CN111969641A - 柔性直流输电系统送端mmc故障电流抑制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种柔性直流输电系统送端MMC故障电流抑制方法，这种方法针对送端交流电网发生不对称故障时，MMC换流站交流侧故障电流过大的问题，通过采用不同控制器分别实现了对故障电流中负序、零序成分和MMC内部环流的抑制。与已有的在正、反转同步坐标系下对电流正、负序分量分别控制的方法相比，本方法控制结构更加简单，且能够对零序电流进行控制，进一步抑制故障电流，从而保障柔性直流输电系统的安全稳定运行。本发明中提出的柔性直流输电系统送端MMC故障电流抑制方法结构简单、性能优异，具有较强的工程实用价值。
Description
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种柔性直流输电系统送端MMC故障电流抑制方法。
背景技术
基于模块化多电平换流器(MMC)拓扑的柔性直流输电技术在大规模可再生能源的汇集和输送过程中有十分良好的应用前景，取得了广泛的关注。目前，我国的柔性直流输电技术正处于一个从理论研究走向工程实践的重要时期，还存在很多技术上的难题亟需解决。
电网故障下柔性直流输电系统的控制与保护策略作为系统安全可靠运行的重要保障措施，一直以来都得到了广泛关注。当送端交流电网发生短路故障时，直流系统通过MMC提供很大的短路电流，而MMC中的电力电子器件能够承受的过电流能力是有限的，如不采取有效措施，短路故障过电流将会导致MMC中的电力电子器件闭锁甚至损坏，严重影响柔性直流输电系统的安全稳定。因此，研究送端MMC换流站在电网故障下的故障电流抑制策略具有重要的意义。
已有的针对MMC换流站故障电流抑制策略的研究提出了一种在正、反转同步坐标系下对电流的正、负序分量分别进行控制的控制策略，能够有效地抑制故障发生时输出电流中的负序成分。然而，这种方法需要对电压、电流进行正负序分离，还需要在两个坐标系下采用两套控制系统对正、负序分量进行分别控制，控制结构十分复杂，且需要对控制参数进行重新设计。此外，由于电网故障点与MMC之间由换流变压器相连，当换流变压器采用Y0/Y0接法时，还会产生额外的零序回路。此时，故障电流中将会包含大量零序分量，与负序故障电流叠加在一起，进一步增大了故障电流幅值。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术中控制系统较为复杂，且在电网故障时无法对零序电流进行抑制的不足，提供一种柔性直流输电系统送端MMC故障电流抑制方法。
为了实现上述发明目的，本方法采取如下技术方案：
一种柔性直流输电系统送端MMC故障电流抑制方法，其特征在于，所述方法通过采用不同控制器分别实现对故障电流中负序、零序成分和MMC内部环流的抑制；所述方法采用：采样模块、坐标变换模块、电压外环控制器、正序电流控制器、负序电流控制器、零序电流控制器、参考差模电压计算模块、内部环流控制器、桥臂电压计算模块、调制模块；
所述采样模块中，包括：
电压采样模块，对柔性直流输电系统送端MMC交流电网侧三相电压Usabc，直流母线电压Udc进行采样；
电流采样模块，对换流变压器阀侧三相电流Ivabc，MMC上、下桥臂电流Ipabc和Inabc进行采样；
所述坐标变换模块中，包括：
Park变换模块，对送端MMC电网侧三相电压Usabc和阀侧三相电流Ivabc进行Park变换，得到同步旋转d-q-0坐标系下对应的电压矢量Usdq和电流矢量Ivdq、Iv0，Park变换采用的角度为交流电网相位θv，由控制系统给定；
Park反变换模块，对参考差模电压Udifrefdq0进行Park反变换，得到静止三相坐标系中的参考差模电压Udifrefabc，Park反变换采用的角度为交流电网相位θv，由控制系统给定；
所述电压外环控制器对送端交流电网电压d、q轴分量通过PI控制器进行控制，使其分别跟随给定的参考值Usdref及Usqref，两个控制器的输出经过限幅环节后，分别作为d、q轴电流的参考值Ivdref和Ivqref；
