CN113315358A - 一种抑制模块化多电平换流器短路电流的方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种抑制模块化多电平换流器短路电流的方法及系统，包括：当确定交流系统发生需要断路器开断的故障时，控制策略生效；计算控制策略生效前一采样时刻，模块化多电平换流器MMC的外环控制器输出的第一q轴电流参考值；在所述控制策略生效的预设时间段内，控制MMC的外环控制器实时输出的第二q轴电流参考值与所述第一q轴电流参考值一致，通过所述第二q轴电流参考值对MMC的内环控制器进行控制，实现对MMC输出的短路电流的抑制。本发明能够实现不超过断路器容量限制的MMC输出电流控制，能够使得MMC输出的短路电流在策略生效时间内大幅降低，并在策略退出后恢复MMC对交流系统的无功支撑能力，可以用于MMC并网运行指导，支撑交流系统电压稳定。

Description

一种抑制模块化多电平换流器短路电流的方法及系统
技术领域
本发明涉及模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)的外环控制器与内环控制器的控制响应技术领域，并且更具体地，涉及一种抑制模块化多电平换流器短路电流的方法及系统。
背景技术
基于模块化多电平换流MMC的柔性直流输电技术在新能源输电领域有广阔的应用前景。在发生交流系统故障后，柔直换流器具备故障穿越能力，故障期间不闭锁，具备向故障点提供故障电流的能力。随着未来电力电子设备在电力系统中的应用增加，电力系统转动惯量持续降低，调频调压能力降低，MMC具备在故障后向交流系统提供无功支撑的能力，有助于系统电压恢复。发挥MMC对系统调压的支撑能力对于发挥柔直技术优势，提高电网电压稳定性具有重要意义。另一方面，MMC提供短路电流也会使得交流系统短路电流水平整体提高，为了交流系统运行安全，需要进行短路电流校核，不能超过交流断路器容量限制，必要时需要对MMC短路电流进行限制。目前的研究表明交流系统故障后MMC输出电流参考值会到达电流限幅器的限幅值，据此有学者提出了根据故障后电压降低故障后电流限幅器的限幅值以实现短路电流限制的方法，但是这种方法的实现需要经过外环控制器与内环控制器进行响应，其中外环控制器响应速度较慢，而交流系统短路电流通常在10ms时到达峰值，该控制方法对于短路电流的抑制效果有限，此外通过降低限幅值的方式会影响故障期间MMC的无功支撑能力。
因此，如何实现既能不超过断路器容量限制对MMC输出短路电流进行控制，又能实现发挥MMC无功支撑能力是急需解决的问题。
发明内容
本发明提出一种抑制模块化多电平换流器短路电流的方法及系统，以解决如何对在交流系统故障后不超过断路器容量限制对MMC输出短路电流进行控制，又能实现发挥MMC无功支撑能力的问题。
为了解决上述问题，根据本发明的一个方面，提供了一种抑制模块化多电平换流器短路电流的方法，所述方法包括：
当确定交流系统发生需要断路器开断的故障时计算控制策略生效前一采样时刻，模块化多电平换流器MMC的外环控制器输出的第一q轴电流参考值；
在所述控制策略生效的预设时间段内，控制所述MMC的外环控制器实时输出的第二q轴电流参考值与所述第一q轴电流参考值一致，通过所述第二q轴电流参考值对所述MMC的内环控制器进行控制，实现对所述MMC输出的短路电流的抑制。
优选地，其中所述MMC的控制模式为：外环定有功定交流电压控制模式、外环定有功定无功控制模式、外环定直流电压定交流电压控制模式或外环定直流电压定无功控制模式。
优选地，其中所述方法利用如下方式计算模块化多电平换流器MMC的外环控制器输出的第一q轴电流参考值和第二q轴电流参考值，包括：
isqref＝Kp(usref-us)+Ki∫(usref-us)dt，
其中，isqref为外环控制器输出的第一q轴电流参考值或第二q轴电流参考值；Kp和Ki分别为外环PI控制的比例系数和积分系数；us为MMC的交流侧公共连接点PCC的电压；usref为所述PCC点的电压参考值。
优选地，其中所述控制策略生效的预设时间段的取值范围为[10ms，100ms]。
