CN112994067A - 模块化多电平换流器的能量控制方法 - Google Patents

模块化多电平换流器的能量控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种模块化多电平换流器的能量控制方法。它将能量控制作为独立的外环控制模式以权重的形式融入进模块化多电平换流器的交流有功电流和直流电流的外环控制策略中，用于实现模块化多电平换流器对换流器内部桥臂子模块电容总能量的主动控制，从而增强模块化多电平换流器的运行性能；包括如下步骤，步骤一：确定外环控制目标，获取误差信号；步骤二：设置权重系数矩阵中的各权重系数；步骤三：获取交流有功电流和直流电流外环控制的输入信号构成的列向量；步骤四：获得交流有功电流控制环路的输出信号和交流无功电流控制环路的输出信号；步骤五：获取限幅后的直流电流内环控制环路实际输出。本发明具有兼具通用性和可调节性的优点。

Description

模块化多电平换流器的能量控制方法
技术领域
本发明涉及电力系统输配电技术领域，更具体地说它是模块化多电平换流器的能量控制方法。
背景技术
随着电压等级和传输容量的不断增大，电压源型换流器的拓扑从早期两电平的简单结构发展为模块化多电平换流器这种更复杂的结构。
两电平电压源型换流器的直流侧存在集中式的直流电容，其桥臂由串联的电力电子开关器件组成，因此两电平电压源型换流器的内部不含有储能元件，其内部能量可以忽略不计。在有功功率平衡的约束下，两电平电压源型换流器的交直流侧有功功率实时平衡，因此交流电流和直流电流紧密耦合在一起。同时，为了实现交流侧有功功率和无功功率的解耦控制，两电平电压源型换流器采用基于矢量控制的直接电流控制方法，实现了交流有功电流和无功电流的独立解耦控制。
不同于两电平电压源型换流器，模块化多电平换流器在直流侧未采用集中式的直流电容，而是在桥臂中串联一定数目的分布式直流电容，每个电容由电力电子开关控制电容电压的投入与切除。因此，模块化多电平换流器的内部含有众多的储能元件，其内部能量的大小与子模块电容的容值和运行电压相关。
由于电容两端连接于直流线路，两电平电压源型换流器的直流电容电压被直流输电系统的运行电压所钳位，无法进行灵活的调节。而模块化多电平换流器的桥臂中分布式的电容与直流线路并没有直接的电气连接，因此分布式电容的总电压值与直流系统运行电压并无钳位关系，模块化多电平换流器的电容电压可以灵活调节。但是，目前已有的模块化多电平换流器的控制策略大多沿用了两电平电压源型换流器的直接电流控制策略，忽略了对模块化多电平换流器的内部能量的控制，导致模块化多电平换流器的交流侧和直流侧动态耦合在一起，有可能会引起振荡在交直流之间的传播。
通过控制模块化多电平换流器的内部能量，可以减弱其交流侧和直流侧之间的耦合关系，从而避免一侧的振荡传播到另一侧。目前国内外关于模块化多电平换流器的能量控制研究较少。J.Freytes等人在文献“Improving small-signal stability of an MMCwith CCSC by control of the internally stored energy.IEEE Transactions onPower Delivery,2018,33(1):429-439.”和“Dynamic analysis of MMC-based mtdcgrids:use of MMC energy to improve voltage behavior.IEEE Transactions onPower Delivery,2019,34(1):137-148.”提出了控制子模块能量的方法，可以改善下垂控制方式下模块化多电平换流器的直流电压稳定性。韩民晓在文献“用于低频振荡抑制的模块化多电平换流器的能量补偿控制.中国电机工程学报,2019,39(10):2864-2875.”中提出了通过控制模块化多电平换流器的内部能量，向交流系统提供阻尼低频振荡功率的方法。林卫星等人在发明专利“模块化多电平换流器的交直流解耦控制方法及其应用.专利号201610907921.5”中针对子模块具备负电平能力输出的模块化多电平换流器，将交流有功电流的参考值设置为能量控制的输出，实现了交流有功电流和直流电流的解耦控制。现有的能量控制方案的共同点是在模块化多电平换流器的控制器中增加额外的直流电流控制，并增加桥臂输出电压中直流分量的控制。
