CN114069713A - 一种柔性互联变电站高压母线主动同期控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种柔性互联变电站高压母线主动同期控制方法，所述方法为：在高压母线I和高压母线II之间接入一个开关,平时为断开状态，当系统需要进行同期并网运行时，且高压母线I和高压母线II两端电压幅值、频率和相位差值达到最小值时，合上开关完成同期并网过程；来自不同电源的二回220KV交流线路通过隔离变压器与两个背靠背MMC连接形成柔性互联闭环运行结构；2个MMC作为变电站与外部电网之间的能量转换接口，通过与外部交流电网的功率交换维持整个系统的稳定，并且主动控制高压母线的电压幅值、相位和频率，使得高压母线I和高压母线II实现同期并网运行；提高了系统抗干扰的能力和稳定性。
Description
技术领域
本发明属于电网控制技术，尤其涉及一种柔性互联变电站高压母线主动同期控制方法。
背景技术
传统变电站网络拓扑结构是被动，其运行、控制模式都是被动的，难以从本质上改变系统级的不可控性，不能满足多元电力供应及高可靠供电的需求。会导致诸多问题：例如各个分区之间存在负载率不均衡，相互之间缺乏有功功率和无功功率的支持，难以满足系统在电压/无功补偿、电能质量等方面的要求。为此，利用先进电力电子技术形成多回馈线之间的柔性互联(即SNOP)，提高电网的系统可控性，将单辐射模式转化为闭环模式，整体提高转供电能力及供电可靠性。柔性互联具有功率互济的突出优势，能够实现变电站对负荷的主动分配，有较为完善的可观可控水平，可灵活调节的网络拓扑结构。针对的传统变电站同期并网不具有主动性这一主要原因，国内相关科研单位、企业进行了相关研究，相继出现了基于各种原理和技术的同期并网技术，由于现在柔性互联变电站利用智能柔性开关(SNOP、SOP等)将多条馈线柔性互联起来。所以换流器的研究就显得格外重要，按照发展历程来分，换流器可分为三类：(1)汞弧阀换流器对应的换流器是6脉波Graetz桥汞弧阀换流器在20世纪70年代前使用(2)晶闸管阀换流器其对应的换流器是6脉波Graetz桥晶闸管阀换流器，主要在20世纪70年代初至今的一段时间里使用(3)IGBT换流器其对应的换流器是IGBT换流器,拥有较快的响应速度和灵活的控制。换流器拓扑结构种类较多，其中应用较为广泛的主要有：两电平拓扑结构、二极管箝位型三电平拓扑结构以及模块化多电平拓扑结构，由于开关器件的均压问题、调制方式、绝缘安全性能等问题的出现，提出了MMC拓扑结。包括了半桥子模块、全桥子模块、混合子模块，为了解决直流故障电流穿越会给系统运行带来安全性问题，在半桥子模块和全桥子模块中，只有全桥子模块具有故障抑制能力，而全桥子模块的IGBT数量是半桥的两倍，成本相对较高；在不影响系统直流故障抑制能力的前提下，考虑使用半桥和全桥的混合子模块，以降低系统成本。MMC可以主动调节电压幅值与频率，达到负荷正常运行所要求的电能质量标准；但是均存在响应速度不够，稳定性差等问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种柔性互联变电站高压母线主动同期控制方法，以解决现有技术为了解决直流故障电流穿越会给系统运行带来安全性问题，用半桥和全桥的混合子模块，以降低系统成本。MMC可以主动调节电压幅值与频率，达到负荷正常运行所要求的电能质量标准；但是均存在响应速度不够，稳定性差等问题。
本发明的技术方案是：
一种柔性互联变电站高压母线主动同期控制方法，所述方法为：在高压母线I和高压母线II之间接入一个开关,平时为断开状态，当系统需要进行同期并网运行时，且高压母线I和高压母线II两端电压幅值、频率和相位差值达到最小值时，合上开关完成同期并网过程；来自不同电源的二回220KV交流线路通过隔离变压器与两个背靠背MMC连接形成柔性互联闭环运行结构；2个MMC作为变电站与外部电网之间的能量转换接口，通过与外部交流电网的功率交换维持整个系统的稳定，并且主动控制高压母线的电压幅值、相位和频率，使得高压母线I和高压母线II实现同期并网运行。
