CN113364037A - 一种提高弱电网下mmc-hvdc稳定性的全频带电导补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种提高弱电网下MMC‑HVDC稳定性的全频带电导补偿方法，该方法通过MMC‑HVDC的电气参数和控制参数建立系统并网并联形式等效模型；根据所述等效模型推导得到MMC输出导纳表达式，并根据所述MMC输出导纳表达式得到输出电导表达式；对输出电导表达式求解关于角频率的一阶导数，得到最小极值点和全频带电导最小值。从而给出了MMC‑HVDC控制系统负电导频带范围及全频带电导补偿值，基于此提出全频带电导补偿策略，显著改善了弱电网下MMC‑HVDC控制系统的稳定性。

Description

一种提高弱电网下MMC-HVDC稳定性的全频带电导补偿方法

技术领域

本发明涉及到MMC控制技术领域，尤其涉及到一种提高弱电网下MMC-HVDC稳定性的全频带电导补偿方法。

背景技术

得益于海上风电并网、新能源孤岛送出、区域电网异步互联等应用场景的迫切需求，国内外已有几十项MMC-HVDC工程投入运行。随着分布式电源并网功率的增加以及接入电网位置的广泛分布，电网越来越呈现出弱电网特性，即电网阻抗较大且并网点电网电压含有丰富的背景谐波。电网运行方式的变化也导致了电网阻抗呈宽范围变化的特点，当弱交流系统短路比较小时，锁相环无法准确锁相，传统的双闭环解耦控制策略也无法准确、稳定地对系统进行控制，给MMC稳定高效运行带来了严峻挑战。

发明内容

本发明提供了一种提高弱电网下MMC-HVDC稳定性的全频带电导补偿方法，该方法包括以下步骤：

通过MMC-HVDC的电气参数和控制参数建立系统并网并联形式等效模型；

根据所述等效模型推导得到MMC输出导纳表达式，并根据所述MMC输出导纳表达式得到输出电导表达式；

对输出电导表达式求解关于角频率的一阶导数得到最小极值点、全频带电导最小值、电导补偿值以及负电导频带范围；

通过电流控制器、调制环节和子模块电容电压平衡策略得到所有全控型电力电子开关器件的触发信号，对MMC的子模块进行控制。

在上述技术方案中，给出了MMC-HVDC控制系统负电导频带范围及电导最小值求解方法，基于此提出全频带电导补偿策略，显著改善了弱电网下MMC-HVDC控制系统的稳定性。

在一个具体可实施方案中，所述对输出电导表达式求解关于角频率的一阶导数得到最小极值点、全频带电导最小值、电导补偿值以及负电导频带范围具体包括：所述对输出电导表达式求解关于角频率的一阶导数得到最小极值点、全频带电导最小值、电导补偿值以及负电导频带范围，具体为：

根据所述输出电导表达式求解关于角频率ω的一阶导数，得到极值点ω_v，将极值点ω_v带入所述输出电导表达式中得到全频带电导最小值G_v，控制系统负电导频带范围为(-ω_v～ω_v)；

根据所述全频带电导最小值G_v，以及计算过程中存在的误差，得到全频带电导补偿值Y_v＝kG_v，其中k为误差系数；

采集MMC-HVDC换流站输出三相并网电流i_a、i_b、i_c，以及公共耦合点三相电压u_a、u_b、u_c；

将公共耦合点三相电压u_a、u_b、u_c经锁相环PLL锁相得到公共耦合点电压相角θ；

根据所述公共耦合点电压相角θ，将公共耦合点三相电压做3s/2r变换，得到公共耦合点电压dq轴分量u_d、u_q；对并网电流i_a、i_b、i_c做3s/2r变换，得到并网电流dq轴分量i_d、i_q；

根据所述公共耦合点电压dq轴分量u_d、u_q，并网电流dq轴分量i_d、i_q以及所述电导补偿值，通过全频带电导补偿方程，得到校正后的并网电流dq轴分量i′_d、i′_q；