优选地，其中所述方法还包括：
当控制策略退出后，恢复通过所述MMC的外环控制器实际输出的q轴电流参考值对内环控制器进行控制，以使所述MMC输出短路电流的能力得到恢复。
根据本发明的另一个方面，提供了一种抑制模块化多电平换流器短路电流的系统，所述系统包括：
控制策略生效单元，用于当确定交流系统发生需要断路器开断的故障时，控制策略生效；
q轴电流参考值计算单元，用于计算控制策略生效前一采样时刻，模块化多电平换流器MMC的外环控制器输出的第一q轴电流参考值；
电流抑制单元，用于在所述控制策略生效的预设时间段内，控制所述MMC的外环控制器实时输出的第二q轴电流参考值与所述第一q轴电流参考值一致，通过所述第二q轴电流参考值对所述MMC的内环控制器进行控制，实现对所述MMC输出的短路电流的抑制。
优选地，其中所述q轴电流参考值计算单元中，MMC的控制模式为：外环定有功定交流电压控制模式、外环定有功定无功控制模式、外环定直流电压定交流电压控制模式或外环定直流电压定无功控制模式。
优选地，其中所述q轴电流参考值计算单元，利用如下方式计算模块化多电平换流器MMC的外环控制器输出的第一q轴电流参考值和第二q轴电流参考值，包括：
isqref＝Kp(usref-us)+Ki∫(usref-us)dt，
其中，isqref为外环控制器输出的第一q轴电流参考值或第二q轴电流参考值；Kp和Ki分别为外环PI控制的比例系数和积分系数；us为MMC的交流侧公共连接点PCC的电压；usref为所述PCC点的电压参考值。
优选地，其中所述控制策略生效单元中，控制策略生效的预设时间段的取值范围为[10ms，100ms]。
优选地，其中所述系统还包括：
电流控制恢复单元，用于当控制策略退出后，恢复通过所述MMC的外环控制器实际输出的q轴电流参考值对内环控制器进行控制，以使所述MMC输出短路电流的能力得到恢复。
本发明提供了一种抑制模块化多电平换流器短路电流的方法及系统，在控制策略生效的预设时间段内，控制外环控制器实时输出的第二q轴电流参考值与控制策略生效前一采样时刻的第一q轴电流参考值一致，通过第二q轴电流参考值对内环控制器进行控制，实现对MMC输出的短路电流的抑制；本发明能够实现不超过断路器容量限制的MMC输出电流控制，能够使得MMC输出的短路电流在策略生效时间内大幅降低，并在策略退出后恢复MMC对交流系统的无功支撑能力，可以用于MMC并网运行指导，支撑交流系统电压稳定。
附图说明
通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：
图1为根据本发明实施方式的抑制模块化多电平换流器短路电流的方法100的流程图；
图2为根据本发明实施方式的对电流参考值进行控制的示意图；
图3为根据本发明实施方式的采用控制策略抑制前后MMC提供短路电流的示意图；
图4为根据本发明实施方式的抑制模块化多电平换流器短路电流的系统400的结构示意图。
具体实施方式
现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。
除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。
图1为根据本发明实施方式的抑制模块化多电平换流器短路电流的方法100的流程图。如图1所示，本发明实施方式提供的抑制模块化多电平换流器短路电流的方法，在控制策略生效的预设时间段内，控制外环控制器实时输出的第二q轴电流参考值与控制策略生效前一采样时刻的第一q轴电流参考值一致，通过第二q轴电流参考值对内环控制器进行控制，实现对MMC输出的短路电流的抑制；本发明能够实现不超过断路器容量限制的MMC输出电流控制，能够使得MMC输出的短路电流在策略生效时间内大幅降低，并在策略退出后恢复MMC对交流系统的无功支撑能力，可以用于MMC并网运行指导，支撑交流系统电压稳定。本发明实施方式提供的抑制模块化多电平换流器短路电流的方法100，从步骤101处开始，在步骤101当确定交流系统发生需要断路器开断的故障时计算控制策略生效前一采样时刻，模块化多电平换流器MMC的外环控制器输出的第一q轴电流参考值。
