CN111934354B - 一种模块化多电平换流器离网转并网控制方法和系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种模块化多电平换流器离网转并网控制方法和系统，应用于多端MMC离网带负荷运行接入交流电网，所述方法包括：获取MMC运行控制指令；当MMC运行控制指令为离网转并网切换指令时，对应的MMC由离网运行模式切换至交流下垂同期模式，自动追踪交流电网的电压幅值和频率；当MMC满足并网要求的电压幅值和频率要求时，MMC自动完成并网，完成并网动作后MMC由交流下垂同期模式切换至并网运行模式。针对配网用MMC离网转并网过程提出了交流下垂同期模式和MMC零冲击并网控制方法，在离网转并网过程中保证MMC所带交流负荷供电连续不间断，同时对交流电网零冲击。

Description

一种模块化多电平换流器离网转并网控制方法和系统

技术领域

本发明属于MMC运行控制技术领域，涉及一种模块化多电平换流器离网转并网控制方法和系统。

背景技术

MMC是构成直流配电网的基础设备，与柔性直流输电中的应用不同，在配电网应用中MMC需要具备并网运行、离网运行等多种功能，同时为应对高可靠性供电、潮流转供等需求，MMC需要具备并网转离网、离网转并网等运行模式间无缝切换的能力。

现有的MMC离网转并网解决方案，MMC采用恒压恒频模式跟随系统的电压幅值和频率，当MMC离网电压与系统电压间满足并网要求时进行并网操作。但是恒压恒频模式的MMC在接入系统中时存在功率波动，系统阻尼弱甚至导致功率振荡等问题。

发明内容

为解决现有技术中的不足，本申请提供一种模块化多电平换流器离网转并网控制方法和系统，针对配网用MMC离网转并网过程提出了交流下垂同期模式和MMC零冲击并网控制方法，在离网转并网过程中保证MMC所带交流负荷供电连续不间断，同时对交流电网零冲击。

为了实现上述目标，本申请的第一件发明采用如下技术方案：

一种模块化多电平换流器离网转并网控制方法，应用于多端MMC离网带负荷运行接入交流电网，所述方法包括以下步骤：

步骤1：获取MMC运行控制指令；

步骤2：当MMC运行控制指令为离网转并网切换指令时，对应的MMC由离网运行模式切换至交流下垂同期模式，自动追踪交流电网的电压幅值和频率；

步骤3：当MMC满足并网要求的电压幅值和频率要求时，MMC自动完成并网，完成并网动作后MMC由交流下垂同期模式切换至并网运行模式。

本发明进一步包括以下优选方案：

优选地，步骤1所述MMC运行控制指令分为离网转并网切换指令和并网转离网切换指令，所述MMC运行控制指令由后台监控系统下发；

所述离网转并网切换指令中包括初始电压频率基准值f₀、初始电压幅值基准值E₀、交流电压频率有功下垂系数k_Pf、交流电压幅值无功下垂系数k_EQ、交流电网电压频率指令f_ref、交流电网电压幅值指令E_ref以及闭环积分调节系数k_if和k_iE。

优选地，所述步骤2具体包括以下步骤：

步骤2.1：当运行控制指令为离网转并网切换指令时，对应的离网运行模式的MMC获取运行控制指令中的初始电压频率基准值f₀、初始电压幅值基准值E₀、交流电压频率有功下垂系数k_Pf、交流电压幅值无功下垂系数k_EQ、交流电网电压频率指令f_ref、交流电网电压幅值指令E_ref以及闭环积分调节系数k_if和k_iE；

步骤2.2：通过闭环控制得到下垂控制的电压频率基准值f₁和下垂控制的电压幅值基准值E₁；

步骤2.3：检测MMC输出的交流有功功率P_ac和MMC输出的交流无功功率Q_ac，结合下垂控制的电压频率基准值f₁和下垂控制的电压幅值基准值E₁，计算得到离网三相电压指令，通过MMC的调制环节输出相应的交流电压，进行下垂控制。

优选地，步骤2.2中，下垂控制的电压频率基准值f₁、下垂控制的电压幅值基准值E₁的计算公式为：

f₁＝f₀+∫(f_ref-f_ac)×k_if

E₁＝E₀+∫(E_ref-E_ac)×k_iE

其中，f_ac为MMC输出的电压频率，E_ac为MMC输出的电压幅值。

优选地，步骤2.3中，离网三相电压指令的计算公式为：

u_a、u_b、u_c为离网三相电压指令，n＝1、2…N，N＝int(fz/f_ac)，fz为MMC数字控制频率，f_ac为MMC输出的电压频率，f_{ac_ref}为下垂电压频率指令，E_{ac_ref}为下垂电压幅值指令。

