CN114094604B - 抑制mmc-hvdc系统直流电压波动的等效电容控制方法 - Google Patents

抑制mmc-hvdc系统直流电压波动的等效电容控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种抑制MMC‑HVDC系统直流电压波动的等效电容控制方法，其步骤为：首先，根据MMC平均值数学模型和直流线路的MMC有功分量电气等值模型，利用线性时不变建模方法推导得到MMC直流侧电压以及MMC换流器所吸收的有功功率的表达式；其次，根据上述模型及表达式得到MMC等效电容与直流侧电压之间的定量关系；最后，将MMC等效电容与直流电压之间的定量关系引入至MMC直流电压控制器中，以调节有功扰动时直流侧电压波动。本发明通过利用MMC内部的能量，将MMC等效为一个等值电容，并将其引入至已有的直流电压控制环节，可有效提升MMC直流侧电压的抗扰动能力，有效解决了直流输电系统中直流电压容易受系统功率升降而导致波动的问题。

Description

抑制MMC-HVDC系统直流电压波动的等效电容控制方法
技术领域
本发明涉及电力系统运行控制技术领域，特别是指一种抑制MMC-HVDC系统直流电压波动的等效电容控制方法。
背景技术
在化石能源不断枯竭以及“双碳”目标的双重趋势下，大量常规同步电源将被风电、光伏等非同步电源所取代，且我国新能源主要分布在西部等欠发达地区，而负荷中心主要集中在东部发达地区，因而使得大容量直流输电得到广泛应用。然而，在传统电网换相换流器高压直流方案下，在受端交流电网短路故障时，系统电压下降，可能引发多回直流换相失败，产生的暂态能量冲击易引发电网电压崩溃、潮流大范围转移，严重时超出电网稳定承受极限，给电网安全运行带来严峻挑战。近年来，基于模块化多电平换流器的柔性直流技术以其有模块化设计、运行功率损耗低、谐波含量少以及开关频率较低等技术优势，越来越受到人们的广泛关注和研究。同时随着控制技术和拓扑结构的不断优化，使得MMC在构建直流配电网、新能源并网以及大容量高压直流输电等方面得到广泛应用。MMC子模块电容中存储的能量是确保其能正常工作的重要条件，通过采取适当的控制策略，这种内部能量可以提供额外的自由度，这是传统电压型换流器所不具备的。
在交流系统中，有功功率平衡是通过频率来进行衡量的。当系统中有功功率不平衡时，系统频率就会出现波动。频率的动态特征由系统的惯性响应来表征，其速度取决于存储在同步旋转机器中的动能。同理，在直流系统中，直流电压稳定是反映系统功率是否平衡的重要指标；当系统出现功率扰动时，其直流电压也会发生波动，从而影响供电质量。由于新能源的强随机性和波动性，因而连接新能源场站的MMC-HVDC系统将面临功率频繁波动问题。因而，如何有效抑制直流电压的稳定仍然是当前直流系统发展中所面临的一个重要挑战。
发明内容
针对当前直流功率调整或波动期间所带来的直流电压的波动的技术问题，本发明提出了一种抑制MMC-HVDC系统直流电压波动的等效电容控制方法，只需在现有直流电压控制器中增加一条等效电容控制支路即可有效提升换流器直流侧电压的调节能力，改善直流系统供电质量。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种抑制MMC-HVDC系统直流电压波动的等效电容控制方法，其步骤如下：
S1、根据MMC平均值数学模型和直流线路的MMC有功分量电气等值模型，利用线性时不变建模方法推导得到MMC直流侧电压udc的表达式以及MMC换流器所吸收的有功功率Pconv的表达式；
S2、根据直流线路的MMC有功分量电气等值模型、MMC直流侧电压udc的表达式以及MMC换流器所吸收的有功功率Pconv的表示式，得到MMC等效电容Ceq与直流侧电压之间的定量关系；
S3、将步骤S2中得到的MMC等效电容Ceq与直流电压之间的定量关系引入至MMC直流电压控制器中，以调节有功扰动时直流侧电压波动。
优选地，所述MMC平均值数学模型表示为：
其中，upj为MMC换流器j相上桥臂电压，为MMC换流器j相下桥臂电压，t表示时间，为MMC换流器j相上桥臂所有子模块电压之和，/>为MMC换流器j相下桥臂所有子模块电压之和，Rarm为MMC换流器桥臂电阻，Larm为MMC换流器滤波电感，ipj为MMC换流器j相上桥臂电流，/>为MMC换流器j相下桥臂电流，/>为MMC换流器j相循环电流，ij为MMC换流器交流侧j相电流，udc为MMC换流器直流侧电压，idc为MMC换流器直流侧电流，j＝a,b,c。
