CN112491078B - 一种多应用场景交流故障穿越控制方法 - Google Patents

一种多应用场景交流故障穿越控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多应用场景交流故障穿越控制方法，包括以下步骤：建立换流器数学模型；建立换流器的交流故障态数学模型；设计非线性控制器；补偿二倍频零序共模电压，抑制直流二倍频。采用反馈线性化原理设计系统的非线性控制器，通过对直轴电流和交轴电流的解耦，实现有功功率和无功功率的快速独立控制以及负序电流抑制。提出了直流电压和电流二倍频分量的抑制策略，根据六个桥臂电压测量值计算直流电压，经过带通滤波器后，得到需要补偿的二倍频零序共模电压。通过仿真得到了发生不同交流故障时，不加入交流故障穿越控制、仅加入负序抑制、加入负序抑制和直流二倍频抑制三种不同策略下的运行结果，验证了控制策略的有效性。

Description

一种多应用场景交流故障穿越控制方法
技术领域
本发明涉及交流故障穿越控制技术领域，具体涉及一种多应用场景交流故障穿越控制方法。
背景技术
基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter，MMC)的柔性直流输电系统已经成为一种新型的灵活输电方式，特别适用于大规模可再生能源输送、异步电网互联、取代常规直流为短路容量不足的地区供电。
交直流故障穿越能力提升是柔性直流发展和应用亟待解决的关键问题。与常规交流系统不同，交流故障不仅会引起局部交流系统的电压异常，而且会通过侵入柔性直流系统而影响整个柔性直流系统的运行与控制。即使是单相对地短路故障也可能会导致故障交流线路所联接柔直换流器的闭锁，甚至引发整个柔直系统停运，大大降低了柔性直流系统的可靠性和可用率。无论柔直系统在交流侧或直流侧发生故障而闭锁，对于发端和受端的交流系统均构成大容量有功功率冲击，进而引起交流系统暂态过压、过流以及频率稳定问题；而闭锁清除后柔直系统的重启过程对交流系统同样会造成类似的影响。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种多应用场景交流故障穿越控制方法，采用反馈线性化原理设计系统的非线性控制器，通过对直轴电流和交轴电流的解耦，实现有功功率和无功功率的快速独立控制以及负序电流抑制。
为实现上述目的，本发明提供了一种多应用场景交流故障穿越控制方法，包括以下步骤：
建立换流器数学模型；
建立换流器的交流故障态数学模型；
设计非线性控制器；
补偿二倍频零序共模电压，抑制直流二倍频。
可选的，所述建立换流器的交流故障态数学模型，包括：基于对称分量法建立换流器的交流故障态数学模型。
可选的，所述建立换流器数学模型中，所述换流器数学模型包括相互耦合正序模型和负序模型。
可选的，所述建立换流器数学模型中，所述换流器数学模型为：
Figure GDA0004276776620000021
其中，
Figure GDA0004276776620000022
和/>
Figure GDA0004276776620000023
为交流系统电压正负序分量，/>
Figure GDA0004276776620000024
和/>
Figure GDA0004276776620000025
为换流器输出交流电压正负序分量，/>
Figure GDA0004276776620000031
和/>
Figure GDA0004276776620000032
为换流器输出交流电流正负序分量。
可选的，所述设计非线性控制器包括：基于反馈线性化原理设计非线性控制器，通过对直轴电流和交轴电流的解耦，实现有功功率和无功功率的独立控制。
可选的，所述设计非线性控制器中，所述非线性控制器包括正序控制器和负序控制器。
可选的，所示正序控制器和所述负序控制器结构相同。
可选的，所述补偿二倍频零序共模电压，抑制直流二倍频，包括：根据六个桥臂电压测量值计算直流电压，经过带通滤波器后，得到需要补偿的二倍频零序共模电压，补偿二倍频零序共模电压，抑制直流二倍频。
由于采用了上述技术方案，本发明的多应用场景交流故障穿越控制方法具有如下的优点：实现了主接线模型的元件化，简化了仿真模型搭建的流程，提升了仿真模型的通用性；将用以配合安控装置进行动模测试的继电保护装置的功能集成至仿真模型中，降低了对测试硬件资源的占用率及测试接线的复杂度，减轻了测试人员的工作量，也降低了人为因素导致的测试错误率。
附图说明
图1是本发明实施例的多应用场景交流故障穿越控制方法的流程图；
图2是本发明实施例MMC在异步互联场景下的应用示意图；
图3是本发明实施例的MMC在发生交流系统电网电压不对称故障时的正序等效模型；
图4是本发明实施例的MMC在发生交流系统电网电压不对称故障时的负序等效模型；