当高压母线I和高压母线II进行同期并网时，信号采集器会在高压母线I端采集电压幅值V1和相位值δ1，固定高压母线II端的电压幅值V2和相位值δ2，然后将采集的数据电压幅值V1、相位值δ1、电压幅值V2和相位值δ2送到双环控制的外环作为输入。
在有功环和无功环中引入负反馈PI调节项得到有功功率控制回路和无功功率控制回路，再将输出接入双环控制中的内环，内环输出的电压幅值和锁相环输出的相位值接入NLM进行调制，调制成控制开关器件的通断信号进而控制MMC换流器的输出电压幅值和相位。
主动控制过程中，需要控制高压母线的相位值，使用锁相环原理利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪；工作的过程中，当输出信号的频率与输入信号的频率相等时，输出电压与输入电压保持固定的相位差值，即输出电压与输入电压的相位被锁住。
背靠背MMC分为外环控制器和内环控制器两个控制器，外环控制包括有功控制和无功控制，外环控制产生内环控制所需的电流参考指令，内环控制则根据电流参考指令实现dq轴电压、电流的快速跟踪。
所述主动控制的方法包括：
步骤701：采集高压母线I电压幅值V1和相位值δ1；
步骤702：固定高压母线II电压幅值V2和相位值δ2；
步骤703：双环控制；
步骤704：锁相环θPLL；
步骤705：获得电压幅值指令和相位指令；
步骤706：经过NLM合成调制信号；
步骤707：作用于MMC中的IGBT控制通断；
步骤708：控制MMC端的输出电压；
步骤709：主动去控制开关两端高压母线的电压幅值、频率和相位，当差值为最小值时，合上开关，完成同期并网过程。
步骤703所述的双环控制，是指MMC控制器中无功有功外环控制和电流内环控制，通过调节MMC的上下桥臂差模电压udiffd和udiffq使dq轴电流跟踪参考值，内环控制时的数学模型如下：
MMC动态特性数学表达式：
内环控制的dq轴存在耦合现象，要实现dq轴解耦先定义一组中间变量为：
则内环电流dq分量ivd和ivq与Vd、Vq之间的传递函数表示为：
Vd、Vq为中间变量，MMC的输入量只有udiffd和udiffq，所以为了消去Vd、Vq，需要重新构造它们的表达式；由于ivd和ivq是直流分量，根据负反馈控制理论，直接利用PI环节来构建内环控制器单位负反馈控制系统，得出Vd(s)和Vq(s)的方程如下：
联立式上面表达式即求出解耦后udiffd和udiffq的数学表达式为：
步骤708所述控制MMC端的输出电压的方法包括：
步骤801：得到高压母线的电压幅值V1和V2及相位值δ1和δ2；
步骤802：dq矢量变换；
步骤803：V1和V2经过PI控制生成idref信号，δ1和δ2经过PI控制生成iqref信号；
步骤804：将iqref和idref信号作为内环的输入经过相互解耦变换生成Ud*和Uq*信号；
步骤805：将得到Ud*和Uq*信号和锁相环得到的θ信号进行dq\abc坐标变换得到输出电压；
步骤806：经过NLM调制后控制IGBT通断，进而控制MMC输出电压。
本发明的有益效果是：
本发明提供的一种柔性互联变电站高压母线主动同期技术，采用基于混合子模块MMC的背靠背的拓扑结构，通过MMC换流器外环控制器和内环控制器两个控制器，从而实现柔性互联变电站高压母线主动同期技术。由于采用混合子模块MMC换流器，混合式子模块MMC由全桥和半桥子模块串接组成，其目的是保留全桥子模块直流故障阻断能力的同时，又能通过半桥子模块减少器件数量，节约成本。通过内环与外环级联的这种矢量控制方式，能将有功控制与无功控制相互解耦以实现它们的独立控制，响应速度快。在两端高压母线电压幅值、频率和相位差值达到最小值时，合上开关使得完成同期并网过程，提高了系统抗干扰的能力和稳定性。
附图说明：
图1为本发明拓扑结构；
图2为本发明控制框图；
图3为本发明混合子模块MMC无功外环制框图；
图4为本发明混合子模块MMC有功外环制框图；
图5为本发明混合子模块MMC内环控制框图；
图6为本发明双环控制总框图；
图7为本发明一种柔性互联变电站高压母线主动同期技术控制流程图；
图8为本发明MMC输出电压控制策略图、
具体实施方式
