CN112086995B - 适用于lcc-mmc混合级联换流站并联mmc单元的控制策略 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于LCC‑MMC混合级联换流站并联MMC单元的控制策略，包括：(1)根据MMC阀组中每个并联MMC单元的控制方式和额定容量对所有并联MMC单元进行编号；(2)计算采用定直流电压控制的并联MMC单元的直流电流指令值；(3)计算采用定有功功率控制的并联MMC单元的有功功率指令值；(4)修正采用定直流电压控制的MMC单元的直流电压指令并加以控制；按照计算所得的有功功率指令值对采用定直流电压控制的MMC单元施加控制。本发明可以实现多个MMC单元同时控制直流电压的功能，可以实现直流电流在各个并联MMC单元中的合理分配，实施简单，适用性强，实际的工程意义重大。

Description

适用于LCC-MMC混合级联换流站并联MMC单元的控制策略

技术领域

本发明属于电力系统输配电技术领域，具体涉及一种适用于LCC-MMC混合级联换流站并联MMC单元的控制策略。

背景技术

我国能源资源与负荷需求逆向分布，远距离大容量特高压直流输电正得到快速发展。目前用于我国“西电东送，北电南送”的直流系统具备如下三个特性：(1)潮流方向固定；潮流通常由能源集中区域流向负荷集中区域，潮流反转问题通常不需要考虑。(2)电压等级高，输送功率大；目前特高压直流输电系统的额定直流电压和额定直流功率可以达到±800kV/8000MW或更高的水平。(3)绝大多数采用架空线路作为直流线路；架空线路相对于电缆故障率较高，需要换流器具备直流故障自清除能力。

目前用于高压直流输电系统的换流器主要存在两种技术路线：基于电网换相换流器(Line Commutated Converter，LCC)的传统直流输电系统和基于模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)的柔性直流输电系统。实际工程经验和理论分析表明，LCC存在如下几个技术缺陷：(1)换流站需要装设大量的滤波器和无功补偿装置，一方面造成换流站占地面积过大，另一方面会导致甩负荷时的过电压；(2)不能对无源网络供电；(3)对交流系统强度的要求较高，且对交流故障较为敏感，交流侧故障下容易出现换相失败故障；上述几个缺陷共同制约着传统直流输电技术的进一步发展。相比起LCC，MMC采用了具备主动开通和关断能力半导体器件，无须借助于电网进行换相，可以实现有功功率和无功功率的解耦控制，并为交流电网提供电压支撑，从根本上解决了常规直流输电技术存在的换相失败、无法接入弱交流系统等技术缺陷，但是存在经济性较差的问题。

为了充分发挥LCC和MMC的技术优势，目前有文献提出了在整流侧采用基于LCC的传统直流换流站，逆变侧采用LCC-MMC混合级联换流站的拓扑方案，整流侧充分利用了LCC的技术成熟度高且经济性好的优势，逆变侧可以实现有功无功独立控制、具备直流故障自清除能力、整流侧严重故障下不会断流等技术优势，具备一定的应用前景。

为了匹配送端LCC换流站的直流电流(额定值为6kA或者更高)，受端换流站通常需要多个MMC单元并联，因为现有技术条件下单个MMC单元的最大额定直流电流只能达到3kA左右。当逆变站存在多个MMC单元并联的情况，由于逆变站通常采用定直流电压控制，如果有一个以上的MMC单元采用定直流电压控制，那么直流电流在采用定直流电压控制MMC单元之间的电流分配会受到MMC直流阻抗的影响，考虑到各个MMC的参数可能存在差异，并联的MMC通常需要考虑直流电流分配问题。

到目前为止，已公开的绝大多数文献基本集中在LCC-MMC混合级联换流站的基本控制策略的研究，包括稳态控制和故障控制；然而目前很少有文献针对该问题进行研究，并没有给出LCC-MMC混合级联换流站的并联MMC单元的控制策略。

发明内容

鉴于上述，本发明提供了一种适用于LCC-MMC混合级联换流站并联MMC单元的控制策略，该控制方法实施简单，适用性强，在工程设计中有较大的使用价值。

一种适用于LCC-MMC混合级联换流站并联MMC单元的控制策略，包括如下步骤：

(1)根据换流站MMC阀组中每个并联MMC单元的控制方式和额定容量对所有MMC单元进行编号；

(2)对于采用定直流电压控制方式的MMC单元，根据其直流电流实测值计算出MMC单元的直流电流指令值；

(3)对于采用定有功功率控制方式的MMC单元，根据其额定容量以及系统整流站的直流电流指令值计算出MMC单元的有功功率指令值；

(4)对于采用定直流电压控制方式的MMC单元，利用直流电流指令值和实测值对MMC单元的直流电压指令值进行修正，进而依据修正后的直流电压指令值对MMC单元加以控制；