图5是本发明实施例的电流内环控制器的示意图；
图6是本发明实施例加入前馈环节的有功功率控制器的示意图；
图7是本发明实施例加入前馈环节的无功功率控制器的示意图；
图8是本发明实施例加入前馈环节的直流电压控制器的示意图；
图9是本发明实施例直流二倍频参考电压计算框图；
图10是本发明实施例直流二倍频抑制策略框图；
图11是本发明实施例单相对地故障，未加入交流故障穿越控制的仿真波形；
图12是是本发明实施例单相对地故障，加入负序抑制的仿真波形；
图13是是本发明实施例单相对地故障，加入负序抑制和直流二倍频抑制的仿真波形；
图14是本发明实施例两相对地故障，未加入交流故障穿越控制的仿真波形；
图15是本发明实施例两相对地故障，加入负序抑制的仿真波形；
图16是本发明实施例两相对地故障，加入负序抑制和直流二倍频抑制的仿真波形；
图17是本发明实施例两相短路不接地故障，未加入交流故障穿越控制的仿真波形；
图18是本发明实施例两相短路不接地故障，加入负序抑制的仿真波形；
图19是本发明实施例两相短路不接地故障，加入负序抑制和直流二倍频抑制的仿真波形。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
实施例一：
如图1所示，一种多应用场景交流故障穿越控制方法，包括以下步骤：
S1、建立换流器数学模型；即建立MMC数学模型；
S2、建立换流器的交流故障态数学模型；
S3、设计非线性控制器；
S4、补偿二倍频零序共模电压，抑制直流二倍频。
可选的，所述建立换流器的交流故障态数学模型，包括：基于对称分量法建立换流器的交流故障态数学模型。
模块化多电平换流器型高压直流输电系统(简称MMC-HVDC系统)在正常运行时是三相对称系统，正常运行时MMC-HVDC系统中的对称分量只有正序分量，当交流系统电网电压发生不对称故障之后，交流系统电网电压中除正序分量之外，出现了负序分量与零序分量，负序分量的存在导致MMC-HVDC系统的三相电压电流不平衡。另一方面，故障发生在MMC-HVDC系统交流侧，对于MMC换流站而言，MMC本身没有出现损坏的情况下仍是对称系统，负序分量进入MMC中之后将产生负序分量引起进一步的故障，而零序分量一般由于换流器前变压器的接法设计而被隔离，无法进入换流站中，因此，在对MMC-HVDC系统交流电网电压不对称故障进行对称分量分析时，一般只考虑正序分量和负序分量的控制。
可选的，所述建立换流器数学模型中，所述换流器数学模型包括相互耦合正序模型和负序模型。
具体的，参见图2所示，在交流系统电压不平衡且只计及基波分量的情况下，柔直系统的换流器数学模型，即MMC数学模型可以分解为2个相互解耦的子模型——正序模型和负序模型，2部分模型可以独立控制。
图中，MMC1的数学模型为
Figure GDA0004276776620000061
其中，
Figure GDA0004276776620000063
和/>
Figure GDA0004276776620000064
为交流系统电压正负序分量，/>
Figure GDA0004276776620000065
和/>
Figure GDA0004276776620000066
为MMC输出交流电压正负序分量，/>
Figure GDA0004276776620000067
和/>
Figure GDA0004276776620000068
为MMC输出交流电流正负序分量。
由瞬时功率理论和功率平衡可以得到功率传输方程
P1＝Eaia+Ebib+Ecic (3-3)
Figure GDA0004276776620000071
其中，P1和Q1为系统输入MMC的有功功率和无功功率；E＝E++E-，i＝i++i-。
由式(3-1)和(3-2)得到正负分量和负序分量的状态方程
Figure GDA0004276776620000072
Figure GDA0004276776620000073
在交流系统不对称故障时，系统中同时存在正序和负序分量，因此考虑广义同步旋转坐标系变换矩阵：
Figure GDA0004276776620000074
其中，ω为广义同步旋转坐标系的角速度。
对于正序模型，取旋转坐标系相位与正序电压空间矢量方向一致，ω＝ω1(ω1为同步角频率)，则正序模型状态方程变换为：
Figure GDA0004276776620000081
类似地，对于负序模型，取ω＝-ω1，则负序模型状态方程变换为
Figure GDA0004276776620000082
功率传输方程变为：
Figure GDA0004276776620000083
Figure GDA0004276776620000084
由这两个式子可以得到MMC在发生交流系统电网电压不对称故障时的等效模型，包括正序等效模型和负序等效模型，如图3及图4所示。