可以看到，通过控制模块化多电平换流器的内部能量，在不影响原控制目标的前提下，可以改善系统的控制特性和稳定性。但是，目前尚没有一种统一的模块化多电平换流器能量控制框架，需要针对不同的控制目标进行单独设计。此外，模块化多电平换流器在实际运行中存在一定的约束条件，目前的能量控制方案并没有考虑到如何应对这些约束条件，以保证能量控制的有效性。
因此，开发一种通用性、且保证能量控制的有效性的模块化多电平换流器的能量控制方法很有必要。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种模块化多电平换流器的能量控制方法，兼具通用性和可调节性，且能够满足模块化多电平换流器的运行约束条件，保障控制方案的有效性；克服了现有的能量控制方案需要针对不同的控制方式进行独立地控制，通用性弱，可调节性差，且由于模块化多电平换流器的桥臂中半桥子模块的输出电压不能为负值，因此模块化多电平换流器的桥臂输出电压不能为负值，但是现有的能量控制方案为了满足控制需求，忽略了模块化多电平换流器在运行过程中桥臂电压需要满足大于0的约束条件，可能导致能量控制的失效的缺点。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：模块化多电平换流器的能量控制方法，其特征在于：将能量控制作为独立的外环控制模式以权重的形式融入进模块化多电平换流器的交流有功电流和直流电流的外环控制策略中，用于实现模块化多电平换流器对换流器内部桥臂子模块电容总能量的主动控制，从而增强模块化多电平换流器的运行性能；
模块化多电平换流器的能量控制方法，包括如下步骤，
步骤一：确定外环控制目标，对各控制目标的实际值进行采样，获取误差信号；
步骤二：设置权重系数矩阵中的各权重系数；
步骤三：获取交流有功电流和直流电流外环控制的输入信号构成的列向量；
步骤四：获得交流有功电流控制环路的输出信号和交流无功电流控制环路的输出信号；
步骤五：在直流电流内环控制环路输出上增加自适应动态限幅环节，获取限幅后的直流电流内环控制环路实际输出。
在上述技术方案中，在步骤一中，控制目标包括但不限于交流有功功率，直流功率，直流端口电压，以及与模块化多电平换流器能量直接相关的子模块平均电容电压和子模块总能量。
在上述技术方案中，在步骤一中，对Pac，Pdc，udc，uc和Wc的实际值进行采样，并与其对应的参考值Pacref，Pdcref，udcref，ucref和Wcref进行作差，得到相应的误差信号ePac，ePdc，eudc，euc和eWc，计算式分别如下所示：
ePac＝Pacref-Pac
ePdc＝Pdcref-Pdc
eudc＝udcref-udc
euc＝ucref-uc
eWc＝Wcref-Wc
上式中，Pac为交流有功功率；Pdc为直流功率；udc为直流端口电压，uc为模块化多电平换流器的子模块平均电容电压；Wc为模块化多电平换流器的子模块总能量；
Pacref为交流有功功率的参考值；Pdcref为直流功率的参考值；udcref为直流端口电压的参考值；ucref为模块化多电平换流器的子模块平均电容电压的参考值；Wcref为模块化多电平换流器的子模块总能量的参考值；
ePac为交流有功功率与交流有功功率的参考值之差；ePdc为直流功率与直流功率的参考值之差；eudc为直流端口电压与直流端口电压的参考值之差；euc为模块化多电平换流器的子模块平均电容电压与子模块平均电容电压的参考值之差；eWc为模块化多电平换流器的子模块总能量与子模块总能量的参考值之差。
在上述技术方案中，在步骤二中，权重系数矩阵Kd0的行数为2，列数为控制目标的总数，Kd0的表达式为：
Figure BDA0002946797710000041
在步骤三中，各控制目标的误差信号构成列向量[ePac ePdc eudc eu eWc]T，并且与权重系数矩阵Kd0相乘，得到交流有功电流和直流电流外环控制的输入信号构成的列向量[ed e0]T；
[ed e0]T的计算式为：
[ed e0]T＝Kd0[ePac ePdc eudc euc eWc]T