优选地，所述直流线路的MMC有功分量电气等值模型表示为：
其中，Pdco为对侧换流站直流输出功率，Pdc为本侧MMC直流侧输入功率，udc为本侧MMC直流侧电压，Cdc表示直流线路等值电容，t表示时间，ω为电网角频率，idc为本侧MMC直流侧直流电流，idcl为本侧MMC直流侧直流线路电流，为本侧MMC交流侧基波电流d轴分量，为本侧MMC交流侧基波电流q轴分量，/>为本侧MMC交流出口基波电压d轴分量，/>为本侧MMC交流出口基波电压q轴分量，/>为本侧MMC交流侧电网基波电压d轴分量，/>为本侧MMC交流侧电网基波电压q轴分量，/>为本侧MMC交流侧公共耦合点基波电压d轴分量，为本侧MMC交流侧公共耦合点基波电压q轴分量，Rf为本侧MMC交流滤波电阻，Lf为本侧MMC交流滤波电感，Rarm为本侧MMC桥臂电阻，Larm为本侧MMC滤波电感，RG为本侧MMC交流侧电网电阻，LG为本侧MMC交流侧电网电感。
优选地，所述MMC直流侧电压udc的表达式为：
其中，Pdco为对侧换流站直流输出功率，Cdc表示直流线路等值电容，Pdc为本侧MMC直流侧输入功率，t表示时间。
优选地，所述MMC换流器所吸收的有功功率Pconv的表示式为：
其中，Wconv为MMC中所储存的能量，Ceqconv＝6Carm且Carm为MMC桥臂等值电容，upj为MMC中j相上桥臂电压，unj为MMC中j相下桥臂电压，Pac表示MMC交流侧输出功率。
优选地，所述MMC等效电容Ceq与直流侧电压之间的定量关系为：
其中，Ceq表示MMC等效电容，kconv为等效电容系数。
优选地，在步骤S3中，MMC等效电容所提供的功率Pconv可进一步表示为：同时对等式两边进行积分，得到扰动期间由等效电容所提供的支撑能量。
与现有技术相比，本发明产生的有益效果为：
1)本发明利用MMC桥臂电容所存储的能量来抑制直流侧电压波动的等效电容改进电压控制方法，只需在现有直流电压控制环节中新增一条等效电容电压控制支路即可有效提升换流器直流侧电压的调节能力，改善直流系统供电质量；
2)本发明无需额外增加设备或其他控制模块，在提升系统直流电压稳定的同时还不会增加系统控制复杂度和控制成本，因而不会因等效电容控制支路的引入而带来新的不稳定问题，为采用基于MMC结构的直流输电网络的安全稳定运行提供有力保障，有利于新能源电力的大规模外送和传输。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明方法的流程示意图。
图2是本发明考虑直流线路的MMC电气等值模型示意图。
图3是本发明基于等效电容的MMC电气等值模型示意图。
图4是本发明基于等效电容的直流电压控制框图示意图。
图5是本发明实例仿真验证中MMC-HVDC系统结构示意图。
图6是本发明三相MMC结构示意图。
图7是本发明实例仿真中MMC电网电流控制框图示意图。
图8是本发明实例仿真中MMC内部环流控制框图示意图。
图9是本发明实例仿真中MMC外环无功功率控制框图示意图。
图10是本发明仿真实例在功率提升时送端换流站仿真结果。
图11是本发明仿真实例在功率提升时受端换流站仿真结果。
图12是本发明仿真实例在功率回降时送端换流站仿真结果。
图13是本发明仿真实例在功率回降时受端换流站仿真结果。
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付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。
如图1所示，本发明实施例提供了一种抑制MMC-HVDC系统直流电压波动的等效电容控制方法，只需在现有直流电压控制器中新增一条等效电容电压控制支路即可有效提升MMC直流侧电压的调节能力。具体步骤如下：
S1、根据MMC平均值数学模型和直流线路的MMC有功分量电气等值模型，利用线性时不变建模方法推导得到MMC直流侧电压udc的表达式以及MMC换流器所吸收的有功功率Pconv的表达式；
所述MMC平均值数学模型表示为：
其中，upj和分别为MMC换流器j(j＝a,b,c)相上桥臂电压和下桥臂电压，t表示时间，/>和/>分别为MMC换流器j(j＝a,b,c)相上桥臂所有子模块电压之和与下桥臂所有子模块电压之和，Rarm和Larm分别为MMC换流器桥臂电阻和滤波电感，/>和/>分别为MMC换流器j(j＝a,b,c)相上桥臂电流和下桥臂电流，/>为MMC换流器j(j＝a,b,c)相循环电流，ij为MMC换流器交流侧j(j＝a,b,c)相电流，udc为MMC换流器直流侧电压，idc为MMC换流器直流侧电流。
