CN113489045B - Mmc-hvdc的混合控制器切换故障穿越控制方法 - Google Patents

Mmc-hvdc的混合控制器切换故障穿越控制方法 Download PDF

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CN113489045B CN202110820532.XA CN202110820532A CN113489045B CN 113489045 B CN113489045 B CN 113489045B CN 202110820532 A CN202110820532 A CN 202110820532A CN 113489045 B CN113489045 B CN 113489045B
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Abstract

本发明公开了一种MMC‑HVDC的混合控制器切换故障穿越控制方法，该方法的步骤包括：构建MMC‑HVDC的混合控制器，整流侧MMC采用直流电压控制和交流电压控制，逆变侧MMC采用有功功率和交流电压控制，均采用内外环控制结构，构建各个切换控制单元的输入变量值，判断每个切换控制单元所控制对象的偏差值的绝对值是否达到设定切换条件，切换为基于一阶逻辑开关控制器或基于矢量控制器控制；基于一阶逻辑开关控制器输出MMC的最大正电流或电压输出、最小负电流或电压输出，以及在系统平衡时获得的稳态值，输出各个切换控制单元的输出控制电压电流参考值。本发明增强MMC‑HVDC在受到大扰动后维持稳定运行的能力。

Description

MMC-HVDC的混合控制器切换故障穿越控制方法
技术领域
本发明涉及电力自动化控制技术领域，具体涉及一种MMC-HVDC的混合控制器切换故障穿越控制方法。
背景技术
由于输出波形的高质量，扩展灵活性以及对交流电网的电压和频率支持能力，MMC-HVDC输电系统有望对交流电网的干扰进行稳定的运行，并帮助交流电网从严重的干扰中恢复过来。因此，MMC的故障穿越能力对整个电力系统的稳定性具有重要影响。传统VC控制系统的整定需要综合考虑系统响应的快速性与稳态误差，进而确定一种折中的控制参数。然而在电力系统受到大的扰动后，MMC-HVDC偏离原来的运行点，传统的矢量控制系统无法发挥MMC换流器的最大控制能量使MMC-HVDC以最快的速度回到原来的平衡点继续运行。因此，当电力系统中出现小概率重大故障时，传统的矢量控制系统无法保证MMC-HVDC的稳定运行。传统的开关控制方法是利用极大值原理通过求解系统的哈密顿方程来得到控制规律，但是，要建立一个大规模电力系统的哈密顿函数需要知道整个系统的参数已知所有状态变量，而且所得到的哈密顿函数将非常复杂。这就对求解其正则方程提出了极大的挑战。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺陷与不足，本发明提供一种MMC-HVDC的混合控制器切换故障穿越控制方法，本发明增强MMC-HVDC在受到大扰动后维持稳定运行的能力，在电力系统暂态振荡的初期，充分发挥MMC换流器的潜能，使MMC-HVDC的各控制对象，即逆变侧换流器有功功率输出、逆变侧换流器交流端电压、整流侧换流器直流电压、整流侧换流器交流端电压，以最快的速度收敛到平衡点附近，然后通过传统矢量控制系统使系统渐近稳定于原平衡点。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供一种MMC-HVDC的混合控制器故障穿越控制系统，包括：
多个内、外环控制回路对应的内、外环切换控制单元，每个内、外环切换控制单元包括基于矢量控制器和基于一阶逻辑开关控制器的内、外环控制回路，以及基于矢量控制器和基于一阶逻辑开关控制器的内外环控制回路对应的状态切换控制单元；所述基于矢量控制器和基于一阶逻辑开关控制器的内、外环控制回路包括：基于矢量控制器和基于一阶逻辑开关控制器的逆变侧MMC有功功率内外环控制回路、逆变侧MMC交流端电压内外环控制回路、整流侧MMC直流电压内外环控制回路、整流侧MMC交流端电压内外环控制回路；
逆变侧MMC有功功率输出偏差输入基于矢量控制器和基于一阶逻辑开关控制器的逆变侧MMC有功功率外环控制回路，以及对应的状态切换控制单元，输出逆变侧MMCd轴控制电流；逆变侧MMC输出电流d轴分量偏差输入基于矢量控制器和基于一阶逻辑开关控制器的逆变侧MMC有功功率内环控制回路，以及对应的状态切换控制单元，输出逆变侧MMCd轴控制电压；逆变侧MMC交流端电压偏差输入基于矢量控制器和基于一阶逻辑开关控制器的逆变侧MMC交流端电压外环控制回路，以及对应的状态切换控制单元，输出逆变侧MMCq轴控制电流；逆变侧MMC输出电流q轴分量偏差输入基于矢量控制器和基于一阶逻辑开关控制器的逆变侧MMC交流端电压内环控制回路，以及对应的状态切换控制单元，输出逆变侧MMCq轴控制电压；
整流侧MMC直流电压偏差输入基于矢量控制器和基于一阶逻辑开关控制器的整流侧MMC直流电压外环控制回路，以及对应的状态切换控制单元，输出整流侧MMCd轴控制电流；整流侧MMC交流端电压偏差输入基于矢量控制器和基于一阶逻辑开关控制器的整流侧MMC交流端电压外环控制回路，以及对应的状态切换控制单元，输出整流侧MMCq轴控制电流；整流侧MMC输出电流d轴分量偏差输入基于矢量控制器和基于一阶逻辑开关控制器的整流侧MMC直流电压内环控制回路，以及对应的状态切换控制单元，输出整流侧MMCd轴控制电压；整流侧MMC输出电流q轴分量偏差输入基于矢量控制器和基于一阶逻辑开关控制器的整流侧MMC交流端电压内环控制回路，以及对应的状态切换控制单元，输出整流侧MMCq轴控制电压；所述基于矢量控制器和基于一阶逻辑开关控制器的内、外环控制回路对应的状态切换控制单元用于在基于矢量控制器和基于一阶逻辑开关控制器之间进行切换。
作为优选的技术方案，所述基于矢量控制器和基于一阶逻辑开关控制器的内、外环控制回路对应的状态切换控制单元还设有偏差判断模块，所述偏差判断模块用于判断输入的偏差值是否超过扰动允许范围，选择切换至基于矢量控制器或基于一阶逻辑开关控制器。
本发明还提供一种MMC-HVDC的混合控制器故障穿越控制方法，包括下述步骤：
构建MMC-HVDC的混合控制器，整流侧MMC采用直流电压控制和交流电压控制，逆变侧MMC采用有功功率控制和交流电压控制，均采用内外环双环控制结构，混合故障穿越控制器包括四个级联切换控制单元，包括各个内外环控制回路对应的内、外环切换控制单元；每个切换控制单元根据与状态有关的切换策略在一阶逻辑开关控制器和矢量控制器之间进行切换；
设置外部扰动，构建各个外环切换控制单元的输入变量值，包括整流侧MMC直流电压偏差、整流侧MMC交流端电压偏差、逆变侧MMC有功功率输出偏差、逆变侧MMC交流端电压偏差；
构建内环切换控制单元输入变量值，包括整流侧MMCd轴输出电流偏差、整流侧MMCq轴输出电流偏差、逆变侧MMCd轴输出电流偏差、逆变侧MMCq轴输出电流偏差；
判断每个切换控制单元所控制对象的偏差值的绝对值是否超过设定阈值，并且持续时间是否大于设定的时长，若偏差值的绝对值超过设定阈值，并且持续时间大于设定的时长，切换为基于一阶逻辑开关控制器控制，否则切换为基于矢量控制器控制；
切换为基于一阶逻辑开关控制器控制时，基于一阶逻辑开关控制器输出MMC的最大正电流或电压输出、最小负电流或电压输出，以及在系统平衡时获得的稳态值；
外环切换控制单元输出整流侧MMCd轴控制电流参考值，整流侧MMCq轴控制电流参考值，逆变侧MMCd轴控制电流参考值，逆变侧MMCq轴控制电流参考值；内环切换控制单元输出整流侧MMCd轴控制电压参考值，整流侧MMCq轴控制电压参考值，逆变侧MMCd轴控制电压参考值，逆变侧MMCq轴控制电压参考值。
作为优选的技术方案，所述一阶逻辑开关控制器基于逻辑运算产生控制信号，其控制逻辑为：
Figure BDA0003171770330000041
其中，q(t)表示一阶逻辑开关控制器的控制逻辑的输出，e(t)＝y(t)-y*(t)表示输出变量y(t)的跟踪误差，y*(t)表示y(t)的参考值，qold表示前一个采样间隔的q(t)的值，e+表示跟踪误差的上限，e-表示跟踪误差的下限，∨表示逻辑运算或，∧表示逻辑运算与。
作为优选的技术方案，基于一阶逻辑开关控制器的逆变侧MMC有功功率外环控制回路中一阶逻辑开关控制器的控制逻辑为：
Figure BDA0003171770330000042
其中，
Figure BDA0003171770330000051