优选地，其中所述方法利用如下方式计算模块化多电平换流器MMC的外环控制器输出的第一q轴电流参考值和第二q轴电流参考值，包括：
isqref＝Kp(usref-us)+Ki∫(usref-us)dt，
其中，isqref为外环控制器输出的第一q轴电流参考值或第二q轴电流参考值；Kp和Ki分别为外环PI控制的比例系数和积分系数；us为MMC的交流侧公共连接点PCC的电压；usref为所述PCC点的电压参考值。
在步骤102，在所述控制策略生效的预设时间段内，控制所述MMC的外环控制器实时输出的第二q轴电流参考值与所述第一q轴电流参考值一致，通过所述第二q轴电流参考值对所述MMC的内环控制器进行控制，实现对所述MMC输出的短路电流的抑制。
优选地，其中所述MMC的控制模式为：外环定有功定交流电压控制模式、外环定有功定无功控制模式、外环定直流电压定交流电压控制模式或外环定直流电压定无功控制模式。
优选地，其中所述控制策略生效的预设时间段的取值范围为[10ms，100ms]。
优选地，其中所述方法还包括：
当控制策略退出后，恢复通过所述MMC的外环控制器实际输出的q轴电流参考值对内环控制器进行控制，以使所述MMC输出短路电流的能力得到恢复。
本发明基于MMC控制系统数学模型外环控制器响应特性选择控制参考值，结合交流系统短路故障后的短路电流衰减特性，提出的一种通过对电流参考值进行控制，实现对MMC输出短路电流的抑制的方法，同时保留无功支撑能力。
本发明的方法对于处于外环定有功定交流电压控制模式、外环定有功定无功控制模式、外环定直流电压定交流电压控制模式或外环定直流电压定无功控制模式的MMC均使用。
以外环定有功定交流电压控制模式为例，MMC控制系统外环控制器数学模型为：
isdref＝Kp(Pref-P)+Ki∫(Pref-P)dt (1)
isqref＝Kp(usref-us)+Ki∫(usref-us)dt (2)
其中，isdref为外环控制器输出的d轴电流参考值；isqref为外环控制器输出的第一q轴电流参考值或第二q轴电流参考值；Kp和Ki分别为外环PI控制的比例系数和积分系数；us为MMC交流侧公共连接点(Point of Common Coupling，PCC)电压，usref为所述PCC点的电压参考值；P为输出有功功率，Pref为有功功率参考值。在交流系统发生故障后，系统电压降低，MMC输出有功功率与无功功率受阻，外环控制器输出的电流参考值isdref和isqref的绝对值增加，最终使得总电流参考值增加到电流限幅值Imax。由于q轴电流的增加既反映了MMC无功支撑能力，也代表了影响故障后影响断路器容量限制的短路电流，因此选择以q轴电流参考值作为主要控制对象。
根据《GB/T 15544.1-2013三相交流系统短路电流计算第1部分：电流计算》第2.1条可知，交流系统短路电流到达峰值的时间为10ms，因此，为了实现MMC短路电流注入后不对断路器开断产生影响，应避免交流系统短路电流到达峰值时柔直输出短路电流增大。同时为了实现无功支撑能力，应保留柔直输出短路电流增加的能力。因此，控制策略为：在根据电压电流分量或既有的控保信号确定交流系统故障后，在交流系统故障后的预设时间段10ms-100ms内，保持q轴的电流参考值isqref与故障前一致，从而限制短路电流的输出，随后解除限制，电流参考值增加，MMC输出电流也随之增加，发挥MMC的无功支撑能力。
具体地，抑制模块化多电平换流器短路电流的过程为：
S1,根据交流系统电压电流分量变化或既有的控制保护系统触发信号判断故障类型，当发生三相短路故障等需要断路器开断的故障时，控制策略触发生效。
S2，假设控制策略生效前一瞬间时刻为t0，利用公式(2)计算此时的q轴电流参考值为isqref(t0)；
S3，在控制策略生效时间段内，控制外环控制器输出的isqref(t)＝isqref(t0)，其中t0≤t≤t0+T，T为控制策略生效时间。将此q轴电流参考值isqref(t0)替换原本公式(2)计算的结果进入后续控制环节，最终实现对短路电流的抑制。