上式中，Kd0中第一行的元素KdPac，KdPdc，Kdudc，Kduc和KdWc分别表示模块化多电平换流器的交流有功电流外环控制输入信号ed中ePac，ePdc，eudc，euc和eWc所占的权重；Kd0中第二行的元素K0Pac，K0Pdc，K0udc，K0uc和K0Wc分别表示模块化多电平换流器的直流电流外环控制输入信号e0中ePac，ePdc，eudc，euc和eWc所占的权重。
在上述技术方案中，权重系数矩阵Kd0中的各权重系数，设置为固定值或者非固定值。
在上述技术方案中，当权重系数矩阵Kd0中的各权重系数以固定值的形式设置时，各权重系数的固定值根据稳定性、控制动态的解析分析进行优化调整。
在上述技术方案中，当权重系数矩阵Kd0中的各权重系数根据系统运行需求进行实时地动态调节时，调节方式按照一定的预设曲线或者变化特征进行依次改变；或根据增强系统阻尼、减小能量波动等需求的附加控制系统进行闭环动态调整。
在上述技术方案中，在步骤四中，模块化多电平换流器的交流有功电流外环控制输入信号ed进入交流有功电流外环控制的比例积分控制环节，输出交流有功电流的参考值idref；idref与交流有功电流的实际值作差，得到的误差信号再进入交流有功电流内环控制的比例积分控制环节；
无功功率的实际值与参考值作差后得到的误差信号进入交流无功电流的外环控制的比例积分控制环节，输出交流无功电流的参考值iqref，并与交流无功电流的实际值作差，得到的误差信号再进入交流无功电流的内环控制的比例积分控制环节；
模块化多电平换流器的公共连接点的交流电压的有功分量和无功分量分别前馈至交流有功电流和无功电流的内环比例积分控制环节的输出端，交流有功电流和无功电流与解耦项相乘后交叉馈入到输出端，最终得到限幅前的交流有功电流控制的输出信号Md0和交流无功电流控制的输出信号Mq0；
将直角坐标系下的Md0和Mq0在极坐标下表达，得到幅值为sqrt(Md0 2+Mq0 2)，角度为arctan(Mq0/Md0)；
随后对幅值sqrt(Md0 2+Mq0 2)进行硬限幅，保证幅值不超过1，将角度与限幅后的幅值从极坐标转化为直角坐标系，最终得到限幅后的交流有功电流控制环路的输出信号Md以及交流无功电流控制环路的输出信号Mq。
在上述技术方案中，在步骤五中，e0进入直流电流外环控制的比例积分控制环节，输出直流电流的参考值idcref；idcref与直流电流的实际值作差，得到的误差信号再进入直流电流内环控制的比例积分控制环节；
模块化多电平换流器的直流端口电压udc前馈至直流电流内环比例积分控制环节的输出端，在直流电流内环控制环路输出上增加自适应动态限幅环节，限幅环节的下限值设置为Md和Mq的均方根
Figure BDA0002946797710000061
式中，Mdc为直流电流内环控制环路实际输出。
在上述技术方案中，模块化多电平换流器的任意一相桥臂调制信号m的表达式为：
Figure BDA0002946797710000062
上式中，ω表示桥臂电压中基频交流电压的角频率；θ表示桥臂电压中基频交流电压的相位；Md为考虑限幅后的交流有功电流控制环路的输出信号；Mq为考虑限幅后的交流无功电流控制Mdc为考虑限幅后的直流电流内环控制环路实际输出。
通过本发明的实施，可以实现模块化多电平换流器对内部能量的多种灵活主动控制方式，达到以下效果：
(1)利用同一套控制框架实现对多种能量控制模式的灵活配置，从而实现不同模块化多电平换流器的能量控制架构的通用性，有利于控制系统的规范化和标准化；
(2)通过设置固定值或自适应动态权重系数，综合不同控制目标的特性，实现控制性能的整体优化；
(3)在控制器中引入根据功率运行状态的自适应限幅环节，确保了模块化多电平换流器桥臂调制信号的正值性，确保了实际运行中能量控制策略的有效性；
(4)实现了模块化多电平换流器内部能量的主动控制，使模块化多电平换流器具备交直流系统之间的振荡防火墙功能，主动缓冲和吸收振荡能量。
本发明中的能量控制直接作为外环控制，能量控制的输出进入电流内环控制；本发明的外环控制采用明确的控制目标参考值(包括交流有功功率，直流功率，直流电压，子模块平均电容电压等等)，确定换流器的能量控制方式。
附图说明
图1为本发明模块化多电平换流器的能量控制的工艺流程图。
图2为本发明模块化多电平换流器的能量控制的控制系统架构图。
图3为本发明定直流电压运行方式下模块化多电平换流器的容性无功功率较大时在Mdc设置自适应动态限幅环节前后控制效果对比图。
图4为本发明定直流功率运行方式下利用能量控制方案实现交流振荡阻隔的效果验证图。