优选地，步骤3中，当MMC离网输出的电压幅值和频率与交流电网的电压幅值和频率相匹配满足同期并网的要求时，合交流开关，执行并网操作，MMC和负荷同时接入交流电网，在接入交流电网过程中交流电网与负荷电气连接，负荷功率由MMC提供。

本申请还公开了另一件发明，即一种模块化多电平换流器离网转并网控制系统，应用于多端MMC离网带负荷运行接入交流电网，所述系统包括获取模块、追踪模块和并网模块；

所述获取模块，用于获取MMC运行控制指令；

所述追踪模块，用于当MMC运行控制指令为离网转并网切换指令时，对应的MMC由离网运行模式切换至交流下垂同期模式，自动追踪交流电网的电压幅值和频率；

所述并网模块，用于当MMC满足并网要求的电压幅值和频率要求时，MMC自动完成并网，完成并网动作后MMC由交流下垂同期模式切换至并网运行模式。

本申请所达到的有益效果：

根据本申请方法，当MMC接收到离网转并网切换指令时，MMC自动切换至交流下垂同期模式，自动追踪交流电网的电压幅值和频率，当满足并网要求的电压幅值、相角要求时，MMC自动完成并网，该过程对交流电网零冲击，完成并网动作后MMC根据指令切换成并网运行模式。能够实现模块化多电平换流器在带负荷情况下平滑、无间断、无冲击的由离网运行状态接入交流电网。

附图说明

图1是本申请一种模块化多电平换流器离网转并网控制方法的流程图；

图2是本申请实施中下垂控制的电压频率基准值与下垂控制的电压幅值基准值计算原理图；

图3是MMC根据控制运行指令实现并网模式、离网模式以及交流下垂同期模式转换的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本申请作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。

如图1所示，本申请的一种模块化多电平换流器离网转并网控制方法，应用于多端MMC离网带负荷运行接入交流电网，可以实现离网运行模式在线切换至交流下垂同期模式，交流下垂同期模式在线切换至并网运行模式。

所述交流下垂同期模式，即MMC在离网运行模式准备同期时运行于此模式，该模式综合交流电压幅值无功下垂、交流电压频率有功下垂、交流电压幅值闭环以及交流电压频率闭环四种功能；其中交流电压幅值无功下垂和交流电压频率有功下垂的响应速度快于交流电压幅值闭环和交流电压频率闭环的响应速度，该模式兼具交流下垂的暂态性能，同时具备电压幅值和频率的慢速跟踪能力，使得交流下垂同期模式下，MMC呈现快速下垂和慢速闭环特性，可以实现MMC的同期并网。

所述离网转并网切换流程为：当离网运行模式MMC接收到离网转并网切换指令时，MMC自动切换至交流下垂同期模式，自动追踪交流电网的电压幅值和频率，当满足并网要求的电压幅值、相角要求时，MMC自动完成并网，之后MMC切换成并网运行模式。

具体的，本申请的一种模块化多电平换流器离网转并网控制方法，包括以下步骤：

步骤1：获取MMC运行控制指令；

所述MMC运行控制指令分为离网转并网切换指令和并网转离网切换指令，所述MMC运行控制指令由后台监控系统下发；

所述离网转并网切换指令中包括初始电压频率基准值f₀、初始电压幅值基准值E₀、交流电压频率有功下垂系数k_Pf、交流电压幅值无功下垂系数k_EQ、交流电网电压频率指令f_ref、交流电网电压幅值指令E_ref以及闭环积分调节系数k_if和k_iE。

步骤2：当MMC运行控制指令为离网转并网切换指令时，对应的MMC由离网运行模式切换至交流下垂同期模式，自动追踪交流电网的电压幅值和频率。

如式(1.1)所示为MMC由离网运行模式切换至交流下垂同期模式控制公式，包含电压幅值-交流无功下垂和电压频率-交流有功下垂两个部分，式(1.1)中f₁、E₁分别为下垂控制的电压频率、下垂控制的电压幅值基准值，k_Pf为交流电压频率有功下垂系数，k_EQ为交流电压幅值无功下垂系数，P_ac为MMC输出的交流有功功率，Q_ac为MMC输出的交流无功功率，f_{ac_ref}为下垂电压频率指令，E_{ac_ref}为下垂电压幅值指令。

将f_{ac_ref}和E_{ac_ref}带入式(1.2)即可得到离网三相电压指令，通过MMC的执行环节输出相应的交流电压。式(1.2)中n＝1、2…N，N＝int(fz/f_ac)，fz为MMC数字控制频率，f_ac为MMC输出的电压频率。