S4，当控制策略退出后，q轴电流参考值重新恢复为根据公式(2)计算得到的结果，输入到内环控制器进行控制，以使所述MMC输出短路电流的能力得到恢复，保留了所述MMC对系统的无功支撑能力。
其中，在控制策略生效过程中不对其他环节进行调整。通常情况下10ms≤T≤100ms，典型值可取50ms，也可根据实际控保系统响应速度可以进行适当调整。
图2为根据本发明实施方式的对电流参考值进行控制的示意图。如图2所示，采取策略前MMC正常响应情况下，短路电流参考值及输出值逐渐上升至q轴最大值Isqmax，采取本发明策略后，在故障后的一段时间内参考值维持不变，输出短路电流也较低，相比于采取策略前抑制了输出的短路电流，最后恢复短路电流输出，具备同等的无功支撑能力。
本发明在电磁暂态仿真平台上对本发明的方法进行验证，MMC容量3000MW，交流侧基准电压525kV，MMC采用定无功功率控制模式，对采用本发明前后的柔直提供给故障支路的短路电流进行测量。试验结果如图3所示，图3中2s时发生故障，故障持续0.25s，策略持续0.1s，由于测量方式为交流系统侧电流减去故障支路电流以得到柔直提供的短路电流，因此在非故障状态时测量结果不为0，表示的是此时柔直输出的电流。从图2中可以看到，采用策略后，故障瞬间短路电流减小了约50％，得到了有效的抑制，且策略结束后快速恢复了短路电流输出即无功支撑能力。
图4为根据本发明实施方式的抑制模块化多电平换流器短路电流的系统400的结构示意图。如图4所示，本发明实施方式提供的抑制模块化多电平换流器短路电流的系统400，包括：控制策略生效单元401、q轴电流参考值计算单元402和电流抑制单元403。
优选地，所述控制策略生效单元401，用于当确定交流系统发生需要断路器开断的故障时，控制策略生效。
优选地，所述q轴电流参考值计算单元402，用于计算控制策略生效前一采样时刻，模块化多电平换流器MMC的外环控制器输出的第一q轴电流参考值。
优选地，其中所述q轴电流参考值计算单元402，利用如下方式计算模块化多电平换流器MMC的外环控制器输出的第一q轴电流参考值和第二q轴电流参考值，包括：
isqref＝Kp(usref-us)+Ki∫(usref-us)dt，
其中，isqref为外环控制器输出的第一q轴电流参考值或第二q轴电流参考值；Kp和Ki分别为外环PI控制的比例系数和积分系数；us为MMC的交流侧公共连接点PCC的电压；usref为所述PCC点的电压参考值。
优选地，所述电流抑制单元403，用于在所述控制策略生效的预设时间段内，控制所述MMC的外环控制器实时输出的第二q轴电流参考值与所述第一q轴电流参考值一致，通过所述第二q轴电流参考值对所述MMC的内环控制器进行控制，实现对所述MMC输出的短路电流的抑制。
优选地，其中所述q轴电流参考值计算单元中，MMC的控制模式为：外环定有功定交流电压控制模式、外环定有功定无功控制模式、外环定直流电压定交流电压控制模式或外环定直流电压定无功控制模式。
优选地，其中所述控制策略生效单元中，控制策略生效的预设时间段的取值范围为[10ms,100ms]。
优选地，其中所述系统还包括：
电流控制恢复单元，用于当控制策略退出后，恢复通过所述MMC的外环控制器实际输出的q轴电流参考值对内环控制器进行控制，以使所述MMC输出短路电流的能力得到恢复。
本发明的实施例的抑制模块化多电平换流器短路电流的系统400与本发明的另一个实施例的抑制模块化多电平换流器短路电流的方法100相对应，在此不再赘述。
已经通过参考少量实施方式描述了本发明。然而，本领域技术人员所公知的，正如附带的专利权利要求所限定的，除了本发明以上公开的其他的实施例等同地落在本发明的范围内。
通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个/所述/该[装置、组件等]”都被开放地解释为所述装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种抑制模块化多电平换流器短路电流的方法，其特征在于，所述方法包括：
