CN112865504A - 故障下抑制mmc子模块电容电压波动的二倍频环流注入方法 - Google Patents

故障下抑制mmc子模块电容电压波动的二倍频环流注入方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种故障下抑制MMC子模块电容电压波动的二倍频环流注入方法，包括：以发生交流单相故障且考虑二倍频环流注入的子模块电容电压的基频和二倍频波动分量作为抑制目标，建立优化目标函数；以目标函数最小化作为目标进行全局优化，获得最优的二倍频环流注入的幅值和相位；根据最优的二倍频环流注入的幅值和相位生成参考信号，结合调制算法实现二倍频环流的注入。该方法可以有效降低故障期间子模块电容电压波动，并减少MMC子模块在故障期间所承受的最大电压。

Description

故障下抑制MMC子模块电容电压波动的二倍频环流注入方法
技术领域
本发明涉及柔性直流输电技术领域，尤其涉及一种故障下抑制MMC子模块电容电压波动的二倍频环流注入方法。
背景技术
柔性直流输电(VSC-HVDC)是继交流输电、常规直流输电之后的新一代直流输电技术。柔性直流输电技术具有有功、无功可独立调节，弱电网接入和低电压穿越能力强，低交流滤波及无功补偿需求等特点。模块化多电平换流器(modular multilevel converter，MMC)具有具备控制灵活、模块扩展性、开关频率低、谐波含量低等特点。目前，我国已建成的上海南汇柔性直流工程、南澳三端柔性直流工程、舟山五端柔性直流工程、厦门±320kV柔性直流示范工程及张北直流电网工程均采用MMC结构。
交流单相接地故障是电力系统中发生最普遍和最频繁的故障类型。发生交流单相接地故障时，MMC的动态特性会发生较大变化，子模块电容电压波动不可避免地会增大，可能产生器件过电压，导致电力电子器件的损坏。因此探索抑制交流单相接地故障下MMC子模块电容电压波动的方法，有助于提高MMC的可靠性，具有重要的工程意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种故障下抑制MMC子模块电容电压波动的二倍频环流注入方法，可以有效降低故障期间子模块电容电压波动，并减少MMC子模块在故障期间所承受的最大电压。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种故障下抑制MMC子模块电容电压波动的二倍频环流注入方法，包括：
以发生交流单相故障且考虑二倍频环流注入的子模块电容电压的基频和二倍频波动分量作为抑制目标，建立优化目标函数；
以目标函数最小化作为目标进行全局优化，获得最优的二倍频环流注入的幅值和相位；
根据所获得的最优的二倍频环流注入的幅值和相位生成参考信号，结合调制算法实现二倍频环流的注入。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，以电压的基频和二倍频波动分量作为抑制目标，对注入的二倍频环流进行了幅值和相位的优化设计，最后通过改变调制波信号在三相中注入所计算的二倍频环流。该方法可以有效降低故障期间子模块电容电压波动，并减少MMC子模块在故障期间所承受的最大电压。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例提供的一种故障下抑制MMC子模块电容电压波动的二倍频环流注入方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的一种故障下抑制MMC子模块电容电压波动的二倍频环流注入方法的整体系统控制框图。
具体实施方式
下面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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
本发明实施例提供一种故障下抑制MMC子模块电容电压波动的二倍频环流注入方法，流程图与整体系统控制框图如图1～图2所示，该方法主要包括如下步骤：
1、以发生交流单相故障且考虑二倍频环流注入的子模块电容电压的基频和二倍频波动分量作为抑制目标，建立优化目标函数。
本发明实施例中，首先，计算交流单相接地故障下考虑二倍频环流注入的子模块电容电压的表达式，再建立优化目标函数。
1)计算交流单相接地故障下考虑二倍频环流注入的子模块电容电压的表达式。
发生交流单相接地故障时(以a相单相接地为例)，三相的开关函数为：
Figure BDA0002931778160000031
其中，t为时刻，ω为基波角频率；Sau_f、Sbu_f、Scu_f分别表示故障后a、b、c相的开关函数；m表示调制比，其值为2Um/Udc，Um为交流电压幅值；N0为直流电压Udc与子模块参考电压Uc的商，即Udc/Uc；N为桥臂的子模块个数。