表示逆变侧MMC输出电流的d轴分量，/>
Figure BDA0003171770330000052
表示在平衡点得到的/>
Figure BDA0003171770330000053
的稳态值，/>
Figure BDA0003171770330000054
表示逆变侧MMC输出电流d轴分量的最大值，/>
Figure BDA0003171770330000055
表示逆变侧MMC输出电流d轴分量的最小值；
基于一阶逻辑开关控制器的逆变侧MMC有功功率内环控制回路中一阶逻辑开关控制器的控制逻辑为：
Figure BDA0003171770330000056
其中，
Figure BDA0003171770330000057
为逆变侧MMC输出电压的d轴分量，/>
Figure BDA0003171770330000058
是在平衡点得到的/>
Figure BDA0003171770330000059
的稳态值，
Figure BDA00031717703300000510
为逆变侧MMC输出电压d轴分量的最大值，/>
Figure BDA00031717703300000511
为逆变侧MMC输出电压d轴分量的最小值。
作为优选的技术方案，基于一阶逻辑开关控制器的逆变侧MMC交流端电压外环控制回路中一阶逻辑开关控制器的控制逻辑为：
Figure BDA00031717703300000512
其中，
Figure BDA00031717703300000513
为逆变侧MMC输出电流的q轴分量，/>
Figure BDA00031717703300000514
是在平衡点得到的/>
Figure BDA00031717703300000515
的稳态值，
Figure BDA00031717703300000516
为逆变侧MMC输出电流q轴分量的最大值，/>
Figure BDA00031717703300000517
为逆变侧MMC输出电流q轴分量的最小值；
基于一阶逻辑开关控制器的逆变侧MMC交流端电压内环控制回路中一阶逻辑开关控制器的控制逻辑为：
Figure BDA00031717703300000518
其中，
Figure BDA0003171770330000061
为逆变侧MMC输出电压的q轴分量，/>
Figure BDA0003171770330000062
是在平衡点得到的/>
Figure BDA0003171770330000063
的稳态值，
Figure BDA0003171770330000064
为逆变侧MMC输出电压q轴分量的最大值，/>
Figure BDA0003171770330000065
为逆变侧MMC输出电压q轴分量的最小值。
作为优选的技术方案，基于一阶逻辑开关控制器的整流侧MMC直流电压外环控制回路中一阶逻辑开关控制器的控制逻辑为：
Figure BDA0003171770330000066
其中
Figure BDA0003171770330000067
为整流侧MMC输出电流的d轴分量，/>
Figure BDA0003171770330000068
是在平衡点得到的/>
Figure BDA0003171770330000069
的稳态值，
Figure BDA00031717703300000610
为整流侧MMC输出电流d轴分量的最大值，/>
Figure BDA00031717703300000611
为整流侧MMC输出电流d轴分量的最小值；
基于一阶逻辑开关控制器的整流侧MMC直流电压内环控制回路中一阶逻辑开关控制器的控制逻辑为：
Figure BDA00031717703300000612
其中
Figure BDA00031717703300000613
为整流侧MMC输出电压的d轴分量，/>
Figure BDA00031717703300000614
是在平衡点得到的/>
Figure BDA00031717703300000615
的稳态值，
Figure BDA00031717703300000616
为整流侧MMC输出电压d轴分量的最大值，/>
Figure BDA00031717703300000617
为整流侧MMC输出电压d轴分量的最小值。
作为优选的技术方案，基于一阶逻辑开关控制器的整流侧MMC交流端电压外环控制回路中一阶逻辑开关控制器的控制逻辑为：
Figure BDA00031717703300000618
其中
Figure BDA00031717703300000619
为整流侧MMC输出电流的q轴分量，/>
Figure BDA00031717703300000620
是在平衡点得到的/>
Figure BDA00031717703300000621
的稳态值，
Figure BDA0003171770330000071
为整流侧MMC输出电流q轴分量的最大值，/>
Figure BDA0003171770330000072
为整流侧MMC输出电流q轴分量的最小值；
基于一阶逻辑开关控制器的整流侧MMC交流端电压内环控制回路中一阶逻辑开关控制器的控制逻辑为：
Figure BDA0003171770330000073
其中
Figure BDA0003171770330000074
为整流侧MMC输出电压的q轴分量，/>
Figure BDA0003171770330000075
是在平衡点得到的/>
Figure BDA0003171770330000076
的稳态值，
Figure BDA0003171770330000077
为整流侧MMC输出电压q轴分量的最大值，/>
Figure BDA0003171770330000078
为整流侧MMC输出电压q轴分量的最小值。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
(1)本发明提出的HFRTC既可以利用MMC换流器的最大控制能量，又可以为系统输出提供渐近收敛性能，在电力系统暂态振荡初期，MMC外环控制回路和内环控制回路中VC和BBFC的协调控制既能加快系统能量产生和消耗之间的重新平衡过程，又可以在平衡点附近实现渐近稳定，系统跟踪误差比只采用VC控制的系统跟踪误差小，解决了常规矢量控制器在电力系统暂态振荡初期响应慢的技术问题，达到了为外部电源系统的暂态恢复提供最大的支持的技术效果。
(2)本发明采用了由四个级联切换控制单元(SCU)回路组成HFRTC的技术方案，SCU中BBFC的分段恒定控制信号不会激发外部电源系统的任何振荡模式，解决了配置有常规矢量控制器的系统存在振荡模式的技术问题，达到了在抑制振荡模式方面提供理想的性能的技术效果。
(3)本发明采用了一种具有模块化结构的SCU的技术方案，SCU是高度灵活的控制单元，它可以在MMC的任何控制回路中单独使用或与另一个SCU组合使用，解决了一般非线性控制器的设计过程或最终控制律高度依赖准确的系统模型和参数的技术问题，达到了可将SCU进行适当组合和变化，应用于各种电气可控设备的控制中的技术效果。
(4)本发明基于逻辑运算的开关控制器的设计仅需要系统的相对阶数信息而不需要系统的精确参数、模型，开关控制器仅包含逻辑运算，使得其输出与输入之间的相位滞后小于常规矢量控制器，因此开关控制器可以更快地对MMC-HVDC输出电流的振荡作出响应，解决了常规矢量控制器需考虑控制器的响应速度和过冲之间的折中的技术问题，以及传统开关控制方法依靠系统状态变量实现控制规律的技术问题，达到了所设计开关控制器呈现出对系统运行条件变化的强鲁棒性，以及达到了对系统振荡进行快速响应的技术效果。
(6)本发明采用了一种与状态相关的切换策略的技术方案，可确保在发生严重干扰的情况下触发BBFC，并且测量噪声和脉冲干扰不能触发BBFC，当控制对象的跟踪误差收敛到平衡点附近时触发VC，具备稳态值输出，还实现了时延以确保两个控制器之间的稳定切换，解决了两个控制器之间的频繁切换的技术问题，达到了开关控制可以在系统的稳态条件下运行的技术效果，有利于MMC的鲁棒和稳定运行，在MMC-HVDC的协调控制中的应用可以极大的提高含有可再生能源发电设备的电力系统运行的暂态稳定性。
附图说明
图1为本发明MMC-HVDC的混合控制器故障穿越控制系统的结构示意图；
图2为本发明切换控制单元SCU的切换策略示意图；
图3为本发明具有MMC-HVDC传输系统的两机测试电力系统的布局示意图；
图4(a)为本发明中整流侧MMC d轴输出电压参考值的动态对比图；
图4(b)为本发明中整流侧MMC q轴输出电压参考值的动态对比图；
图4(c)为本发明中整流侧MMC d轴输出电流参考值的动态对比图；
