发明内容
本发明实施例的目的是提供一种混合型MMC的直流故障清除控制方法、装置及存储介质,通过引入直流内电势的内环控制变量、无功功率的外环控制及子模块电容电压的外环控制,使得系统在直流故障快速清除的同时,有效抑制子模块电容过电压以及为交流电网提供动态无功支撑,提高了混合型MMC(modular multilevel converter,MMC)的直流故障电流清除性能和直流故障穿越能力,降低器件的损耗率。
为实现上述目的,本发明实施例提供了一种混合型MMC的直流故障清除控制方法,包括:
将获取的混合型MMC的直流输出电流值输入到直流故障电流控制环节,得到直流内电势参考值;
将获取的所述混合型MMC的子模块电容电压平均值输入到子模块电容电压外环控制环节,得到d轴电流参考值;
将获取的所述混合型MMC的输出无功功率值输入到无功功率外环控制环节,得到q轴电流参考值;
分别根据获取的所述混合型MMC的交流输出端的三相电网电压和三相输出电流,得到dq轴电网电压值和dq轴输出电流值;
将所述直流内电势参考值、所述d轴电流参考值、所述q轴电流参考值、所述dq轴电网电压值和所述dq轴输出电流值输入到内环控制环节,得到所述混合型MMC的三相上桥臂电压参考值和三相下桥臂电压参考值;
将所述三相上桥臂电压参考值和所述三相下桥臂电压参考值作为混合型MMC的脉冲调制控制器的输入,生成混合型MMC的脉冲控制信号。
作为上述方案的改进,所述将获取的混合型MMC的直流输出电流值输入到直流故障电流控制环节,得到直流内电势参考值,具体包括:
根据预设的混合型MMC的额定直流电压值和所述混合型MMC的全桥子模块比例系数,计算所述混合型MMC的直流电压下限值;
根据获取的所述混合型MMC的直流输出电流值和预设的所述混合型MMC的直流输出电流参考值,计算直流输出电流偏差信号;
根据预设的比例控制系数、所述直流输出电流偏差信号、所述额定直流电压值和所述直流电压下限值,计算直流内电势参考值。
作为上述方案的改进,所述根据预设的比例控制系数、所述直流输出电流偏差信号、所述额定直流电压值和所述直流电压下限值,计算直流内电势参考值,具体包括:
将预设的比例控制系数和所述直流输出电流偏差信号相乘,得到信号数值;
当所述信号数值大于或等于所述额定直流电压值时,将所述额定直流电压值作为直流内电势参考值;
当所述信号数值小于或等于所述直流电压下限值时,将所述直流电压下限值作为所述直流内电势参考值;
当所述信号数值大于所述直流电压下限值且小于所述额定直流电压值时,将所述信号数值作为所述直流内电势参考值。
作为上述方案的改进,所述将获取的所述混合型MMC的子模块电容电压平均值输入到子模块电容电压外环控制环节,得到d轴电流参考值,具体包括:
根据获取的所述混合型MMC的子模块电容电压平均值和预设的所述混合型MMC的子模块电容电压参考值,计算子模块电容电压偏差信号;
将所述子模块电容电压偏差信号输入第一比例积分控制器,得到d轴电流参考值。
作为上述方案的改进,所述将获取的所述混合型MMC的输出无功功率值输入到无功功率外环控制环节,得到q轴电流参考值,具体包括:
根据获取的所述混合型MMC的输出无功功率值和预设的所述混合型MMC的无功功率参考值,计算无功功率偏差信号;
将所述无功功率偏差信号输入第二比例积分控制器,得到q轴电流参考值。
作为上述方案的改进,所述分别根据获取的所述混合型MMC的交流输出端的三相电网电压和三相输出电流,得到dq轴电网电压值和dq轴输出电流值,具体包括:
将获取的所述混合型MMC的交流输出端的静止坐标系的三相电网电压进行坐标转化,得到同步旋转坐标系的d轴电网电压值和q轴电网电压值;
将获取的所述混合型MMC的交流输出端的静止坐标系的三相输出电流进行坐标转化,得到同步旋转坐标系的d轴输出电流值和q轴输出电流值。
作为上述方案的改进,所述将所述直流内电势参考值、所述d轴电流参考值、所述q轴电流参考值、所述dq轴电网电压值和所述dq轴输出电流值输入到内环控制环节,得到所述混合型MMC的三相上桥臂电压参考值和三相下桥臂电压参考值,具体包括:
根据d轴输出电流值和所述d轴电流参考值,计算d轴电流偏差信号;
将所述d轴电流偏差信号输入第三比例积分控制器,得到第一中间控制变量;
根据q轴输出电流值和所述q轴电流参考值,计算q轴电流偏差信号;
将所述q轴电流偏差信号输入第四比例积分控制器,得到第二中间控制变量;
根据预设的三相交流电网的同步角频率、预设的混合型MMC的桥臂电抗值、所述第一中间控制变量、所述q轴输出电流值和所述d轴电网电压值,计算d轴电压参考值;
根据所述同步角频率、所述桥臂电抗值、所述第二中间控制变量、所述d轴输出电流值和所述q轴电网电压值,计算q轴电压参考值;
将所述d轴电压参考值和所述q轴电压参考值进行坐标变换,得到静止坐标系的混合型MMC的交流端口的三相电压参考值;