本领域技术人员可以理解，MMC由六个桥臂构成，分别为a相上，a相下，b相上，b相下，c相上，c相下，每个桥臂又包含N个子模块，子模块为最小单位。
发生交流单相接地故障时，由于故障相无法传输功率，考虑到减少的桥臂电流应力，往往会减少1/3功率的传输，此时三相的上桥臂电流为：
Figure BDA0002931778160000032
其中，Im为交流电流幅值，
Figure BDA0002931778160000033
为初相角，I2表示二倍频环流注入的幅值，
Figure BDA0002931778160000034
表示二倍频环流注入的相角，iau_f、ibu_f、icu_f分别表示故障后a、b、c三相上桥臂电流；
为了简化表示，定义二倍频环流注入系数k2为：
Figure BDA0002931778160000035
结合发生交流单相接地故障时，三相的开关函数以及三相的上桥臂电流，得到故障后含二倍频环流注入的三相上桥臂子模块电容电压：
Figure BDA0002931778160000041
其中，ucau_f、ucbu_f、uccu_f分别表示故障后a、b、c相上桥臂子模块电容电压，C代表桥臂子模块电容容值。
2)以发生交流单相故障且考虑二倍频环流注入的子模块电容电压的基频和二倍频波动分量作为抑制目标，建立优化目标函数。主要过程如下：
A、根据故障后含二倍频环流注入的三相上桥臂子模块电容电压，得到发生交流单相故障时，故障相上桥臂子模块电容电压的基频和二倍频波动，进而得到波动幅值。
如果故障相为a相，则a相上桥臂子模块电容电压的基频和二倍频波动为：
Figure BDA0002931778160000042
其中，ucau_f1和ucau_f2分别为a相上桥臂子模块电容电压的基频和二倍频波动；
对ucau_f1和ucau_f2进行恒等变换，得到：
Figure BDA0002931778160000043
Figure BDA0002931778160000051
文中所涉及的不同下标的A、B参数均为中间参数。
根据上述恒等变换结果，得到ucau_f1和ucau_f2波动幅值为：
Figure BDA0002931778160000052
B、采用相同的方式，得到非故障两相上桥臂子模块电容电压的基频和二倍频波动，进而得到波动幅值。
B相上桥臂子模块电容电压的基频和二倍频波动为：
Figure BDA0002931778160000053
其中，ucbu_f1和ucbu_f2分别为B相上桥臂子模块电容电压的基频和二倍频波动
对ucbu_f1和ucbu_f2进行恒等变换，得到：
Figure BDA0002931778160000054
Figure BDA0002931778160000055
根据上述恒等变换结果，得到ucbu_f1和ucbu_f2波动幅值为：
Figure BDA0002931778160000056
C相上桥臂子模块电容电压的基频和二倍频波动为：
Figure BDA0002931778160000061
其中，uccu_f1和uccu_f2分别为C相上桥臂子模块电容电压的基频和二倍频波动；
对uccu_f1和uccu_f2进行恒等变换，得到：
Figure BDA0002931778160000062
Figure BDA0002931778160000063
根据上述恒等变换结果，得到uccu_f1和uccu_f2波动幅值为：
Figure BDA0002931778160000064
C、根据获得的三相桥臂子模块电容电压基频和二倍频波动的波动幅值建立目标函数
Figure BDA0002931778160000065
Figure BDA0002931778160000066
其中，
Figure BDA0002931778160000067
|ucau_f1|与|ucau_f2|分别为a相上桥臂子模块电容电压基频和二倍频波动的波动幅值；|ucbu_f1|与|ucbu_f2|分别为b相上桥臂子模块电容电压基频和二倍频波动的波动幅值；|uccu_f1|与|uccu_f2|分别为c相上桥臂子模块电容电压基频和二倍频波动的波动幅值。
k表示电容电压二次波动的权重系数。由于二倍频电压波动对于整体电压波动幅值的影响更小，因此该处k值设为0.5。值得说明的是，k值的取值并不固定，可以根据实际情况做适当调整。
2、以目标函数最小化作为目标进行全局优化，获得最优的二倍频环流注入的幅值和相位。
本发明实施例中，以目标函数最小化作为目标进行全局优化，根据不同的调制比m来确定k2、
Figure BDA0002931778160000071