柔直系统对于有功功率和无功功率的控制器具有解耦和响应快速的要求。由于系统的直轴电流和交轴电流耦合，给控制器的设计带来一定困难。
这里采用反馈线性化原理来设计系统的非线性控制器，通过对直轴电流和交轴电流的解耦，实现有功功率和无功功率的快速独立控制。
可选的，所述设计非线性控制器包括：基于反馈线性化原理设计非线性控制器，通过对直轴电流和交轴电流的解耦，实现有功功率和无功功率的独立控制。
本发明采用反馈线性化原理来设计系统的非线性控制器，通过对直轴电流和交轴电流的解耦，实现有功功率和无功功率的快速独立控制。
可选的，所述设计非线性控制器中，所述非线性控制器包括正序控制器和负序控制器。
所示正序控制器和所述负序控制器结构相同。正序控制和负序控制的控制器设计原理相同，下面以正序电流控制为例进行说明：
选择X＝[x1 x2]T＝[i1d i1q]T作为状态向量，U＝[u1 u2]T＝[M1cosδ1 M1sinδ1]T作为新的控制向量，Y＝[h1(X) h2(X)]T＝[x1 x2]T作为输出向量。将方程(3-8)(3-9)改写如下：
Figure GDA0004276776620000091
这个系统的特点是：它对于状态向量X是非线性的，但是对于控制向量U是线性的。根据非线性控制理论，计算如下矩阵：
Figure GDA0004276776620000101
由于系统稳态运行时，Vd1不为零，因此矩阵B(X)非奇异。根据反馈线性化理论对于快速跟踪问题处理的办法，令
Figure GDA0004276776620000102
改写方程(3-12)为
Figure GDA0004276776620000103
选择下式中的两个比例调节器用于调节i1d和i1q，并以此来代替系统中的非线性部分v：
v1＝λ1(i1dref-i1d) v2＝λ2(i1qref-i1q) (3-16)
最终得到系统的解耦控制器：
Figure GDA0004276776620000104
对应的MMC变流器的调制角M1和调制比δ1分别为
Figure GDA0004276776620000105
通过d-q坐标系到abc坐标系的反变换，即可得到MMC变流器三相输出参考电压：
Figure GDA0004276776620000111
得到电流内环控制器如图5所示。
对于VSC-HVDC而言，系统的外环控制器一般分为有功功率控制器，无功功率控制器，直流电压控制器。通常一侧换流站采用定有功功率和定无功功率控制，另一侧换流站采用定无功功率和定直流电压控制。
首先设计系统的定有功功率控制器。对于三相对称系统，当d轴与E1a方向重合时，交流系统输入的有功功率Ps1与i1d正相关，因此可以得到加入前馈环节的有功功率控制器，如图6所示。
交流系统输入的有功功率Qs1与i1q正相关，因此可以得到加入前馈环节的无功功率控制器，如图7所示。
令换流站1采用定PQ控制，换流站2采用定直流电压和定无功功率控制。忽略线路损耗，由于换流站1提供的有功功率不变，如果希望提高换流站2侧的直流输出电压Vd2，必然需要增加换流站2输入的有功功率Ps2，以此来提升MMC变流器模块的电容电压，因此相应的有功电流i2d必然会增加；反之，如果希望降低Vd2，必然需要减少换流站2输入的有功功率Ps2，以此让MMC变流器模块直流侧电容中的能量释放，降低模块电容电压，所以相应的有功电流i2d必然减小。因此，可以通过控制有功电流来控制直流侧输出电压。设计如下的控制器来控制Vd2，如图8所示。
直流电压控制器同样加入了前馈控制。Ps2 *为换流站2传送的有功功率估计值，在实际运行中由调度中心向换流站2传递。若忽略传输线路的有功损耗，可以认为Ps2 *≈Ps1，以此估算换流站2的有功电流稳态值。
可选的，所述补偿二倍频零序共模电压，抑制直流二倍频，包括：根据六个桥臂电压测量值计算直流电压，经过带通滤波器后，得到需要补偿的二倍频零序共模电压，补偿二倍频零序共模电压，抑制直流二倍频。
负序电流激发产生的二倍频零序共模电压是导致直流电压和电流二倍频分量产生的根本原因。因此，通过补偿二倍频零序共模电压就能够实现直流二倍频抑制的目的。
直流二倍频参考电压计算框图如图9所示。根据六个桥臂电压测量值计算直流电压，经过带通滤波器后，得到需要补偿的二倍频零序共模电压。
直流二倍频抑制策略框图如图10所示。直流二倍频参考电压和环流抑制产生的参考电压，附加在外环控制和内环控制器产生的桥臂参考电压上，形成最终参考电压。经过调制和电容电压平衡控制环节后产生换流器开关脉冲。
基于PSCAD/EMTDC平台搭建了1250MW/±420kV的两端MMC仿真模型。两个MMC的主电路结构和参数相同，分别如图2和下表1所示。两个MMC实现异步电网互联。MMC1控制直流电压稳定；MMC2控制有功功率。稳态时，MMC1为整流站，MMC2为逆变站。