根据所述三相电压参考值和所述直流内电势参考值,得到所述混合型MMC的三相上桥臂电压参考值和三相下桥臂电压参考值;其中,所述dq轴电网电压值包括所述d轴电网电压值和所述q轴电网电压值,所述dq轴输出电流值包括所述d轴输出电流值和所述q轴输出电流值。
作为上述方案的改进,所述根据所述三相电压参考值和所述直流内电势参考值,得到所述混合型MMC的三相上桥臂电压参考值和三相下桥臂电压参考值,具体包括:
将所述直流内电势参考值除以2,再减去所述三相电压参考值,得到所述混合型MMC的三相上桥臂电压参考值;
将所述直流内电势参考值除以2,再加上所述三相电压参考值,得到所述混合型MMC的三相下桥臂电压参考值。
为实现上述目的,本发明实施例还提供了一种混合型MMC的直流故障清除控制装置,包括:
直流故障电流控制模块,用于将获取的混合型MMC的直流输出电流值输入到直流故障电流控制环节,得到直流内电势参考值;
子模块电容电压外环控制模块,用于将获取的所述混合型MMC的子模块电容电压平均值输入到子模块电容电压外环控制环节,得到d轴电流参考值;
无功功率外环控制模块,用于将获取的所述混合型MMC的输出无功功率值输入到无功功率外环控制环节,得到q轴电流参考值;
坐标转换模块,用于分别根据获取的所述混合型MMC的交流输出端的三相电网电压和三相输出电流,得到dq轴电网电压值和dq轴输出电流值;
内环控制模块,用于将所述直流内电势参考值、所述d轴电流参考值、所述q轴电流参考值、所述dq轴电网电压值和所述dq轴输出电流值输入到内环控制环节,得到所述混合型MMC的三相上桥臂电压参考值和三相下桥臂电压参考值;
控制信号生成模块,用于将所述三相上桥臂电压参考值和所述三相下桥臂电压参考值作为混合型MMC的脉冲调制控制器的输入,生成混合型MMC的脉冲控制信号。
为实现上述目的,本发明实施例还提供了一种存储介质,所述存储介质包括存储的计算机程序,其中,在所述计算机程序运行时控制所述存储介质所在设备执行如上述任一实施例所述的混合型MMC的直流故障清除控制方法。
与现有技术相比,本发明实施例公开的混合型MMC的直流故障清除控制方法,通过直流故障电流控制环节,根据获取的混合型MMC的直流输出电流值得到直流内电势参考值;通过子模块电容电压外环控制环节,根据获取的所述混合型MMC的子模块电容电压平均值,得到d轴电流参考值;通过无功功率外环控制环节,根据获取的所述混合型MMC的输出无功功率值,得到q轴电流参考值;通过坐标转换,根据获取的所述混合型MMC的交流输出端的三相电网电压和三相输出电流,得到dq轴电网电压值和dq轴输出电流值;通过内环控制环节,根据所述直流内电势参考值、所述d轴电流参考值、所述q轴电流参考值、所述dq轴电网电压值和所述dq轴输出电流值,得到所述混合型MMC的三相上桥臂电压参考值和三相下桥臂电压参考值;通过将所述三相上桥臂电压参考值和所述三相下桥臂电压参考值作为混合型MMC的脉冲调制控制器的输入,来生成混合型MMC的脉冲控制信号。本发明实施例通过引入直流内电势的内环控制变量、无功功率的外环控制及子模块电容电压的外环控制,使得系统在直流故障快速清除的同时,有效抑制子模块电容过电压以及为交流电网提供动态无功支撑,提高了混合型MMC的直流故障电流清除性能和直流故障穿越能力,降低器件的损耗率。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
参见图1,是本发明一实施例提供的混合型MMC的直流故障清除控制方法的流程示意图,所述混合型MMC的直流故障清除控制方法,包括:
S11、将获取的混合型MMC的直流输出电流值输入到直流故障电流控制环节,得到直流内电势参考值;
S12、将获取的所述混合型MMC的子模块电容电压平均值输入到子模块电容电压外环控制环节,得到d轴电流参考值;
S13、将获取的所述混合型MMC的输出无功功率值输入到无功功率外环控制环节,得到q轴电流参考值;
S14、分别根据获取的所述混合型MMC的交流输出端的三相电网电压和三相输出电流,得到dq轴电网电压值和dq轴输出电流值;
S15、将所述直流内电势参考值、所述d轴电流参考值、所述q轴电流参考值、所述dq轴电网电压值和所述dq轴输出电流值输入到内环控制环节,得到所述混合型MMC的三相上桥臂电压参考值和三相下桥臂电压参考值;
S16、将所述三相上桥臂电压参考值和所述三相下桥臂电压参考值作为混合型MMC的脉冲调制控制器的输入,生成混合型MMC的脉冲控制信号。
在步骤S12中,所述混合型MMC的子模块电容电压平均值为根据采集的所述混合型MMC的所有的子模块电容电压计算得到的。