(5)对于采用定有功功率控制方式的MMC单元，则依据有功功率指令值对MMC单元加以控制。

进一步地，所述步骤(1)的具体实现过程为：首先将MMC阀组中的所有MMC单元分成两类，即采用定直流电压控制的MMC单元且数量为N₁以及采用定有功功率控制的MMC单元且数量为N₂；然后将采用定直流电压控制的MMC单元按额定容量从小到大的顺序分别编号为1～N₁，将采用定有功功率控制的MMC单元按额定容量从小到大的顺序分别编号为N₁+1～N₁+N₂。

进一步地，所述步骤(2)中通过以下公式计算MMC单元的直流电流指令值；

其中：i_{dcref_k}为MMC阀组中第k个MMC单元的直流电流指令值(标幺值)，S_k为第k个MMC单元的额定容量，S_i为第i个MMC单元的额定容量，i_dci和i_{dcba_i}分别为第i个MMC单元的直流电流实测值(标幺值)和直流电流基准值，i_{dcba_k}为第k个MMC单元的直流电流基准值，i和k均为自然数且1≤i≤N₁，1≤k≤N₁，N₁为MMC阀组中采用定直流电压控制的MMC单元数量。

进一步地，所述步骤(3)中通过以下公式计算MMC单元的有功功率指令值；

其中：P_{ref_r}为MMC阀组中第r个MMC单元的有功功率指令值(标幺值)，i_{ba_rec}和i_{ref_rec}分别为整流站的直流电流指令值(标幺值)和直流电流基准值，S_r为第r个MMC单元的额定容量，S_j为第j个MMC单元的额定容量，i_{dcba_r}为第r个MMC单元的直流电流基准值，N₁为MMC阀组中采用定直流电压控制的MMC单元数量，N₂为MMC阀组中采用定有功功率控制的MMC单元数量，r和j均为自然数且1≤j≤N₁+N₂，N₁+1≤r≤N₁+N₂。

进一步地，所述步骤(4)的具体实施过程为：首先将第k个MMC单元的直流电流实测值i_dck减去直流电流指令值i_{dcref_k}，得到对应的电流误差值；然后使该电流误差值依次经比例控制环节以及限幅环节后得到第k个MMC单元的直流电压修正值；最后使第k个MMC单元的原直流电压指令值加上该直流电压修正值后即得到修正后的直流电压指令值，并依此采用定直流电压控制方式对第k个MMC单元加以控制，1≤k≤N₁，N₁为MMC阀组中采用定直流电压控制的MMC单元数量。

进一步地，所述比例控制环节的比例系数设定为0.1，限幅环节的最大输出和最小输出限值分别设定为0.1p.u.和-0.1p.u.(标幺值)。

基于上述技术方案，本发明具有以下有益技术效果：

(1)针对LCC-MMC混合级联换流站，本发明提出了一种并联MMC单元的控制策略，该方法可以实现多个MMC单元同时控制直流电压的功能，可以为未来工程的设计起到一定的指导作用。

(2)本发明通过计算出控制有功功率的MMC单元的有功功率，且在定直流电压的MMC单元中增加直流电压指令值修正环节，可以实现直流电流在各个并联MMC单元中的合理分配。本发明方法该方法实施简单，适用性强，实际的工程意义重大。

附图说明

图1(a)为本发明整流侧采用LCC换流站且逆变侧采用LCC-MMC混合级联换流站的输电系统结构示意图。

图1(b)为本发明系统逆变侧MMC阀组的结构示意图。

图2为本发明控制方法的步骤流程示意图。

图3为定直流电压控制方式MMC单元直流电压指令值的计算原理框图。

图4为采用本发明方法仿真所得的MMC单元出口直流电压仿真波形图。

图5为采用本发明方法仿真所得的逆变站直流电流仿真波形图。

图6为采用本发明方法仿真所得的MMC单元直流电流仿真波形图。

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方式对本发明的技术方案进行详细说明。

实施例一

如图2所示，本发明LCC-MMC混合级联换流站的并联MMC单元的控制策略，包括如下步骤：

(1)根据MMC阀组中每个并联MMC单元的控制方式和额定容量对所有并联MMC单元进行编号。

假设逆变站并联MMC单元中有N₁个MMC单元采用定直流电压控制，有N₂个MMC单元采用定有功功率控制。将N₁个定直流电压的MMC单元按照额定容量从小到大的顺序分别编号为1～N₁，将N₂个定有功功率的MMC单元按照额定容量从小到大的顺序分别编号为N₁+1～N₂+N₁。