二个变量的最优取值。值得说明的是，本发明并不对优化方法作限制，用户可根据实际情况自行选择。
本领域技术人员可以理解，由于目标函数是根据电容电压波动得来的，因此其最小化的解，可以实现电容电压波动的最小化，也即如果注入了最优解的幅值和相位，就能实现目标，具体来说通过设计参数k2，
Figure BDA0002931778160000072
的值可以实现电容电压波动的抑制。
3、根据最优的二倍频环流注入的幅值和相位生成参考信号，结合调制算法实现二倍频环流的注入。
本发明实施例中，获得最优的二倍频环流注入的幅值和相位，也就获得k2、
Figure BDA0002931778160000073
最优取值，之后，可以结合参考信号生成器来生成参考信号i2fd_ref和i2fq_ref；其中，i2fd_ref为d轴二倍频环流注入控制器的参考信号，i2fq_ref为q轴二倍频环流注入控制器的参考信号；参考信号通过二倍频环流注入控制器得到二倍频环流调制电压信号Ucirj_ref，最终通过改变调制算法的调制波来实现二倍频环流的注入。
如图2所示的整体系统控制框图中，上方虚线框中正序、负序双环控制器是目前故障时采用的经典控制方案；其中，Tabc/dq模块为dq变换模块；id_refp和iq_refp分别为正序dq轴电流参考值，经过dq变换生成正序差模电压参考值ej_refp；id_refn和iq_refn分别为负序dq轴电流参考值，经过dq变换生成负序差模电压参考值ej_refn；I2和
Figure BDA0002931778160000074
表示二倍频环流幅值和相位。下方虚线框展示的是参考信号生成器、二倍频环流注入控制器的工作过程，其中，PI模块为比例积分环节；Larm为桥臂电抗值；Tdq/abc模块为dq反变换模块；icira、icirb、icirc分别为a、b、c相二倍频环流测量值；i2fd和i2fq分别为d轴二倍频环流和q轴二倍频环流，i2fd_ref和i2fq_ref为相应的参考值；ucird_ref和ucirq_ref分别为d轴二倍频环流调制电压和q轴二倍频环流调制电压，两者经过dq反变换生成二倍频环流调制电压信号Ucirj_ref。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例可以通过软件实现，也可以借助软件加必要的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，上述实施例的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是CD-ROM，U盘，移动硬盘等)中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，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该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种故障下抑制MMC子模块电容电压波动的二倍频环流注入方法，其特征在于，包括：
以发生交流单相故障且考虑二倍频环流注入的子模块电容电压的基频和二倍频波动分量作为抑制目标，建立优化目标函数；
以目标函数最小化作为目标进行全局优化，获得最优的二倍频环流注入的幅值和相位；
根据所获得的最优的二倍频环流注入的幅值和相位生成参考信号，结合调制算法实现二倍频环流的注入。
2.根据权利要求1所述的一种故障下抑制MMC子模块电容电压波动的二倍频环流注入方法，其特征在于，建立优化目标函数之前，先计算交流单相接地故障下考虑二倍频环流注入的子模块电容电压的表达式，包括：
发生交流单相接地故障时，三相的开关函数为：
Figure FDA0002931778150000011
其中，t为时刻，ω为基波角频率；Sau_f、Sbu_f、Scu_f分别表示故障后a、b、c相的开关函数；m表示调制比，其值为2Um/Udc；N0为直流电压Udc与子模块参考电压Uc的商，即Udc/Uc；N为桥臂子模块的个数；
发生交流单相接地故障时，三相的上桥臂电流为：
Figure FDA0002931778150000012
其中，Im为交流电流幅值，
Figure FDA0002931778150000013
为初相角，I2表示二倍频环流注入的幅值，
Figure FDA0002931778150000014
表示二倍频环流注入的相角，iau_f、ibu_f、icu_f分别表示故障后a、b、c三相上桥臂电流；
定义二倍频环流注入系数k2为：
Figure FDA0002931778150000015
