CN112952855A - 基于电流指令平滑切换的mmc故障穿越方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电流指令平滑切换的MMC故障穿越方法。这种方法以交流电网电压作为调节系数，在电网故障发生时将MMC输出电流参考指令从直流母线电压与无功功率控制器的输出平滑地切换到补偿电流计算模块的输出，从而能够在电网故障时利用MMC自身剩余的功率送出能力对故障交流电网进行无功补偿。这种方法解决了传统控制策略中MMC电流参考值在电网故障时被固定在限幅值，导致MMC无法为电网提供无功功率支撑的问题，充分地发挥了MMC控制的灵活性，对故障电网的恢复具有积极作用，具有较强的工程实用价值。

Description

基于电流指令平滑切换的MMC故障穿越方法

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种基于电流指令平滑切换的MMC故障穿越方法。

背景技术

基于模块化多电平换流器(MMC)拓扑的柔性直流输电技术在大规模可再生能源的汇集和输送过程中有十分良好的应用前景，取得了广泛的关注。电网故障下柔性直流输电系统的故障穿越策略作为系统安全可靠运行的重要保障措施，一直以来都得到了广泛关注。

已有的针对MMC换流站故障穿越策略的研究主要考虑在电网发生故障时抑制MMC输出电流中的负序电流成分，这种方法仅考虑了故障电网下MMC自身的控制性能，却没有考虑如何利用MMC的高可控性辅助故障电网进行恢复。事实上，对于MMC来说，当交流电网发生故障时，故障相电压会迅速跌落，MMC的直流母线电压与无功功率控制器的输出会迅速达到其限幅值，MMC失去了对直流母线电压的控制作用，采用外环控制器的输出限幅值作为电流参考值已经失去意义。此时，如果MMC能够利用其在电网故障期间剩余的功率送出能力对故障交流电网进行无功补偿，将有利于故障交流电网的恢复，因此，研究MMC如何在保障自身安全的前提下，对故障电网进行无功功率支撑，对于MMC故障穿越控制策略的研究具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于电流指令平滑切换的MMC故障穿越方法，以交流电网电压作为调节系数，在故障发生时将MMC输出电流参考指令从直流母线电压与无功功率控制器的输出平滑地切换到补偿电流计算模块的输出，能够在电网故障时利用MMC自身剩余的功率送出能力对故障电网进行无功补偿，克服上述现有技术在电网故障期间没有考虑如何利用MMC对电网进行无功支撑的不足。

为了实现上述发明目的，本方法采取如下技术方案：

一种基于电流指令平滑切换的MMC故障穿越方法，包括：采样模块、锁相环模块、坐标变换模块、功率计算模块，直流母线电压与无功功率控制器、补偿电流计算模块、参考电流计算模块、正序电流控制器、负序电流控制器、参考差模电压计算模块、内部环流控制器、桥臂电压计算模块、调制模块。

所述采样模块中，包括：

电压采样模块，对交流电网三相电压U_sabc和直流母线电压U_dc进行采样；

电流采样模块，对交流电网三相电流I_sabc，换流变压器阀侧三相电流I_vabc，MMC上、下桥臂电流I_pabc和I_nabc进行采样。

所述锁相环模块，根据三相电压U_sabc得到交流电网电压相位θ_s；

所述坐标变换模块中，包括：

Park变换模块，对交流电网三相电压U_sabc和阀侧三相电流I_vabc进行Park变换，得到同步旋转d-q坐标系下对应的电压矢量U_sdq和电流矢量I_vdq，Park变换采用的角度为交流电网电压相位θ_s；

Park反变换模块，对参考差模电压U_difrefdq进行Park反变换，得到静止三相坐标系中的参考差模电压U_difrefabc，Park反变换采用的角度为交流电网电压相位θ_s。