当确定交流系统发生需要断路器开断的故障时，计算控制策略生效前一采样时刻，模块化多电平换流器MMC的外环控制器输出的第一q轴电流参考值；
在所述控制策略生效的预设时间段内，控制所述MMC的外环控制器实时输出的第二q轴电流参考值与所述第一q轴电流参考值一致，通过所述第二q轴电流参考值对所述MMC的内环控制器进行控制，实现对所述MMC输出的短路电流的抑制。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述MMC的控制模式为：外环定有功定交流电压控制模式、外环定有功定无功控制模式、外环定直流电压定交流电压控制模式或外环定直流电压定无功控制模式。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法利用如下方式计算模块化多电平换流器MMC的外环控制器输出的第一q轴电流参考值和第二q轴电流参考值，包括：
isqref＝Kp(usref-us)+Ki∫(usref-us)dt，
其中，isqref为外环控制器输出的第一q轴电流参考值或第二q轴电流参考值；Kp和Ki分别为外环PI控制的比例系数和积分系数；us为MMC的交流侧公共连接点PCC的电压；usref为所述PCC点的电压参考值。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制策略生效的预设时间段的取值范围为[10ms,100ms]。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
当控制策略退出后，恢复通过所述MMC的外环控制器实际输出的q轴电流参考值对内环控制器进行控制，以使所述MMC输出短路电流的能力得到恢复。
6.一种抑制模块化多电平换流器短路电流的系统，其特征在于，所述系统包括：
控制策略生效单元，用于当确定交流系统发生需要断路器开断的故障时，控制策略生效；
q轴电流参考值计算单元，用于计算控制策略生效前一采样时刻，模块化多电平换流器MMC的外环控制器输出的第一q轴电流参考值；
电流抑制单元，用于在所述控制策略生效的预设时间段内，控制所述MMC的外环控制器实时输出的第二q轴电流参考值与所述第一q轴电流参考值一致，通过所述第二q轴电流参考值对所述MMC的内环控制器进行控制，实现对所述MMC输出的短路电流的抑制。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述q轴电流参考值计算单元中，MMC的控制模式为：外环定有功定交流电压控制模式、外环定有功定无功控制模式、外环定直流电压定交流电压控制模式或外环定直流电压定无功控制模式。
8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述q轴电流参考值计算单元，利用如下方式计算模块化多电平换流器MMC的外环控制器输出的第一q轴电流参考值和第二q轴电流参考值，包括：
isqref＝Kp(usref-us)+Ki∫(usref-us)dt，
其中，isqref为外环控制器输出的第一q轴电流参考值或第二q轴电流参考值；Kp和Ki分别为外环PI控制的比例系数和积分系数；us为MMC的交流侧公共连接点PCC的电压；usref为所述PCC点的电压参考值。
9.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述控制策略生效单元中，控制策略生效的预设时间段的取值范围为[10ms,100ms]。
10.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：
电流控制恢复单元，用于当控制策略退出后，恢复通过所述MMC的外环控制器实际输出的q轴电流参考值对内环控制器进行控制，以使所述MMC输出短路电流的能力得到恢复。
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