图5为本发明能量-交流有功功率下垂+定直流电压控制模式图。
图6为本发明权重系数矩阵中权重系数变化时换流器的特征根轨迹变化图。
图2所示为本发明所提出的模块化多电平换流器能量控制方法的架构。图中各变量的含义为：Qref无功功率参考值，Q无功功率实际值，Pacref交流有功功率参考值，Pac交流有功功率实际值，Pdcref直流功率参考值，Pdc直流功率实际值，udcref直流电压参考值，udc直流电压实际值，ucref子模块平均电容电压参考值，uc子模块平均电容电压实际值，Wcref子模块总能量参考值，Wc子模块总能量实际值，iqref交流无功电流参考值，iq交流无功电流，idref交流有功电流参考值，id交流有功电流，idcref直流电流参考值，idc直流电流，upccq换流器并网点交流无功电压，upccd换流器并网点交流有功电压，udc换流器直流端电压，Lpu交叉耦合系数，Mq0限幅前的交流无功调制比，Md0限幅前的交流有功调制比，Mq限幅后的交流无功电流控制环路实际输出，Md限幅后的交流有功电流控制环路实际输出，Mdc为限幅后的直流电流内环控制环路实际输出，sqrt均方根函数，arctan反正切函数。a-交流无功电流外环比例+积分控制环节，b-交流无功电流内环比例+积分控制环节，c-交流有功电流外环比例+积分控制环节，d-交流有功电流内环比例+积分控制环节，e-直流电流外环比例+积分控制环节，f-直流电流内环比例+积分控制环节，g-直角坐标转化为极坐标，h-交流调制比限幅环节(上限为1)，i-极坐标转化为直角坐标，j-直流调制比动态限幅环节(下限为sqrt(Md 2+Mq 2))；
ed为模块化多电平换流器的直流电流外环控制输入信号；
e0为模块化多电平换流器的直流电流外环控制输入信号；
epac为交流有功功率与交流有功功率的参考值之差；
epdc为直流功率与直流功率的参考值之差；
eudc为直流端口电压与直流端口电压的参考值之差；
euc为与模块化多电平换流器能量直接相关的子模块平均电容电压与子模块平均电容电压的参考值之差；
ewc为与模块化多电平换流器能量直接相关的子模块总能量与子模块总能量的参考值之差。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已。同时通过说明使本发明的优点更加清楚和容易理解。
本发明综合考虑了不同的控制目标和应用场景，采用基于比例积分调节器的矢量控制策略，针对换流器三相桥臂的总能量进行控制，建立了兼具通用性和可调节性的能量控制方法；此外，本发明考虑了模块化多电平换流器桥臂电压的运行约束条件，在能量控制方案中设置了自适应动态限幅环节，使得能量控制方案能够满足模块化多电平换流器的运行约束条件，保障控制方案的有效性。
参阅附图可知：模块化多电平换流器的能量控制方法，将能量控制作为独立的外环控制模式以权重的形式融入进模块化多电平换流器的交流有功电流和直流电流的外环控制策略中，用于实现模块化多电平换流器对换流器内部桥臂子模块电容总能量的主动控制，从而增强模块化多电平换流器的运行性能。
进一步地，模块化多电平换流器的能量控制方法，具体包括如下步骤，
步骤一：确定外环控制目标，对各控制目标的实际值进行采样，获取误差信号；
步骤二：设置权重系数矩阵中的各权重系数；
步骤三：获取交流有功电流和直流电流外环控制的输入信号构成的列向量；
步骤四：获得交流有功电流控制环路的输出信号和交流无功电流控制环路的输出信号；
步骤五：在直流电流内环控制环路输出上增加自适应动态限幅环节，获取限幅后的直流电流内环控制环路实际输出(如图2所示)。
进一步地，在步骤一中，控制目标包括但不限于交流有功功率Pac，直流功率Pdc，直流端口电压udc，以及与模块化多电平换流器能量直接相关的子模块平均电容电压uc和子模块总能量Wc。
进一步地，在步骤一中，对Pac，Pdc，udc，uc和Wc的实际值进行采样，并与其对应的参考值Pacref，Pdcref，udcref，ucref和Wcref进行作差，得到相应的误差信号ePac，ePdc，eudc，euc和eWc，计算式分别如下所示：
ePac＝Pacref-Pac
ePdc＝Pdcref-Pdc
eudc＝udcref-udc
euc＝ucref-uc
eWc＝Wcref-Wc (1)