所述功率计算模块，根据交流电网三相电压U_sabc和三相电流I_sabc，计算得到系统的有功功率P_s和无功功率Q_s。

所述直流母线电压和无功功率控制器，采用PI控制器对直流母线电压U_dc及无功功率Q_s进行控制，使其分别跟随给定的参考值U_dcref及Q_sref，两个PI控制器的输出经过限幅模块后分别作为d、q轴电流输出指令I_vdqref1。

所述补偿电流计算模块，计算电网发生故障期间MMC的补偿电流输出指令I_vdqref2，从而在故障期间对电网进行无功功率支撑。

所述参考电流计算模块，以交流电网电压的d轴分量U_sd作为调节系数，根据电流输出指令I_vdqref1和I_vdqref2计算输出正序电流参考值。

所述正序电流控制器，对d、q轴电流I_vdq的直流分量采用PI控制器进行控制，使其跟随正序电流参考值，控制器的输出作为送端MMC参考差模电压的直流分量U_difrefdq1。

所述负序电流控制器，对d、q轴电流I_vdq的二倍频脉动分量采用二阶广义积分器进行控制，控制器参考值给定为0，以实现对负序电流的抑制，控制器的输出作为参考差模电压的二倍频脉动分量U_difrefdq2。

所述参考差模电压计算模块，将参考差模电压的直流分量U_difrefdq1与二倍频脉动分量U_difrefdq2相加，得到最终的参考差模电压U_difrefdq。

所述内部环流控制器，根据MMC上、下桥臂电流I_pabc和I_nabc计算得到内部环流I_cabc，在静止坐标系下对内部环流I_cabc采用二阶广义积分器进行控制，控制器参考值给定为0，以实现对负序电流的抑制，控制器的输出作为参考共模电压U_comrefabc。

所述桥臂电压计算模块，利用参考差模电压U_difrefabc和参考共模电压U_comrefabc，经过计算得到送端MMC上、下桥臂的参考电压U_prefabc与U_nrefabc。

所述调制模块，根据MMC上、下桥臂的参考电压U_prefabc与U_nrefabc，利用最近电平逼近法进行调制，实现对送端MMC的控制。

进一步地：在补偿电流计算模块中，给定电网发生故障期间MMC的电流输出指令I_vdqref2，从而在故障期间对电网进行无功功率支撑，其中，有功电流分量根据系统要求给定，一般情况下在电网故障期间可以给定为0，无功电流分量根据MMC容量限制进行设计，在保证不发生过流的前提下，将MMC的全部可用容量用于向电网提供无功支撑，即：

其中：I_vdref2,I_vqref2对应为补偿电流矢量I_vdqref2的d轴，q轴分量，I_max为MMC输出电流限幅值。

进一步地：在参考电流计算模块中，根据以下方法计算输出电流参考值：

其中，U_sd为交流电网电压的d轴分量，当正常运行时，U_sd为1(标幺值)，系统按照电压外环控制器给定的电流参考值运行，当故障发生时，U_sd显著减小，系统按照补偿电流计算模块的电流参考值运行，对交流电网提供无功支撑；为防止系统由于振荡而失稳，对参数U⁴ _sd进行0到1之间的限幅。

本发明的有益效果是：

由于采用本发明的技术方案，以交流电网电压作为调节系数，在故障发生时将MMC输出电流参考指令从直流母线电压和无功功率控制器的输出平滑地切换到补偿电流计算模块的输出，在电网故障时能够利用MMC自身剩余的功率送出能力对故障交流电网进行无功补偿。与已有方法相比，本方法解决了传统控制策略中MMC电流参考值在电网故障时被固定在限幅值，导致MMC无法为电网提供无功功率支撑的问题，充分地发挥了MMC控制的灵活性，对故障电网的恢复具有积极作用。

