CN111969643A - 不对称故障下的对无源网络供电的mmc-hvdc的微分平坦控制方法 - Google Patents

不对称故障下的对无源网络供电的mmc-hvdc的微分平坦控制方法 Download PDF

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CN111969643A CN202010887204.7A CN202010887204A CN111969643A CN 111969643 A CN111969643 A CN 111969643A CN 202010887204 A CN202010887204 A CN 202010887204A CN 111969643 A CN111969643 A CN 111969643A
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Abstract

本发明涉及一种不对称故障下的对无源网络供电的MMC‑HVDC的微分平坦控制方法，包括：1)向无源网络供电的MMC‑HVDC系统结构和工作原理的分析；2)针对HVDC整流级的MMC换流器在不平衡电网电压时基于正负序系统的数学模型的建立；3)以输出变量为有功功率和无功功率，对MMC系统稳定性的分析；4)根据微分平坦理论对MMC‑HVDC换流站的内外环正负序控制的设计。本发明提供的方法，适用于电网正常运行和电网电压故障的情况，本发明具有动态响应快、应用范围广，可以解决电网发生不对称故障时，输出电流检测精确度不足和MMC换流器动态性能变差问题，有效提高MMC‑HVDC系统的稳定性。

Description

不对称故障下的对无源网络供电的MMC-HVDC的微分平坦控制 方法
技术领域
本发明涉及MMC-HVDC控制技术领域，尤其是涉及一种不对称故障下的对无源网络供电的MMC-HVDC的微分平坦控制方法。
背景技术
模块化多电平转换器(Modular Multilevel Converter，MMC)作为一种应用于大功率和高电压系统中的功率换流器拓扑已引起了广泛的关注。由于其输出谐波的小、低功率损耗以及模块化等优势已经成为了高压直流输电(High Voltage Direct Current，HVDC)系统换流器的首要选择。
但是，在HVDC系统正常运行时，很可能遇到例如三相电网的相间接地或电压暂降等故障，严重影响电力系统的稳定性和安全性。随着电力系统的快速发展和泛在电力物联网的建设，对于电网在不对称故障条件下的传输能力和稳定性提出了更高的要求。现有的针对MMC-HVDC换流器的控制策略，如PI控制、预测控制、无源控制等，均需要对MMC换流器建立精确的数学模型，且对输出电流的精确测量提出了较高的要求。由于电力系统会时常发生各种非对称性故障，在发生暂态故障时，准确的检测输出电流将变得较为困难。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种不对称故障下的对无源网络供电的MMC-HVDC的微分平坦控制方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种不对称故障下的对无源网络供电的MMC-HVDC的微分平坦控制方法，该方法包括以下步骤：
步骤1：建立对无源供电的MMC-HVDC系统模型，并进一步建立于该系统模型中的MMC-HVDC换流站的拓扑结构模型；
步骤2：根据MMC-HVDC换流站的拓扑结构模型建立对应的数学模型，包括MMC交流侧数学模型以及MMC直流侧数学模型，并将MMC交流侧数学模型根据坐标变换理论变换为dq两相旋转坐标系下的MMC交流侧数学模型；
步骤3：基于dq两相旋转坐标系下的MMC交流侧数学模型以及MMC直流侧数学模型中的各变量，进行针对MMC-HVDC换流站的拓扑结构模型的平坦性以及稳定性分析判断；
步骤4：基于微分平坦理论，确定通过MMC-HVDC换流站的拓扑结构模型的平坦性以及稳定性分析判断后设计在不对称故障下基于微分平坦理论的MMC-HVDC正负序内环控制器；
步骤5：设计在不对称故障下基于微分平坦理论的MMC-HVDC正负序外环控制器，并与步骤4中的MMC-HVDC正负序内环控制器配合进行MMC-HVDC的微分平坦控制。
进一步地，所述的步骤1中对无源供电的MMC-HVDC系统模型包括依次按顺序相互连接的电网、左侧MMC-HVDC换流站、右侧MMC-HVDC换流站以及无源网络，所述MMC-HVDC换流站的拓扑结构模型由每相2个桥臂共6个桥臂构成，每个所述桥臂由自然数n个子模块SM、桥臂电感L和桥臂等值电阻R相互串联组成，每个所述子模块SM包括2个反并联二极管的IGBT和1个储能电容。
进一步地，所述的步骤2中的MMC交流侧数学模型，其数学描述公式为：