图4(d)为本发明中整流侧MMC q轴输出电流参考值的动态对比图；
图4(e)为本发明中整流侧MMC d轴输出电流跟踪误差的动态对比图；
图4(f)为本发明中整流侧MMC q轴输出电流跟踪误差的动态对比图；
图4(g)为本发明中整流侧MMC直流电压跟踪误差的动态对比图；
图4(h)为本发明中整流侧MMC交流端电压跟踪误差的动态对比图；
图4(i)为本发明中逆变侧MMC d轴输出电压参考值的动态对比图；
图4(j)为本发明中逆变侧MMC q轴输出电压参考值的动态对比图；
图4(k)为本发明中逆变侧MMC d轴输出电流参考值的动态对比图；
图4(l)为本发明中逆变侧MMC q轴输出电流参考值的动态对比图；
图4(m)为本发明中逆变侧MMC d轴输出电流跟踪误差的动态对比图；
图4(n)为本发明中逆变侧MMC q轴输出电流跟踪误差的动态对比图；
图4(o)为本发明中逆变侧MMC有功功率输出跟踪误差的动态对比图；
图4(p)为本发明中逆变侧MMC交流端电压跟踪误差的动态对比图；
图5为本发明具有MMC-HVDC传输系统的四机测试电力系统的布局示意图；
图6(a)为本发明中整流侧MMC d轴输出电压参考值的动态对比图；
图6(b)为本发明中整流侧MMC q轴输出电压参考值的动态对比图；
图6(c)为本发明中整流侧MMC d轴输出电流参考值的动态对比图；
图6(d)为本发明中整流侧MMC q轴输出电流参考值的动态对比图；
图6(e)为本发明中整流侧MMC直流电压的动态对比图；
图6(f)为本发明中整流侧MMC交流端电压的动态对比图；
图6(g)为本发明中逆变侧MMC d轴输出电压参考值的动态对比图；
图6(h)为本发明中逆变侧MMC q轴输出电压参考值的动态对比图。
图6(i)为本发明中逆变侧MMC d轴输出电流参考值的动态对比图；
图6(j)为本发明中逆变侧MMC q轴输出电流参考值的动态对比图；
图6(k)为本发明中逆变侧MMC有功功率输出的动态对比图；
图6(l)为本发明中逆变侧MMC交流端电压的动态对比图。
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。
实施例
如图1所示，本实施例提供一种MMC-HVDC的混合控制器故障穿越控制系统，其控制对象为模块化多电平换流器(MMC)，输出信号以及输入信号分别对应于反馈控制通道；
本系统包括基于矢量控制器和基于一阶逻辑开关控制器的逆变侧MMC有功功率外环控制回路、基于矢量控制器和基于一阶逻辑开关控制器的逆变侧MMC有功功率内环控制回路、基于矢量控制器和基于一阶逻辑开关控制器的逆变侧MMC交流端电压外环控制回路、基于矢量控制器和基于一阶逻辑开关控制器的逆变侧MMC交流端电压内环控制回路、基于矢量控制器和基于一阶逻辑开关控制器的整流侧MMC直流电压外环控制回路、基于矢量控制器和基于一阶逻辑开关控制器的整流侧MMC直流电压内环控制回路、基于矢量控制器和基于一阶逻辑开关控制器的整流侧MMC交流端电压外环控制回路、基于矢量控制器和基于一阶逻辑开关控制器的整流侧MMC交流端电压内环控制回路、以及对应的内外环控制回路切换策略；
其中，逆变侧MMC有功功率输出偏差
Figure BDA0003171770330000111
信号经过基于矢量控制器的逆变侧MMC有功功率外环控制回路、基于一阶逻辑开关控制器的逆变侧MMC有功功率外环控制回路和逆变侧MMC有功功率外环控制回路切换控制策略后输出逆变侧MMCd轴控制电流/>
Figure BDA0003171770330000112
逆变侧MMC交流端电压偏差/>
Figure BDA0003171770330000113
信号经过基于矢量控制器的逆变侧MMC交流端电压外环控制回路、基于一阶逻辑开关控制器的逆变侧MMC交流端电压外环控制回路和逆变侧MMC交流端电压外环控制回路切换控制策略后输出逆变侧MMCq轴控制电流/>
Figure BDA0003171770330000114
逆变侧MMC输出电流d轴分量偏差/>
Figure BDA0003171770330000115
信号经过基于矢量控制器的逆变侧MMC有功功率内环控制回路、基于一阶逻辑开关控制器的逆变侧MMC有功功率内环控制回路和逆变侧MMC有功功率内环控制回路切换控制策略后输出逆变侧MMCd轴控制电压/>
Figure BDA0003171770330000116
逆变侧MMC输出电流q轴分量偏差/>
Figure BDA0003171770330000117
信号经过基于矢量控制器的逆变侧MMC交流端电压内环控制回路、基于一阶逻辑开关控制器的逆变侧MMC交流端电压内环控制回路和逆变侧MMC交流端电压内环控制回路切换控制策略后输出逆变侧MMCq轴控制电压/>
Figure BDA0003171770330000118
整流侧MMC直流电压偏差
Figure BDA0003171770330000119
信号经过基于矢量控制器的整流侧MMC直流电压外环控制回路、基于一阶逻辑开关控制器的整流侧MMC直流电压外环控制回路和整流侧MMC直流电压外环控制回路切换控制策略后输出整流侧MMCd轴控制电流/>
Figure BDA00031717703300001110
整流侧MMC交流端电压偏差/>
Figure BDA00031717703300001111
信号经过基于矢量控制器的整流侧MMC交流端电压外环控制回路、基于一阶逻辑开关控制器的整流侧MMC交流端电压外环控制回路和整流侧MMC交流端电压外环控制回路切换控制策略后输出整流侧MMCq轴控制电流/>
Figure BDA00031717703300001112
整流侧MMC输出电流d轴分量偏差/>
Figure BDA00031717703300001113
信号经过基于矢量控制器的整流侧MMC直流电压内环控制回路、基于一阶逻辑开关控制器的整流侧MMC直流电压内环控制回路和整流侧MMC直流电压内环控制回路切换控制策略后输出整流侧MMCd轴控制电压/>
Figure BDA0003171770330000121
整流侧MMC输出电流q轴分量偏差/>
Figure BDA0003171770330000122
信号经过基于矢量控制器的整流侧MMC交流端电压内环控制回路、基于一阶逻辑开关控制器的整流侧MMC交流端电压内环控制回路和整流侧MMC交流端电压内环控制回路切换控制策略后输出整流侧MMCq轴控制电压/>
Figure BDA0003171770330000123
逆变侧MMC有功功率外环控制回路切换控制策略用于控制基于矢量控制器和基于一阶逻辑开关控制器的逆变侧MMC有功功率外环控制回路之间的切换动作；基于矢量控制器的逆变侧MMC有功功率外环控制回路用于在逆变侧MMC有功功率外环控制回路切换控制策略将控制信号切换到基于矢量控制器的逆变侧MMC有功功率外环控制回路时根据逆变侧MMC有功功率输出偏差来提供相应控制电流
Figure BDA0003171770330000124
基于一阶逻辑开关控制器的逆变侧MMC有功功率外环控制回路用于在逆变侧MMC有功功率外环控制回路切换控制策略将控制信号切换到基于一阶逻辑开关控制器的逆变侧MMC有功功率外环控制回路时根据逆变侧MMC有功功率输出偏差来提供相应控制电流/>
Figure BDA0003171770330000125
逆变侧MMC交流端电压外环控制回路切换控制策略用于控制基于矢量控制器和基于一阶逻辑开关控制器的逆变侧MMC交流端电压外环控制回路之间的切换动作；基于矢量控制器的逆变侧MMC交流端电压外环控制回路用于在逆变侧MMC交流端电压外环控制回路切换控制策略将控制信号切换到基于矢量控制器的逆变侧MMC交流端电压外环控制回路时根据逆变侧MMC交流端电压偏差来提供相应控制电流
Figure BDA0003171770330000126
基于一阶逻辑开关控制器的逆变侧MMC交流端电压外环控制回路用于在逆变侧MMC交流端电压外环控制回路切换控制策略将控制信号切换到基于一阶逻辑开关控制器的逆变侧MMC交流端电压外环控制回路时根据逆变侧MMC交流端电压偏差来提供相应控制电流/>
Figure BDA0003171770330000127
逆变侧MMC有功功率内环控制回路切换控制策略用于控制基于矢量控制器和基于一阶逻辑开关控制器的逆变侧MMC有功功率内环控制回路之间的切换动作；基于矢量控制器的逆变侧MMC有功功率内环控制回路用于在逆变侧MMC有功功率内环控制回路切换控制策略将控制信号切换到基于矢量控制器的逆变侧MMC有功功率内环控制回路时根据逆变侧MMC输出电流d轴分量偏差来提供相应控制电压
Figure BDA0003171770330000131