所述正序电流控制器对d、q轴电流Ivdq的直流分量采用PI控制器进行控制，使其跟随电压外环控制器输出的参考值，控制器的输出作为送端MMC参考差模电压的直流分量Udifrefdq1；
所述负序电流控制器将电流矢量的d轴、q轴分量Ivd、Ivq直接作为负序电流控制器的反馈值，无需对其进行正负序分离，且在同步旋转坐标系下就可以实现对于负序电流的控制，负序电流控制器的输出作为送端MMC参考差模电压的二倍频脉动分量Udifrefdq2；
所述零序电流控制器的输出作为送端MMC参考差模电压的零序分量Udifref0；
所述参考差模电压计算模块将参考值差模电压的直流分量与二倍频脉动分量相加，得到其d、q轴分量Udifrefdq，再与差模电压的零序分量组合，得到参考差模电压Udifrefdq0；
所述内部环流控制器根据MMC上、下桥臂电流Ipabc和Inabc计算得到内部环流Icabc，将其直接作为内部环流控制器的反馈值，无需对其进行旋转坐标变换，在静止坐标系下即可实现控制；所述内部环流控制器的输出作为MMC参考共模电压Ucomrefabc；
所述桥臂电压计算模块利用参考差模电压Udifrefabc和参考共模电压Ucomrefabc，经过计算得到送端MMC上、下桥臂的参考电压Uprefabc与Unrefabc；
所述调制模块，根据MMC上、下桥臂的参考电压Uprefabc与Unrefabc，实现对送端MMC的控制。
进一步地：在电压外环控制器中，d轴电压参考值Usdref给定为1(标幺值)，q轴电压参考值Usqref给定为0。
进一步地：负序电流控制器采用谐振频率在±100Hz的二阶广义积分器实现，其参考值设置为0。
进一步地：零序电流控制器采用谐振频率在±50Hz的二阶广义积分器实现，其参考值设置为0。
进一步地：内部环流控制器采用谐振频率在±100Hz的二阶广义积分器实现，其参考值设置为0。
进一步地：所述调制模块，根据MMC上、下桥臂的参考电压Uprefabc与Unrefabc，利用最近电平逼近法进行调制，实现对送端MMC的控制。
由于采用本发明的技术方案，通过采用不同控制器分别实现了对故障电流中负序、零序成分和MMC内部环流的抑制。与已有方法相比，本方法控制结构更加简单，且能够对零序电流进行控制，进一步抑制送端交流电网发生不对称故障时的故障电流，从而保障柔性直流输电系统的安全稳定运行。
附图说明
图1为MMC换流站的一个具体示例结构图。
图2为本发明控制方法的一个具体示例系统原理图。各模块名称如下：
1、电压传感器，2、电流传感器，3、Park变换模块，4、电压外环控制器，5、正序电流控制器，6、负序电流控制器，7、零序电流控制器，8、参考差模电压计算模块，9、Park反变换模块，10、内部环流控制器，11、桥臂电压计算模块，12、调制模块。
图3为负序电流控制器控制框图；其中：FR100(s)为二阶广义积分器的传递函数，kg为二阶广义积分器的增益系数，ωc为截止频率，在本实施方式中，谐振频率选择为±100Hz，截止频率选择为12Hz。
图4为零序电流控制器控制框图；其中：FR50(s)为二阶广义积分器的传递函数，在本实施方式中，谐振频率选择为±50Hz，截止频率选择为12Hz。
图5为参考差模电压计算模块示意图。
图6为内部环流控制器控制框图；其中：FR100(s)为二阶广义积分器的传递函数，在本实施方式中，谐振频率选择为±100Hz，截止频率选择为12Hz。
图7为验证本发明有效性的基于PSCAD/EMTDC仿真环境的一个具体实施例的结构示意图。仿真过程中，风电场向海上MMC换流器输送恒定功率，在2.1s时海上交流电网发生单相接地故障，在2.2s时切断故障线路两侧的断流器。
图8为采用本发明中的故障电流抑制方法的仿真波形图，从上至下分别为MMC交流电网侧三相电压波形与电流波形；从仿真结果可以看出，在电网发生单相接地故障后，故障电流得到了有效抑制，在0.1s的故障时间内，故障电流幅值被限制在2pu以内，在故障切除后，故障电流迅速降为零，保障了系统的安全。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