附图说明

图1为模块化多电平换流器(MMC)的一个具体示例结构图。其中，u_sa、u_sb、u_sc为交流电网电压；i_va、i_vb、i_vc为换流变压器阀侧电流；u_pa、u_pb、u_pc为MMC上桥臂电压；u_na、u_nb、u_nc为MMC下桥臂电压；i_pa、i_pb、i_pc为MMC上桥臂电流；i_na、i_nb、i_nc为MMC下桥臂电流；U_dc为直流母线电压，i_dc为直流母线电流，L₀为桥臂电感，SM为MMC中的子模块；N为子模块序号。

图2为执行本发明控制方法的一个具体示例系统原理图。各模块名称如下：

1、电压传感器，2、电流传感器，3、锁相环模块，4、Park变换模块，5、功率计算模块，6、直流母线电压与无功功率控制器，7、补偿电流计算模块，8、参考电流计算模块，9、正序电流控制器，10、负序电流控制器，11、参考差模电压计算模块，12、Park反变换模块，13、内部环流控制器，14、桥臂电压计算模块，15、调制模块。

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例对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明中基于电流指令平滑切换的MMC故障穿越方法的系统实现如图2所示，包括电压传感器1、电流传感器2、锁相环模块3、Park变换模块4、功率计算模块5、直流母线电压与无功功率控制器6、补偿电流计算模块7、参考电流计算模块8、正序电流控制器9、负序电流控制器10、参考差模电压计算模块11、Park反变换模块12、内部环流控制器13、桥臂电压计算模块14、调制模块15。

如图2所示，本发明中基于电流指令平滑切换的MMC故障穿越方法包括以下步骤：

通过电压传感器1采集交流电网三相电压U_sabc和直流母线电压U_dc，通过电流传感器2采集交流电网三相电流I_sabc，变压器阀侧三相电流I_vabc，MMC上、下桥臂电流I_pabc和I_nabc。

利用锁相环模块3，根据三相电压U_sabc得到交流电网电压相位θ_s；

利用Park变换模块4分别对三相电压U_sabc和三相电流I_vabc进行Park变换，对应得到同步旋转d-q坐标系下的电压矢量U_sdq和电流矢量I_vdq，Park变换采用的角度为交流电网相位θ_s。

根据交流电网三相电压U_sabc和电流I_sabc，利用功率计算模块5计算得到MMC输出的有功功率P_s及无功功率Q_s，计算方法如下：

其中：U_sa，U_sb和U_sc分别为电压U_sabc对应A相、B相、C相上的电压，I_sa，I_sb和I_sc分别为电流I_sabc对应A相、B相、C相上的电流。

利用直流母线电压和无功功率控制器6对直流母线电压U_dc及无功功率Q_s进行控制，使其分别跟随给定的参考值U_dcref及Q_sref，两个控制器的输出经过限幅模块后分别作为d、q轴电流输出指令I_vdqref1，控制器的实现方式如下：

其中：F_PI(s)为PI控制器的传递函数，k_p为比例系数，k_i为积分系数，I_vdref1,I_vqref1对应为电流矢量I_vdqref1的d轴，q轴分量。

利用补偿电流计算模块7，给定电网发生故障期间MMC的电流输出指令I_vdqref2，从而在故障期间对电网进行无功功率支撑，其中，有功电流分量根据系统要求给定，一般情况下在电网故障期间可以给定为0，无功电流分量根据MMC容量限制进行设计，在保证不发生过流的前提下，将MMC的全部可用容量用于向电网提供无功支撑，即：

其中：I_vdref2,I_vqref2对应为补偿电流矢量I_vdqref2的d轴，q轴分量，I_max为MMC输出电流限幅值。

利用参考电流计算模块8，根据以下方法计算输出电流参考值：

其中，U_sd为交流电网电压的d轴分量，当正常运行时，U_sd为1(标幺值)，系统按照电压外环控制器给定的电流参考值运行，当故障发生时，U_sd显著减小，系统按照补偿电流计算模块的电流参考值运行，对交流电网提供无功支撑；为防止系统由于振荡而失稳，对参数U⁴ _sd进行0到1之间的限幅。