基于一阶逻辑开关控制器的逆变侧MMC有功功率内环控制回路用于在逆变侧MMC有功功率内环控制回路切换控制策略将控制信号切换到基于一阶逻辑开关控制器的逆变侧MMC有功功率内环控制回路时根据逆变侧MMC输出电流d轴分量偏差来提供相应控制电压/>
Figure BDA0003171770330000132
逆变侧MMC交流端电压内环控制回路切换控制策略用于控制基于矢量控制器和基于一阶逻辑开关控制器的逆变侧MMC交流端电压内环控制回路之间的切换动作；基于矢量控制器的逆变侧MMC交流端电压内环控制回路用于在逆变侧MMC交流端电压内环控制回路切换控制策略将控制信号切换到基于矢量控制器的逆变侧MMC交流端电压内环控制回路时根据逆变侧MMC输出电流q轴分量偏差来提供相应控制电压
Figure BDA0003171770330000133
基于一阶逻辑开关控制器的逆变侧MMC交流端电压内环控制回路用于在逆变侧MMC交流端电压内环控制回路切换控制策略将控制信号切换到基于一阶逻辑开关控制器的逆变侧MMC交流端电压内环控制回路时根据逆变侧MMC输出电流q轴分量偏差来提供相应控制电压/>
Figure BDA0003171770330000134
整流侧MMC直流电压外环控制回路切换控制策略用于控制基于矢量控制器和基于一阶逻辑开关控制器的整流侧MMC直流电压外环控制回路之间的切换动作；基于矢量控制器的整流侧MMC直流电压外环控制回路用于在整流侧MMC直流电压外环控制回路切换控制策略将控制信号切换到基于矢量控制器的整流侧MMC直流电压外环控制回路时根据整流侧MMC直流电压输出偏差来提供相应控制电流
Figure BDA0003171770330000141
基于一阶逻辑开关控制器的整流侧MMC直流电压外环控制回路用于在整流侧MMC直流电压外环控制回路切换控制策略将控制信号切换到基于一阶逻辑开关控制器的整流侧MMC直流电压外环控制回路时根据整流侧MMC直流电压偏差来提供相应控制电流/>
Figure BDA0003171770330000142
整流侧MMC交流端电压外环控制回路切换控制策略用于控制基于矢量控制器和基于一阶逻辑开关控制器的整流侧MMC交流端电压外环控制回路之间的切换动作；基于矢量控制器的整流侧MMC交流端电压外环控制回路用于在整流侧MMC交流端电压外环控制回路切换控制策略将控制信号切换到基于矢量控制器的整流侧MMC交流端电压外环控制回路时根据整流侧MMC交流端电压偏差来提供相应控制电流
Figure BDA0003171770330000143
基于一阶逻辑开关控制器的整流侧MMC交流端电压外环控制回路用于在整流侧MMC交流端电压外环控制回路切换控制策略将控制信号切换到基于一阶逻辑开关控制器的整流侧MMC交流端电压外环控制回路时根据整流侧MMC交流端电压偏差来提供相应控制电流/>
Figure BDA0003171770330000144
整流侧MMC直流电压内环控制回路切换控制策略用于控制基于矢量控制器和基于一阶逻辑开关控制器的整流侧MMC直流电压内环控制回路之间的切换动作；基于矢量控制器的整流侧MMC直流电压内环控制回路用于在整流侧MMC直流电压内环控制回路切换控制策略将控制信号切换到基于矢量控制器的整流侧MMC直流电压内环控制回路时根据整流侧MMC输出电流d轴分量偏差来提供相应控制电压
Figure BDA0003171770330000145
基于一阶逻辑开关控制器的整流侧MMC直流电压内环控制回路用于在整流侧MMC直流电压内环控制回路切换控制策略将控制信号切换到基于一阶逻辑开关控制器的整流侧MMC直流电压内环控制回路时根据整流侧MMC输出电流d轴分量偏差来提供相应控制电压/>
Figure BDA0003171770330000146
整流侧MMC交流端电压内环控制回路切换控制策略用于控制基于矢量控制器和基于一阶逻辑开关控制器的整流侧MMC交流端电压内环控制回路之间的切换动作；基于矢量控制器的整流侧MMC交流端电压内环控制回路用于在整流侧MMC交流端电压内环控制回路切换控制策略将控制信号切换到基于矢量控制器的整流侧MMC交流端电压内环控制回路时根据整流侧MMC输出电流q轴分量偏差来提供相应控制电压
Figure BDA0003171770330000151
基于一阶逻辑开关控制器的整流侧MMC交流端电压内环控制回路用于在整流侧MMC交流端电压内环控制回路切换控制策略将控制信号切换到基于一阶逻辑开关控制器的整流侧MMC交流端电压内环控制回路时根据整流侧MMC输出电流q轴分量偏差来提供相应控制电压/>
Figure BDA0003171770330000152
逆变侧MMC有功功率输出偏差
Figure BDA0003171770330000153
信号作为逆变侧MMC有功功率外环控制回路的输入，分别经过基于矢量控制器和基于一阶逻辑开关控制器得到逆变侧MMCd轴VC控制电流/>
Figure BDA0003171770330000154
和逆变侧MMCd轴BBFC控制电流/>
Figure BDA0003171770330000155
再通过切换控制策略判断偏差是否超过扰动允许范围来选择VC控制电流/>
Figure BDA0003171770330000156
或者BBFC控制电流/>
Figure BDA0003171770330000157
作为逆变侧MMC有功功率外环控制回路的输出/>
Figure BDA0003171770330000158
逆变侧MMCd轴控制电流/>
Figure BDA0003171770330000159
信号传递给逆变侧MMC有功功率内环控制回路，逆变侧MMC输出电流d轴分量偏差/>
Figure BDA00031717703300001510
信号作为逆变侧MMC有功功率内环控制回路的输入，分别经过基于矢量控制器和基于一阶逻辑开关控制器得到逆变侧MMCd轴VC控制电压/>
Figure BDA00031717703300001511
和逆变侧MMCd轴BBFC控制电压/>
Figure BDA00031717703300001512
再通过切换控制策略判断偏差是否超过扰动允许范围来选择VC控制电压/>
Figure BDA00031717703300001513
或者BBFC控制电压/>
Figure BDA00031717703300001514
作为逆变侧MMC有功功率内环控制回路的输出/>
Figure BDA00031717703300001515
逆变侧MMC交流端电压偏差
Figure BDA00031717703300001516
信号作为逆变侧MMC交流端电压外环控制回路的输入，分别经过基于矢量控制器和基于一阶逻辑开关控制器得到逆变侧MMCq轴VC控制电流/>
Figure BDA0003171770330000161
和逆变侧MMCq轴BBFC控制电流/>
Figure BDA0003171770330000162
再通过切换控制策略判断偏差是否超过扰动允许范围来选择VC控制电流/>
Figure BDA0003171770330000163
或者BBFC控制电流/>
Figure BDA0003171770330000164
作为逆变侧MMC交流端电压外环控制回路的输出/>
Figure BDA0003171770330000165
逆变侧MMCq轴控制电流/>
Figure BDA0003171770330000166
信号传递给逆变侧MMC交流端电压内环控制回路，逆变侧MMC输出电流q轴分量偏差/>
Figure BDA0003171770330000167
信号作为逆变侧MMC交流端电压内环控制回路的输入，分别经过基于矢量控制器和基于一阶逻辑开关控制器得到逆变侧MMCq轴VC控制电压/>
Figure BDA0003171770330000168
和逆变侧MMCq轴BBFC控制电压/>
Figure BDA0003171770330000169
再通过切换控制策略判断偏差是否超过扰动允许范围来选择VC控制电压/>
Figure BDA00031717703300001610
或者BBFC控制电压/>
Figure BDA00031717703300001611
作为逆变侧MMC交流端电压内环控制回路的输出/>
Figure BDA00031717703300001612
整流侧MMC直流电压偏差
Figure BDA00031717703300001613
信号作为整流侧MMC直流电压外环控制回路的输入，分别经过基于矢量控制器和基于一阶逻辑开关控制器得到整流侧MMCd轴VC控制电流/>