结合发生交流单相接地故障时，三相的开关函数以及三相的上桥臂电流，得到故障后含二倍频环流注入的三相上桥臂子模块电容电压：
Figure FDA0002931778150000021
其中，ucau_f、ucbu_f、uccu_f分别表示故障后a、b、c相上桥臂子模块电容电压，C代表桥臂子模块电容容值。
3.根据权利要求2所述的一种故障下抑制MMC子模块电容电压波动的二倍频环流注入方法，其特征在于，所述以发生交流单相故障且考虑二倍频环流注入的子模块电容电压的基频和二倍频波动分量作为抑制目标，建立优化目标函数包括：
根据故障后含二倍频环流注入的三相上桥臂子模块电容电压，得到发生交流单相故障时，故障相上桥臂子模块电容电压的基频和二倍频波动，进而得到波动幅值；
采用相同的方式，得到非故障两相上桥臂子模块电容电压的基频和二倍频波动，进而得到波动幅值；
根据获得的三相桥臂子模块电容电压基频和二倍频波动的波动幅值建立目标函数
Figure FDA0002931778150000022
Figure FDA0002931778150000023
其中，
Figure FDA0002931778150000024
|ucau_f1|与|ucau_f2|分别为a相上桥臂子模块电容电压基频和二倍频波动的波动幅值；|ucbu_f1|与|ucbu_f2|分别为b相上桥臂子模块电容电压基频和二倍频波动的波动幅值；|uccu_f1|与|uccu_f2|分别为c相上桥臂子模块电容电压基频和二倍频波动的波动幅值，k表示电容电压二次波动的权重系数。
4.根据权利要求3所述的一种故障下抑制MMC子模块电容电压波动的二倍频环流注入方法，其特征在于，如果故障相为a相，则a相上桥臂子模块电容电压的基频和二倍频波动为：
Figure FDA0002931778150000031
其中，ucau_f1和ucau_f2分别为a相上桥臂子模块电容电压的基频和二倍频波动；
对ucau_f1和ucau_f2进行恒等变换，得到：
ucau_f1＝Acau_f1cosωt+Bcau_f1sinωt
Figure FDA0002931778150000032
ucau_f2＝Acau_f2 cos2ωt+Bcau_f2 sin2ωt
Figure FDA0002931778150000033
根据上述恒等变换结果，得到ucau_f1和ucau_f2波动幅值为：
Figure FDA0002931778150000034
5.根据权利要求3或4所述的一种故障下抑制MMC子模块电容电压波动的二倍频环流注入方法，其特征在于，如果故障相为a相，则B相上桥臂子模块电容电压的基频和二倍频波动为：
Figure FDA0002931778150000035
其中，ucbu_f1和ucbu_f2分别为B相上桥臂子模块电容电压的基频和二倍频波动
对ucbu_f1和ucbu_f2进行恒等变换，得到：
ucbu_f1＝Acbu_f1 cosωt+Bcbu_f1 sinωt
Figure FDA0002931778150000041
ucbu_f2＝Acbu_f2 cos2ωt+Bcbu_f2 sin2ωt
Figure FDA0002931778150000042
根据上述恒等变换结果，得到ucbu_f1和ucbu_f2波动幅值为：
Figure FDA0002931778150000043
6.根据权利要求3或4所述的一种故障下抑制MMC子模块电容电压波动的二倍频环流注入方法，其特征在于，如果故障相为a相，则C相上桥臂子模块电容电压的基频和二倍频波动为：
Figure FDA0002931778150000044
其中，uccu_f1和uccu_f2分别为C相上桥臂子模块电容电压的基频和二倍频波动；
对uccu_f1和uccu_f2进行恒等变换，得到：
Figure FDA0002931778150000045
Figure FDA0002931778150000046
Figure FDA0002931778150000047
Figure FDA0002931778150000048
根据上述恒等变换结果，得到uccu_f1和uccu_f2波动幅值为：
Figure FDA0002931778150000051
7.根据权利要求1所述的一种故障下抑制MMC子模块电容电压波动的二倍频环流注入方法，其特征在于，根据二倍频环流注入的幅值和相位生成参考信号，结合调制算法实现二倍频环流的注入包括：
根据二倍频环流注入的幅值和相位并结合参考信号生成器来生成参考信号；
参考信号通过二倍频环流注入控制器得到二倍频环流调制电压信号，最终通过改变调制算法的调制波来实现二倍频环流的注入。
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