(2)对于采用定直流电压控制的并联MMC单元，根据其直流电流的实测值，计算相应MMC单元的直流电流指令值。

假设N₁个采用定直流电压控制的并联MMC单元额定容量分别为S₁～S_N1，第k个(1≤k≤N₁)MMC单元的直流电流指令值(标幺值)i_{dcref_k}可以根据如下所示公式进行计算：

其中：i_dci和i_{dcba_i}分别为第i个MMC单元的直流电流实测值(标幺值)和直流电流基准值(1≤i≤N₁)。

(3)对于采用定有功功率控制的并联MMC单元，根据整流站直流电流指令值和所有MMC单元的额定容量计算相应MMC单元的有功功率指令值。

假设N₂个采用定有功功率控制的并联MMC单元额定容量分别为S_N1～S_(N1+N2)，第r个(N₁≤r≤N₂+N₁)MMC单元的有功功率指令值(标幺值)Pref_r可以根据如下所示公式进行计算：

其中：i_{ba_rec}和i_{ref_rec}分别为整流站的直流电流指令值(标幺值)和电流基准值，S_i为第i个MMC单元的额定容量(1≤i≤N₂+N₁)，i_{dcba_r}为第r个MMC单元的直流电流基准值(N₁≤r≤N₂+N₁)。

(4)对于采用定直流电压控制的MMC单元，利用MMC单元直流电流指令值和实测值对所有并联MMC单元的直流电压指令值进行修正，依据修正后的直流电压指令值采用定直流电压对MMC单元加以控制；对于采用定直流电压控制的MMC单元，直接按照步骤(3)中计算所得的有功功率指令值对MMC单元施加控制。

如图3所示，将第k(1≤k≤N₁)个MMC单元的直流电流实测值i_dck减去直流电流指令值i_{dcref_k}，得到对应的电流误差值，该电流误差值依次经比例环节以及限幅环节后得到的输出结果即为第k个MMC单元的直流电压修正量ΔU_dcrefk，将第k个MMC单元的原始直流电压指令值(标幺值)U_dc0k加上该修正量即得到修正后的直流电压指令值(标幺值)U_dcrefi。

优选地，比例环节系数设定为0.1，限幅环节的最大输出和最小输出分别设定为0.1p.u.和-0.1p.u.(标幺值)。

本实施方式中直流输电系统的结构如图1(a)所示，其中整流站采用双12脉动LCC构成，逆变站高压阀组采用12脉动LCC构成，低压阀组采用三个并联MMC单元构成MMC阀组(MMCB)，如图1(b)所示，全部采用定直流电压控制，直流输电系统参数如表1所示：

表1

在电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC中搭建相应的仿真平台，对Bus-2的三相金属性短路故障进行仿真。仿真中假设1.5s发生故障，故障持续时间0.1s。图4给出了3个并联MMC单元直流电压的波形，图5给出了逆变站直流电流的波形，图6给出了3个并联MMC单元直流电流的波形，仿真结果证明了本发明的有效性。

实施例二

本实施例提供的LCC-MMC混合级联换流站的并联MMC单元的控制策略，具体包括如下步骤：

步骤一、根据换流站阀组中并联MMC单元的控制方式，确定并联MMC单元的直流电流指令值或有功功率指令值。

其中，并联MMC单元的控制方式包括定直流电压控制方式和定有功功率控制方式，直流电流指令值为直流电流标幺值，有功功率指令值为有功功率标幺值。

具体的，若并联MMC单元为定直流电压控制方式，则根据并联MMC单元的直流电流实测值，计算并联MMC单元的直流电流指令值；若并联MMC为定有功功率控制方式，则根据并联MMC单元的额定容量以及整流站的直流电流指令值，计算并联MMC单元的有功功率指令值。并联MMC单元的直流电流指令值为：