Figure BDA00031717703300001614
和整流侧MMCd轴BBFC控制电流/>
Figure BDA00031717703300001615
再通过切换控制策略判断偏差是否超过扰动允许范围来选择VC控制电流/>
Figure BDA00031717703300001616
或者BBFC控制电流/>
Figure BDA00031717703300001617
作为整流侧MMC直流电压外环控制回路的输出/>
Figure BDA00031717703300001618
整流侧MMCd轴控制电流/>
Figure BDA00031717703300001619
信号传递给整流侧MMC直流电压内环控制回路，整流侧MMC输出电流d轴分量偏差/>
Figure BDA00031717703300001620
信号作为整流侧MMC直流电压内环控制回路的输入，分别经过基于矢量控制器和基于一阶逻辑开关控制器得到整流侧MMCd轴VC控制电压/>
Figure BDA00031717703300001621
和整流侧MMCd轴BBFC控制电压/>
Figure BDA00031717703300001622
再通过切换控制策略判断偏差是否超过扰动允许范围来选择VC控制电压/>
Figure BDA00031717703300001623
或者BBFC控制电压/>
Figure BDA00031717703300001624
作为整流侧MMC直流电压内环控制回路的输出/>
Figure BDA00031717703300001625
整流侧MMC交流端电压偏差
Figure BDA00031717703300001626
信号作为整流侧MMC交流端电压外环控制回路的输入，分别经过基于矢量控制器和基于一阶逻辑开关控制器得到整流侧MMCq轴VC控制电流/>
Figure BDA00031717703300001627
和整流侧MMCq轴BBFC控制电流/>
Figure BDA00031717703300001628
再通过切换控制策略判断偏差是否超过扰动允许范围来选择VC控制电流/>
Figure BDA0003171770330000171
或者BBFC控制电流/>
Figure BDA0003171770330000172
作为整流侧MMC交流端电压外环控制回路的输出/>
Figure BDA0003171770330000173
整流侧MMCq轴控制电流/>
Figure BDA0003171770330000174
信号传递给整流侧MMC交流端电压内环控制回路，整流侧MMC输出电流q轴分量偏差/>
Figure BDA0003171770330000175
信号作为整流侧MMC交流端电压内环控制回路的输入，分别经过基于矢量控制器和基于一阶逻辑开关控制器得到整流侧MMCq轴VC控制电压/>
Figure BDA0003171770330000176
和整流侧MMCq轴BBFC控制电压/>
Figure BDA0003171770330000177
再通过切换控制策略判断偏差是否超过扰动允许范围来选择VC控制电压/>
Figure BDA0003171770330000178
或者BBFC控制电压/>
Figure BDA0003171770330000179
作为整流侧MMC交流端电压内环控制回路的输出/>
Figure BDA00031717703300001710
本实施例提供一种MMC-HVDC的混合控制器故障穿越控制方法，包括下述步骤：
S1：如图1所示，由HFRTC控制器控制的MMC-HVDC输电系统整流侧MMC采用直流电压控制和交流电压控制，逆变侧MMC采用有功功率控制和交流电压控制，均为双环控制结构；
采用基于模块化多电平转换器的高压直流输电系统的混合故障穿越控制器(HFRTC)进行控制，HFRTC由四个级联切换控制单元(SCU)回路组成；
每个SCU根据与状态有关的切换策略在继电型漏斗控制器(一阶逻辑开关控制器BBFC)和传统矢量(VC)控制器之间进行切换；
BBFC能够通过具有最大可用幅度的三值控制信号来充分利用每个控制回路的控制能力；
S2：首先使MMC-HVDC输电系统运行在正常工作状态，并对系统设置外部扰动，可以得到外环切换控制单元(SCU)的输入变量值，即整流侧MMC直流电压与系统所设参考值的实时跟踪误差
Figure BDA00031717703300001711
整流侧MMC交流端电压与系统所设参考值的实时跟踪误差
Figure BDA00031717703300001712
逆变侧MMC有功功率输出与系统所设参考值的实时跟踪误差/>
Figure BDA0003171770330000181
逆变侧MMC交流端电压与系统所设参考值的实时跟踪误差/>
Figure BDA0003171770330000182
S3：如图2所示，SCU切换策略中的扰动指示器判断MMC每个外环(或内环)切换控制单元(SCU)所控制对象的实时跟踪误差值的绝对值|e|是否超过τ1y(τ1y为阈值，超过该阈值即表示发生扰动)且|e|＞τ1y的持续时间是否大于γ1y秒；
S4：当MMC每个外环(或内环)切换控制单元(SCU)所控制对象的实时跟踪误差值的绝对值超过τ1y且|e|＞τ1y的持续时间大于γ1y秒时，SCU切换策略中的切换信号发生器输出切换信号T＝1，外环(或内环)切换控制单元(SCU)将外环(或内环)控制方法切换为BBFC控制；当MMC每个外环(或内环)切换控制单元(SCU)所控制对象的实时跟踪误差值的绝对值未超过τ1y或者|e|＞τ1y的持续时间小于γ1y秒时，SCU切换策略中的切换信号发生器输出切换信号T＝0，外环(或内环)切换控制单元(SCU)将外环(或内环)控制方法切换为常规连续VC控制；
S5：当外环(或内环)SCU切换为BBFC控制时，BBFC控制根据其控制逻辑得到相应的控制信号，BBFC控制的输出包含三个值，即MMC的最大正电流输出
Figure BDA0003171770330000183
和最小负电流输出/>
Figure BDA0003171770330000184
以及在系统平衡时获得的稳态值/>
Figure BDA0003171770330000185
正的最大值和负的最小值表示MMC的最大控制能力，BBFC通过该能力最大程度地控制MMC，从而使MMC的外环控制对象以最快的速度收敛到平衡点附近的某个临域内，由于具备稳态值输出，使得BBFC控制也可以在系统的稳态条件下运行；当外环(或内环)SCU切换为常规连续VC控制时，VC控制输出/>
Figure BDA0003171770330000186
通过连续控制器实现MMC外环控制对象的渐近收敛；
S6：在BBFC控制下，当MMC每个外环(或内环)切换控制单元(SCU)所控制对象的实时跟踪误差值的绝对值小于τ2y且|e|＜τ2y的持续时间大于γ2y秒时，SCU切换策略中的切换信号发生器输出切换信号T＝0，外环(或内环)切换控制单元(SCU)将外环(或内环)控制方法从BBFC控制切换为常规连续VC控制；
S7：通过外环切换控制单元(SCU)的控制得到其输出值，即整流侧MMCd轴控制电流参考值
Figure BDA0003171770330000191
整流侧MMCq轴控制电流参考值/>
Figure BDA0003171770330000192
逆变侧MMCd轴控制电流参考值/>
Figure BDA0003171770330000193
逆变侧MMCq轴控制电流参考值/>
Figure BDA0003171770330000194
S8：外环切换控制单元(SCU)的输出值进一步传递给内环切换控制单元(SCU)，得到内环切换控制单元(SCU)的输入变量值，即整流侧MMCd轴输出电流与其控制参考值的实时跟踪误差
Figure BDA0003171770330000195
整流侧MMCq轴输出电流与其控制参考值的实时跟踪误差
Figure BDA0003171770330000196
逆变侧MMCd轴输出电流与其控制参考值的实时跟踪误差/>
Figure BDA0003171770330000197
逆变侧MMCq轴输出电流与其控制参考值的实时跟踪误差/>
Figure BDA0003171770330000198
S9：通过内环切换控制单元(SCU)的控制得到其输出值，即整流侧MMCd轴控制电压参考值
Figure BDA0003171770330000199
整流侧MMCq轴控制电压参考值/>
Figure BDA00031717703300001910
逆变侧MMCd轴控制电压参考值/>
Figure BDA00031717703300001911