Figure GDA0004276776620000121
Figure GDA0004276776620000131
表1
故障位置设定在MMC1所联的交流系统母线处。分别针对单相对地故障、两相短路接地故障、两相短路不接地故障和三相短路故障进行了仿真研究。故障均设定为金属性短路故障。MMC1和MMC2的仿真波形如图11至图19所示。
图11至图13为发生单相对地故障时，不加入交流故障穿越控制、仅加入负序抑制、加入负序抑制和直流二倍频抑制三种不同策略下的仿真结果。从图11可以看出，单相故障发生后，MMC1交流电流中出现了负序分量，且幅值上升，有两相存在过流的危险。MMC1桥臂电流也变得不对称，峰值有所上升。MMC1和MMC2的直流电压都出现二倍频波动，MMC2也会受到MMC1交流故障的影响。从图12可以看出，加入负序抑制后，MMC1交流电流变得对称，负序得到完全抑制，并且交流电流的幅值明显下降，避免出现过流，但是直流电压二倍频仍然存在。从图13可以看出，加入负序抑制和直流二倍频抑制后，直流电压二倍频被消除，MMC2不会受到MMC1故障的影响，只会动态调整自身功率，消纳由交流故障带来的功率不平衡。
图14至图16为发生两相对地故障时，不加入交流故障穿越控制、仅加入负序抑制、加入负序抑制和直流二倍频抑制三种不同策略下的仿真结果。与单相故障相比，两相对地故障更为严重，MMC1交流电流和桥臂电流的不对称度和过流程度更高。加入负序抑制和直流二倍频抑制后，也能够有效消除负序和直流二倍频。图17至图19为发生两相短路不接地故障时，不加入交流故障穿越控制、仅加入负序抑制、加入负序抑制和直流二倍频抑制三种不同策略下的仿真结果，验证了控制策略的有效性。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种多应用场景交流故障穿越控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
建立换流器数学模型；
建立换流器的交流故障态数学模型；
设计非线性控制器，所述非线性控制器包括正序控制器和负序控制器，所述正序控制器和所述负序控制器结构相同，所述非线性控制器系统方程为：
选择X＝[x1 x2]T＝[i1d i1q]T作为状态向量，U＝[u1 u2]T＝[M1cosδ1 M1sinδ1]T
作为新的控制向量，Y＝[h1(X) h2(X)]T＝[x1 x2]T作为输出向量：
Figure FDA0004256235240000011
其中，M1、δ1分别为对应的MMC变流器的调制比和调制角；ω1为同步角频率，对于状态向量X是非线性的，但是对于控制向量U是线性的；根据非线性控制理论，计算如下矩阵：
Figure FDA0004256235240000012
由于系统稳态运行时，Vd1不为零，因此矩阵B(X)非奇异，根据反馈线性化理论对于快速跟踪问题处理的办法，最后得到MMC变流器三相输出参考电压；
补偿二倍频零序共模电压，抑制直流二倍频。
2.如权利要求1所述的多应用场景交流故障穿越控制方法，其特征在于，所述建立换流器的交流故障态数学模型，包括：基于对称分量法建立换流器的交流故障态数学模型。
3.如权利要求1所述的多应用场景交流故障穿越控制方法，其特征在于，所述建立换流器数学模型中，所述换流器数学模型包括相互耦合正序模型和负序模型。
4.如权利要求3所述的多应用场景交流故障穿越控制方法，其特征在于，所述建立换流器数学模型中，所述换流器数学模型为：
Figure FDA0004256235240000021
其中，
Figure FDA0004256235240000022
和/>
Figure FDA0004256235240000023
为交流系统电压正负序分量，/>
Figure FDA0004256235240000024
和/>
Figure FDA0004256235240000025
为换流器输出交流电压正负序分量，/>
Figure FDA0004256235240000026
和/>
Figure FDA0004256235240000027
为换流器输出交流电流正负序分量。
5.如权利要求1所述的多应用场景交流故障穿越控制方法，其特征在于，所述设计非线性控制器包括：基于反馈线性化原理设计非线性控制器，通过对直轴电流和交轴电流的解耦，实现有功功率和无功功率的独立控制。
6.如权利要求1所述的多应用场景交流故障穿越控制方法，其特征在于，所述补偿二倍频零序共模电压，抑制直流二倍频，包括：根据六个桥臂电压测量值计算直流电压，经过带通滤波器后，得到需要补偿的二倍频零序共模电压，补偿二倍频零序共模电压，抑制直流二倍频。
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