Figure BDA0002655931360000021
其中，Ls＝LT+L/2，Rs＝RT+R/2，
式中，ua、ub、uc为MMC-HVDC交流侧的电网电压，uva、uvb、uvc为MMC-HVDC整流级换流器的输入电压，ia、ib、ic为MMC-HVDC交流侧的电网电流，Rs、Ls分别为输电线路的等值电阻和等值电感，R、L分别为MMC的桥臂电阻和桥臂电感，RT、LT分别为电网的输电线路电阻和电感。
进一步地，所述的步骤2中的MMC直流侧数学模型，其数学描述公式为：
Figure BDA0002655931360000031
式中，id、iq分别为HVDC交流侧电网电流的d、q轴分量，Rload为HVDC逆变级和负载侧的等效电阻，usd、usq分别为HVDC交流侧电网电压的d、q轴分量，udc为MMC直流侧电压，Cdc为MMC直流侧电容。
进一步地，所述的步骤2中的dq两相旋转坐标系下的MMC交流侧数学模型，其数学描述公式为：
Figure BDA0002655931360000032
式中，ud、uq分别为HVDC整流器输入电压的d、q轴分量，ω为同步旋转坐标系下HVDC系统的基波角频率。
进一步地，所述的步骤3中针对MMC-HVDC换流站的拓扑结构模型进行平坦性分析判断的过程具体包括：
基于dq两相旋转坐标系下的MMC交流侧数学模型以及MMC直流侧数学模型中的各变量，判断当MMC外环控制器采用定有功功率控制和无功功率控制或采用定直流电压控制时，各变量中的状态向量、输入变量是否能够由输出变量及其导数表示，若能则MMC-HVDC换流站的拓扑结构模型通过平坦性分析判断。
进一步地，所述的步骤3中针对MMC-HVDC换流站的拓扑结构模型进行稳定性分析判断的过程包括以下分步骤：
步骤01：定义MMC-HVDC换流站的拓扑结构模型中控制器电流内环的轨迹误差反馈部分的PI控制误差；
步骤02：利用李亚普洛夫函数的稳定性来判定是否满足PI控制误差对平坦输入量的影响是否小于等于0的条件，若能满足条件则MMC-HVDC换流站的拓扑结构模型通过稳定性分析判断。
进一步地，所述的步骤01中的MMC-HVDC换流站的拓扑结构模型中控制器电流内环的轨迹误差反馈部分的PI控制误差，其数学描述公式为：
Figure BDA0002655931360000033
式中，ei1为微分平坦平面输出的比例误差，ei2为微分平坦平面输出的积分误差，
Figure BDA0002655931360000041
为微分平坦平面输出的积分误差的关系式，
Figure BDA0002655931360000042
为输出变量的参考值，yi为输出变量。
进一步地，所述的步骤4中在不对称故障下基于微分平坦理论的MMC-HVDC正负序内环控制器包括期望参考轨迹生成部分和误差反馈补偿部分，其控制信号对应的数学描述公式为：
Figure BDA0002655931360000043
Figure BDA0002655931360000044
Figure BDA0002655931360000045
Figure BDA0002655931360000046
其中，
Figure BDA0002655931360000047
Figure BDA0002655931360000048
Δx+*＝Δx-*＝0
式中，上标·表示导数，上标+表示正序，上标-表示负序，kp1、ki1为正序PI控制器参数，kp2、ki2为负序PI控制器参数。
进一步地，所述的步骤5中在不对称故障下基于微分平坦理论的MMC-HVDC正负序外环控制器包括针对所述MMC-HVDC系统模型中HVDC整流级部分采用的定直流电压控制和针对所述MMC-HVDC系统模型中HVDC逆变级部分采用的定交流电压控制，其中，所述HVDC整流级部分中内环正序系统的电流参考值为：
Figure BDA0002655931360000049
Figure BDA00026559313600000410
式中，
Figure BDA00026559313600000411
分别为正序系统的电流参考值的d、q轴分量，
Figure BDA00026559313600000412
为MMC直流侧电压的额定值，kp3、ki3为HVDC整流级部分中内环正序系统的PI控制器参数；
所述HVDC整流级部分中内环负序系统的电流参考值为0；
所述HVDC逆变级部分中内环负序系统的电流参考值为0；
所述HVDC逆变级部分中内环正序系统的电流d轴分量参考值为：
Figure BDA00026559313600000413
式中，
Figure BDA00026559313600000414
为HVDC逆变级部分中内环正序系统的电流d轴分量参考值，kp4、ki4为HVDC逆变级部分中内环正序系统的PI控制器参数，