在同步旋转坐标系下采用正序电流控制器9对电流I_vdq的直流分量进行控制，使其跟随电压外环控制器输出的参考值，控制器的输出作为MMC参考差模电压的直流分量U_difrefdq1，控制器的实现方式如下：

其中，L为包含换流变压器和桥臂电抗器的等效电感，U_sd和U_sq分别为电压矢量的d轴、q轴分量，U_difrefd1,U_difrefq1对应为电压矢量U_difrefdq1的d轴，q轴分量。

在负序电流控制器10中，采用谐振频率为±100Hz的二阶广义积分器对电流I_vdq的二倍频脉动分量进行控制，将其参考值给定为零，以实现对负序故障电流的抑制，控制器的输出作为MMC参考差模电压的二倍频脉动分量U_difrefdq2，控制器的实现方式如下：

其中：F_SOGI(s)为二阶广义积分器的传递函数，k_g为增益系数，ω_c为截止频率，在本发明中，二阶广义积分器的谐振频率选择为±100Hz，截止频率选择为12Hz；U_difrefd2、U_difrefq2对应为电压矢量U_difrefdq2的d轴、q轴分量。

在参考差模电压计算模块11中，将参考差模电压的直流分量U_difrefdq1与二倍频脉动分量U_difrefdq2相加，得到最终的参考差模电压U_difrefdq；利用Park反变换模块12对参考差模电压U_difrefdq进行Park反变换，得到静止三相坐标系中的参考差模电压U_difrefabc，Park反变换采用的角度为交流电网相位θ_s。

在内部环流控制器13中，根据MMC上、下桥臂电流I_pabc和I_nabc计算得到三相内部环流I_cabc，采用谐振频率在±100Hz的二阶广义积分器对I_cabc进行控制，将其参考值给定为零，以实现对内部环流的抑制，控制器的输出作为MMC参考共模电压U_comrefabc，控制器的实现方式如下：

其中，U_comrefa,U_comrefb和U_comrefc对应为电压矢量U_comrefabc的a轴，b轴和c轴分量。

利用桥臂电压计算模块14，根据参考差模电压U_difrefabc和参考共模电压U_comrefabc计算得到MMC上、下桥臂的参考电压U_prefabc与U_nrefabc，再利用采用最近电平逼近法的调制模块15输出开关开断信号，实现对MMC的控制，其中，上、下桥臂参考电压的计算方法如下：

其中，U_prefa,U_prefb和U_prefc对应为电压矢量U_prefabc的a轴，b轴和c轴分量，U_nrefa,U_nrefb和U_nrefc对应为电压矢量U_prefabc的a轴，b轴和c轴分量。

上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于电流指令平滑切换的MMC故障穿越方法，其特征在于，以交流电网电压作为调节系数，在交流电网故障发生时将MMC输出电流参考指令从直流母线电压与无功功率控制器的输出平滑地切换到补偿电流计算模块的输出，从而能够在交流电网故障时利用MMC自身剩余的功率送出能力对故障交流电网进行无功补偿；执行所述MMC故障穿越方法的系统包括：采样模块、锁相环模块、坐标变换模块、功率计算模块，直流母线电压控制器与无功功率控制器、补偿电流计算模块、参考电流计算模块、正序电流控制器、负序电流控制器、参考差模电压计算模块、内部环流控制器、桥臂电压计算模块、调制模块；

所述采样模块中，包括：

电压采样模块，对交流电网三相电压U_sabc和直流母线电压U_dc进行采样；

电流采样模块，对交流电网三相电流I_sabc、换流变压器阀侧三相电流I_vabc和MMC上、下桥臂电流I_pabc和I_nabc进行采样；

所述锁相环模块，根据三相电压U_sabc得到交流电网电压相位θ_s；

所述坐标变换模块中，包括：

Park变换模块，对交流电网三相电压U_sabc和阀侧三相电流I_vabc进行Park变换，得到同步旋转d-q坐标系下对应的电压矢量U_sdq和电流矢量I_vdq，Park变换采用的角度为交流电网电压相位θ_s；