与现有技术相比,本发明实施例公开的混合型MMC的直流故障清除控制方法,通过直流故障电流控制环节,根据获取的混合型MMC的直流输出电流值得到直流内电势参考值;通过子模块电容电压外环控制环节,根据获取的所述混合型MMC的子模块电容电压平均值,得到d轴电流参考值;通过无功功率外环控制环节,根据获取的所述混合型MMC的输出无功功率值,得到q轴电流参考值;通过坐标转换,根据获取的所述混合型MMC的交流输出端的三相电网电压和三相输出电流,得到dq轴电网电压值和dq轴输出电流值;通过内环控制环节,根据所述直流内电势参考值、所述d轴电流参考值、所述q轴电流参考值、所述dq轴电网电压值和所述dq轴输出电流值,得到所述混合型MMC的三相上桥臂电压参考值和三相下桥臂电压参考值;通过将所述三相上桥臂电压参考值和所述三相下桥臂电压参考值作为混合型MMC的脉冲调制控制器的输入,来生成混合型MMC的脉冲控制信号。本发明实施例通过引入直流内电势的内环控制变量、无功功率的外环控制及子模块电容电压的外环控制,使得系统在直流故障快速清除的同时,有效抑制子模块电容过电压以及为交流电网提供动态无功支撑,提高了混合型MMC的直流故障电流清除性能和直流故障穿越能力,降低器件的损耗率。
在一种实施方式中,基于步骤S11~S16,在步骤S11中,所述将获取的混合型MMC的直流输出电流值输入到直流故障电流控制环节,得到直流内电势参考值,具体包括步骤S111~S113:
S111、根据预设的混合型MMC的额定直流电压值和所述混合型MMC的全桥子模块比例系数,计算所述混合型MMC的直流电压下限值;
S112、根据获取的所述混合型MMC的直流输出电流值和预设的所述混合型MMC的直流输出电流参考值,计算直流输出电流偏差信号;
S113、根据预设的比例控制系数、所述直流输出电流偏差信号、所述额定直流电压值和所述直流电压下限值,计算直流内电势参考值。
示例性的,预先设定混合型MMC(混合模块化多电平换流器)的直流输出电流参考值为0,采集混合模块化多电平换流器的直流输出电流值idc,计算直流输出电流偏差信号Δidc=-idc;根据预设的比例控制系数kp、直流输出电流偏差信号Δidc、额定直流电压值UdcN和直流电压下限值Uneg_lim,计算直流内电势参考值edc_ref。
进一步地,在步骤S113中,所述根据预设的比例控制系数、所述直流输出电流偏差信号、所述额定直流电压值和所述直流电压下限值,计算直流内电势参考值,具体包括S1131~S1134:
S1131、将预设的比例控制系数和所述直流输出电流偏差信号相乘,得到信号数值;
S1132、当所述信号数值大于或等于所述额定直流电压值时,将所述额定直流电压值作为直流内电势参考值;
S1133、当所述信号数值小于或等于所述直流电压下限值时,将所述直流电压下限值作为所述直流内电势参考值;
S1134、当所述信号数值大于所述直流电压下限值且小于所述额定直流电压值时,将所述信号数值作为所述直流内电势参考值。
示例性的,设定比例控制系数为kp,直流输出电流偏差信号为Δidc,额定直流电压值为UdcN,直流电压下限值为Uneg_lim;将预设的比例控制系数kp和直流输出电流偏差信号Δidc相乘,得到信号数值kpΔidc;如果kpΔidc≥UdcN,则edc_ref=UdcN;如果kpΔidc≤Uneg_lim则edc_ref=Uneg_lim;如果Uneg_lim<kpΔidc<UdcN则edc_ref=kpΔidc。
具体地,在步骤S12中,所述将获取的所述混合型MMC的子模块电容电压平均值输入到子模块电容电压外环控制环节,得到d轴电流参考值,具体包括步骤S121~S122:
S121、根据获取的所述混合型MMC的子模块电容电压平均值和预设的所述混合型MMC的子模块电容电压参考值,计算子模块电容电压偏差信号;
S122、将所述子模块电容电压偏差信号输入第一比例积分控制器,得到d轴电流参考值。
示例性的,根据预先设定的混合模块化多电平换流器的子模块电容电压参考值Ucap_ref和采集的混合模块化多电平换流器的子模块电容电压平均值Ucap,按照公式ΔUcap=Ucap_ref-Ucap,计算子模块电容电压偏差信号;将子模块电容电压偏差信号ΔUcap通过第一比例积分控制器后,得到同步旋转坐标系下的d轴电流参考值id_ref。
具体地,在步骤S13中,所述将获取的所述混合型MMC的输出无功功率值输入到无功功率外环控制环节,得到q轴电流参考值,具体包括步骤S131~S132:
S131、根据获取的所述混合型MMC的输出无功功率值和预设的所述混合型MMC的无功功率参考值,计算无功功率偏差信号;
S132、将所述无功功率偏差信号输入第二比例积分控制器,得到q轴电流参考值。
示例性的,根据预先设定的混合模块化多电平换流器的无功功率参考值Qref和采集的混合模块化多电平换流器的输出无功功率值Q,按照公式ΔQ=Qref-Q,计算无功功率偏差信号;将无功功率偏差信号ΔQ通过第二比例积分控制器后,得到同步旋转坐标系下的q轴电流参考值iq_ref。