上式(1)中，Pac为交流有功功率；Pdc为直流功率；udc为直流端口电压，uc为模块化多电平换流器的子模块平均电容电压；Wc为模块化多电平换流器的子模块总能量；
Pacref为交流有功功率的参考值；Pdcref为直流功率的参考值；udcref为直流端口电压的参考值；ucref为模块化多电平换流器的子模块平均电容电压的参考值；Wcref为模块化多电平换流器的子模块总能量的参考值；
ePac为交流有功功率与交流有功功率的参考值之差；ePdc为直流功率与直流功率的参考值之差；eudc为直流端口电压与直流端口电压的参考值之差；euc为模块化多电平换流器的子模块平均电容电压与子模块平均电容电压的参考值之差；eWc为模块化多电平换流器的子模块总能量与子模块总能量的参考值之差。
进一步地，在步骤二中，权重系数矩阵Kd0的行数为2，列数为控制目标的总数，Kd0的表达式为：
Figure BDA0002946797710000101
在步骤三中，各控制目标的误差信号构成列向量[ePac ePdc eudc eu eWc]T，并且与权重系数矩阵Kd0相乘，得到交流有功电流和直流电流外环控制的输入信号构成的列向量[ed e0]T；
[ed e0]T的计算式为：
[ed e0]T＝Kd0[ePac ePdc eudc euc eWc]T (3)
上式(2)和(3)中，Kd0中第一行的元素KdPac，KdPdc，Kdudc，Kduc和KdWc分别表示模块化多电平换流器的交流有功电流外环控制输入信号ed中ePac，ePdc，eudc，euc和eWc所占的权重；Kd0中第二行的元素K0Pac，K0Pdc，K0udc，K0uc和K0Wc分别表示模块化多电平换流器的直流电流外环控制输入信号e0中ePac，ePdc，eudc，euc和eWc所占的权重。
进一步地，权重系数矩阵Kd0中的各权重系数，可以设置为固定值或者非固定值。
进一步地，当权重系数矩阵Kd0中的各权重系数以固定值的形式设置时，例如，设置KdPac＝1，K0uc＝1，其它元素置零，表示交流有功电流外环控制交流有功功率，直流电流外环控制子模块平均电容电压；设置Kduc＝1，K0udc＝1，其它元素置零，表示交流有功电流外环控制子模块平均电容电压，直流电流外环控制直流电压；设置Kduc＝1，K0udc＝0.5，K0Pac＝1，其它元素置零，表示交流有功电流外环控制子模块平均电容电压，直流电流外环用于直流电压和交流有功功率的下垂控制；设置KdWc＝1，KdPac＝0.4，K0udc＝1，其它元素置零，表示交流有功电流外环用于子模块总能量和交流有功功率的下垂控制，直流电流外环控制直流电压；各权重系数的固定值可以根据稳定性、控制动态等方面的解析分析进行优化调整，以实现更优化的控制系统运行性能(如图3、图4、图5所示)。
进一步地，权重系数矩阵Kd0中的各权重系数也可根据系统运行需求进行实时地动态调节，调节方式可以按照一定的预设曲线或者变化特征进行依次改变；或根据面向增强系统阻尼、减小能量波动等需要的附加控制系统进行闭环动态调整。
进一步地，权重系数矩阵Kd0中权重系数的作用效果可利用电磁暂态仿真、半实物仿真等手段进行验证。
进一步地，在步骤四中，如图2所示，模块化多电平换流器的交流有功电流外环控制输入信号ed进入交流有功电流外环控制的比例积分控制环节(PIdo)，输出交流有功电流的参考值idref；idref与交流有功电流的实际值作差，得到的误差信号再进入交流有功电流内环控制的比例积分控制环节(PIdi)；
无功功率的实际值与参考值作差后得到的误差信号进入交流无功电流的外环控制的比例积分控制环节(PIqo)，输出交流无功电流的参考值iqref，并与交流无功电流的实际值作差，得到的误差信号再进入交流无功电流的内环控制的比例积分控制环节(PIqi)；
模块化多电平换流器的公共连接点的交流电压的有功分量和无功分量(upccd和upccq)分别前馈至交流有功电流和无功电流的内环比例积分控制环节的输出端，交流有功电流和无功电流与解耦项(Lpu)相乘后交叉馈入到输出端，最终得到限幅前的交流有功电流控制的输出信号Md0和交流无功电流控制的输出信号Mq0；
将直角坐标系下的Md0和Mq0在极坐标下表达，得到极坐标系下幅值为sqrt(Md0 2+Mq0 2)，角度为arctan(Mq0/Md0)；；
随后对幅值sqrt(Md0 2+Mq0 2)进行硬限幅，保证幅值不超过1，将角度与限幅后的幅值从极坐标转化为直角坐标系，最终得到限幅后的交流有功电流控制环路的输出信号Md以及交流无功电流控制环路的输出信号Mq。