根据预设的或接受调度发送的有功指令P_ref、无功指令Q_ref及坐标变换得到的电压u_d、u_q，计算并网电流指令i_dref、i_qref；

将所述并网电流指令i_dref、i_qref、以及校正后的并网电流dq轴分量i′_d、i′_q和所述公共耦合点电压dq轴分量u_d、u_q进入到电流控制器，得到驱动信号控制MMC的六个桥臂电压。

在一个具体可实施方案中，所述全频带电导补偿方程为：

在一个具体可实施方案中，根据所述等效模型推导得到MMC输出导纳表达式，并根据所述MMC输出导纳表达式得到输出电导表达式，具体为：

根据逆变器并网电流控制框图得到并网电流表达式：

i_L＝G_r0i_Lref+Y₀u_PCC；

其中

根据逆变器并网等效电路并联形式推导出并网电流表达式：

将公式i_L＝G_r0i_Lref+Y₀u_PCC和

联立可得到MMC输出导纳表达式：

其中，

为电流调节器，

为数字控制产生的延时环节，

为等效被控对象，K_p为电流环PI调节器比例控制系数，K_i为电流环PI调节器积分控制系数，s为拉普拉斯算子，T_s为一个控制周期延时，L为连接电抗器和换流变压器电感之和；

将

和s＝jω代入MMC输出导纳表达式中，得到输出电导表达式；

其中，

在一个具体可实施方案中，所述将公共耦合点三相电压u_a、u_b、u_c经锁相环PLL锁相得到公共耦合点电压相角θ，具体为：

根据公式

获得公共耦合点电压相角θ，其中，

ω₁为电网的额定角频率，K_{p_PLL}为锁相环PI调节器的比例控制系数，K_{i_PLL}为锁相环PI调节器积分控制系数。

在一个具体可实施方案中，电压的3s/2r变换以及电流的3s/2r变换具体公式如下：

在一个具体可实施方案中，

所述根据预设的或接受调度发送的有功指令P_ref、无功指令Q_ref及坐标变换得到的电压u_d、u_q，计算并网电流指令i_dref、i_qref；具体计算公式如下：

在一个具体可实施方案中，所述

将所述并网电流指令i_dref、i_qref、以及校正后的并网电流dq轴分量i′_d、i′_q和所述公共耦合点电压dq轴分量u_d、u_q进入到电流控制器，得到驱动信号控制MMC的六个桥臂电压；具体包括：

计算dq轴的电压指令v_dref、v_qref；具体计算公式如下：

计算MMC的三相电压指令v_aref、v_bref、v_cref；具体计算过程如下：

v_dref、v_qref经过2r/3s变换，得到v_aref、v_bref、v_cref，计算公式如下：

MMC六个桥臂的电压指令v_apref、v_anref、v_bpref、v_bnref、v_cpref、v_cnref；具体计算公式如下：

式中：u_dc为MMC直流侧电压；下标“p”、“n”分别表示上桥臂和下桥臂。

在一个具体可实施方案中，根据所述全频带电导最小值G_v，以及计算过程中存在的误差，得到全频带电导补偿值Y_v＝kG_v，其中k为误差系数；具体为：

在计算过程中存在有第一误差和第二误差；其中，所述第一误差为数字控制产生的延时环节取的近似表达式

所述第二误差为在求角频率ω的一阶导数得到极值点ω_v，将极值点ω_v带入输出电导表达式中得到全频带电导最小值G_v的过程中，由于数量级，忽略a、d、e，得到极值点ω_v：

通过全频带电导最小值G_v，考虑第一误差和第二误差，通过误差系数进行补偿，得到全频带电导补偿值Y_v＝kG_v。

附图说明

图1为全频带电导补偿值计算流程示意图；

图2为MMC并网并联形式等效电路图；

图3为弱电网下全频带电导补偿的MMC-HVDC控制策略示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种提高弱电网下MMC-HVDC稳定性的全频带电导补偿方法，参考图1，该方法包括以下步骤：通过MMC-HVDC的电气参数和控制参数建立系统并网并联形式等效模型；

