CN112886627B - 一种提升mmc供电无源网络功率传输能力的方法 - Google Patents

一种提升mmc供电无源网络功率传输能力的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了提升低电压下MMC‑HVDC系统供电无源网络有功功率传输能力的方法。首先，对MMC‑HVDC系统供电无源网络的运行机理进行定性分析，得到送端交流侧不对称故障时各电气量的变化趋势，针对发生在交流侧不对称故障时出现的过电流，提出了在控制器中设计新的限幅环节，对过电流加以限制，尽可能大幅度提升MMC的换流能力，从而增加对无源网络的有功功率传输。

Description

一种提升MMC供电无源网络功率传输能力的方法
技术领域
本发明涉及基于模块化多电平换流器的柔性直流输电(MMC-HVDC)系统交流侧故障下有功功率传输，特指系统交流侧故障时，提升低电压下MMC-HVDC系统供电无源网络有功功率传输能力的方法，属于电力技术领域。
背景技术
柔性直流输电技术作为新一代的输电技术，与传统的输电方式相比，没有换相失败问题，可向孤岛供电，生产和调试等周期缩短，维护费用少，几乎具有传统高压直流输电全部优点。模块化多电平换流器(MMC)是于2001年首次提出的新型换流器拓扑方式,已成为基于电压源换流器的高压直流(VSC-HVDC)的首选换流器，在直流输电系统中得到了广泛应用。
为了保持MMC-HVDC系统有功功率的平衡，在系统正常运行时，MMC-HVDC送端的换流站必须采用定直流电压控制，另一端的换流站采用定有功功率控制或定交流电压控制。定直流电压控制分为内环控制器和外环控制器，外环控制器主要根据有功功率、无功功率和直流电压等指令值，对输入内环电流控制器的d轴电流分量指令值和q轴电流分量指令值进行调整，从而间接实现对有功功率、无功功率和直流电压等的控制。
柔性直流输电系统故障包括换流器内部故障、直流侧故障和交流侧故障。在所有的交流故障中，大多数是不对称故障。当不对称故障发生时，换流站仍然具备一定的功率输送能力，在交流侧发生不对称故障时，送端发生电压跌落，交流电流增大，为了保护控制器的安全，MMC控制器中一般都会在电流参考值输入内环控制器前设置限幅器，当交流电流增大到幅值时，MMC控制器达到饱和状态，失去调节作用，送端换流站进入了定电流模式，失去对电压的控制，直流电压将失去控制进而大幅跌落，送端换流站有功功率送出能力大幅降低，严重时导致换流站闭锁从而退出运行，进一步导致系统崩溃，因此对于不对称故障发生时送端换流器的有功功率送出能力提升的研究具有重要意义。目前已有在送端故障期间降低无源网络吸收的功率从而使MMC-HVDC直流侧功率尽量平衡的方法，及通过抑制零序电流以提高模块化多电平换流器的功率送出能力的方法等。
迄今为止，对连接无源网络的MMC-HVDC系统提高有功功率输出能力的研究相对较少。当前已有针对不同的控制目标在dq坐标系下静态确定限幅器幅值的方法和动态改变限幅限值的方法，本文将新提出在abc坐标系下，不对称故障时允许两故障相达到最大电流的限幅环节。
发明内容
本发明以提升MMC-HVDC系统供电无源网络有功功率传输能力为目的，创新点在于系统不对称故障情况下，提出了新的电流限幅方法限制过电流，允许两个故障相达到最大电流，尽可能更大限度提升有功功率传输能力。
本发明提供了提升MMC-HVDC系统供电无源网络有功功率传输能力方法，包括：
步骤S1：检测一个健康相的情况，定义a相为健康相，b相与c相为故障相；
步骤S2：得到从外环控制器输出到限幅控制环节的d轴与q轴电流值，将dq坐标系下的电流值转换到abc坐标系下，并通过运算得到abc坐标系下各相的幅值与角度；
步骤S3：固定健康相a相角度
Figure GDA0003647798100000023
与幅值Ia不变，将Imax设置为故障相b相与c相的幅值，运算得出故障相b相与c相在幅值为Imax情况下的角度，其中角度
Figure GDA0003647798100000021
与
Figure GDA0003647798100000022
有两组结果；
步骤S4：根据运算得出的两组故障相b相与c相的角度，通过计算出与设置故障相幅值之前角度的差值，选中并取出差值最小的一组故障相b相与c相的角度，与设置故障相之后的相关参数一同从abc坐标系变换到dq坐标系下，得到新电流参考值isdref和isqref输入内环控制器。
有益效果
本发明分析了MMC-HVDC系统在供电无源网络时发生不对称故障时的各电气量的变化趋势，在外环控制器和内环控制器之间提出新的限幅环节，尽可能大限度提高MMC的换流能力，提升传输有功功率能力。
附图说明
图1是技术实施流程图
图2是MMC-HVDC供电无源网络结构图
图3是外环控制器和内环控制器之间限幅环节控制框图
图4是电网电流相量图
具体实施方式
下面结合附图和具体实施过程对本发明作进一步描述。
参见图1是技术实施流程图，后文将按照流程进行说明。
参见图2是MMC-HVDC供电无源网络的结构图。送端交流侧发生不对称故障，电压暂降时检测到一个健康相，并定义健康相为a相，故障相为b相与c相。
参见图3外环控制器和内环控制器之间的限幅环节控制框图，先得到输入外环控制器的限幅环节前的d轴电流值isd和q轴电流值isq，将dq坐标系下的电流值分别转换到abc坐标系下，通过运算得到abc坐标下各相的幅值与角度：
Figure GDA0003647798100000031
式中k＝a，b，c；Ik为k相电流幅值；
Figure GDA0003647798100000032
为k相电流角度。