本申请提出的交流下垂同期模式，式(1.1)中下垂控制的电压频率基准值f₁、下垂控制的电压幅值基准值E₁不再是固定值，而是通过闭环控制得到。

如图2所示，交流电网电压频率指令f_ref与MMC输出的电压频率f_ac进行积分调节，交流电网电压幅值指令E_ref与MMC输出的电压幅值E_ac进行积分调节，分别得到下垂控制的电压频率基准值f₁、下垂控制的电压幅值基准值E₁，计算公式为：

综上，本申请提出的交流下垂同期模式，执行过程为：通过闭环控制得到下垂控制的电压频率基准值和下垂控制的电压幅值基准值，同时检测MMC输出的交流功率P_ac和Q_ac进行下垂控制。具体包括以下步骤：

步骤2.1：当运行控制指令为离网转并网切换指令时，对应的离网运行模式的MMC获取运行控制指令中的初始电压频率基准值f₀、初始电压幅值基准值E₀、交流电压频率有功下垂系数k_Pf、交流电压幅值无功下垂系数k_EQ、交流电网电压频率指令f_ref、交流电网电压幅值指令E_ref以及闭环积分调节系数k_if和k_iE；

步骤2.2：通过闭环控制得到下垂控制的电压频率基准值f₁和下垂控制的电压幅值基准值E₁；

下垂控制的电压频率基准值f₁、下垂控制的电压幅值基准值E₁的计算公式为：

f₁＝f₀+∫(f_ref-f_ac)×k_if

E₁＝E₀+∫(E_ref-E_ac)×k_iE

其中，f_ac为MMC输出的电压频率，E_ac为MMC输出的电压幅值。

步骤2.3：检测MMC输出的交流有功功率P_ac和MMC输出的交流无功功率Q_ac，结合下垂控制的电压频率基准值f₁和下垂控制的电压幅值基准值E₁，计算得到离网三相电压指令，通过MMC的调制环节输出相应的交流电压，进行下垂控制。

步骤2.3中，离网三相电压指令的计算公式为：

u_a、u_b、u_c为离网三相电压指令，n＝1、2…N，N＝int(fz/f_ac)，fz为MMC数字控制频率，f_ac为MMC输出的电压频率，f_{ac_ref}为下垂电压频率指令，E_{ac_ref}为下垂电压幅值指令。

MMC输出的交流电压的目标值是离网三相电压指令，两者会存在偏差，离网电压指令由交流电网电压而来，二者数值相同。

交流下垂同期模式可以根据控制响应速度拆分为两个环节，其中下垂部分响应时间在10ms量级，10ms为MMC输出功率的计算时间，闭环控制响应时间在100ms～1s量级，由积分系数k_if和k_iE决定。因此当MMC离网运行于交流下垂同期模式下时，负荷的变化可以引发下垂环节的快速响应，闭环控制环节可以慢速调节MMC电压的电压幅值电压频率，最终依然与指令值相同。基于下垂特性，交流下垂同期模式适用于多端MMC离网带负荷运行，多端MMC可以同时进行并网操作。

步骤3：当MMC满足并网要求的电压幅值和频率要求时，MMC自动完成并网，该过程对交流电网零冲击，完成并网动作后MMC由交流下垂同期模式切换至并网运行模式，即：

当MMC离网输出的电压幅值和频率与交流电网的电压幅值和频率相匹配满足同期并网的要求时，合交流开关，执行并网操作，MMC和负荷同时接入交流电网，在接入交流电网过程中交流电网与负荷电气连接，负荷功率由MMC提供，如图3所示，MMC可根据控制运行指令实现并网模式、离网模式以及交流下垂同期模式的转换，负荷功率依据运行模式的变化进行转移。

MMC和负荷同时接入交流电网，此时由于MMC仍运行于电压源特性，与交流电网电压不可能完全一致，因此合交流开关瞬间会产生功率扰动，此时快速的下垂环节可以产生阻尼扰动的作用，使合交流开关过程平稳，系统不会因为扰动过大而发生故障。MMC在离网情况下运行为电压源特性，等效为一个电压源，离网模式和交流下垂同期模式在离网情况下均为电压源特性

在交流下垂同期模式下，MMC自动完成输出电压幅值、电压频率对系统电压幅值、电压频率的跟踪，同时在同期并网过程中阻尼交流电网与MMC间的功率扰动，使MMC在带负荷情况下平滑、无间断、无冲击的由离网运行状态接入交流电网。

缩略词：

MMC：modular multilevel converter，模块化多电平换流器，简称为MMC。

本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种模块化多电平换流器离网转并网控制方法，应用于多端MMC离网带负荷运行接入交流电网，其特征在于：