进一步地，在步骤五中，如图2所示，模块化多电平换流器的直流电流外环控制输入信号e0进入直流电流外环控制的比例积分控制环节(PI0o)，输出直流电流的参考值idcref；idcref与直流电流的实际值作差，得到的误差信号再进入直流电流内环控制的比例积分控制环节(PI0i)；
模块化多电平换流器的直流端口电压udc前馈至直流电流内环比例积分控制环节的输出端，在直流电流内环控制环路输出上增加自适应动态限幅环节，限幅环节的下限值设置为Md和Mq的均方根sqrt(Md 2+Mq 2)，限幅后的实际输出Mdc满足如下关系：
Figure BDA0002946797710000121
式(4)中，Mdc为考虑自适应动态限幅后的直流电流内环控制环路实际输出。
进一步地，以模块化多电平换流器的任意一相桥臂为例，其桥臂调制信号m的表达式为：
Figure BDA0002946797710000131
上式(5)中，ω表示桥臂电压中基频交流电压的角频率；θ表示桥臂电压中基频交流电压的相位；Md为考虑限幅后的交流有功电流控制环路的输出信号；Mq为考虑限幅后的交流无功电流控制环路的输出信号；Mdc为考虑限幅后的直流电流内环控制环路实际输出；
由于Mdc≥sqrt(Md 2+Mq 2)，因此桥臂调制信号的正值性得到了保证，从而满足模块化多电平换流器在不同功率运行状态下的桥臂调制信号正值性约束条件。
上述*均表示符号乘，即*前后两数求积。
为了能够更加清楚的说明本发明所述的模块化多电平换流器的能量控制方法与现有控制方法相比所具有的优点，工作人员将这两种技术方案进行了对比，其对比结果如下表：
Figure BDA0002946797710000132
由上表可知，本发明所述的模块化多电平换流器的能量控制方法与现有控制方法相比，能实现模块化多电平换流器内部能量的主动控制，使模块化多电平换流器具备交直流系统之间的振荡防火墙功能，主动缓冲和吸收振荡能量，通用性强，能保证能量控制的有效性。
实施例
现通过实施例对本发明应用于某柔性直流输电系统对本发明进行详细说明，对本发明应用于其它直流输电系统同样具有指导作用。
实施例1：在直流电流内环控制输出环节设置自适应动态限幅
为说明本发明中在直流电流内环控制输出环节设置自适应动态限幅的有益效果，现以本发明建立于某电磁暂态仿真平台的柔性直流输电系统为实施例对本其进行详细说明，如图3所示。
图3所示为权重系数取值
Figure BDA0002946797710000141
(即Kduc＝1，K0udc＝1，其它元素置零)时，模块化多电平换流器在交流有功电流外环进行能量控制，在直流电流外环进行直流电压控制；当模块化多电平换流器输出的容性无功功率增大时，桥臂交流输出电压会相应升高，在Mdc输出不设置限幅与设置动态限幅环节时的子模块平均电容电压波形与桥臂调制信号的对比如图2所示；当不对Mdc设置动态限幅环节时，随着容性无功功率增大，sqrt(Md 2+Mq 2)的值逐渐增大并开始超过Mdc，桥臂调制信号出现负值，Mdc逐渐失控，桥臂调制信号的负值区逐渐增大，子模块平均电容电压失去稳定而发散；当对Mdc设置动态限幅环节时，桥臂调制信号可以维持正值，子模块平均电容电压可以在较长时间内维持稳定；因此，在直流电流内环控制输出环节设置本发明所述的自适应动态限幅环节可以显著提高系统的运行稳定性。
实施例2：能量控制策略阻隔振荡传播的能力
为说明本发明中能量控制策略阻隔振荡传播的能力，现以本发明建立于某电磁暂态仿真平台的柔性直流输电系统为实施例对本其进行详细说明，如图4所示。
图4所示为权重系数取值
Figure BDA0002946797710000151
(即Kduc＝1，K0Pdc＝1，其它元素置零)时，模块化多电平换流器在交流有功电流外环进行能量控制，在直流电流外环进行直流功率控制；从图3可以看出：当交流有功功率发生振荡时，采用能量控制的模块化多电平换流器可以依靠子模块电容完全吸收低频振荡功率，因此子模块平均电容电压出现波动，但是直流功率、直流电压和直流电流的波形均保持平稳，实现直流侧不受影响。
实施例3：外环控制模式的通用性
为说明本发明中外环控制模式的通用性，现以本发明建立于某电磁暂态仿真平台的柔性直流输电系统为实施例对本其进行详细说明，如图5所示。