根据所述等效模型推导得到MMC输出导纳表达式，并根据所述MMC输出导纳表达式得到输出电导表达式；

对输出电导表达式求解关于角频率的一阶导数得到最小极值点、全频带电导最小值、电导补偿值以及负电导频带范围；

通过电流控制器、调制环节和子模块电容电压平衡策略得到所有全控型电力电子开关器件的触发信号，对MMC的子模块进行控制。

为方便理解，下面结合具体的图2和图3对其进行说明。其中，图2为MMC并网并联形式等效电路图；图3为弱电网下全频带电导补偿的MMC-HVDC控制策略示意图。该方法包括以下步骤：

步骤一：通过MMC-HVDC的电气参数和控制参数建立系统并网并联形式等效模型。

具体的，参考图2所示，图2示出了MMC并网并联形式等效电路图，其中，Y_MMC和i_MMC为MMC诺顿等效电路的导纳及电流源，Y_S0和i_S0为弱电网诺顿等效电路的导纳及电流源，u_PCC为公共耦合点电压。

步骤二：根据步骤一的系统并网并联形式等效模型推导得到MMC输出导纳表达式，进而根据MMC输出导纳表达式得到输出电导表达式；

得到的MMC输出导纳表达式具体为：

其中，

为电流调节器，

为数字控制产生的延时环节，

为等效被控对象，K_p为电流环PI调节器比例控制系数，K_i为电流环PI调节器积分控制系数，s为拉普拉斯算子，T_s为一个控制周期延时，L为连接电抗器和换流变压器电感之和；

将

和s＝jω代入MMC输出导纳表达式中，得到输出电导表达式；

其中，

步骤三：对步骤二的输出电导表达式求解关于角频率ω的一阶导数，得到极值点ω_v，将极值点ω_v带入所述输出电导表达式中得到全频带电导最小值G_v，控制系统负电导频带范围为(-ω_v～ω_v)；

步骤四：根据步骤三得到的全频带电导最小值G_v，考虑计算过程中存在的误差，得到全频带电导补偿值Y_v＝kG_v，k为误差系数；

在计算过程中存在有第一误差和第二误差；其中，所述第一误差为数字控制产生的延时环节取的近似表达式

所述第二误差为在求角频率ω的一阶导数得到极值点ω_v，将极值点ω_v带入输出电导表达式中得到全频带电导最小值G_v的过程中，由于数量级，忽略a、d、e，得到极值点ω_v：

通过全频带电导最小值G_v，考虑第一误差和第二误差，通过误差系数进行补偿，得到全频带电导补偿值Y_v＝kG_v。

步骤五：采集MMC-HVDC换流站输出三相并网电流i_a、i_b、i_c，以及公共耦合点三相电压u_a、u_b、u_c；

步骤六：将公共耦合点三相电压u_a、u_b、u_c经锁相环PLL锁相得到公共耦合点电压相角θ；公共耦合点电压相角θ的计算公式如下：

其中，ω₁为电网的额定角频率，K_{p_PLL}为锁相环PI调节器的比例控制系数，K_{i_PLL}为锁相环PI调节器积分控制系数。

步骤七：根据所述公共耦合点电压相角θ，将公共耦合点三相电压做3s/2r变换，得到公共耦合点电压dq轴分量u_d、u_q；对并网电流i_a、i_b、i_c做3s/2r变换，得到并网电流dq轴分量i_d、i_q；

具体的，电压的3s/2r变换以及电流的3s/2r变换具体公式如下：

步骤八：根据步骤七得到的公共耦合点电压dq轴分量u_d、u_q，并网电流dq轴分量i_d、i_q以及所述电导补偿值，通过全频带电导补偿方程，得到校正后的并网电流dq轴分量i′_d、i′_q；

所述全频带电导补偿方程为：

步骤九：根据预设的或接受调度发送的有功指令P_ref、无功指令Q_ref及坐标变换得到的电压u_d、u_q，计算并网电流指令i_dref、i_qref；具体计算公式如下：

步骤十：步骤九计算得到的并网电流指令i_dref、i_qref、以及校正后的并网电流dq轴分量i′_d、i′_q和所述公共耦合点电压dq轴分量u_d、u_q进入到电流控制器，得到驱动信号控制MMC的六个桥臂电压。