本发明中柔性直流输电系统送端MMC故障电流抑制方法的系统实现如图2所示，包括电压传感器1、电流传感器2、Park变换模块3、电压外环控制器4、正序电流控制器5、负序电流控制器6、零序电流控制器7、参考差模电压计算模块8、Park反变换模块9、内部环流控制器10、桥臂电压计算模块11、调制模块12。
如图2所示，本发明中柔性直流输电系统送端MMC故障电流抑制方法包括以下步骤：
通过电压传感器1采集MMC交流电网侧三相电压Usabc，通过电流传感器2采集变压器阀侧三相电流Ivabc、MMC上、下桥臂电流Ipabc和Inabc，通过电压传感器1采集直流侧直流母线电压Udc。
利用Park变换模块3分别对三相电压Usabc和三相电流Ivabc进行Park变换，对应得到同步旋转d-q-0坐标系下的电压矢量Usdq和电流矢量Ivdq，、Iv0。
采用电压外环控制器4对送端交流电网电压d、q轴分量进行控制，使其分别跟随给定的参考值Usdref及Usqref，两个控制器输出经过限幅模块后分别作为d、q轴电流的参考值Ivdref和Ivqref，其中，d轴电压参考值一般给定为1(标幺值)，q轴电压参考值一般给定为0，电压外环控制器4的实现方式如下：
其中：FPI(s)为PI控制器的传递函数，kp为比例系数，ki为积分系数，Ivdref,Ivqref对应为电流矢量Ivdqref的d轴，q轴分量。
在同步旋转坐标系下采用正序电流控制器5对电流Ivdq的直流分量进行控制，使其跟随电压外环控制器输出的参考值，控制器输出作为MMC参考差模电压的直流分量Udifrefdq1，正序电流控制器5的实现方式如下：
L为包含换流变压器和桥臂电抗器的等效电感，Usd和Usq分别为电压矢量的d轴、q轴分量，Udifrefd1,Udifrefq1对应为电压矢量Udifrefdq1的d轴，q轴分量。
在负序电流控制器6中，采用谐振频率为±100Hz的二阶广义积分器对电流Ivdq进行控制，将其参考值给定为零，以实现对负序故障电流的抑制，控制器的输出作为MMC参考差模电压的二倍频脉动分量Udifrefdq2，控制器的实现方式如附图3所示。
在零序电流控制器7中，采用谐振频率为±50Hz的二阶广义积分器对零序电流分量Iv0进行控制，将其参考值给定为零，以实现对零序故障电流的抑制，控制器的输出作为MMC参考差模电压的零序分量Udifref0，控制器的实现方式如附图4所示：
在参考差模电压计算模块8中，将参考值差模电压的直流分量Udifrefdq1与二倍频脉动分量Udifrefdq2相加，得到其d、q轴分量，再与差模电压零序分量Udifref0组合，得到参考差模电压Udifrefdq0；利用Park反变换模块9对参考差模电压Udifrefdq0进行Park反变换，得到静止三相坐标系中的参考差模电压Udifrefabc，Park反变换采用的角度为交流电网相位θv，由控制系统给定。具体实现方式如图5所示。
在内部环流控制器10中，根据MMC上、下桥臂电流Ipabc和Inabc计算得到三相内部环流Icabc，采用谐振频率在±100Hz的二阶广义积分器对Icabc进行控制，将其参考值给定为零，以实现对内部环流的抑制，控制器的输出作为MMC参考共模电压Ucomrefabc，控制器的实现方式如图6所示。
利用桥臂电压计算模块11，根据参考差模电压Udifrefabc和参考共模电压Ucomrefabc计算得到MMC上、下桥臂的参考电压Uprefabc与Unrefabc，再利用采用最近电平逼近法的调制模块12输出开关开断信号，实现对MMC的控制，其中，上、下桥臂参考电压的计算方法如下：
其中，Uprefa,Uprefb和Uprefc对应为电压矢量Uprefabc的a轴，b轴和c轴分量，Unrefa,Unrefb和Unrefc对应为电压矢量Uprefabc的a轴，b轴和c轴分量。
参见图8，采用本发明中的送端交流电网短路故障下柔性直流输电系统的故障电流抑制方法，当送端交流电网发生单相接地故障时，故障电流得到了有效抑制，在0.1s的故障时间内，故障电流幅值被限制在2pu以内，在故障切除后，故障电流迅速降为零，保障了系统的安全。