Figure BDA0002655931360000051
为无源侧输出交流电压的额定值，
Figure BDA0002655931360000052
为无源侧输出电压正序的d轴分量；
所述HVDC逆变级部分中内环正序系统的电流q轴分量参考值为：
Figure BDA0002655931360000053
式中，
Figure BDA0002655931360000054
为HVDC逆变级部分中内环正序系统的电流q轴分量参考值，Qmeasure为测量的HVDC逆变级部分中内环正序系统的无功功率。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明方法包括步骤1：建立对无源供电的MMC-HVDC系统模型，并进一步建立于该系统模型中的MMC-HVDC换流站的拓扑结构模型；步骤2：根据MMC-HVDC换流站的拓扑结构模型建立对应的数学模型，包括MMC交流侧数学模型以及MMC直流侧数学模型，并将MMC交流侧数学模型根据坐标变换理论变换为dq两相旋转坐标系下的MMC交流侧数学模型；步骤3：基于dq两相旋转坐标系下的MMC交流侧数学模型以及MMC直流侧数学模型中的各变量，进行针对MMC-HVDC换流站的拓扑结构模型的平坦性以及稳定性分析判断；步骤4：基于微分平坦理论，确定通过MMC-HVDC换流站的拓扑结构模型的平坦性以及稳定性分析判断后设计在不对称故障下基于微分平坦理论的MMC-HVDC正负序内环控制器；步骤5：设计在不对称故障下基于微分平坦理论的MMC-HVDC正负序外环控制器，并与步骤4中的MMC-HVDC正负序内环控制器配合进行MMC-HVDC的微分平坦控制，采用本发明方法在不对称故障下的对无源网络供电的控制效果好、输出电能质量较高；
(2)本发明控制方法具有动态响应快、应用范围广，可以解决电网发生不对称故障时，输出电流检测精确度不足和MMC换流器动态性能变差问题，有效提高MMC-HVDC系统的稳定性。
附图说明
图1为对无源供电的MMC-HVDC系统结构图；
图2为对无源供电的MMC-HVDC换流站的拓扑结构示意图；
图3为本发明HVDC整流级正序微分平坦控制器结构示意图；
图4为本发明实施例的目标1的HVDC整流级三相输入电压示意图；
图5为本发明实施例的目标1的HVDC整流级直流侧电压示意图；
图6为本发明实施例的目标1的HVDC整流级传输的有功功率和无功功率示意图；
图7为本发明实施例的目标1的HVDC整流级正序d、q轴电流示意图；
图8为本发明实施例的目标1的HVDC整流级负序d、q轴电流示意图；
图9为本发明实施例的目标1的HVDC逆变级三相输出电压示意图；
图10为本发明实施例的目标1的HVDC逆变级三相输出电流示意图；
图11为本发明实施例的目标1的HVDC逆变级传输的有功功率和无功功率示意图；
图12为本发明实施例的目标1的HVDC逆变级正序d、q轴电流示意图；
图13为本发明实施例的目标2的HVDC整流级三相输入电压示意图；
图14为本发明实施例的目标2的HVDC整流级直流侧电压示意图；
图15为本发明实施例的目标2的HVDC整流级传输的有功功率和无功功率示意图；
图16为本发明实施例的目标2的HVDC整流级正序d、q轴电流示意图；
图17为本发明实施例的目标2的HVDC整流级负序d、q轴电流示意图；
图18为本发明实施例的目标2的HVDC逆变级三相输出电压示意图；
图19为本发明实施例的目标2的HVDC逆变级三相输出电流示意图；
图20为本发明实施例的目标2的HVDC逆变级传输的有功功率和无功功率示意图；
图21为本发明实施例的目标2的HVDC逆变级正序d、q轴电流示意图；
图22为本发明实施例的目标3的HVDC无源侧三相输入电压示意图；
图23为本发明实施例的目标3的HVDC逆变级传输的有功功率和无功功率示意图；
图24为本发明实施例的目标3的HVDC逆变级正序d、q轴电流示意图；
图25为本发明实施例的目标3的HVDC逆变级负序d、q轴电流示意图；
图26为本发明实施例的目标3的HVDC整流级正序d、q轴电流示意图；
图27为本发明实施例的目标3的HVDC整流级直流侧电压示意图；
图28为本发明实施例的目标3的HVDC整流级传输的有功功率和无功功率示意图；
图29为本发明实施例的目标3的HVDC整流级直流侧传输功率示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
本发明涉及一种不对称故障下的对无源网络供电的MMC-HVDC的控制方法，该方法包括以下步骤：
步骤一：向无源网络供电的MMC-HVDC系统结构和工作原理为：
图1为对无源供电的MMC-HVDC系统结构图。由图可见，HVDC系统的左侧MMC换流站与电网相连接，换流站运行在整流状态，系统右侧的换流站与无源网络相连，运行在逆变状态。Z1、Z2为无源网络的负载。三相电网采用无穷大电源来表示。