具体地,在步骤S14中,所述分别根据获取的所述混合型MMC的交流输出端的三相电网电压和三相输出电流,得到dq轴电网电压值和dq轴输出电流值,具体包括步骤S141~S142:
S141、将获取的所述混合型MMC的交流输出端的静止坐标系的三相电网电压进行坐标转化,得到同步旋转坐标系的d轴电网电压值和q轴电网电压值;
S142、将获取的所述混合型MMC的交流输出端的静止坐标系的三相输出电流进行坐标转化,得到同步旋转坐标系的d轴输出电流值和q轴输出电流值。
示例性的,采集混合模块化多电平换流器交流输出端三相静止坐标系下的三相电网电压,通过坐标变换将三相静止坐标系下的三相电网电压转换到同步旋转坐标系下的d轴电网电压值usd和q轴电网电压值usq;采集混合模块化多电平换流器交流输出端三相静止坐标系下的三相输出电流,通过坐标变换将三相静止坐标系下的三相输出电流转换到同步旋转坐标系下的d轴输出电流值id和q轴输出电流值iq。
具体地,在步骤S15中,所述将所述直流内电势参考值、所述d轴电流参考值、所述q轴电流参考值、所述dq轴电网电压值和所述dq轴输出电流值输入到内环控制环节,得到所述混合型MMC的三相上桥臂电压参考值和三相下桥臂电压参考值,具体包括步骤S151~S158:
S151、根据d轴输出电流值和所述d轴电流参考值,计算d轴电流偏差信号;
S152、将所述d轴电流偏差信号输入第三比例积分控制器,得到第一中间控制变量;
S153、根据q轴输出电流值和所述q轴电流参考值,计算q轴电流偏差信号;
S154、将所述q轴电流偏差信号输入第四比例积分控制器,得到第二中间控制变量;
S155、根据预设的三相交流电网的同步角频率、预设的混合型MMC的桥臂电抗值、所述第一中间控制变量、所述q轴输出电流值和所述d轴电网电压值,计算d轴电压参考值;
S156、根据所述同步角频率、所述桥臂电抗值、所述第二中间控制变量、所述d轴输出电流值和所述q轴电网电压值,计算q轴电压参考值;
S157、将所述d轴电压参考值和所述q轴电压参考值进行坐标变换,得到静止坐标系的混合型MMC的交流端口的三相电压参考值;
S158、根据所述三相电压参考值和所述直流内电势参考值,得到所述混合型MMC的三相上桥臂电压参考值和三相下桥臂电压参考值;其中,所述dq轴电网电压值包括所述d轴电网电压值和所述q轴电网电压值,所述dq轴输出电流值包括所述d轴输出电流值和所述q轴输出电流值。
示例性的,根据同步旋转坐标系下的d轴输出电流值i
d和同步旋转坐标系下的d轴电流参考值i
d_ref,按照公式Δi
d=i
d_ref-i
d,计算d轴电流偏差信号Δi
d;将上述d轴电流偏差信号Δi
d通过第三比例积分控制器后,得到第一中间控制变量值v
1;根据同步旋转坐标系下的q轴输出电流值i
q和步骤(6)的同步旋转坐标系下的q轴电流参考值i
q_ref,按照公式Δi
q=i
q_ref-i
q,计算q轴电流偏差信号Δi
q;将q轴参考电流偏差信号Δi
q通过第四比例积分控制器后,得到第二中间控制变量v
2;预先设定三相交流电网的同步角频率为ω,预先设定混合模块化多电平换流器的桥臂电抗值为L,结合第一中间控制变量v
1、q轴输出电流值i
q、d轴电网电压值u
sd,按照公式
计算得到同步旋转坐标系下的d轴电压参考值u
d_re f;根据同步角频率ω、混合模块化多电平换流器的桥臂电抗值L、第二中间控制变量v
2,d轴输出电流值i
d和q轴电网电压值u
sq,按照公式
计算得到同步旋转坐标系下的q轴电压参考值u
q_ref;通过坐标变换将同步旋转坐标系下的d轴电压参考值u
d_ref和q轴电压参考值u
q_ref转换到三相静止坐标系下,得到三相静止坐标系下的混合模块化多电平换流器的交流端口三相电压参考值u
ra,u
rb,u
rc;根据交流端口三相电压参考值u
ra,u
rb,u
rc和直流内电势参考值e
dc_ref,计算得到混合模块化多电平换流器三相上桥臂电压参考值u
ap,u
bp,u
cp和三相下桥臂电压参考值u
an,u
bn,u
cn。
具体地,在步骤S158中,所述根据所述三相电压参考值和所述直流内电势参考值,得到所述混合型MMC的三相上桥臂电压参考值和三相下桥臂电压参考值,具体包括步骤S1581~S1582:
S1581、将所述直流内电势参考值除以2,再减去所述三相电压参考值,得到所述混合型MMC的三相上桥臂电压参考值;
S1582、将所述直流内电势参考值除以2,再加上所述三相电压参考值,得到所述混合型MMC的三相下桥臂电压参考值。
示例性的,设定三相电压参考值为u
ra,u
rb,u
rc,直流内电势参考值为e
dc_ref,按照公式
计算得混合型MMC的三相上桥臂电压参考值u
ap,u
bp,u
cp和三相下桥臂电压参考值u
an,u
bn,u
cn。