所述考虑直流线路的MMC有功分量电气等值模型表示为：
其中，Pdco为对侧换流站直流输出功率，Pdc为本侧MMC直流侧输入功率，udc为本侧MMC直流侧电压，Cdc表示直流线路等值电容，t表示时间，ω为电网角频率，idc为本侧MMC直流侧直流电流，idcl为本侧MMC直流侧直流线路电流，分别为本侧MMC交流侧基波电流d轴和q轴分量，/>分别为本侧MMC交流出口基波电压d轴和q轴分量，/> 分别为本侧MMC交流侧电网基波电压d轴和q轴分量，/>分别为本侧MMC交流侧公共耦合点基波电压d轴和q轴分量，Rf和Lf分别为本侧MMC交流滤波电阻和滤波电感，Rarm和Larm分别为本侧MMC桥臂电阻和滤波电感，RG和LG分别为本侧MMC交流侧电网电阻和电感。
通过线性时不变建模方法，根据MMC的平均值模型，得到考虑直流线路的MMC有功分量电气等值模型，如图2所示。若忽略换流器的损耗，根据图2可推导得到MMC直流侧电压udc为：
其中，Pdco为对侧换流站直流输出功率，Cdc表示直流线路等值电容，Pdc为本侧MMC直流侧输入功率，t表示时间。
同时还可得到MMC换流器所吸收的有功功率Pconv：
其中，Wconv为MMC中所储存的能量，Ceqconv＝6Carm且Carm为MMC桥臂等值电容，upj为MMC中j相上桥臂电压，unj为MMC中j相下桥臂电压，Pac表示MMC交流侧输出功率。
S2、根据直流线路的MMC有功分量电气等值模型、MMC直流侧电压udc的表达式以及MMC换流器所吸收的有功功率Pconv的表示式，得到MMC直流侧输入有功功率及其交流测输出功率之间的定量表达关系，进而得到MMC等效电容Ceq与直流侧电压之间的定量关系；
所述MMC等效电容Ceq与直流侧电压之间的定量关系为：
其中，Ceq表示MMC等效电容，kconv为等效电容系数。进而可得到如图3所示的基于等效电容的MMC简化等值模型图。
S3、将步骤S2中得到的MMC等效电容Ceq与直流电压之间的定量关系引入至MMC直流电压控制器中，以调节有功扰动时直流侧电压波动。根据步骤S2所推导的MMC交、直流侧功率关系，MMC等效电容所提供的功率Pconv可进一步表示为：同时对等式两边进行积分，得到扰动期间由等效电容所提供的支撑能量。因此，将等效电容并入至现有直流电压控制器中，就可以有效提升MMC直流侧电压调节能力，即本发明所提出的计及MMC等效电容的改进电压控制策略，即等效电容控制方法。
本发明巧妙利用MMC自有的桥臂电容，将MMC等效为一个等值电容，并推到建立了等值电容与有功功率和直流电压的数学关系，最后通过将其引入至已有电压控制环节，就可实现对MMC直流侧电压进行有效调节，提升MMC-HVDC直流抗扰能力和供电质量。如图1所示，通过利用MMC内部的能量，从将MMC等效为一个等值电容，并将其引入至已有的直流电压控制环节，即可有效提升MMC直流侧电压的抗扰动能力，而不会额外增加控制成本和控制复杂度。
具体实例：
在PSCAD/EMTDC中建立了如图5所示的两端MMC-HVDC系统模型。其中，MMC-HVDC系统参数如表1所示。在本实例中三相MMC结构如图6所示，三相桥臂并联连接于直流母线，每相由上、下两个桥臂组成，且每个桥臂由N个相同的子模块(SM)和桥臂阻抗(R0+jωL0)串联而成；子模块采用全桥结构，由开关器件VT1、VT2、VT3、VT4和直流电容C组成。此外，在本发明实例中，其换流站控制系统采用双环控制结构，其中内环电网电流控制、环流控制、基于等效电容直流电压控制以及外环无功功率控制框图分别如图7、图8、图4和图9所示。
表1 MMC-HVDC系统参数
系统功率提升仿真验证：
当系统有功功率发生扰动时，系统直流侧电压也会发生相应的波动。图10和图11分别给出系统在3s时刻系统功率由0.2pu提升至0.7pu情况下引入等效电容控制前后送、受端换流站仿真结果。从仿真结果可以看出，在采用常规直流电压控制策略中，功率变化0.5pu时对应送、受端换流站直流电压分别最高升高至1.08pu和1.06pu，而引入等效电容后在相同功率扰动下，送、受端换流站直流电压分别只上升0.03pu和0.01pu，从而说明本发明所提出的等效电容控制策略在系统功率提升过程中能有效抑制直流电压波动，提高了直流电压稳定性。
系统功率回降仿真验证：