图2为对无源供电的MMC-HVDC换流站的拓扑结构。由图可见，组成MMC-HVDC换流站的MMC变换器由每相2桥臂共6个桥臂构成，每个桥臂都由n个子模块(Sub Module，SM)与桥臂电感L和桥臂等值电阻R相互串联而成。每一个SM都采用半桥的结构，分别包含2个反并联二极管的IGBT(SP、Sn)和一个储能电容。根据SP、Sn开关状态的不同，在正常运行时，SM可呈现两种工作状态，分别为投入状态和切除状态。当SM为投入状态时，SP导通，Sn关断，此时子模块的输出电压为电容电压Uc。当SM为切除状态时，SP关断，Sn导通，此时子模块的输出电压为电容电压0。
步骤二：根据MMC拓扑结构，根据Kirchhoff定律，可得MMC换流器的数学模型为如下式(1)：
Figure BDA0002655931360000071
其中，Ls＝LT+L/2，Rs＝RT+R/2，
式中，ua、ub、uc为MMC-HVDC交流侧的电网电压，uva、uvb、uvc为MMC-HVDC整流级换流器的输入电压，ia、ib、ic为MMC-HVDC交流侧的电网电流，Rs、Ls分别为输电线路的等值电阻和等值电感，R、L分别为MMC的桥臂电阻和桥臂电感，RT、LT分别为电网的输电线路电阻和电感。
不考虑换流器的损耗，根据直流侧能量守恒，整流器的交流侧的瞬时功率与直流端子处的瞬时功率相等，给出以下功率平衡方程式(2)：
Figure BDA0002655931360000081
式中，id、iq分别为HVDC交流侧电网电流的d、q轴分量，Rload为HVDC逆变级和负载侧的等效电阻，usd、usq分别为HVDC交流侧电网电压的d、q轴分量，udc为MMC直流侧电压，Cdc为MMC直流侧电容。
步骤三：将MMC换流器的数学模型经过abc-dq0变换，可得在d、q旋转坐标系下的数学模型为式(3)：
Figure BDA0002655931360000082
式中，ud、uq分别为HVDC整流器输入电压的d、q轴分量，ω为同步旋转坐标系下HVDC系统的基波角频率。
步骤四：针对不同的输出变量，对MMC拓扑进行平坦性分析为：
令MMC-HVDC系统整流级的状态向量、输入变量为式(4)：
Figure BDA0002655931360000083
根据上式可得系统的状态方程为式(5)：
Figure BDA0002655931360000084
其中，
Figure BDA0002655931360000085
若MMC外环控制器采用定有功功率控制和无功功率控制，则选取输出变量为式(6)：
Figure BDA0002655931360000091
式中，P、Q为有源侧输入的瞬时有功功率、瞬时无功功率。因此输出变量和状态变量的关系为式(7)：
Figure BDA0002655931360000092
根据上式，直流电压可用一个相对精确解较简单的表达式为式(8)：
Figure BDA0002655931360000093
式中：τ＝RloadCdc，C1为常数。
根据上式可得式(9)：
Figure BDA0002655931360000094
结合上式可得式(10)和(11)：
Figure BDA0002655931360000095
Figure BDA0002655931360000096
根据上式，可将输入变量由输出变量及其导数表示为式(12)和(13)：
Figure BDA0002655931360000097
Figure BDA0002655931360000098
根据上式可得式(14)：
Figure BDA0002655931360000099
MMC-HVDC系统整流级的状态向量、输入变量都可以由输出变量及其导数表示，说明选取有功功率和无功功率作为输出变量时，MMC-HVDC系统具有平坦性，输出是平坦输出的。
同理当选取输出变量为式(15)：
Figure BDA0002655931360000101
根据上述选取输出变量为有功功率和和无功功率可知，该输出变量同样满足MMC平坦性要求。
若MMC外环控制器采用定直流电压控制，则选取输出变量为式(16)：
Figure BDA0002655931360000102
根据上式可得式(17)：
Figure BDA0002655931360000103
根据上式，将系统的状态向量表示为式(18)：
Figure BDA0002655931360000104
根据上式可得式(19)：
Figure BDA0002655931360000105
根据上式可得式(20)：
Figure BDA0002655931360000106