综上,本发明实施例能够通过引入直流内电势的内环控制变量、无功功率的外环控制及子模块电容电压的外环控制,使得系统在直流故障快速清除的同时,有效抑制子模块电容过电压以及为交流电网提供动态无功支撑,提高了混合型MMC的直流故障电流清除性能和直流故障穿越能力,降低器件的损耗率。
为更好地展示混合型MMC的直流故障清除控制方法的流程,结合图2~图7,下面进行详细的说明:
参见图2,图2是本发明一实施例提供的混合型MMC的结构示意图。每个桥臂中的子模块总数为N,其中全桥子模块数目为Nfb,其它为半桥子模块。桥臂中全桥子模块比例系数定义如下:
全桥子模块可以产生负电平输出,混合型MMC具有可调的直流母线电压,正常运行的混合型MMC的桥臂电压输出方式与常规半桥MMC相同,此情况下,桥臂输出电平状态上边界为桥臂级联子模块数目N,下边界为0。桥臂电压的直流分量就是桥臂上下输出边界的中心线,这也决定了混合型MMC的直流母线电压。桥臂输出电压上下边界之差则决定了混合型MMC交流输出电压的范围。由于全桥子模块可以输出负电平,当混合型MMC中存在Nfb个全桥子模块时,桥臂输出电平状态的下边界最多可以变为-Nfb。这种情况下,在不影响混合型MMC交流输出电压范围的约束条件下,桥臂输出电压上、下边界可以同时向负方向平移,向下平移的程度可以通过调节所输出的负电平幅度连续可调,这也等效于使混合型MMC直流侧电压连续可调。在混合型MMC的直流电压额定值为UdcN、桥臂中全桥子模块数目比例系数为ηfb的情况下,混合型MMC直流电压向下可调的限值如下:
图3是式(2)对应的曲线图,是混合型MMC直流电压可调下限随全桥子模块比例系数变化的曲线图。也就是说,当全桥子模块比例系数为ηfb时,在图3所示的斜线对应点的上方范围内混合型MMC直流电压可以连续可调。例如,当ηfb=50%时,MMC直流电压的可调范围为0~UdcN;当ηfb=75%时,混合型MMC直流电压的可调范围为-0.5UdcN~UdcN。
图4是混合型MMC直流故障清除过程等效电路。当检测到直流故障发生后,混合型MMC并不闭锁,而是仍然处于运行状态,只是切换到负压输出状态,迫使直流故障电流下降,直至下降到零。
图5所示为混合型MMC直流故障清除过程的直流电压和电流波形图。当发生直流故障后,混合型MMC输出负压,使直流故障电流在负压的作用下开始下降,直流负压越大,直流故障电流下降速度越快。
在直流故障主动清除过程中,需要通过一个直流故障主动清除控制器将故障电流控制到零,并控制直流故障清除过程中子模块电容电压的稳定。图6是本发明提出的混合型MMC的直流故障清除控制的结构示意图。一旦检测到直流故障,混合型MMC就切换到直流故障主动清除控制模式。
参见图6,图6包括直流故障电流外环控制环节、子模块电容电压外环控制环节、无功功率外环控制环节和内环控制环节,具体的直流故障清除控制的过程如下:
混合型MMC内环电流控制时在同步dq旋转坐标系下进行的,因此首先需要采集混合型MMC交流端口的三相电压和三相电流,并将三相静止坐标系下的信号转换到同步旋转坐标系下后再进行控制。因此首先采集混合模块化多电平换流器交流输出端三相静止坐标系下的三相电网电压,通过坐标变换将三相静止坐标系下的三相电网电压转换到同步旋转坐标系下的d轴电网电压值usd和q轴电网电压值usq;采集混合模块化多电平换流器交流输出端三相静止坐标系下的三相输出电流,通过坐标变换将三相静止坐标系下的三相输出电流转换到同步旋转坐标系下的d轴输出电流值id和q轴输出电流值iq。
子模块电容电压是混合型MMC交、直流侧有功功率平衡的体现。为了在故障清除过程中有效抑制子模块电容上的过电压,所述混合型MMC的直流故障清除控制方法中设计有一个直流电容电压控制器,将子模块电容电压闭环控制作为外环控制,产生内环控制的d轴电流参考值,以维持子模块电容电压保持额定值为目标,将直流线路中的额外能量传送到交流电网中。这可以避免闭锁方式下的全桥子模块电容过压问题,也是主动清除方式的主要优势。因此,设定混合模块化多电平换流器子模块电容电压参考值Ucap_ref,采集混合模块化多电平换流器子模块电容电压平均值Ucap,计算子模块电容电压偏差信号ΔUcap=Ucap_ref-Ucap。然后将子模块电容电压偏差信号ΔUcap通过第一比例积分控制器后,得到同步旋转坐标系下的d轴电流参考值id_ref。
内环控制的q轴电流仍可以用于混合模块化多电平换流器的无功功率控制,在故障清除期间可以根据交流电网的需要提供动态无功支撑。设定混合模块化多电平换流器无功功率参考值Qref,采集混合模块化多电平换流器输出无功功率值Q,计算无功功率偏差信号ΔQ=Qref-Q。将无功功率偏差信号ΔQ通过第二比例积分控制器后,得到同步旋转坐标系下的q轴电流参考值iq_ref。