Park反变换模块，对参考差模电压U_difrefdq进行Park反变换，得到静止三相坐标系中的参考差模电压U_difrefabc，Park反变换采用的角度为交流电网电压相位θ_s；

所述功率计算模块，根据交流电网三相电压U_sabc和三相电流I_sabc，计算得到系统的有功功率P_s和无功功率Q_s；

所述直流母线电压控制器和无功功率控制器采用PI控制器，对直流母线电压U_dc及无功功率Q_s进行控制，使其分别跟随给定的参考值U_dcref及Q_sref，两个PI控制器的输出经过限幅模块后分别作为d、q轴电流输出指令I_vdqref1；

所述补偿电流计算模块，计算交流电网发生故障期间MMC的补偿电流输出指令I_vdqref2，从而在故障期间对交流电网进行无功功率支撑；

所述参考电流计算模块，以交流电网电压的d轴分量U_sd作为调节系数，根据电流输出指令I_vdqref1和I_vdqref2计算正序电流参考值；

所述正序电流控制器，对d、q轴电流I_vdq的直流分量采用PI控制器进行控制，使其跟随正序电流参考值，控制器的输出作为送端MMC参考差模电压的直流分量U_difrefdq1；

所述负序电流控制器，对d、q轴电流I_vdq的二倍频脉动分量采用二阶广义积分器进行控制，控制器参考值给定为0，以实现对负序电流的抑制，控制器的输出作为参考差模电压的二倍频脉动分量U_difrefdq2；

所述参考差模电压计算模块，将参考差模电压的直流分量U_difrefdq1与二倍频脉动分量U_difrefdq2相加，得到最终的参考差模电压U_difrefdq；

所述内部环流控制器，根据MMC上、下桥臂电流I_pabc和I_nabc计算得到内部环流I_cabc，在静止坐标系下对内部环流I_cabc采用二阶广义积分器进行控制，控制器参考值给定为0，以实现对负序电流的抑制，控制器的输出作为参考共模电压U_comrefabc；

所述桥臂电压计算模块，利用参考差模电压U_difrefabc和参考共模电压U_comrefabc，经过计算得到送端MMC上、下桥臂的参考电压U_prefabc与U_nrefabc；

所述调制模块，根据MMC上、下桥臂的参考电压U_prefabc与U_nrefabc，利用最近电平逼近法进行调制，实现对送端MMC的控制。

2.根据权利要求1所述的一种基于电流指令平滑切换的MMC故障穿越方法，其特征在于：所述补偿电流计算模块，给定交流电网发生故障期间MMC的电流输出指令I_vdqref2，从而在故障期间对交流电网进行无功功率支撑，其中，有功电流分量根据执行所述MMC故障穿越方法的系统要求给定，在电网故障期间给定为0，无功电流分量根据MMC容量限制进行设计，在保证不发生过流的前提下，将MMC的全部可用容量用于向电网提供无功支撑，即：

其中：I_vdref2,I_vqref2对应为补偿电流矢量I_vdqref2的d轴，q轴分量，I_max为MMC输出电流限幅值。

3.根据权利要求1所述的一种基于电流指令平滑切换的MMC故障穿越方法，其特征在于：所述参考电流计算模块，根据以下方法计算输出电流参考值：

其中，U_sd为交流电网电压的d轴分量，当正常运行时，U_sd为1(标幺值)，系统按照电压外环控制器给定的电流参考值运行，当故障发生时，U_sd显著减小，系统按照补偿电流计算模块的电流参考值运行，对交流电网提供无功支撑；为防止系统由于振荡而失稳，对参数U⁴ _sd进行0到1之间的限幅。

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