MMC-HVDC系统整流级的状态向量、输入变量都可以由输出变量及其导数表示，说明当MMC外环控制器采用定直流电压控制时MMC-HVDC系统具有平坦性，输出是平坦输出。
步骤五：以输出变量为有功功率和无功功率对MMC拓扑进行稳定性分析为：
控制器电流内环的轨迹误差反馈部分采用的是PI控制，将平坦输出的比例积分误差定义为式(21)：
Figure BDA0002655931360000111
式中，ei1为微分平坦平面输出的比例误差，ei2为微分平坦平面输出的积分误差，
Figure BDA0002655931360000112
为微分平坦平面输出的积分误差的关系式，
Figure BDA0002655931360000113
为输出变量的参考值，yi为输出变量。
微分平坦的输出误差对平坦输入量的影响可以由李亚普洛夫(Lyapunov)函数的稳定性来判定。建立Lyapunov函数为式(22)：
Figure BDA0002655931360000114
对上式进行求导可得式(23)：
Figure BDA0002655931360000115
本实施例以输出变量为有功功率和无功功率为例，根据上式可得式(24)：
Figure BDA0002655931360000116
通过使微分平坦输出的Lyapunov函数在全局上渐近稳定，由上式得出的控制输入为式(25)：
Figure BDA0002655931360000117
Figure BDA0002655931360000118
根据上式可得式(26)：
Figure BDA0002655931360000119
根据上式可知，系统是渐进稳定的。
步骤六：根据微分平坦理论，设计在不对称故障下，基于微分平坦理论的MMC-HVDC正负序内环控制器为：
在发生不对称故障时，通过T/4延时的方法，分别计算出三相电压和三相电流的正序、负序分量。将已经转换为d、q两相旋转坐标系的关系式整理为矩阵形式为式(27)和(28)：
Figure BDA0002655931360000121
Figure BDA0002655931360000122
式中：
Figure BDA0002655931360000123
分别为HVDC整流器输入正负序电压的d、q轴分量；
Figure BDA0002655931360000124
分别为HVDC交流侧电网正负序电压的d、q轴分量；
Figure BDA0002655931360000125
Figure BDA0002655931360000126
分别为HVDC交流侧电网正负序电流的d、q轴分量。
根据微分平坦理论设计的内环控制器可分为2个部分，分别为期望参考轨迹生成和误差反馈补偿。根据上面两式可得到基于微分平坦理论的正负序内环前馈参考输入控制量，式(29)和(30)：
Figure BDA0002655931360000127
Figure BDA0002655931360000128
式中：
Figure BDA0002655931360000129
分别为正负序系统中
Figure BDA00026559313600001210
的参考值。
令三相电压和电流的d、q轴正、负序分量参考值分别为：
Figure BDA00026559313600001211
将式写成以下形式(31)和(32)：
Figure BDA00026559313600001212
Figure BDA00026559313600001213
其中，
Figure BDA00026559313600001214
令正负序系统的误差变量为式(33)：
Figure BDA00026559313600001215
其中，
Figure BDA00026559313600001216
在Δx+＝0、Δx_＝0处将式进行线性化处理，可得正负序系统的误差模型为式(34)：
Figure BDA0002655931360000131
其中，
Δu+＝u+-(u+)*，Δu-＝u--(u-)*
由上式可求得正负序系统电流内环的误差反馈补偿值分别为式(35)：
Figure BDA0002655931360000132
其中，
Figure BDA0002655931360000133
式中：kp1、ki1为正序PI控制器参数，kp2、ki2为负序PI控制器参数。为了消除误差值，令式中Δx+*＝Δx-*＝0。
综上所述，可得MMC-HVDC输入级的基于微分平坦理论的正、负序电流内环控制器的控制信号分别为式(36)：
Figure BDA0002655931360000134
步骤七：设计在不对称故障下，对无源网络供电的MMC-HVDC双端变流器各自的正负序外环控制器为：
向无源网络供电的MMC-HVDC系统中，为了达到HVDC直流电压稳定可控的控制目标，HVDC整流级采用定直流电压控制。本发明选取的整流级内环正序系统的电流参考值为式(37)和(38)：