在直流故障清除过程中,需要通过闭环控制调节直流电压将故障电流控制到零。为了使故障电流迅速降为零,可利用较大的比例系数kp产生直流端口参考电压。根据每个桥臂中全桥子模块的比例,将直流端口电压限制在[Uneg_lim,UdcN]范围。设定混合模块化多电平换流器额定直流电压值UdcN,设定混合模块化多电平换流器全桥子模块比例系数ηfb,可以计算混合模块化多电平换流器直流电压下限值Uneg_lim,Uneg_lim=(1-2ηfb)UdcN。设定混合模块化多电平换流器直流输出电流参考值为0,采集混合模块化多电平换流器直流输出电流值idc,计算直流输出电流偏差信号Δidc=-idc。设定比例控制系数kp,根据上述直流输出电流偏差信号Δidc,以及额定直流电压值UdcN和直流电压下限值Uneg_lim,计算直流内电势参考值edc_ref,如果kpΔidc≥UdcN则edc_ref=UdcN,如果kpΔidc≤Uneg_lim则edc_ref=Uneg_lim,如果Uneg_lim<kpΔidc<UdcN则edc_ref=kpΔidc。
在通过外环控制得到d轴电流参考值id_ref、q轴电流参考值iq_ref和直流内电势参考值edc_ref后,再通过内环控制得到混合模块化多电平换流器六个桥臂电压的参考值。
在内环电流控制方面,采用dq轴电流解耦的控制方法:对于d轴电流控制,根据同步旋转坐标系下的d轴输出电流值i
d和d轴电流参考值i
d_ref,计算d轴电流偏差信号Δi
d,Δi
d=i
d_ref-i
d;将上述d轴电流偏差信号Δi
d通过第三比例积分控制器后,得到第一中间控制变量值v
1。对于q轴电流控制,根据同步旋转坐标系下的q轴输出电流值i
q和q轴电流参考值i
q_ref,计算q轴电流偏差信号Δi
q,Δi
q=i
q_ref-i
q;将上述q轴参考电流偏差信号通过第四比例积分控制器后,得到第二中间控制变量v
2。设定三相交流电网的同步角频率为ω,设定混合模块化多电平换流器的桥臂电抗值为L,根据第一中间控制变量v
1、q轴输出电流值i
q、d轴电网电压值u
sd,计算得到同步旋转坐标系下的d轴电压参考值u
d_ref,
根据上述三相交流电网的同步角频率ω、混合模块化多电平换流器的桥臂电抗值L、第二中间控制变量v
2,d轴输出电流值i
d、q轴电网电压值u
sq,计算得到同步旋转坐标系下的q轴电压参考值u
q_ref,
在得到同步旋转坐标系下的d轴电压参考值和q轴电压参考值后,通过坐标变换将上述同步旋转坐标系下的d轴电压参考值ud_ref和q轴电压参考值uq_ref转换到三相静止坐标系下,得到三相静止坐标系下的混合模块化多电平换流器的交流端口三相电压参考值ura,urb,urc。
最后,利用上述交流端口三相电压参考值u
ra,u
rb,u
rc控制桥臂参考电压中的交流分量,控制混合模块化多电平换流器交流端口输出相应的交流电压,实现交流输出电流和功率的控制。利用上述直流内电势参考值e
dc_ref控制桥臂参考电压中的直流分量,控制混合模块化多电平换流器各相上桥臂和下桥臂的直流电压之和,从而控制混合模块化多电平换流器的直流端口电压,实现直流电流的故障清除控制。根据交流端口三相电压参考值u
ra,u
rb,u
rc和直流内电势参考值e
dc_ref,得到混合模块化多电平换流器三相上桥臂电压参考值u
ap,u
bp,u
cp和三相下桥臂电压参考值u
an,u
bn,u
cn,
最后将三相上桥臂电压参考值u
ap,u
bp,u
cp和三相下桥臂电压参考值u
an,u
bn,u
cn作为混合模块化多电平换流器的脉冲调制控制器的输入,生成混合模块化多电平换流器的脉冲控制信号。
参见图7的混合型MMC的直流故障清除过程的电压电流波形图,在一个±800kV/5000MW的双极MMC-HVDC工程的具体实施例中,采用所述混合型MMC的直流故障清除控制方法进行了故障清除的仿真研究。±800kV/5000MW的双极MMC每极由一个800kV/2500MW的混合型MMC构成,全桥子模块数目比例为75%,每极混合型MMC在故障发生之前传输2500MW的有功功率。在t0时刻发生直流故障。当直流线路电流在时间t1超过过电流保护阈值时,过流保护被触发,混合型MMC就进入到直流故障清除控制方式。直流电流外环控制使混合型MMC直流电压快速下调,将直流故障电流快速调节到0,实现直流故障清除。当ηfb=0.75时,故障清除过程中产生最大直流负压为-0.5UdcN(即-400kV),可以实现较快的故障清除速度。混合型MMC在故障清除过程中保持运行,正常工作电流流过桥臂。由于混合型MMC保持运行,因此直流线路中能量是被输送到交流电网,而不是被全桥子模块直流电容器吸收。由于子模块电容电压外环控制的作用,直流清除过程中子模块电容未出现明显的过电压,顺利实现直流故障穿越。在直流故障清除过程中,混合型MMC的交流侧无功功率也可以得到控制。在本实施例中,直流故障清除过程中的混合型MMC交流侧无功功率被控制为0,实现了混合型MMC故障电流的快速清除,并在直流故障清除过程中有效抑制子模块电容过电压,提高混合型MMC的直流故障电流清除性能和直流故障故障穿越能力。