其中，i_{dcref_k}为MMC阀组中第k个MMC单元的直流电流指令值，S_k为第k个MMC单元的额定容量，S_i为第i个MMC单元的额定容量，i_dci和i_{dcba_i}分别为第i个MMC单元的直流电流实测值和直流电流基准值，i_{dcba_k}为第k个MMC单元的直流电流基准值，i和k均为自然数且1≤i≤N₁，1≤k≤N₁，N₁为MMC阀组中采用定直流电压控制方式的MMC单元数量。

并联MMC单元的有功功率指令值为：

其中，P_{ref_r}为MMC阀组中第r个MMC单元的有功功率指令值，i_{ba_rec}和i_{ref_rec}分别为整流站的直流电流指令值和直流电流基准值，S_r为第r个MMC单元的额定容量，S_j为第j个MMC单元的额定容量，i_{dcba_r}为第r个MMC单元的直流电流基准值，N₁为MMC阀组中采用定直流电压控制方式的MMC单元数量，N₂为MMC阀组中采用定有功功率控制方式的MMC单元数量，r和j均为自然数且1≤j≤N₁+N₂，N₁+1≤r≤N₁+N₂。

步骤二、当确定直流电流指令值时，基于并联MMC单元的直流电流指令值和直流电流实测值，对并联MMC单元的直流电压指令值进行修正。

具体的，基于上述直流电流指令值的计算公式以及有功功率指令值的计算公式，可将第k个MMC单元的直流电流实测值i_dck与直流电流指令值i_{dcref_k}作差，得到对应的电流误差值；对电流误差值依次进行比例控制和限幅(比例控制的比例系数为0.1，限幅的最大输出限值的标幺值和最小输出限值的标幺值分别为0.1和-0.1)，得到第k个MMC单元的直流电压修正值；将第k个MMC单元的原直流电压指令和直流电压修正值的和作为修正后的直流电压指令值，以基于修正后的直流电压指令值对第k个MMC单元进行控制。

步骤三、基于修正后的直流电压指令值或有功功率指令值，对并联MMC单元进行控制。

具体的，基于修正后的直流电压指令值或有功功率指令值，对并联MMC单元进行控制的控制过程属于现有技术内容，如并联MMC单元采用常用的电流矢量控制，电流矢量控制分为外环控制器和内环控制器，外环控制器主要分为有功类控制回路与无功类控制回路，定直流电压控制是有功类控制回路的一种方式，定有功功率控制也是有功类控制回路的一种方式。可将修正后的直流电压指令值给MMC外环控制器，实现对并联MMC单元的定直流电压控制，或将有功功率指令值给MMC外环控制器，实现对并联MMC单元的定有功功率控制。以此，按照上述控制方式实现对各个并联MMC单元的定直流电压控制或定有功功率控制。

另外，在确定并联MMC单元的直流电流指令值或有功功率指令值之前，可将换流站阀组中并联MMC单元分为两类，其中一类为采用定直流电压控制方式的并联MMC单元，另一类为采用定有功功率控制方式的并联MMC单元；还可将采用定直流电压控制方式的并联MMC单元按额定容量从小到大的顺序进行编号，并将采用定有功功率控制方式的并联MMC单元按额定容量从小到大的顺序进行编号。具体的，若采用定直流电压控制方式的MMC单元数量为N₁，采用定有功功率控制方式的MMC单元数量为N₂，则采用定直流电压控制方式的MMC单元按额定容量从小到大顺序的编号为1～N₁，采用定有功功率控制方式的MMC单元按额定容量从小到大顺序的编号为N₁+1～N₁+N₂。对并联MMC单元按照上述编号顺序进行编号，以便于阐述，直流电流指令值的公式和有功功率指令值的公式更容易理解。

本实施例提供的LCC-MMC混合级联换流站的并联MMC单元的控制策略，根据换流站阀组中并联MMC单元的控制方式，确定并联MMC单元的直流电流指令值或有功功率指令值，当确定直流电流指令值时，基于并联MMC单元的直流电流指令值和直流电流实测值，对并联MMC单元的直流电压指令值进行修正，并基于修正后的直流电压指令值或有功功率指令值，对并联MMC单元进行控制。本实施例提供的LCC-MMC混合级联换流站的并联MMC单元的控制策略，通过计算得到并联MMC单元的直流电流指令值或有功功率指令值，并且当确定直流电流指令值时，对并联MMC单元的直流电压指令值进行修正，以实现直流电流在各个并联MMC单元中的合理分配，基于修正后的直流电压指令值，实现多个并联MMC单元同时控制直流电压，或基于有功功率指令值，实现多个并联MMC单元同时控制有功功率。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、结合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (8)