Figure BDA0002655931360000135
Figure BDA0002655931360000136
同时为了抑制电网在发生不对称故障时所产生的负序电流，防止MMC换流器中产生过电流，本发明选取整流级负序系统的电流参考值为式(39)：
Figure BDA0002655931360000137
在无源侧，HVDC逆变级需要向负载提供为稳定的交流电压，因此HVDC逆变级需要采用定交流电压控制。本发明选取的逆变级内环正序系统的电流d轴分量参考值为式(40)：
Figure BDA0002655931360000141
式中：
Figure BDA0002655931360000142
为逆变级内环正序系统的d轴电流的参考值；
Figure BDA0002655931360000143
为无源侧输出交流电压的额定值；
Figure BDA0002655931360000144
为无源侧输出电压正序的d轴分量。
HVDC逆变级的无功功率控制利用了控制逆变器电压可以相移特性。本发明选取的逆变级内环正序系统的电流q轴分量参考值为式(41)：
Figure BDA0002655931360000145
通过上式计算逆变级内环正序系统q轴电流参考值，将电流发生相移，使得负载电压可与电网电压同步，以满足负载网络的无功功率需求。
同时为了抑制在无源侧发生不对称故障时所产生的负序电流，本发明选取HVDC逆变级负序系统的电流参考值为式(42)：
Figure BDA0002655931360000146
图3为本发明HVDC整流级正序微分平坦控制器。由图可见，HVDC整流级正序的电压外环采用定直流电压控制，定直流电压控制器输出正序d轴电流的参考值，q轴电流参考值为0，输入到HVDC整流级正序的电流内环微分平坦控制器，微分平坦控制器分为参考轨迹生成部分和轨迹误差反馈部分，分别对这两部分进行计算，相加得到正序的d、q轴电压参考值。
为验证本发明方法的优势，本实施例依照MMC-HVDC系统，基于MATLAB/Simulink搭建仿真模型进行了仿真对比实验，且在实验样机上进行了实验验证。模型的具体参数如下：
Figure BDA0002655931360000147
这里实验的目标1为电网电压发生电压B相电压和C相电压暂降故障，暂降致原来电网电压的50％。目标2为电网电压发生电压B相电压和C相电压暂升故障，暂升致原来电网电压的130％.目标3为无源侧发生A相单相接地故障。
具体仿真效果为：
在发生电压暂降故障，故障持续100ms后消失。HVDC交流侧B、C相电压暂降至原先值的50％，A相电压保持不变。图4为本发明实施例的目标1的HVDC整流级三相输入电压；图5为本发明实施例的目标1的HVDC整流级直流侧电压；图6为本发明实施例的目标1的HVDC整流级传输的有功功率和无功功率；图7为本发明实施例的目标1的HVDC整流级正序d、q轴电流；图8为本发明实施例的目标1的HVDC整流级负序d、q轴电流；图9为本发明实施例的目标1的HVDC逆变级三相输出电压；图10为本发明实施例的目标1的HVDC逆变级三相输出电流；图11为本发明实施例的目标1的HVDC逆变级传输的有功功率和无功功率；图12为本发明实施例的目标1的HVDC逆变级正序d、q轴电流。在发生电压暂降故障时，HVDC直流侧电压下降，为了抑制直流侧电压下降，外环控制器提高了d轴电流的参考值。微分平坦控制能够较快速的抑制电网不平衡故障时产生的负序电流，且负序电流侧波动较小。同时采用微分平坦控制的HVDC系统也能够更好的抑制无功功率的波动。在故障消失后，采用微分平坦控制器的HVDC系统的直流侧电压能够更为快速的恢复至先前稳态时的指令值。HVDC逆变级输出的三相电流并未产生较大波动，采用微分平坦控制的逆变级有功功率在故障消失后能够较快的恢复到稳态时的水平。
在发生电压暂降故障，故障持续100ms后消失。HVDC交流侧B、C相电压暂升至稳态值的130％。图13为本发明实施例的目标2的HVDC整流级三相输入电压；图14为本发明实施例的目标2的HVDC整流级直流侧电压；图15为本发明实施例的目标2的HVDC整流级传输的有功功率和无功功率；图16为本发明实施例的目标2的HVDC整流级正序d、q轴电流；图17为本发明实施例的目标2的HVDC整流级负序d、q轴电流；图18为本发明实施例的目标2的HVDC逆变级三相输出电压；图19为本发明实施例的目标2的HVDC逆变级三相输出电流；图20为本发明实施例的目标2的HVDC逆变级传输的有功功率和无功功率；图21为本发明实施例的目标2的HVDC逆变级正序d、q轴电流。由于电网电压暂升，为了抑制直流侧电压上升，外环控制器降低d轴电流的参考值降低，基于微分平坦理论的整流级正负序电流内环控制器能够较好的抑制直流电压升高，同时其波动较小，有功功率波动幅度和无功功率波动幅度较小。HVDC逆变级输出的三相电压和三相能够保持稳定，并未产生较大波动，采用微分平坦控制的逆变级有功功率波动较小，且在故障消失后能够较快的恢复到稳态时的水平。