参见图8,本发明一实施例还提供了一种混合型MMC的直流故障清除控制装置,所述混合型MMC的直流故障清除控制装置20包括:
直流故障电流控制模块21,用于将获取的混合型MMC的直流输出电流值输入到直流故障电流控制环节,得到直流内电势参考值;
子模块电容电压外环控制模块22,用于将获取的所述混合型MMC的子模块电容电压平均值输入到子模块电容电压外环控制环节,得到d轴电流参考值;
无功功率外环控制模块23,用于将获取的所述混合型MMC的输出无功功率值输入到无功功率外环控制环节,得到q轴电流参考值;
坐标转换模块24,用于分别根据获取的所述混合型MMC的交流输出端的三相电网电压和三相输出电流,得到dq轴电网电压值和dq轴输出电流值;
内环控制模块25,用于将所述直流内电势参考值、所述d轴电流参考值、所述q轴电流参考值、所述dq轴电网电压值和所述dq轴输出电流值输入到内环控制环节,得到所述混合型MMC的三相上桥臂电压参考值和三相下桥臂电压参考值;
控制信号生成模块26,用于将所述三相上桥臂电压参考值和所述三相下桥臂电压参考值作为混合型MMC的脉冲调制控制器的输入,生成混合型MMC的脉冲控制信号。
值得说明的是,所述混合型MMC的直流故障清除控制装置20的工作原理可参见上述任一实施例所述的混合型MMC的直流故障清除控制方法,在此不再赘述。
与现有技术相比,本发明实施例公开的混合型MMC的直流故障清除控制装置,通过直流故障电流控制环节,根据获取的混合型MMC的直流输出电流值得到直流内电势参考值;通过子模块电容电压外环控制环节,根据获取的所述混合型MMC的子模块电容电压平均值,得到d轴电流参考值;通过无功功率外环控制环节,根据获取的所述混合型MMC的输出无功功率值,得到q轴电流参考值;通过坐标转换,根据获取的所述混合型MMC的交流输出端的三相电网电压和三相输出电流,得到dq轴电网电压值和dq轴输出电流值;通过内环控制环节,根据所述直流内电势参考值、所述d轴电流参考值、所述q轴电流参考值、所述dq轴电网电压值和所述dq轴输出电流值,得到所述混合型MMC的三相上桥臂电压参考值和三相下桥臂电压参考值;通过将所述三相上桥臂电压参考值和所述三相下桥臂电压参考值作为混合模块化多电平换流器的脉冲调制控制器的输入,来生成混合模块化多电平换流器的脉冲控制信号。本发明实施例通过引入直流内电势的内环控制变量、无功功率的外环控制及子模块电容电压的外环控制,使得系统在直流故障快速清除的同时,有效抑制子模块电容过电压以及为交流电网提供动态无功支撑,提高了混合型MMC的直流故障电流清除性能和直流故障穿越能力,降低器件的损耗率。
参见图9,是本发明一实施例提供的一种混合型MMC的直流故障清除控制装置30,包括处理器31、存储器32以及存储在所述存储器32中且被配置为由所述处理器32执行的计算机程序,所述处理器31执行所述计算机程序时实现如上述混合型MMC的直流故障清除控制方法实施例中的步骤,例如图1中所述的步骤S11~S16;或者,所述处理器31执行所述计算机程序时实现上述各装置实施例中各模块的功能,例如直流故障电流控制模块21。
示例性的,所述计算机程序可以被分割成一个或多个模块,所述一个或者多个模块被存储在所述存储器32中,并由所述处理器31执行,以完成本发明。所述一个或多个模块可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段,该指令段用于描述所述计算机程序在所述混合型MMC的直流故障清除控制装置30中的执行过程。例如,所述计算机程序可以被分割成直流故障电流控制模块21、子模块电容电压外环控制模块22、无功功率外环控制模块23、坐标转换模块24、内环控制模块25和控制信号生成模块26,各模块具体功能如下:
直流故障电流控制模块21,用于将获取的混合型MMC的直流输出电流值输入到直流故障电流控制环节,得到直流内电势参考值;
子模块电容电压外环控制模块22,用于将获取的所述混合型MMC的子模块电容电压平均值输入到子模块电容电压外环控制环节,得到d轴电流参考值;
无功功率外环控制模块23,用于将获取的所述混合型MMC的输出无功功率值输入到无功功率外环控制环节,得到q轴电流参考值;
坐标转换模块24,用于分别根据获取的所述混合型MMC的交流输出端的三相电网电压和三相输出电流,得到dq轴电网电压值和dq轴输出电流值;
内环控制模块25,用于将所述直流内电势参考值、所述d轴电流参考值、所述q轴电流参考值、所述dq轴电网电压值和所述dq轴输出电流值输入到内环控制环节,得到所述混合型MMC的三相上桥臂电压参考值和三相下桥臂电压参考值;