图5所示为权重系数取值
Figure BDA0002946797710000152
(即KdPac＝0.2，Kduc＝1，K0udc＝1，其它元素置零)，模块化多电平换流器在交流有功电流外环进行能量-交流有功功率下垂控制，在直流电流外环进行直流电压控制；从图4可以看出：当交流有功功率参考值逐渐增大时，各被控量(子模块总能量、交流有功功率和直流电压)的实际值可以较好跟踪参考值，从而说明了本实施例控制策略的有效性。
可以看到，图3、图4和图5中换流器采用本发明所提出的同一套控制架构，仅通过调节不同的权重系数，即可实现不同控制模式的切换与转变，说明了本发明所提控制方法的通用性。
实施例4：能量控制方法的可调节性
为说明本发明中能量控制方法的可调节性，分析了权重系数矩阵中权重系数变化时换流器的特征根轨迹变化情况，以说明适当调节权重系数可以增强系统的运行性能，如图6所示。
图6所示为权重系数取值
Figure BDA0002946797710000161
其中Kduc为待分析的变量，默认值为1，对应换流器运行在100％的有功功率传输水平。在这种权重系数配置方案下，模块化多电平换流器在交流有功电流外环进行能量-交流有功功率下垂控制，在直流电流外环进行直流电压控制。在换流器运行至50％的有功功率时，令Kduc从0.01逐渐增大到2.5时，换流器的特征根轨迹变化情况如图6所示。在图6中，可以看到，当Kduc过小或者过大时，换流器均无法稳定运行，Kduc存在最佳值方案，当Kduc等于0.85时，换流器的稳定裕度最大，运行性能最佳，因此当换流器的运行功率水平从100％下降到50％时，可以将Kduc从默认值1调节至0.85，以获取最佳运行性能。
本实施例所描述的具体内容仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
其它未说明的部分均属于现有技术。

Claims (10)

1.模块化多电平换流器的能量控制方法，其特征在于：能量控制作为独立的外环控制模式以权重的形式融入进模块化多电平换流器的交流有功电流和直流电流的外环控制，用于实现模块化多电平换流器对换流器内部桥臂子模块电容总能量的主动控制，从而增强模块化多电平换流器的运行性能；
模块化多电平换流器的能量控制方法，具体包括如下步骤，
步骤一：确定外环控制目标，对各控制目标的实际值进行采样，获取误差信号；
步骤二：设置权重系数矩阵中的各权重系数；
步骤三：获取交流有功电流和直流电流外环控制的输入信号构成的列向量；
步骤四：获得交流有功电流控制环路的输出信号和交流无功电流控制环路的输出信号；
步骤五：在直流电流内环控制环路输出上增加自适应动态限幅环节，获取限幅后的直流电流内环控制环路实际输出。
2.根据权利要求1所述的模块化多电平换流器的能量控制方法，其特征在于：在步骤一中，控制目标包括但不限于交流有功功率，直流功率，直流端口电压，以及与模块化多电平换流器能量直接相关的子模块平均电容电压和子模块总能量。
3.根据权利要求2所述的模块化多电平换流器的能量控制方法，其特征在于：在步骤一中，对Pac，Pdc，udc，uc和Wc的实际值进行采样，并与其对应的参考值Pacref，Pdcref，udcref，ucref和Wcref进行作差，得到相应的误差信号ePac，ePdc，eudc，euc和eWc，计算式分别如下所示：
ePac＝Pacref-Pac
ePdc＝Pdcref-Pdc
eudc＝udcref-udc
euc＝ucref-uc
eWc＝Wcref-Wc
上式中，Pac为交流有功功率；Pdc为直流功率；udc为直流端口电压，uc为模块化多电平换流器的子模块平均电容电压；Wc为模块化多电平换流器的子模块总能量；
Pacref为交流有功功率的参考值；Pdcref为直流功率的参考值；udcref为直流端口电压的参考值；ucref为模块化多电平换流器的子模块平均电容电压的参考值；Wcref为模块化多电平换流器的子模块总能量的参考值；
ePac为交流有功功率与交流有功功率的参考值之差；ePdc为直流功率与直流功率的参考值之差；eudc为直流端口电压与直流端口电压的参考值之差；euc为模块化多电平换流器的子模块平均电容电压与子模块平均电容电压的参考值之差；eWc为模块化多电平换流器的子模块总能量与子模块总能量的参考值之差。