上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种柔性直流输电系统送端MMC故障电流抑制方法，其特征在于，所述方法通过采用不同控制器分别实现对故障电流中负序、零序成分和MMC内部环流的抑制；所述方法采用：采样模块、坐标变换模块、电压外环控制器、正序电流控制器、负序电流控制器、零序电流控制器、参考差模电压计算模块、内部环流控制器、桥臂电压计算模块、调制模块；
所述采样模块中，包括：
电压采样模块，对柔性直流输电系统送端MMC交流电网侧三相电压Usabc，直流母线电压Udc进行采样；
电流采样模块，对换流变压器阀侧三相电流Ivabc，MMC上、下桥臂电流Ipabc和Inabc进行采样；
所述坐标变换模块中，包括：
Park变换模块，对送端MMC电网侧三相电压Usabc和阀侧三相电流Ivabc进行Park变换，得到同步旋转d-q-0坐标系下对应的电压矢量Usdq和电流矢量Ivdq、Iv0，Park变换采用的角度为交流电网相位θv，由控制系统给定；
Park反变换模块，对参考差模电压Udifrefdq0进行Park反变换，得到静止三相坐标系中的参考差模电压Udifrefabc，Park反变换采用的角度为交流电网相位θv，由控制系统给定；
所述电压外环控制器对送端交流电网电压d、q轴分量通过PI控制器进行控制，使其分别跟随给定的参考值Usdref及Usqref，两个控制器的输出经过限幅环节后，分别作为d、q轴电流的参考值Ivdref和Ivqref；
所述正序电流控制器对d、q轴电流Ivdq的直流分量采用PI控制器进行控制，使其跟随电压外环控制器输出的参考值，控制器的输出作为送端MMC参考差模电压的直流分量Udifrefdq1；
所述负序电流控制器将电流矢量的d轴、q轴分量Ivd、Ivq直接作为负序电流控制器的反馈值，无需对其进行正负序分离，且在同步旋转坐标系下就可以实现对于负序电流的控制，负序电流控制器的输出作为送端MMC参考差模电压的二倍频脉动分量Udifrefdq2；
所述零序电流控制器的输出作为送端MMC参考差模电压的零序分量Udifref0；
所述参考差模电压计算模块将参考值差模电压的直流分量与二倍频脉动分量相加，得到其d、q轴分量Udifrefdq，再与差模电压的零序分量组合，得到参考差模电压Udifrefdq0；
所述内部环流控制器根据MMC上、下桥臂电流Ipabc和Inabc计算得到内部环流Icabc，将其直接作为内部环流控制器的反馈值，无需对其进行旋转坐标变换，在静止坐标系下即可实现控制；所述内部环流控制器的输出作为MMC参考共模电压Ucomrefabc；
所述桥臂电压计算模块利用参考差模电压Udifrefabc和参考共模电压Ucomrefabc，经过计算得到送端MMC上、下桥臂的参考电压Uprefabc与Unrefabc；
所述调制模块，根据MMC上、下桥臂的参考电压Uprefabc与Unrefabc，实现对送端MMC的控制。
2.根据权利要求1所述的柔性直流输电系统送端MMC故障电流抑制方法，其特征在于：在电压外环控制器中，d轴电压参考值Usdref给定为1(标幺值)，q轴电压参考值Usqref给定为0。
3.根据权利要求1所述的柔性直流输电系统送端MMC故障电流抑制方法，其特征在于：负序电流控制器采用谐振频率在±100Hz的二阶广义积分器实现，其参考值设置为0。
4.根据权利要求1所述的柔性直流输电系统送端MMC故障电流抑制方法，其特征在于：零序电流控制器采用谐振频率在±50Hz的二阶广义积分器实现，其参考值设置为0。
5.根据权利要求1所述的柔性直流输电系统送端MMC故障电流抑制方法，其特征在于：内部环流控制器采用谐振频率在±100Hz的二阶广义积分器实现，其参考值设置为0。
6.根据权利要求1所述的柔性直流输电系统送端MMC故障电流抑制方法，其特征在于：所述调制模块，根据MMC上、下桥臂的参考电压Uprefabc与Unrefabc，利用最近电平逼近法进行调制，实现对送端MMC的控制。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20201120 |
|
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |