术界及工业界的广泛关注。
在过去的几年中，针对不同的功率电子应用广泛开发和研究了多电平转换器，开发了各种调制技术和控制策略，以提高转换器效率。其中在负载变化和直流电压波动同时存在的情况下，为交流电网提供准确的性能和快速的频率响应尤为重要。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种MMC-HVDC输电系统的协调控制方法。
本发明公开的一种MMC-HVDC输电系统的协调控制方法，包括：
定义MMC上桥臂控制函数fuk与MMC下桥臂控制函数flk，并获得MMC上桥臂控制函数fuk的目标控制函数与MMC下桥臂控制函数flk的目标控制函数；
获得MMC上桥臂电流iuk及MMC下桥臂电流ilk，MMC上桥臂电流iuk的表达式为：
Figure BDA0002583738370000021
MMC下桥臂电流ilk的表达式为：
Figure BDA0002583738370000022
并通过MMC上桥臂电流iuk、MMC下桥臂电流ilk及控制角α，对MMC上桥臂控制函数fuk的目标控制函数与MMC下桥臂控制函数flk的目标控制函数进行控制。
根据本发明的一实施方式，MMC上桥臂控制函数fuk与MMC下桥臂控制函数flk的第一关系式为：
fuk+flk＝1
其中，k对应三相电源中“a”、“b”和“c”的相位。
根据本发明的一实施方式，将MMC上桥臂控制函数fuk及MMC下桥臂控制函数flk结合MMC每相的输出功率Pk获得第二关系式，MMC每相的输出功率Pk表达式为：
Pk＝Puk+Plk
其中，Puk为MMC上桥臂的输出功率，Plk为MMC下桥臂的输出功率。
根据本发明的一实施方式，MMC上桥臂的输出功率Puk以及MMC下桥臂的输出功率Plk表达式为：
Figure BDA0002583738370000031
Figure BDA0002583738370000032
其中，r为MMC子模块上的电阻，l为MMC子模块上的电感。
根据本发明的一实施方式，第二关系式为：
Figure BDA0002583738370000033
其中，
Figure BDA0002583738370000034
Figure BDA0002583738370000035
简化后为：
(iuk)fuk+(-ilk)flk＝Pk-Ploss-PIndu
其中，Ploss是MMC上桥臂及下桥臂的总损耗功率，PIndu是桥臂电感产生的功率。
根据本发明的一实施方式，MMC上桥臂控制函数fuk的目标控制函数与MMC下桥臂控制函数flk的目标控制函数的矩阵表达式为：
Figure BDA0002583738370000036
求解可得：
Figure BDA0002583738370000041
Figure BDA0002583738370000042
本发明的有益效果在于，通过MMC上桥臂电流iuk、MMC下桥臂电流ilk及控制角α，对获知的MMC上桥臂控制函数fuk的目标控制函数及MMC下桥臂控制函数flk的目标控制函数进行控制，不仅控制策略简单且精准，而且，当在负载变化和直流电压波动同时存在的情况下，为交流电网提供准确的性能和快速的频率响应，提升基于模块化多电平换流器的柔性直流输电系统运行性能和稳定性。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为实施例中MMC的结构示意图；
图2为实施例中控制方法的流程示意图；
图3为实施例中电网频率响应示意图；
图4为实施例中电网电压幅值响应示意图；
图5为实施例中电网循环电流响应示意图。
具体实施方式
以下将以图式揭露本发明的多个实施方式，为明确说明起见，许多实务上的细节将在以下叙述中一并说明。然而，应了解到，这些实务上的细节不应用以限制本发明。也就是说，在本发明的部分实施方式中，这些实务上的细节是非必要的。此外，为简化图式起见，一些习知惯用的结构与组件在图式中将以简单的示意的方式绘示之。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，并非特别指称次序或顺位的意思，亦非用以限定本发明，其仅仅是为了区别以相同技术用语描述的组件或操作而已，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
如图1-图2所示，图1为实施例中MMC的结构示意图；图2为实施例中控制方法的流程示意图。本发明的一种MMC-HVDC系统的协调控制方法，包括：
定义MMC上桥臂控制函数fuk与MMC下桥臂控制函数flk，并获得MMC上桥臂控制函数fuk的目标控制函数与MMC下桥臂控制函数flk的目标控制函数；
获得MMC上桥臂电流iuk及MMC下桥臂电流ilk，MMC上桥臂电流iuk的表达式为：
Figure BDA0002583738370000051
MMC下桥臂电流ilk的表达式为：
Figure BDA0002583738370000052
并通过MMC上桥臂电流iuk、MMC下桥臂电流ilk及控制角α，对MMC上桥臂控制函数fuk的目标控制函数与MMC下桥臂控制函数flk的目标控制函数进行控制。
具体应用时，定义MMC上桥臂控制函数fuk与MMC下桥臂控制函数flk的第一关系式为：
fuk+flk＝1 (1)
其中，k对应三相电源中“a”、“b”和“c”的相位。
优选地，MMC上桥臂控制函数fuk及所述MMC下桥臂控制函数flk结合MMC每相的输出功率Pk获得第二关系式，其中，MMC每相的输出功率Pk包括MMC上桥臂的输出功率Puk及MMC下桥臂的输出功率Plk，MMC每相的输出功率Pk的表达式为：
Pk＝Puk+Plk (2)
具体的，MMC上桥臂的输出功率Puk的表达式为：
Figure BDA0002583738370000061
具体的，MMC下桥臂的输出功率Plk的表达式为：
Figure BDA0002583738370000062
式中，r为MMC子模块上的电阻，l为MMC子模块上的电感。
结合(2)、(3)及(4)可得第二关系式的表达式：
Figure BDA0002583738370000063
其中，
Figure BDA0002583738370000064
简化后可得：
(iuk)fuk+(-ilk)flk＝Pk-Ploss-PIndu (6)
其中，Ploss是上桥臂和下桥臂的总损耗功率，PIndu是桥臂电感产生的功率。
将第一关系式与第二关系式结合，即将式(1)与式(5)结合，可以得出，MMC上桥臂控制函数fuk的目标控制函数与所述MMC下桥臂控制函数flk的目标控制函数的矩阵表达式：
Figure BDA0002583738370000071
求解简化得：
MMC上桥臂控制函数fuk的目标控制函数：
Figure BDA0002583738370000072
MMC下桥臂控制函数flk的目标控制函数：
Figure BDA0002583738370000073
优选地，MMC上桥臂电流iuk及MMC下桥臂电流ilk的获得过程如下：
具体应用时，MMC的桥臂由连接电抗L及连接电阻R组成，实际工作条件下，MMC每相位输出电压vk表达式为：
vk＝vmsin(ωt+j23π) (10)
其中，vm为对应的最大幅值；ω为MMC每相位输出电压的角频率；对应“a”、“b”和“c”的相位，j的值可以为0，-1和1。
MMC各相位的输出电流ik表达式为：
Figure BDA0002583738370000074
其中，Im分别为MMC输出电流和对应的最大幅值，α为控制角。
桥臂的输出电流，即MMC各相位的输出电流ik，为MMC上桥臂电流iuk及MMC下桥臂电流ilk之和，其表达式为：
ik＝iuk+ilk (12)
根据KCL定律可得，循环电流icirk的表达式为：
icirk＝0.5(iuk-ilk)-idc/3 (13)
其中，idc为直流母线电流。
由式(12)与式(13)可得：
iuk＝0.5ik+icirk+idc/3 (14)
ilk＝0.5ik-icirk-idc/3 (15)
可知，MMC上桥臂电流iuk及MMC下桥臂电流ilk可由MMC各相位的输出电流ik、循环电流icirk及直流母线电流idc的变化来获取。
根据理想工作环境下，循环电流icirk为零的约束条件下，式(14)与式(15)简化表达式为：
Figure BDA0002583738370000081
Figure BDA0002583738370000082
通过式(8)、式(9)、式(16)及式(17)综合可知，同时对MMC上桥臂电流iuk、MMC下桥臂电流ilk及控制角α同步控制的方式，可有效针对负载变化和直流电压波动同时存在的情况。该控制方式可在不新增控制器数量的情况下，实现环流成分的完全消除，节约成本同时具有较好的经济性和较高的工程实用价值。
以下将通过MATLAB/SIMULINK软件构建了MMC-HVDC模型进行仿真，仿真模型的主要参数如表一所示，表一为仿真数据。
表一：
项目 参数
额定频率 50Hz
开关频率 2000Hz
样本时间 1e-6s
MMC输出电阻 0.5Ω
MMC输出电感 2.5mH
MMC桥臂电阻 0.2Ω
MMC桥臂电感 2mH
直流母线电压 40kV