4.根据权利要求3所述的模块化多电平换流器的能量控制方法，其特征在于：在步骤二中，权重系数矩阵Kd0的行数为2，列数为控制目标的总数，Kd0的表达式为：
Figure FDA0002946797700000021
在步骤三中，各控制目标的误差信号构成列向量[ePac ePdc eudc eueWc]T，并且与权重系数矩阵Kd0相乘，得到交流有功电流和直流电流外环控制的输入信号构成的列向量[ed e0]T；
[ed e0]T的计算式为：
[ed e0]T＝Kd0[ePac ePdc eudc euc eWc]T
上式中，Kd0中第一行的元素KdPac，KdPdc，Kdudc，Kduc和KdWc分别表示模块化多电平换流器的交流有功电流外环控制输入信号ed中ePac，ePdc，eudc，euc和eWc所占的权重；Kd0中第二行的元素K0Pac，K0Pdc，K0udc，K0uc和K0Wc分别表示模块化多电平换流器的直流电流外环控制输入信号e0中ePac，ePdc，eudc，euc和eWc所占的权重。
5.根据权利要求4所述的模块化多电平换流器的能量控制方法，其特征在于：权重系数矩阵Kd0中的各权重系数，设置为固定值或者非固定值。
6.根据权利要求5所述的模块化多电平换流器的能量控制方法，其特征在于：当权重系数矩阵Kd0中的各权重系数以固定值的形式设置时，各权重系数的固定值根据稳定性、控制动态的解析分析进行优化调整。
7.根据权利要求5所述的模块化多电平换流器的能量控制方法，其特征在于：当权重系数矩阵Kd0中的各权重系数根据系统运行需求进行实时地动态调节时，调节方式按照一定的预设曲线或者变化特征进行依次改变；或根据其它附加控制系统进行闭环动态调整。
8.根据权利要求6或7所述的模块化多电平换流器的能量控制方法，其特征在于：在步骤四中，模块化多电平换流器的交流有功电流外环控制输入信号ed进入交流有功电流外环控制的比例积分控制环节，输出交流有功电流的参考值idref；idref与交流有功电流的实际值作差，得到的误差信号再进入交流有功电流内环控制的比例积分控制环节；
无功功率的实际值与参考值作差后得到的误差信号进入交流无功电流的外环控制的比例积分控制环节，输出交流无功电流的参考值iqref，并与交流无功电流的实际值作差，得到的误差信号再进入交流无功电流的内环控制的比例积分控制环节；
模块化多电平换流器的公共连接点的交流电压的有功分量和无功分量分别前馈至交流有功电流和无功电流的内环比例积分控制环节的输出端，交流有功电流和无功电流与解耦项相乘后交叉馈入到输出端，最终得到限幅前的交流有功电流控制的输出信号Md0和交流无功电流控制的输出信号Mq0；
将直角坐标系下的Md0和Mq0在极坐标下表达，得到极坐标系下幅值为sqrt(Md0 2+Mq0 2)，角度为arctan(Mq0/Md0)；
随后对幅值sqrt(Md0 2+Mq0 2)进行硬限幅，保证幅值不超过1，将角度与限幅后的幅值从极坐标转化为直角坐标系，最终得到限幅后的交流有功电流控制环路的输出信号Md以及交流无功电流控制环路的输出信号Mq。
9.根据权利要求8所述的模块化多电平换流器的能量控制方法，其特征在于：在步骤五中，e0进入直流电流外环控制的比例积分控制环节，输出直流电流的参考值idcref；idcref与直流电流的实际值作差，得到的误差信号再进入直流电流内环控制的比例积分控制环节；
模块化多电平换流器的直流端口电压udc前馈至直流电流内环比例积分控制环节的输出端，在直流电流内环控制环路输出上增加自适应动态限幅环节，限幅环节的下限值设置为Md和Mq的均方根sqrt(Md 2+M2)，限幅后的实际输出Md满足如下关系：
Figure FDA0002946797700000041
式中，Mdc为直流电流内环控制环路实际输出。
10.根据权利要求9所述的模块化多电平换流器的能量控制方法，其特征在于：模块化多电平换流器的任意一相桥臂调制信号m的表达式为：
Figure FDA0002946797700000042
上式中，ω表示桥臂电压中基频交流电压的角频率；θ表示桥臂电压中基频交流电压的相位；Md为考虑限幅后的交流有功电流控制环路的输出信号；Mq为考虑限幅后的交流无功电流控制环路的输出信号；Mdc为考虑限幅后的直流电流内环控制环路实际输出。
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