本发明的目的是提供一种柔性互联变电站高压母线主动同期技术，能够实现柔性互联变电站高压母线主动同期并网运行和实现该系统之间的功率互济的双重功能，而且采用混合子模块MMC，利用MMC控制器中的外环和内环控制器并设计相应的控制策略主动去控制高压母线的电压幅值、频率和相位。通过内环与外环级联的这种矢量控制方式，能将有功控制与无功控制相互解耦以实现它们的独立控制，响应速度快。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例一种柔性互联变电站高压母线主动同期技术，该技术基于背靠背模块化多电平换流器(B2B-MMC)的柔性互联变电站理念，采用两个混合式MMC模块。传统变电站网络拓扑结构是被动，其运行和控制是被动的，难以从本质上改变系统级的不可控性，不能满足多元电力供应及高可靠供电的需求。本发明是在常用功能之外拓展的新功能和新技术。利用先进电力电子技术形成多回馈线之间的柔性互联(即SNOP)，提高电网系统可控性，整体提高转供电能力及供电可靠性。柔性互联具有功率互济的突出优势，能够实现变电站对负荷的主动分配，有较为完善的可观可控水平，可灵活调节的网络拓扑结构，这样就能够实现柔性互联变电站高压母线主动同期。
具体为：在高压母线I和高压母线II之间接入一个101开关,平时为断开状态，当系统需要进行同期并网运行时，且高压母线I和高压母线II两端电压幅值、频率和相位差值达到最小值时，合上101开关完成同期并网过程。为叙述方便，两个混合子模块MMC换流器分别称之为MMC1和MMC2，接线方式如图1所示。在柔性互联变电站的拓扑结构中，来自不同电源的二回220KV交流线路通过隔离变压器与两个背靠背MMC连接形成柔性互联闭环运行结构。其中，2个MMC作为变电站与外部电网之间的能量转换接口，通过与外部交流电网的功率交换维持整个系统的稳定，并且能够主动去控制高压母线的电压幅值、相位和频率，进而使得高压母线I和高压母线II能够实现同期并网运行。
图2是本发明实施例一种柔性互联变电站高压母线主动同期技术控制框图，主要由主电路和控制系统组成。主电路的拓扑结构采用的背靠背接线方式，重点研究的是控制电路的控制方式，收到并网信号后，信号采集器会在高压母线I端采集电压幅值V1和相位值δ1，固定高压母线II端的电压幅值V2和相位值δ2，然后将采集的数据电压幅值、相位值δ1、电压幅值V2和相位值δ2送到双环控制的外环作为输入，为了消除静态误差有必要在有功环和无功环中引入负反馈PI调节项，这样就得到了有功功率控制回路和无功功率控制回路，再将输出接入双环控制中的内环，内环输出的电压幅值指令和锁相环输出的相位指令进行电压合成，然后接入NLM进行调制，调制成控制开关器件的通断信号进而控制MMC换流器的输出电压幅值和相位。由于控制过程需要控制高压母线的相位值，使用锁相环原理利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位，可以实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪。工作的过程中，当输出信号的频率与输入信号的频率相等时，输出电压与输入电压保持固定的相位差值，即输出电压与输入电压的相位被锁住。
图3为本发明实施例一种柔性互联变电站高压母线主动同期技术中混合子模块MMC无功外环制框图，当利用高压母线I电压V1作为参考值时，将电压参考值V1和高压目线II电压V2作差，在经过PI环节后，便可得到内环电流q轴参考值iqref。
MMC控制器分为外环控制器和内环控制器两个控制器，控制器的好坏对系统的稳定性来说是非常重要的，它直接影响着控制系统的运行性能，所以选取一种合适的控制器是非常有必要的，外环控制包括有功控制和无功控制，外环控制产生内环控制所需的电流参考指令，内环控制则根据电流参考指令实现dq轴电压、电流的快速跟踪，双环控制总图如图3所示。
对换流器进行调制的作用就是通过控制电力电子开关器件的通断，使得换流器交流测输出的电压波形尽可能地逼近调制波，以满足系统电能质量的要求。所以选择调试方式对换流器至关重要，它能影响系统的运行性情况，调制方式具有较好的调制波逼近能力，输出谐波含量少，开关损耗小，系统响应快。常见的调制方式包含载波移相PWM调制(CPS-SPWM)、载波层叠PWM调制(PDPWM)、最近电平逼近调制(NLM)、特定次谐波消除脉宽调制(SHEPWM)以及多电平SVPWM。本设计采用NLM调制方式其通过控制上下桥臂投入的子模块数量来使换流器输出电压跟随正弦调制波的变化而变化，以逼近调制波，适合本发明的要求。