逆变侧MMCq轴控制电压参考值/>
Figure BDA00031717703300001912
S10：内环切换控制单元(SCU)的输出值进一步作用于MMC，从而实现对整流侧MMC直流电压、整流侧MMC交流端电压、逆变侧MMC有功功率输出、逆变侧MMC交流端电压的控制。
一阶逻辑开关控制器基于逻辑运算产生控制信号，其控制逻辑为：
Figure BDA00031717703300001913
其中q(t)是一阶BBFC的控制逻辑的输出，e(t)＝y(t)-y*(t)是输出变量y(t)的跟踪误差，y*(t)是y(t)的参考值，qold表示前一个采样间隔的q(t)的值，e+表示跟踪误差的上限，e-表示跟踪误差的下限，∨表示逻辑运算“或”，∧表示逻辑运算“与”。
本实施例基于一阶逻辑开关控制器的逆变侧MMC有功功率外环控制回路中一阶逻辑开关控制器的控制逻辑为：
Figure BDA0003171770330000201
其中
Figure BDA0003171770330000202
为逆变侧MMC输出电流的d轴分量，/>
Figure BDA0003171770330000203
是在平衡点得到的/>
Figure BDA0003171770330000204
的稳态值，
Figure BDA0003171770330000205
为逆变侧MMC输出电流d轴分量的最大值，/>
Figure BDA0003171770330000206
为逆变侧MMC输出电流d轴分量的最小值。
本实施例基于一阶逻辑开关控制器的逆变侧MMC交流端电压外环控制回路中一阶逻辑开关控制器的控制逻辑为：
Figure BDA0003171770330000207
其中
Figure BDA0003171770330000208
为逆变侧MMC输出电流的q轴分量，/>
Figure BDA0003171770330000209
是在平衡点得到的/>
Figure BDA00031717703300002010
的稳态值，
Figure BDA00031717703300002011
为逆变侧MMC输出电流q轴分量的最大值，/>
Figure BDA00031717703300002012
为逆变侧MMC输出电流q轴分量的最小值。
本实施例基于一阶逻辑开关控制器的逆变侧MMC有功功率内环控制回路中一阶逻辑开关控制器的控制逻辑为：
Figure BDA00031717703300002013
其中
Figure BDA00031717703300002014
为逆变侧MMC输出电压的d轴分量，/>
Figure BDA00031717703300002015
是在平衡点得到的/>
Figure BDA00031717703300002016
的稳态值，
Figure BDA00031717703300002017
为逆变侧MMC输出电压d轴分量的最大值，/>
Figure BDA00031717703300002018
为逆变侧MMC输出电压d轴分量的最小值。
本实施例基于一阶逻辑开关控制器的逆变侧MMC交流端电压内环控制回路中一阶逻辑开关控制器的控制逻辑为：
Figure BDA0003171770330000211
其中
Figure BDA0003171770330000212
为逆变侧MMC输出电压的q轴分量，/>
Figure BDA0003171770330000213
是在平衡点得到的/>
Figure BDA0003171770330000214
的稳态值，
Figure BDA0003171770330000215
为逆变侧MMC输出电压q轴分量的最大值，/>
Figure BDA0003171770330000216
为逆变侧MMC输出电压q轴分量的最小值。
本实施例基于一阶逻辑开关控制器的整流侧MMC直流电压外环控制回路中一阶逻辑开关控制器的控制逻辑为：
Figure BDA0003171770330000217
其中
Figure BDA0003171770330000218
为整流侧MMC输出电流的d轴分量，/>
Figure BDA0003171770330000219
是在平衡点得到的/>
Figure BDA00031717703300002110
的稳态值，
Figure BDA00031717703300002111
为整流侧MMC输出电流d轴分量的最大值，/>
Figure BDA00031717703300002112
为整流侧MMC输出电流d轴分量的最小值。
本实施例基于一阶逻辑开关控制器的整流侧MMC交流端电压外环控制回路中一阶逻辑开关控制器的控制逻辑为：
Figure BDA00031717703300002113
其中
Figure BDA00031717703300002114
为整流侧MMC输出电流的q轴分量，/>
Figure BDA00031717703300002115
是在平衡点得到的/>
Figure BDA00031717703300002116
的稳态值，
Figure BDA00031717703300002117
为整流侧MMC输出电流q轴分量的最大值，/>
Figure BDA00031717703300002118
为整流侧MMC输出电流q轴分量的最小值。
本实施例基于一阶逻辑开关控制器的整流侧MMC直流电压内环控制回路中一阶逻辑开关控制器的控制逻辑为：
Figure BDA0003171770330000221
其中
Figure BDA0003171770330000222
为整流侧MMC输出电压的d轴分量，/>
Figure BDA0003171770330000223
是在平衡点得到的/>
Figure BDA0003171770330000224
的稳态值，
Figure BDA0003171770330000225
为整流侧MMC输出电压d轴分量的最大值，/>
Figure BDA0003171770330000226
为整流侧MMC输出电压d轴分量的最小值。
本实施例基于一阶逻辑开关控制器的整流侧MMC交流端电压内环控制回路中一阶逻辑开关控制器的控制逻辑为：
Figure BDA0003171770330000227
其中
Figure BDA0003171770330000228
为整流侧MMC输出电压的q轴分量，/>
Figure BDA0003171770330000229
是在平衡点得到的/>
Figure BDA00031717703300002210
的稳态值，
Figure BDA00031717703300002211
为整流侧MMC输出电压q轴分量的最大值，/>
Figure BDA00031717703300002212
为整流侧MMC输出电压q轴分量的最小值。
每个切换控制单元都存在一个切换控制器，每个切换控制单元中的BBFC和VC控制信号需经过切换控制器进行输出，切换策略由扰动指示器和切换信号发生器两部分组成；在扰动指示器中，|e|为控制目标y跟踪误差的绝对值，τ1y为阈值，超过该阈值即表示发生扰动，Ky为调节BBFC触发速度的增益值，τ2y为阀值，低于该阀值积分器清除端口C＝1，积分器输出复位为零，当输入A大于输入B时比较器输出为1，DBlk为MMC的阻塞信号，当DBlk＝0时MMC被阻塞。χ＝1表示|e|＞τ1y的持续时间大于γ1y秒；在切换信号发生器中，JK触发器模块在清除端口C感知到χ的升压信号时产生信号Q＝1，Q的初值为0。当χ＝1时，积分器复位为0，T＝1。当χ从1降到0时，积分器的输出开始增加。直到积分器的输出覆盖γ2y时，T＝0。根据T的值，由SCU产生的控制信号为：
uscu＝T*ubbfc(t)+(1-T)*uvc(t)
其中ubbfc(t)是BBFC的输出，uvc(t)是SCU中VC控制回路的输出。
为了测试由HFRTC控制的MMC-HVDC传输系统的性能，分别在两机测试电力系统(PSCAD)和四机测试电力系统(Matlab)中进行了仿真研究。
案例一：两机测试电力系统中MMC-HVDC输电系统的故障穿越性能：如图3所示，布局两机测试电力系统，两个交流系统之间连接了一个1000MVA/640kV半桥单极MMC-HVDC传输系统。MMC-HVDC传输系统的参数选择为：fn＝60Hz，M＝3，N＝76，Srate＝1000MVA，
Figure BDA0003171770330000231
Carm＝2800μF，R＝0.005Ω，L＝50mH。为了评估HFRTC的性能，提出了由VC控制的测试系统的仿真结果以进行比较。VC的参数选择为：αd＝5，αid＝4，