同理，本发明实例对系统功率回降工况也进行了相应仿真验证。图12和图13分别给出系统在5s时刻系统功率由0.8pu回降至0.5pu情况下引入等效电容控制前后送、受端换流站仿真结果。从仿真结果可以看出，在采用常规直流电流控制策略中，功率变化0.3pu时对应送、受端换流站直流电压分别最高跌落至0.97pu和0.965pu，而引入等效电容后在相同功率波动下，送、受端换流站直流电压制发生很小的波动，从而说明本发明所提出的等效电容控制策略在系统功率回降过程中也能有效抑制直流电压波动，提高了直流电压稳定性。
以上所述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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种抑制MMC-HVDC系统直流电压波动的等效电容控制方法，其特征在于，其步骤如下：
S1、根据MMC平均值数学模型和直流线路的MMC有功分量电气等值模型，利用线性时不变建模方法推导得到MMC直流侧电压udc的表达式以及MMC换流器所吸收的有功功率Pconv的表达式；
所述MMC直流侧电压udc的表达式为：
其中，Pdco为对侧换流站直流输出功率，Cdc表示直流线路等值电容，Pdc为本侧MMC直流侧输入功率，t表示时间；
所述MMC换流器所吸收的有功功率Pconv的表示式为：
其中，Wconv为MMC中所储存的能量，Ceqconv＝6Carm且Carm为MMC桥臂等值电容，upj为MMC中j相上桥臂电压，unj为MMC中j相下桥臂电压，Pac表示MMC交流侧输出功率；
S2、根据直流线路的MMC有功分量电气等值模型、MMC直流侧电压udc的表达式以及MMC换流器所吸收的有功功率Pconv的表示式，得到MMC等效电容Ceq与直流侧电压之间的定量关系；
所述MMC等效电容Ceq与直流侧电压之间的定量关系为：
其中，Ceq表示MMC等效电容，kconv为等效电容系数；
S3、将步骤S2中得到的MMC等效电容Ceq与直流电压之间的定量关系引入至MMC直流电压控制器中，以调节有功扰动时直流侧电压波动。
2.根据权利要求1所述的抑制MMC-HVDC系统直流电压波动的等效电容控制方法，其特征在于，所述MMC平均值数学模型表示为：
其中，upj为MMC换流器j相上桥臂电压，unj为MMC换流器j相下桥臂电压，t表示时间，为MMC换流器j相上桥臂所有子模块电压之和，/>为MMC换流器j相下桥臂所有子模块电压之和，Rarm为MMC换流器桥臂电阻，Larm为MMC换流器滤波电感，/>为MMC换流器j相上桥臂电流，/>为MMC换流器j相下桥臂电流，/>为MMC换流器j相循环电流，ij为MMC换流器交流侧j相电流，udc为MMC换流器直流侧电压，idc为MMC换流器直流侧电流，j＝a,b,c。
3.根据权利要求1或2所述的抑制MMC-HVDC系统直流电压波动的等效电容控制方法，其特征在于，所述直流线路的MMC有功分量电气等值模型表示为：
其中，Pdco为对侧换流站直流输出功率，Pdc为本侧MMC直流侧输入功率，udc为本侧MMC直流侧电压，Cdc表示直流线路等值电容，t表示时间，ω为电网角频率，idc为本侧MMC直流侧直流电流，idcl为本侧MMC直流侧直流线路电流，为本侧MMC交流侧基波电流d轴分量，/>为本侧MMC交流侧基波电流q轴分量，/>为本侧MMC交流出口基波电压d轴分量，/>为本侧MMC交流出口基波电压q轴分量，/>为本侧MMC交流侧电网基波电压d轴分量，/>为本侧MMC交流侧电网基波电压q轴分量，/>为本侧MMC交流侧公共耦合点基波电压d轴分量，/>为本侧MMC交流侧公共耦合点基波电压q轴分量，Rf为本侧MMC交流滤波电阻，Lf为本侧MMC交流滤波电感，Rarm为本侧MMC桥臂电阻，Larm为本侧MMC滤波电感，RG为本侧MMC交流侧电网电阻，LG为本侧MMC交流侧电网电感。
4.根据权利要求1所述的抑制MMC-HVDC系统直流电压波动的等效电容控制方法，其特征在于，在步骤S3中，MMC等效电容所提供的功率Pconv可进一步表示为：同时对等式两边进行积分，得到扰动期间由等效电容所提供的支撑能量。
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不对称电网电压下MMC-HVDC系统功率波动抑制策略研究;刘英培;栗然;张栋;;电测与仪表(第02期);全文 *

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