图4为本发明实施例一种柔性互联变电站高压母线主动同期技术中混合子模块MMC有功外环制框图，当利用高压母线I相位δ1作为参考值时，将相位参考值δ1和高压目线II相位δ2作差，在经过PI环节后，便可得到内环电流d轴参考值idref。
图5为本发明实施例一种柔性互联变电站高压母线主动同期技术中混合子模块MMC内环控制图，其目的是使dq轴电流快速跟踪其参考值，数学模型不需要进行相应的赘述。
图6为本发明实施例一种柔性互联变电站高压母线主动同期技术双环控制总框图，由有功无功外环和电流内环构成。内环输出的电压幅值指令和锁相环输出的相位指令进行dq\abc坐标变化，然后接入NLM进行调制，调制成控制开关器件的通断信号进而控制MMC换流器的输出电压幅值和相位。
图7为本发明实施例一种柔性互联变电站高压母线主动同期技术控制流程，包括以下步骤：
步骤701：采集高压母线I电压幅值V1和相位值δ1；
步骤702：固定高压母线II电压幅值V2和相位值δ2；
步骤703：双环控制；
步骤704：锁相环θPLL；
步骤705：获得电压幅值指令和相位指令；
步骤706：经过NLM合成调制信号；
步骤707：作用于MMC中的IGBT控制通断；
步骤708：控制MMC端的输出电压；
步骤709：主动去控制开关两端高压母线的电压幅值、频率和相位，当差值为最小值时，合上101开关，完成同期并网过程；
其中，步骤703所述的双环控制，是指MMC控制器中无功有功外环控制和电流内环控制，通过调节MMC的上下桥臂差模电压udiffd和udiffq使dq轴电流快速跟踪其参考值，其中内环控制时一系列的数学模型如下：
MMC动态特性数学表达式：
由图5可以看出内环控制的dq轴存在耦合现象，要实现dq轴解耦可先定义一组中间变量为：
则内环电流dq分量ivd和ivq与Vd、Vq之间的传递函数可表示为：
然而，Vd、Vq为中间变量，MMC的输入量只有udiffd和udiffq，所以为了消去Vd、Vq，还需要重新构造它们的表达式。由于ivd和ivq是直流分量，根据负反馈控制理论，可直接利用PI环节来构建内环控制器单位负反馈控制系统，则可得出Vd(s)和Vq(s)的方程如下：
联立式上面表达式即可求出解耦后udiffd和udiffq的数学表达式为：
图8是本发明实施例一种柔性互联变电站高压母线主动同期技术的控制策略，包括以下步骤：
步骤801：得到高压母线的电压幅值V1和V2及相位值δ1和δ2；
步骤802：dq矢量变换；
步骤803：V1和V2经过PI控制生成idref信号，δ1和δ2经过PI控制生成iqref信号；
步骤804：将iqref和idref信号作为内环的输入经过相互解耦变换生成Ud*和Uq*信号；
步骤805：将得到Ud*和Uq*信号和锁相环得到的θ信号进行dq\abc坐标变换得到输出电压；
步骤806：经过NLM调制后控制IGBT通断，进而控制MMC输出电压；
本发明提供的一种柔性互联变电站高压母线主动同期技术具有以下效果：
(1)相比传统的变电站同期技术，本发明体现了的主动性。
(2)该技术基于背靠背模块化多电平换流器(B2B-MMC)的柔性互联变电站理念，提高了系统抗干扰的能力和稳定性，增加了系统间功率互济能力。
(3)采用混合子模块MMC，不仅解决直流故障电流穿越会给系统运行带来安全性问题，使用半桥和全桥的混合子模块，可以降低系统成本。而且MMC可以主动调节电压幅值与频率，达到负荷正常运行所要求的电能质量标准。
(4)使用内环与外环级联的这种矢量控制方式，能将有功控制与无功控制相互解耦以实现它们的独立控制，响应速度快。
Claims (8)