具体计算步骤如下：

计算dq轴的电压指令v_dref、v_qref；具体计算公式如下：

计算MMC的三相电压指令v_aref、v_bref、v_cref；具体计算过程如下：

v_dref、v_qref经过2r/3s变换，得到v_aref、v_bref、v_cref，计算公式如下：

MMC六个桥臂的电压指令v_apref、v_anref、v_bpref、v_bnref、v_cpref、v_cnref；具体计算公式如下：

式中：u_dc为MMC直流侧电压；下标“p”、“n”分别表示上桥臂和下桥臂。

步骤十一：通过调制环节和子模块电容电压平衡策略得到所有全控型电力电子开关器件的触发信号，对MMC的子模块进行控制。

具体的，调制环节：最近电平逼近调制(NLM)。子模块电容电压平衡策略：首先监测各子模块电容电压值，并将其输入控制器进行排序。其次测量桥臂电流方向，确定其对各子模块电容是充电还是放电。最后，在下次电容变动时刻，如果桥臂电流对子模块电容充电，则投入该桥臂中电容电压偏低的子模块；如果桥臂电流使子模块电容放电，则投入该桥臂中电容电压偏高的子模块。电容电压偏高还是偏低是根据对子模块电容电压的排序确定的。六个桥臂的电压指令经过调制环节得到六个桥臂投入的子模块数。基于子模块电容电压平衡策略得到所有全控型电力电子开关器件的触发信号，通过光纤发送给每个子模块。

在采用上述方法时，给出了弱电网下MMC-HVDC控制系统负电导频带范围及电导最小值求解方法，基于此提出全频带电导补偿策略，显著改善了弱电网下MMC-HVDC控制系统的稳定性。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种提高弱电网下MMC-HVDC稳定性的全频带电导补偿方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

通过MMC-HVDC的电气参数和控制参数建立系统并网并联形式等效模型；

根据所述等效模型推导得到MMC输出导纳表达式，并根据所述MMC输出导纳表达式得到输出电导表达式；

对输出电导表达式求解关于角频率的一阶导数得到最小极值点、全频带电导最小值、电导补偿值以及负电导频带范围；

通过电流控制器、调制环节和子模块电容电压平衡策略得到所有全控型电力电子开关器件的触发信号，对MMC的子模块进行控制。

2.如权利要求1所述的提高弱电网下MMC-HVDC稳定性的全频带电导补偿方法，其特征在于，所述对输出电导表达式求解关于角频率的一阶导数得到最小极值点、全频带电导最小值、电导补偿值以及负电导频带范围具体包括：所述对输出电导表达式求解关于角频率的一阶导数得到最小极值点、全频带电导最小值、电导补偿值以及负电导频带范围，具体为：

根据所述输出电导表达式求解关于角频率ω的一阶导数，得到极值点ω_v，将极值点ω_v带入所述输出电导表达式中得到全频带电导最小值G_v，控制系统负电导频带范围为(-ω_v～ω_v)；

根据所述全频带电导最小值G_v，以及计算过程中存在的误差，得到全频带电导补偿值Y_v＝kG_v，其中k为误差系数；

采集MMC-HVDC换流站输出三相并网电流i_a、i_b、i_c，以及公共耦合点三相电压u_a、u_b、u_c；

将公共耦合点三相电压u_a、u_b、u_c经锁相环PLL锁相得到公共耦合点电压相角θ；

根据所述公共耦合点电压相角θ，将公共耦合点三相电压做3s/2r变换，得到公共耦合点电压dq轴分量u_d、u_q；对并网电流i_a、i_b、i_c做3s/2r变换，得到并网电流dq轴分量i_d、i_q；

根据所述公共耦合点电压dq轴分量u_d、u_q，并网电流dq轴分量i_d、i_q以及所述电导补偿值，通过全频带电导补偿方程，得到校正后的并网电流dq轴分量i′_d、i′_q；