在无源负载侧发生A相接地故障，故障持续100ms。图22为本发明实施例的目标3的HVDC无源侧三相输入电压；图23为本发明实施例的目标3的HVDC逆变级传输的有功功率和无功功率；图24为本发明实施例的目标3的HVDC逆变级正序d、q轴电流；图25为本发明实施例的目标3的HVDC逆变级负序d、q轴电流；图26为本发明实施例的目标3的HVDC整流级正序d、q轴电流；图27为本发明实施例的目标3的HVDC整流级直流侧电压；图28为本发明实施例的目标3的HVDC整流级传输的有功功率和无功功率；图29为本发明实施例的目标3的HVDC整流级直流侧传输功率。由于故障时采取正负序微分平坦控制器，故障电流的负序分量得到了有效的抑制，同时也能有效的抑制故障电流的增幅。在无源侧发生单相接地故障时，采用正负序微分平坦控制的逆变级有功功率波动较小，无功功率得了很好的控制效果。由于采用了正负序微分平坦控制器，HVDC直流侧电压波动较小。HVDC整流级输出的有功功率和无功功率以及直流侧功率波动均比较小，控制效果显著。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种不对称故障下的对无源网络供电的MMC-HVDC的微分平坦控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1：建立对无源供电的MMC-HVDC系统模型，并进一步建立于该系统模型中的MMC-HVDC换流站的拓扑结构模型；
步骤2：根据MMC-HVDC换流站的拓扑结构模型建立对应的数学模型，包括MMC交流侧数学模型以及MMC直流侧数学模型，并将MMC交流侧数学模型根据坐标变换理论变换为dq两相旋转坐标系下的MMC交流侧数学模型；
步骤3：基于dq两相旋转坐标系下的MMC交流侧数学模型以及MMC直流侧数学模型中的各变量，进行针对MMC-HVDC换流站的拓扑结构模型的平坦性以及稳定性分析判断；
步骤4：基于微分平坦理论，确定通过MMC-HVDC换流站的拓扑结构模型的平坦性以及稳定性分析判断后设计在不对称故障下基于微分平坦理论的MMC-HVDC正负序内环控制器；
步骤5：设计在不对称故障下基于微分平坦理论的MMC-HVDC正负序外环控制器，并与步骤4中的MMC-HVDC正负序内环控制器配合进行MMC-HVDC的微分平坦控制。
2.根据权利要求1所述的一种不对称故障下的对无源网络供电的MMC-HVDC的微分平坦控制方法，其特征在于，所述的步骤1中对无源供电的MMC-HVDC系统模型包括依次按顺序相互连接的电网、左侧MMC-HVDC换流站、右侧MMC-HVDC换流站以及无源网络，所述MMC-HVDC换流站的拓扑结构模型由每相2个桥臂共6个桥臂构成，每个所述桥臂由自然数n个子模块SM、桥臂电感L和桥臂等值电阻R相互串联组成，每个所述子模块SM包括2个反并联二极管的IGBT和1个储能电容。
3.根据权利要求1所述的一种不对称故障下的对无源网络供电的MMC-HVDC的微分平坦控制方法，其特征在于，所述的步骤2中的MMC交流侧数学模型，其数学描述公式为：
Figure FDA0002655931350000021
其中，Ls＝LT+L/2，Rs＝RT+R/2，
式中，ua、ub、uc为MMC-HVDC交流侧的电网电压，uva、uvb、uvc为MMC-HVDC整流级换流器的输入电压，ia、ib、ic为MMC-HVDC交流侧的电网电流，Rs、Ls分别为输电线路的等值电阻和等值电感，R、L分别为MMC的桥臂电阻和桥臂电感，RT、LT分别为电网的输电线路电阻和电感。
4.根据权利要求1所述的一种不对称故障下的对无源网络供电的MMC-HVDC的微分平坦控制方法，其特征在于，所述的步骤2中的MMC直流侧数学模型，其数学描述公式为：
Figure FDA0002655931350000022
式中，id、iq分别为HVDC交流侧电网电流的d、q轴分量，Rload为HVDC逆变级和负载侧的等效电阻，usd、usq分别为HVDC交流侧电网电压的d、q轴分量，udc为MMC直流侧电压，Cdc为MMC直流侧电容。
5.根据权利要求1所述的一种不对称故障下的对无源网络供电的MMC-HVDC的微分平坦控制方法，其特征在于，所述的步骤2中的dq两相旋转坐标系下的MMC交流侧数学模型，其数学描述公式为：
Figure FDA0002655931350000023
式中，ud、uq分别为HVDC整流器输入电压的d、q轴分量，ω为同步旋转坐标系下HVDC系统的基波角频率。