1.一种柔性互联变电站高压母线主动同期控制方法，其特征在于：所述方法为：在高压母线I和高压母线II之间接入一个开关,平时为断开状态，当系统需要进行同期并网运行时，且高压母线I和高压母线II两端电压幅值、频率和相位差值达到最小值时，合上开关完成同期并网过程；来自不同电源的二回220KV交流线路通过隔离变压器与两个背靠背MMC连接形成柔性互联闭环运行结构；2个MMC作为变电站与外部电网之间的能量转换接口，通过与外部交流电网的功率交换维持整个系统的稳定，并且主动控制高压母线的电压幅值、相位和频率，使得高压母线I和高压母线II实现同期并网运行。
2.根据权利要求1所述的一种柔性互联变电站高压母线主动同期控制方法，其特征在于：当高压母线I和高压母线II进行同期并网时，信号采集器会在高压母线I端采集电压幅值V1和相位值δ1，固定高压母线II端的电压幅值V2和相位值δ2，然后将采集的数据电压幅值V1、相位值δ1、电压幅值V2和相位值δ2送到双环控制的外环作为输入。
3.根据权利要求2所述的一种柔性互联变电站高压母线主动同期控制方法，其特征在于：在有功环和无功环中引入负反馈PI调节项得到有功功率控制回路和无功功率控制回路，再将输出接入双环控制中的内环，内环输出的电压幅值和锁相环输出的相位值接入NLM进行调制，调制成控制开关器件的通断信号进而控制MMC换流器的输出电压幅值和相位。
4.根据权利要求1所述的一种柔性互联变电站高压母线主动同期控制方法，其特征在于：主动控制过程中，需要控制高压母线的相位值，使用锁相环原理利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪；工作的过程中，当输出信号的频率与输入信号的频率相等时，输出电压与输入电压保持固定的相位差值，即输出电压与输入电压的相位被锁住。
5.根据权利要求1所述的一种柔性互联变电站高压母线主动同期控制方法，其特征在于：背靠背MMC分为外环控制器和内环控制器两个控制器，外环控制包括有功控制和无功控制，外环控制产生内环控制所需的电流参考指令，内环控制则根据电流参考指令实现dq轴电压、电流的快速跟踪。
6.根据权利要求1所述的一种柔性互联变电站高压母线主动同期控制方法，其特征在于：所述主动控制的方法包括：
步骤701：采集高压母线I电压幅值V1和相位值δ1；
步骤702：固定高压母线II电压幅值V2和相位值δ2；
步骤703：双环控制；
步骤704：锁相环θPLL；
步骤705：获得电压幅值指令和相位指令；
步骤706：经过NLM合成调制信号；
步骤707：作用于MMC中的IGBT控制通断；
步骤708：控制MMC端的输出电压；
步骤709：主动去控制开关两端高压母线的电压幅值、频率和相位，当差值为最小值时，合上开关，完成同期并网过程。
7.根据权利要求6所述的一种柔性互联变电站高压母线主动同期控制方法，其特征在于：步骤703所述的双环控制，是指MMC控制器中无功有功外环控制和电流内环控制，通过调节MMC的上下桥臂差模电压udiffd和udiffq使dq轴电流跟踪参考值，内环控制时的数学模型如下：
MMC动态特性数学表达式：
内环控制的dq轴存在耦合现象，要实现dq轴解耦先定义一组中间变量为：
则内环电流dq分量ivd和ivq与Vd、Vq之间的传递函数表示为：
Vd、Vq为中间变量，MMC的输入量只有udiffd和udiffq，所以为了消去Vd、Vq，需要重新构造它们的表达式；由于ivd和ivq是直流分量，根据负反馈控制理论，直接利用PI环节来构建内环控制器单位负反馈控制系统，得出Vd(s)和Vq(s)的方程如下：
联立式上面表达式即求出解耦后udiffd和udiffq的数学表达式为：
8.根据权利要求6所述的一种柔性互联变电站高压母线主动同期控制方法，其特征在于：步骤708所述控制MMC端的输出电压的方法包括：
步骤801：得到高压母线的电压幅值V1和V2及相位值δ1和δ2；
步骤802：dq矢量变换；
步骤803：V1和V2经过PI控制生成idref信号，δ1和δ2经过PI控制生成iqref信号；
步骤804：将iqref和idref信号作为内环的输入经过相互解耦变换生成Ud*和Uq*信号；
步骤805：将得到Ud*和Uq*信号和锁相环得到的θ信号进行dq\abc坐标变换得到输出电压；
步骤806：经过NLM调制后控制IGBT通断，进而控制MMC输出电压。
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