根据电路理论知识有，
ia+ib+ic＝0 (2)
参见图3电网电流相量图，先画出健康相a相的电流相量图并固定不变，以Imax为半径作圆，将故障相b相与c相的幅值设置为Imax，因为三相电流相量和为零，所以abc三相在圆中的相量图为一个封闭的等腰三角形。
由此可得到公式(3)，
Figure GDA0003647798100000033
定义图4等腰三角形底角角度为α，根据几何关系以及结合公式(2-3)可得，
Figure GDA0003647798100000034
Figure GDA0003647798100000035
Figure GDA0003647798100000036
由此分别得到了当故障相b相与c相幅值设置为Imax时的两组相角
Figure GDA00036477981000000313
和
Figure GDA00036477981000000314
将得到的两组角度
Figure GDA0003647798100000039
和
Figure GDA00036477981000000310
分别与之前输入的
Figure GDA00036477981000000311
与
Figure GDA00036477981000000312
进行比较，如公式(7-8)所示。
Figure GDA0003647798100000037
Figure GDA0003647798100000038
比较
Figure GDA0003647798100000044
与
Figure GDA0003647798100000043
的大小，选择数值小的，即取相应的偏差最小的一组角度
Figure GDA0003647798100000041
与
Figure GDA0003647798100000042
与设置故障相幅值之后的abc三相参数一同从abc坐标转换到dq坐标系下，最终作为输入内环控制器的d轴电流参考值isdref和q轴电流参考值isqref。
通过以上的几个构想的步骤，则可以在送端交流侧发生不对称故障时，即保证有一相为健康相，可允许两个故障相电流到达限幅值，从而尽可能大限度利用到MMC的换流能力，达到提升有功功率的传输能力的目的。
以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种提升MMC供电无源网络功率传输能力的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤S1：送端交流侧发生不对称故障，电压暂降时检测到一个健康相，定义a相为健康相，b相与c相为故障相；
步骤S2：得到输入限幅控制环节的d轴与q轴电流值，将dq坐标系下的电流值转换到abc坐标系下，并通过运算得到abc坐标系下各相的幅值与角度，分别为Ia、Ib、Ic与
Figure FDA0003662242690000011
Figure FDA0003662242690000012
步骤S3：固定健康相a相角度
Figure FDA0003662242690000013
与幅值Ia不变，将Imax设置为故障相b相与c相的幅值，运算得出故障相b相与c相在幅值为Imax情况下的角度分别为
Figure FDA0003662242690000014
与
Figure FDA0003662242690000015
其中角度
Figure FDA0003662242690000016
与
Figure FDA0003662242690000017
有两组结果；
步骤S4：根据运算得出的两组故障相b相与c相的角度，通过计算出与设置故障相幅值之前角度的差值，选中并取出差值最小的一组故障相b相与c相的角度，与设置故障相幅值之后的相关参数一同从abc坐标系变换到dq坐标系下，得到新电流参考值isdref和isqref输入内环控制器。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，坐标转换并运算出各相的幅值与角度：
Figure FDA0003662242690000018
式中k＝a，b，c；Ik为k相电流幅值；
Figure FDA0003662242690000019
为k相电流角度。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，固定健康相a相的幅值与角度，设置故障相的幅值为Imax，根据一健康相两故障相在圆中相量图，封闭等腰三角形的几何关系求出相应的故障相的角度，其公式为：
Figure FDA0003662242690000021
Figure FDA0003662242690000022
Figure FDA0003662242690000023
式中，α为等腰三角形底角角度。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，计算定义的故障相前后角度差值，选出差值小的一组，其比较方式如下式所示：
Figure FDA0003662242690000024
Figure FDA0003662242690000025
此时得到最小的差值，选取最小差值相应的那一组角度
Figure FDA0003662242690000026
与
Figure FDA0003662242690000027
与设置故障相幅值之后的abc三相参数一同进行abc/dq坐标转换，得到新电流参考值isdref和isqref输入内环控制器。
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