Figure BDA0003171770330000232
Figure BDA0003171770330000233
Figure BDA0003171770330000234
和/>
Figure BDA0003171770330000235
VC的这些参数也用于HFRTC中SCU的相应VC控制回路。
如下表1中未括弧的值所示，选择整流侧MMC的HFRTC中BBFC参数和SCU的切换策略参数。如下表2中未括弧的值所示，选择逆变侧MMC的HFRTC中BBFC参数和SCU的切换策略参数。如图4(a)-图4(p)所示，结合HFRTC和VC控制下MMC-HVDC传输系统在系统故障时的动态对比图(两机测试电力系统)得到在节点1上发生三相接地故障的情况下获得的仿真结果，其中，虚线为仅装备常规VC，实线为采用HFRTC切换控制方法的系统动态，在t＝2.0s处设置故障，并在t＝2.1s处清除故障。
表1整流侧MMC的HFRTC中BBFC参数和SCU的切换策略参数表
Figure BDA0003171770330000241
表2逆变侧MMC的HFRTC中BBFC参数和SCU的切换策略参数表
Figure BDA0003171770330000243
在整流侧，如图4(c)和图4(d)所示，外环SCU中的两个BBFC均被触发，并为内环控制器生成电流开关参考信号。当前的跟踪误差如图4(e)和图4(f)所示。在d轴电流跟踪误差超过预定水平之后，根据内环SCU的切换策略在d轴上使能内环BBFC。如图4(a)所示，为
Figure BDA0003171770330000242
产生电压开关控制信号。q轴内环SCU中的BBFC未使能，q轴参考电压如图4(b)所示。如图4(g)所示，由于d轴和q轴控制电压的共同作用，由HFRTC控制的整流侧MMC的直流侧电压观察到较小的振荡和较小的跟踪误差。在模拟的两个系统中，节点1的电压动态如图4(h)所示。
对于逆变侧MMC，如图4(k)中的d轴参考电流和图4(i)中的d轴控制电压所示，触发d轴控制环路中的SCUs的BBFCs。开关控制信号由BBFC生成，并且MMC的控制能量得到了充分利用。结果分别如图4(m)和图4(o)所示，在由HFRTC控制的逆变侧MMC的d轴输出电流和有功功率输出中，观察到的跟踪误差比VC控制的跟踪误差少。如图4(l)和图4(j)所示，q轴控制回路中SCU的BBFC不会使能，并且q轴输出电流和控制电压的参考由SCU中的VC回路生成。如图4(n)和图4(p)所示，由于d轴和q轴控制器的共同努力，由HFRTC控制的逆变侧MMC的输出电流和交流端电压的跟踪误差和振荡小于VC控制的MMC的跟踪误差和振荡。
案例二：四机测试电力系统中MMC-HVDC输电系统的故障穿越性能
如图5所示，布局四机十三总线测试电力系统。在t＝0.1s的总线2上施加了一个0.1s的三相接地故障。MMC-HVDC传输系统的参数选择如下：M＝3，N＝180，Srate＝900MVA，
Figure BDA0003171770330000251
Vsmax＝400kV，Ismax＝1kA，Lpu＝0.08p.u.，Rpu＝0.008p.u.，Carm＝9.375μF，C′d＝100μF，C＝0.0017F，Rdc＝3.058Ω。MMC-HVDC传输系统的VC参数选择为：αd＝50，αid＝25，KPod＝1，KIod＝5，KPoq＝1，KIoq＝5，KPid＝4，KIid＝80，KPiq＝4，KIiq＝80，Ra＝20，和αc＝200。这些参数还用于HFRTC的SCU中的VC循环。图中器件符号G表示发电机，每台发电机均通过变压器接入系统，L表示负载，C表示接地电容，数字表示器件所连接的母线编号。
整流侧MMC的HFRTC中BBFC参数和SCU的切换策略参数如表1中括弧的值所示。逆变侧MMC的HFRTC中BBFC参数和SCU的切换策略参数如表2中括弧的值所示。如图6(a)-图6(l)所示，结合HFRTC和VC控制下MMC-HVDC传输系统在系统故障时的动态对比图(四机测试电力系统)，得到在t＝0.1s时节点2处发生0.1s三相接地故障的情况下获得的仿真结果，将HFRTC的控制性能与VC的控制性能进行比较。其中，虚线为仅装备常规VC，实线为采用HFRTC切换控制方法的系统动态。
由于整流侧的故障，整流侧MMC的HFRTC的d轴控制环和q轴控制环中的外环SCU的BBFC均被使能。如图6(c)和图6(d)所示，为内环控制器生成了电流开关参考信号。同样，在d轴控制环和q轴控制环中，内环SCU的BBFC也被使能。如图6(a)和图6(b)所示，为整流侧MMC生成了电压开关控制信号。归因于故障期间HFRTC产生的开关控制信号，整流侧MMC的直流电压和交流端电压显示出比VC控制的MMC更低的振荡和更小的幅度偏差，如图6(e)和图6(f)所示。
对于逆变侧MMC，SCU中的BBFC既不在d轴控制环也不在q轴控制环中使能，并且所有电流参考信号和电压参考信号均由VC控制器生成，如图6(i)，图6(j)，图6(g)和图6(h)所示。但是，在由VC产生的电流和电压基准中观察到了振荡模式。相比之下，由HFRTC控制的MMC不会表现出任何振荡行为。因此，由HFRTC控制的逆变侧MMC的有功功率输出和交流端电压的振荡和幅值偏差要比VC控制的振荡和幅值偏差小，如图6(k)和图6(l)所示。
从以上结果可以发现，逆变侧MMC的动力学与整流侧MMC的动力学密切相关。尽管逆变侧的BBFC未打开，但由HFRTC控制的整流侧MMC减轻了MMC-HVDC传输系统的功率输入和输出之间的不平衡。因此，由HFRTC控制的MMC的输出变量表现出比由VC控制的MMC的输出变量更好的性能，并且可以防止整个测试电力系统进入其振荡区域，并且不会激发任何振荡模式。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种MMC-HVDC的混合控制器故障穿越控制系统，其特征在于，包括：
多个内、外环控制回路对应的内、外环切换控制单元，每个内、外环切换控制单元包括基于矢量控制器和基于一阶逻辑开关控制器的内、外环控制回路，以及基于矢量控制器和基于一阶逻辑开关控制器的内外环控制回路对应的状态切换控制单元；
所述基于矢量控制器和基于一阶逻辑开关控制器的内、外环控制回路包括：
基于矢量控制器和基于一阶逻辑开关控制器的逆变侧MMC有功功率内外环控制回路、逆变侧MMC交流端电压内外环控制回路、整流侧MMC直流电压内外环控制回路、整流侧MMC交流端电压内外环控制回路；
逆变侧MMC有功功率输出偏差输入基于矢量控制器和基于一阶逻辑开关控制器的逆变侧MMC有功功率外环控制回路，以及对应的状态切换控制单元，输出逆变侧MMCd轴控制电流；
逆变侧MMC输出电流d轴分量偏差输入基于矢量控制器和基于一阶逻辑开关控制器的逆变侧MMC有功功率内环控制回路，以及对应的状态切换控制单元，输出逆变侧MMCd轴控制电压；
逆变侧MMC交流端电压偏差输入基于矢量控制器和基于一阶逻辑开关控制器的逆变侧MMC交流端电压外环控制回路，以及对应的状态切换控制单元，输出逆变侧MMCq轴控制电流；
逆变侧MMC输出电流q轴分量偏差输入基于矢量控制器和基于一阶逻辑开关控制器的逆变侧MMC交流端电压内环控制回路，以及对应的状态切换控制单元，输出逆变侧MMCq轴控制电压；
整流侧MMC直流电压偏差输入基于矢量控制器和基于一阶逻辑开关控制器的整流侧MMC直流电压外环控制回路，以及对应的状态切换控制单元，输出整流侧MMCd轴控制电流；
整流侧MMC交流端电压偏差输入基于矢量控制器和基于一阶逻辑开关控制器的整流侧MMC交流端电压外环控制回路，以及对应的状态切换控制单元，输出整流侧MMCq轴控制电流；
整流侧MMC输出电流d轴分量偏差输入基于矢量控制器和基于一阶逻辑开关控制器的整流侧MMC直流电压内环控制回路，以及对应的状态切换控制单元，输出整流侧MMCd轴控制电压；
整流侧MMC输出电流q轴分量偏差输入基于矢量控制器和基于一阶逻辑开关控制器的整流侧MMC交流端电压内环控制回路，以及对应的状态切换控制单元，输出整流侧MMCq轴控制电压；
所述基于矢量控制器和基于一阶逻辑开关控制器的内、外环控制回路对应的状态切换控制单元用于在基于矢量控制器和基于一阶逻辑开关控制器之间进行切换。
2.根据权利要求1所述的MMC-HVDC的混合控制器故障穿越控制系统，其特征在于，所述基于矢量控制器和基于一阶逻辑开关控制器的内、外环控制回路对应的状态切换控制单元还设有偏差判断模块，所述偏差判断模块用于判断输入的偏差值是否超过扰动允许范围，选择切换至基于矢量控制器或基于一阶逻辑开关控制器。