1.一种适用于LCC-MMC混合级联换流站并联MMC单元的控制策略，其特征在于，包括：

根据换流站阀组中并联MMC单元的控制方式，确定并联MMC单元的直流电流指令值或有功功率指令值；

当确定所述直流电流指令值时，基于所述并联MMC单元的直流电流指令值和直流电流实测值，对所述并联MMC单元的直流电压指令值进行修正；

基于修正后的所述直流电压指令值或所述有功功率指令值，对所述并联MMC单元进行控制；

所述根据换流站阀组中并联MMC单元的控制方式，确定并联MMC单元的有功功率指令值，包括：

若并联MMC为定有功功率控制方式，则根据所述并联MMC单元的额定容量以及整流站的直流电流指令值，计算所述并联MMC单元的有功功率指令值；

所述并联MMC单元的有功功率指令值为：

其中，P_{ref_r}为MMC阀组中第r个MMC单元的有功功率指令值，i_{ba_rec}和i_{ref_rec}分别为整流站的直流电流指令值和直流电流基准值，S_r为第r个MMC单元的额定容量，S_j为第j个MMC单元的额定容量，i_{dcba_r}为第r个MMC单元的直流电流基准值，N₁为MMC阀组中采用定直流电压控制方式的MMC单元数量，N₂为MMC阀组中采用定有功功率控制方式的MMC单元数量，r和j均为自然数且1≤j≤N₁+N₂，N₁+1≤r≤N₁+N₂。

2.根据权利要求1所述的控制策略，其特征在于，所述根据换流站阀组中并联MMC单元的控制方式，确定并联MMC单元的直流电流指令值，包括：

若并联MMC单元为定直流电压控制方式，则根据所述并联MMC单元的直流电流实测值，计算所述并联MMC单元的直流电流指令值。

3.根据权利要求1所述的控制策略，其特征在于，所述并联MMC单元的直流电流指令值为：

其中，i_{dcref_k}为MMC阀组中第k个MMC单元的直流电流指令值，S_k为第k个MMC单元的额定容量，S_i为第i个MMC单元的额定容量，i_dci和i_{dcba_i}分别为第i个MMC单元的直流电流实测值和直流电流基准值，i_{dcba_k}为第k个MMC单元的直流电流基准值，i和k均为自然数且1≤i≤N₁，1≤k≤N₁，N₁为MMC阀组中采用定直流电压控制方式的MMC单元数量。

4.根据权利要求3所述的控制策略，其特征在于，所述基于所述并联MMC单元的直流电流指令值和直流电流实测值，对所述并联MMC单元的直流电压指令值进行修正，包括：

将第k个MMC单元的直流电流实测值i_dck与直流电流指令值i_{dcref_k}作差，得到对应的电流误差值；

对所述电流误差值依次进行比例控制和限幅，得到第k个MMC单元的直流电压修正值；

将第k个MMC单元的原直流电压指令和所述直流电压修正值的和作为修正后的直流电压指令值，以对第k个MMC单元进行控制。

5.根据权利要求4所述的控制策略，其特征在于，所述比例控制的比例系数为0.1，限幅的最大输出限值的标幺值和最小输出限值的标幺值分别为0.1和-0.1。

6.根据权利要求1所述的控制策略，其特征在于，所述确定并联MMC单元的直流电流指令值或有功功率指令值之前，包括：

将换流站阀组中并联MMC单元分为两类，其中一类为采用定直流电压控制方式的并联MMC单元，另一类为采用定有功功率控制方式的并联MMC单元；

将采用定直流电压控制方式的并联MMC单元按额定容量从小到大的顺序进行编号，并将采用定有功功率控制方式的并联MMC单元按额定容量从小到大的顺序进行编号。

7.根据权利要求6所述的控制策略，其特征在于，若采用定直流电压控制方式的MMC单元数量为N₁，采用定有功功率控制方式的MMC单元数量为N₂，则采用定直流电压控制方式的MMC单元按额定容量从小到大顺序的编号为1～N₁，采用定有功功率控制方式的MMC单元按额定容量从小到大顺序的编号为N₁+1～N₁+N₂。

8.根据权利要求1所述的控制策略，其特征在于，所述直流电流指令值为直流电流标幺值，所述有功功率指令值为有功功率标幺值。

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