所述方法包括以下步骤：

步骤1：获取MMC运行控制指令；

步骤2：当MMC运行控制指令为离网转并网切换指令时，对应的MMC由离网运行模式切换至交流下垂同期模式，自动追踪交流电网的电压幅值和频率；

所述交流下垂同期模式，执行过程为：通过闭环控制得到下垂控制的电压频率基准值和下垂控制的电压幅值基准值，同时检测MMC输出的交流功率P_ac和Q_ac进行下垂控制，具体包括以下步骤；

步骤2.1：当运行控制指令为离网转并网切换指令时，对应的离网运行模式的MMC获取运行控制指令中的初始电压频率基准值f₀、初始电压幅值基准值E₀、交流电压频率有功下垂系数k_Pf、交流电压幅值无功下垂系数k_EQ、交流电网电压频率指令f_ref、交流电网电压幅值指令E_ref以及闭环积分调节系数k_if和k_iE；

步骤2.2：通过闭环控制得到下垂控制的电压频率基准值f₁和下垂控制的电压幅值基准值E₁；

步骤2.3：检测MMC输出的交流有功功率P_ac和MMC输出的交流无功功率Q_ac，结合下垂控制的电压频率基准值f₁和下垂控制的电压幅值基准值E₁，计算得到离网三相电压指令，通过MMC的调制环节输出相应的交流电压，进行下垂控制；

步骤3：当MMC满足并网要求的电压幅值和频率要求时，MMC自动完成并网，完成并网动作后MMC由交流下垂同期模式切换至并网运行模式。

2.根据权利要求1所述的一种模块化多电平换流器离网转并网控制方法，其特征在于：

步骤1所述MMC运行控制指令分为离网转并网切换指令和并网转离网切换指令，所述MMC运行控制指令由后台监控系统下发；

所述离网转并网切换指令中包括初始电压频率基准值f₀、初始电压幅值基准值E₀、交流电压频率有功下垂系数k_Pf、交流电压幅值无功下垂系数k_EQ、交流电网电压频率指令f_ref、交流电网电压幅值指令E_ref以及闭环积分调节系数k_if和k_iE。

3.根据权利要求1所述的一种模块化多电平换流器离网转并网控制方法，其特征在于：

步骤2.2中，下垂控制的电压频率基准值f₁、下垂控制的电压幅值基准值E₁的计算公式为：

其中，f_ac为MMC输出的电压频率，E_ac为MMC输出的电压幅值。

4.根据权利要求1所述的一种模块化多电平换流器离网转并网控制方法，其特征在于：

步骤2.3中，离网三相电压指令的计算公式为：

u_a、u_b、u_c为离网三相电压指令，n＝1、2…N，N＝int(fz/f_ac)，fz为MMC数字控制频率，f_ac为MMC输出的电压频率，f_{ac_ref}为下垂电压频率指令，E_{ac_ref}为下垂电压幅值指令。

5.根据权利要求1所述的一种模块化多电平换流器离网转并网控制方法，其特征在于：

步骤3中，当MMC离网输出的电压幅值和频率与交流电网的电压幅值和频率相匹配满足同期并网的要求时，合交流开关，执行并网操作，MMC和负荷同时接入交流电网，在接入交流电网过程中交流电网与负荷电气连接，负荷功率由MMC提供。

6.一种模块化多电平换流器离网转并网控制系统，应用于多端MMC离网带负荷运行接入交流电网，所述系统包括获取模块、追踪模块和并网模块，其特征在于：

所述获取模块，用于获取MMC运行控制指令；

所述追踪模块，用于当MMC运行控制指令为离网转并网切换指令时，对应的MMC由离网运行模式切换至交流下垂同期模式，自动追踪交流电网的电压幅值和频率；

所述交流下垂同期模式，执行过程为：通过闭环控制得到下垂控制的电压频率基准值和下垂控制的电压幅值基准值，同时检测MMC输出的交流功率P_ac和Q_ac进行下垂控制，具体包括；

当运行控制指令为离网转并网切换指令时，对应的离网运行模式的MMC获取运行控制指令中的初始电压频率基准值f₀、初始电压幅值基准值E₀、交流电压频率有功下垂系数k_Pf、交流电压幅值无功下垂系数k_EQ、交流电网电压频率指令f_ref、交流电网电压幅值指令E_ref以及闭环积分调节系数k_if和k_iE；

通过闭环控制得到下垂控制的电压频率基准值f₁和下垂控制的电压幅值基准值E₁；

检测MMC输出的交流有功功率P_ac和MMC输出的交流无功功率Q_ac，结合下垂控制的电压频率基准值f₁和下垂控制的电压幅值基准值E₁，计算得到离网三相电压指令，通过MMC的调制环节输出相应的交流电压，进行下垂控制；

所述并网模块，用于当MMC满足并网要求的电压幅值和频率要求时，MMC自动完成并网，完成并网动作后MMC由交流下垂同期模式切换至并网运行模式。

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