3.一种MMC-HVDC的混合控制器故障穿越控制方法，其特征在于，包括下述步骤：
构建MMC-HVDC的混合控制器，整流侧MMC采用直流电压控制和交流电压控制，逆变侧MMC采用有功功率控制和交流电压控制，均采用内外环双环控制结构，混合故障穿越控制器包括四个级联切换控制单元，包括各个内外环控制回路对应的内、外环切换控制单元；每个切换控制单元根据与状态有关的切换策略在一阶逻辑开关控制器和矢量控制器之间进行切换；
设置外部扰动，构建各个外环切换控制单元的输入变量值，包括整流侧MMC直流电压偏差、整流侧MMC交流端电压偏差、逆变侧MMC有功功率输出偏差、逆变侧MMC交流端电压偏差；
构建内环切换控制单元输入变量值，包括整流侧MMCd轴输出电流偏差、整流侧MMCq轴输出电流偏差、逆变侧MMCd轴输出电流偏差、逆变侧MMCq轴输出电流偏差；
判断每个切换控制单元所控制对象的偏差值的绝对值是否超过设定阈值，并且持续时间是否大于设定的时长，若偏差值的绝对值超过设定阈值，并且持续时间大于设定的时长，切换为基于一阶逻辑开关控制器控制，否则切换为基于矢量控制器控制；
切换为基于一阶逻辑开关控制器控制时，基于一阶逻辑开关控制器输出MMC的最大正电流或电压输出、最小负电流或电压输出，以及在系统平衡时获得的稳态值；
外环切换控制单元输出整流侧MMCd轴控制电流参考值，整流侧MMCq轴控制电流参考值，逆变侧MMCd轴控制电流参考值，逆变侧MMCq轴控制电流参考值；
内环切换控制单元输出整流侧MMCd轴控制电压参考值，整流侧MMCq轴控制电压参考值，逆变侧MMCd轴控制电压参考值，逆变侧MMCq轴控制电压参考值。
4.根据权利要求3所述的MMC-HVDC的混合控制器故障穿越控制方法，其特征在于，所述一阶逻辑开关控制器基于逻辑运算产生控制信号，其控制逻辑为：
Figure FDA0003171770320000031
其中，q(t)表示一阶逻辑开关控制器的控制逻辑的输出，e(t)＝y(t)-y*(t)表示输出变量y(t)的跟踪误差，y*(t)表示y(t)的参考值，qold表示前一个采样间隔的q(t)的值，e+表示跟踪误差的上限，e-表示跟踪误差的下限，∨表示逻辑运算或，∧表示逻辑运算与。
5.根据权利要求3所述的MMC-HVDC的混合控制器故障穿越控制方法，其特征在于，基于一阶逻辑开关控制器的逆变侧MMC有功功率外环控制回路中一阶逻辑开关控制器的控制逻辑为：
Figure FDA0003171770320000041
其中，
Figure FDA0003171770320000042
表示逆变侧MMC输出电流的d轴分量，/>
Figure FDA0003171770320000043
表示在平衡点得到的/>
Figure FDA0003171770320000044
的稳态值，
Figure FDA0003171770320000045
表示逆变侧MMC输出电流d轴分量的最大值，/>
Figure FDA0003171770320000046
表示逆变侧MMC输出电流d轴分量的最小值；
基于一阶逻辑开关控制器的逆变侧MMC有功功率内环控制回路中一阶逻辑开关控制器的控制逻辑为：
Figure FDA0003171770320000047
其中，
Figure FDA0003171770320000048
为逆变侧MMC输出电压的d轴分量，/>
Figure FDA0003171770320000049
是在平衡点得到的/>
Figure FDA00031717703200000410
的稳态值，
Figure FDA00031717703200000411
为逆变侧MMC输出电压d轴分量的最大值，/>
Figure FDA00031717703200000412
为逆变侧MMC输出电压d轴分量的最小值。
6.根据权利要求3所述的MMC-HVDC的混合控制器故障穿越控制方法，其特征在于，基于一阶逻辑开关控制器的逆变侧MMC交流端电压外环控制回路中一阶逻辑开关控制器的控制逻辑为：
Figure FDA0003171770320000051
其中，
Figure FDA0003171770320000052
为逆变侧MMC输出电流的q轴分量，/>
Figure FDA0003171770320000053
是在平衡点得到的/>
Figure FDA0003171770320000054
的稳态值，
Figure FDA0003171770320000055
为逆变侧MMC输出电流q轴分量的最大值，/>
Figure FDA0003171770320000056
为逆变侧MMC输出电流q轴分量的最小值；
基于一阶逻辑开关控制器的逆变侧MMC交流端电压内环控制回路中一阶逻辑开关控制器的控制逻辑为：
Figure FDA0003171770320000057
其中，
Figure FDA0003171770320000058
为逆变侧MMC输出电压的q轴分量，/>
Figure FDA0003171770320000059
是在平衡点得到的/>
Figure FDA00031717703200000510
的稳态值，
Figure FDA00031717703200000511
为逆变侧MMC输出电压q轴分量的最大值，/>
Figure FDA00031717703200000512
为逆变侧MMC输出电压q轴分量的最小值。
7.根据权利要求3所述的MMC-HVDC的混合控制器故障穿越控制方法，其特征在于，基于一阶逻辑开关控制器的整流侧MMC直流电压外环控制回路中一阶逻辑开关控制器的控制逻辑为：
Figure FDA00031717703200000513
其中
Figure FDA00031717703200000514
为整流侧MMC输出电流的d轴分量，/>
Figure FDA00031717703200000515
是在平衡点得到的/>
Figure FDA00031717703200000516
的稳态值，
Figure FDA00031717703200000517
为整流侧MMC输出电流d轴分量的最大值，/>
Figure FDA00031717703200000518
为整流侧MMC输出电流d轴分量的最小值；
基于一阶逻辑开关控制器的整流侧MMC直流电压内环控制回路中一阶逻辑开关控制器的控制逻辑为：
Figure FDA0003171770320000061
其中
Figure FDA0003171770320000062
为整流侧MMC输出电压的d轴分量，/>
Figure FDA0003171770320000063
是在平衡点得到的/>
Figure FDA0003171770320000064
的稳态值，
Figure FDA0003171770320000065
为整流侧MMC输出电压d轴分量的最大值，/>
Figure FDA0003171770320000066
为整流侧MMC输出电压d轴分量的最小值。
8.根据权利要求3所述的MMC-HVDC的混合控制器故障穿越控制方法，其特征在于，基于一阶逻辑开关控制器的整流侧MMC交流端电压外环控制回路中一阶逻辑开关控制器的控制逻辑为：
Figure FDA0003171770320000067
其中
Figure FDA0003171770320000068
为整流侧MMC输出电流的q轴分量，/>
Figure FDA0003171770320000069
是在平衡点得到的/>
Figure FDA00031717703200000610
的稳态值，
Figure FDA00031717703200000611
为整流侧MMC输出电流q轴分量的最大值，/>
Figure FDA00031717703200000612
为整流侧MMC输出电流q轴分量的最小值；
基于一阶逻辑开关控制器的整流侧MMC交流端电压内环控制回路中一阶逻辑开关控制器的控制逻辑为：
Figure FDA00031717703200000613
其中
Figure FDA00031717703200000614
为整流侧MMC输出电压的q轴分量，/>
Figure FDA00031717703200000615
是在平衡点得到的/>
Figure FDA00031717703200000616
的稳态值，
Figure FDA00031717703200000617
为整流侧MMC输出电压q轴分量的最大值，/>
Figure FDA00031717703200000618
为整流侧MMC输出电压q轴分量的最小值。
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