6.根据权利要求1所述的一种不对称故障下的对无源网络供电的MMC-HVDC的微分平坦控制方法，其特征在于，所述的步骤3中针对MMC-HVDC换流站的拓扑结构模型进行平坦性分析判断的过程具体包括：
基于dq两相旋转坐标系下的MMC交流侧数学模型以及MMC直流侧数学模型中的各变量，判断当MMC外环控制器采用定有功功率控制和无功功率控制或采用定直流电压控制时，各变量中的状态向量、输入变量是否能够由输出变量及其导数表示，若能则MMC-HVDC换流站的拓扑结构模型通过平坦性分析判断。
7.根据权利要求1所述的一种不对称故障下的对无源网络供电的MMC-HVDC的微分平坦控制方法，其特征在于，所述的步骤3中针对MMC-HVDC换流站的拓扑结构模型进行稳定性分析判断的过程包括以下分步骤：
步骤01：定义MMC-HVDC换流站的拓扑结构模型中控制器电流内环的轨迹误差反馈部分的PI控制误差；
步骤02：利用李亚普洛夫函数的稳定性来判定是否满足PI控制误差对平坦输入量的影响是否小于等于0的条件，若能满足条件则MMC-HVDC换流站的拓扑结构模型通过稳定性分析判断。
8.根据权利要求7所述的一种不对称故障下的对无源网络供电的MMC-HVDC的微分平坦控制方法，其特征在于，所述的步骤01中的MMC-HVDC换流站的拓扑结构模型中控制器电流内环的轨迹误差反馈部分的PI控制误差，其数学描述公式为：
Figure FDA0002655931350000031
式中，ei1为微分平坦平面输出的比例误差，ei2为微分平坦平面输出的积分误差，
Figure FDA0002655931350000032
为微分平坦平面输出的积分误差的关系式，
Figure FDA0002655931350000033
为输出变量的参考值，yi为输出变量。
9.根据权利要求1所述的一种不对称故障下的对无源网络供电的MMC-HVDC的微分平坦控制方法，其特征在于，所述的步骤4中在不对称故障下基于微分平坦理论的MMC-HVDC正负序内环控制器包括期望参考轨迹生成部分和误差反馈补偿部分，其控制信号对应的数学描述公式为：
Figure FDA0002655931350000034
Figure FDA0002655931350000035
Figure FDA0002655931350000041
Figure FDA0002655931350000042
其中，
Figure FDA0002655931350000043
Figure FDA0002655931350000044
Δx+*＝Δx-*＝0
式中，上标·表示导数，上标+表示正序，上标-表示负序，kp1、ki1为正序PI控制器参数，kp2、ki2为负序PI控制器参数。
10.根据权利要求1所述的一种不对称故障下的对无源网络供电的MMC-HVDC的微分平坦控制方法，其特征在于，所述的步骤5中在不对称故障下基于微分平坦理论的MMC-HVDC正负序外环控制器包括针对所述MMC-HVDC系统模型中HVDC整流级部分采用的定直流电压控制和针对所述MMC-HVDC系统模型中HVDC逆变级部分采用的定交流电压控制，其中，所述HVDC整流级部分中内环正序系统的电流参考值为：
Figure FDA0002655931350000045
Figure FDA0002655931350000046
式中，
Figure FDA0002655931350000047
分别为正序系统的电流参考值的d、q轴分量，
Figure FDA0002655931350000048
为MMC直流侧电压的额定值，kp3、ki3为HVDC整流级部分中内环正序系统的PI控制器参数；
所述HVDC整流级部分中内环负序系统的电流参考值为0；
所述HVDC逆变级部分中内环负序系统的电流参考值为0；
所述HVDC逆变级部分中内环正序系统的电流d轴分量参考值为：
Figure FDA0002655931350000049
式中，
Figure FDA00026559313500000410
为HVDC逆变级部分中内环正序系统的电流d轴分量参考值，kp4、ki4为HVDC逆变级部分中内环正序系统的PI控制器参数，
Figure FDA00026559313500000411
为无源侧输出交流电压的额定值，
Figure FDA00026559313500000412
为无源侧输出电压正序的d轴分量；
所述HVDC逆变级部分中内环正序系统的电流q轴分量参考值为：
Figure FDA00026559313500000413
式中，
Figure FDA00026559313500000414
为HVDC逆变级部分中内环正序系统的电流q轴分量参考值，Qmeasure为测量的HVDC逆变级部分中内环正序系统的无功功率。
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