控制信号生成模块26,用于将所述三相上桥臂电压参考值和所述三相下桥臂电压参考值作为混合型MMC的脉冲调制控制器的输入,生成混合型MMC的脉冲控制信号。
各个模块具体的工作过程可参考上述实施例所述的混合型MMC的直流故障清除控制装置20的工作过程,在此不再赘述。
所述混合型MMC的直流故障清除控制装置30可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。所述混合型MMC的直流故障清除控制装置30可包括,但不仅限于,处理器31、存储器32。本领域技术人员可以理解,所述示意图仅仅是混合型MMC的直流故障清除控制装置的示例,并不构成对混合型MMC的直流故障清除控制装置30的限定,可以包括比图示更多或更少的部件,或者组合某些部件,或者不同的部件,例如所述混合型MMC的直流故障清除控制装置30还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。
所述处理器31可以是中央处理单元(Central Processing Unit,CPU),还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor,DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit,ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array,FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等,所述处理器31是所述混合型MMC的直流故障清除控制装置30的控制中心,利用各种接口和线路连接整个混合型MMC的直流故障清除控制装置30的各个部分。
所述存储器32可用于存储所述计算机程序和/或模块,所述处理器31通过运行或执行存储在所述存储器32内的计算机程序和/或模块,以及调用存储在存储器32内的数据,实现所述混合型MMC的直流故障清除控制装置30的各种功能。所述存储器32可主要包括存储程序区和存储数据区,其中,存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序(比如声音播放功能、图像播放功能等)等;存储数据区可存储根据手机的使用所创建的数据(比如音频数据、电话本等)等。此外,存储器32可以包括高速随机存取存储器,还可以包括非易失性存储器,例如硬盘、内存、插接式硬盘,智能存储卡(Smart Media Card,SMC),安全数字(Secure Digital,SD)卡,闪存卡(Flash Card)、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。
其中,所述混合型MMC的直流故障清除控制装置30集成的模块如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时,可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解,本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程,也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成,所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中,该计算机程序在被处理器执行时,可实现上述各个方法实施例的步骤。其中,所述计算机程序包括计算机程序代码,所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括:能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM,Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM,Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程,是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成,所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中,该程序在执行时,可包括如上述各方法的实施例的流程。其中,所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory,ROM)或随机存储记忆体(Random AccessMemory,RAM)等。
以上所述是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。