根据预设的或接受调度发送的有功指令P_ref、无功指令Q_ref及坐标变换得到的电压u_d、u_q，计算并网电流指令i_dref、i_qref；

将所述并网电流指令i_dref、i_qref、以及校正后的并网电流dq轴分量i_d′、i_q′和所述公共耦合点电压dq轴分量u_d、u_q进入到电流控制器，得到驱动信号控制MMC的六个桥臂电压。

3.如权利要求2所述的提高弱电网下MMC-HVDC稳定性的全频带电导补偿方法，其特征在于，所述全频带电导补偿方程为：

4.如权利要求2所述的提高弱电网下MMC-HVDC稳定性的全频带电导补偿方法，其特征在于，根据所述等效模型推导得到MMC输出导纳表达式，并根据所述MMC输出导纳表达式得到输出电导表达式，具体为：

根据逆变器并网电流控制框图得到并网电流表达式：

i_L＝G_r0i_Lref+Y₀u_PCC；

其中

根据逆变器并网等效电路并联形式推导出并网电流表达式：

将公式i_L＝G_r0i_Lref+Y₀u_PCC和

联立可得到MMC输出导纳表达式：

其中，

为电流调节器，

为数字控制产生的延时环节，

为等效被控对象，K_p为电流环PI调节器比例控制系数，K_i为电流环PI调节器积分控制系数，s为拉普拉斯算子，T_s为一个控制周期延时，L为连接电抗器和换流变压器电感之和；

将

和s＝jω代入MMC输出导纳表达式中，得到输出电导表达式；

其中，

5.如权利要求2所述的提高弱电网下MMC-HVDC稳定性的全频带电导补偿方法，其特征在于，所述将公共耦合点三相电压u_a、u_b、u_c经锁相环PLL锁相得到公共耦合点电压相角θ，具体为：

根据公式

获得公共耦合点电压相角θ，其中，

ω₁为电网的额定角频率，K_{p_PLL}为锁相环PI调节器的比例控制系数，K_{i_PLL}为锁相环PI调节器积分控制系数。

6.如权利要求2所述的提高弱电网下MMC-HVDC稳定性的全频带电导补偿方法，其特征在于，电压的3s/2r变换以及电流的3s/2r变换具体公式如下：

7.如权利要求2所述的提高弱电网下MMC-HVDC稳定性的全频带电导补偿方法，其特征在于，所述根据预设的或接受调度发送的有功指令P_ref、无功指令Q_ref及坐标变换得到的电压u_d、u_q，计算并网电流指令i_dref、i_qref；具体计算公式如下：

8.如权利要求2所述提高弱电网下MMC-HVDC稳定性的全频带电导补偿方法，其特征在于，将所述并网电流指令i_dref、i_qref、以及校正后的并网电流dq轴分量i′_d、i′_q和所述公共耦合点电压dq轴分量u_d、u_q进入到电流控制器，得到驱动信号控制MMC的六个桥臂电压；具体包括：

计算dq轴的电压指令v_dref、v_qref；具体计算公式如下：

计算MMC的三相电压指令v_aref、v_bref、v_cref；具体计算过程如下：

v_dref、v_qref经过2r/3s变换，得到v_aref、v_bref、v_cref，计算公式如下：

MMC六个桥臂的电压指令v_apref、v_anref、v_bpref、v_bnref、v_cpref、v_cnref；具体计算公式如下：

式中：u_dc为MMC直流侧电压；下标“p”、“n”分别表示上桥臂和下桥臂。

9.如权利要求2所述的提高弱电网下MMC-HVDC稳定性的全频带电导补偿方法，其特征在于，根据所述全频带电导最小值G_v，以及计算过程中存在的误差，得到全频带电导补偿值Y_v＝kG_v，其中k为误差系数；具体为：

在计算过程中存在有第一误差和第二误差；其中，所述第一误差为数字控制产生的延时环节取的近似表达式

所述第二误差为在求角频率ω的一阶导数得到极值点ω_v，将极值点ω_v带入输出电导表达式中得到全频带电导最小值G_v的过程中，由于数量级，忽略a、d、e，得到极值点ω_v：

其中，

通过全频带电导最小值G_v，考虑第一误差和第二误差，通过误差系数进行补偿，得到全频带电导补偿值Y_v＝kG_v。

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