交流输出电压 20kV
电网负载功率1 50kW+j20kVAR
电网负载功率2 25kW+j20kVAR
通过仿真获得的数据如下：
如图3所示，图3为实施例中电网频率响应示意图。该实验以直流环节电压波形存在为前提进行，按照上述的MMC-HVDC系统的协调控制方法进行验证，显然，可实现交流电网电压的频率在具有可忽略的稳态误差的范围内快速动态响应，验证了所提出的在直流母线电压波动时，达到稳态目标的能力。
如图4所示，图4为实施例中电网电压幅值响应示意图。本实验在是负载变化期间进行，显然，交流电网能在稳态和动态运行条件下获得可允许范围内的响应，此外，还可以发现电压大小不受直流母线电压的改变影响。
如图5所示，图5为实施例中电网循环电流响应示意图。显然，循环电流能够在这些变化期间具有可接受的波动的稳定响应，则说明上述的MMC-HVDC系统的协调控制方法能够适当地减小MMC-HVDC系统中的循环电流icirk。
综上，通过MMC上桥臂电流iuk、MMC下桥臂电流ilk及控制角α，对获知的MMC上桥臂控制函数fuk的目标控制函数及MMC下桥臂控制函数flk的目标控制函数进行控制，不仅控制策略简单且精准，而且，当在负载变化和直流电压波动同时存在的情况下，为交流电网提供准确的性能和快速的频率响应，提升基于模块化多电平换流器的柔性直流输电系统运行性能和稳定性。
上所述仅为本发明的实施方式而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理的内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的权利要求范围之内。

Claims (6)

1.一种MMC-HVDC输电系统的协调控制方法，其特征在于，包括：
定义MMC上桥臂控制函数fuk与MMC下桥臂控制函数flk，并获得所述MMC上桥臂控制函数fuk的目标控制函数与所述MMC下桥臂控制函数flk的目标控制函数；
获得MMC上桥臂电流iuk及MMC下桥臂电流ilk，所述MMC上桥臂电流iuk的表达式为：
Figure FDA0002583738360000011
所述MMC下桥臂电流ilk的表达式为：
Figure FDA0002583738360000012
并通过所述MMC上桥臂电流iuk、所述MMC下桥臂电流ilk及控制角α，对所述MMC上桥臂控制函数fuk的目标控制函数与所述MMC下桥臂控制函数flk的目标控制函数进行控制。
2.根据权利要求1所述的MMC-HVDC系统的协调控制方法，其特征在于，所述MMC上桥臂控制函数fuk与所述MMC下桥臂控制函数flk的第一关系式为：
fuk+flk＝1
其中，k对应三相电源中“a”、“b”和“c”的相位。
3.根据权利要求2所述的MMC-HVDC系统的协调控制方法，其特征在于，将所述MMC上桥臂控制函数fuk及所述MMC下桥臂控制函数flk结合MMC每相的输出功率Pk获得第二关系式，所述MMC每相的输出功率Pk表达式为：
Pk＝Puk+Plk
其中，Puk为MMC上桥臂的输出功率，Plk为MMC下桥臂的输出功率。
4.根据权利要求3所述的MMC-HVDC系统的协调控制方法，其特征在于，所述MMC上桥臂的输出功率Puk以及所述MMC下桥臂的输出功率Plk表达式为：
Figure FDA0002583738360000021
Figure FDA0002583738360000022
其中，r为MMC子模块上的电阻，l为MMC子模块上的电感。
5.根据权利要求4所述的MMC-HVDC系统的协调控制方法，其特征在于，所述第二关系式为：
Figure FDA0002583738360000023
其中，
Figure FDA0002583738360000024
Figure FDA0002583738360000025
简化后为：
(iuk)fuk+(-ilk)flk＝Pk-Ploss-PIndu
其中，Ploss是MMC上桥臂及下桥臂的总损耗功率，PIndu是桥臂电感产生的功率。
6.根据权利要求5所述的MMC-HVDC系统的协调控制方法，其特征在于，所述MMC上桥臂控制函数fuk的目标控制函数与所述MMC下桥臂控制函数flk的目标控制函数的矩阵表达式为：
Figure FDA0002583738360000026
求解可得：
Figure FDA0002583738360000031
Figure FDA0002583738360000032
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