CN114142463B - 基于m3c的两端柔性低频输电系统两相运行控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于M3C的两端柔性低频输电系统两相运行控制方法，该控制方法针对用于城市工区互联的两端低频输电系统单相电缆故障切除场景，通过拟方波输电方式利用健全相完成故障期间功率不间断传输，可有效提升系统利用率和可靠性。本发明对设置为电压基准节点的M3C采用低频侧定电压控制方法，生成低频侧拟方波电压；对设置为功率可调节点的M3C采用低频侧定电流控制方法；两类M3C的工频侧均采用定功率控制方法，实现稳态运行期间和传输功率动态变化前后对子模块电容电压的有效控制，保证装置安全稳定运行。

Description

基于M3C的两端柔性低频输电系统两相运行控制方法

技术领域

本发明属于电力系统输配电技术领域，具体涉及一种基于M3C(modularmultilevel matrix converter，模块化多电平矩阵式变换器)的两端柔性低频输电系统两相运行控制方法。

背景技术

近年来，随着国民经济的快速增长，大型城市用电负荷快速增加，我国城市电网建设不断加强。目前，大型城市电网大都在外层形成直接与输电网相连的500kV环网，接受外部电源供电；内层220kV电网深入供电中心，构成骨干网架，给负荷中心提供电能。大型城市电网一般都采取220kV电压等级分区运行模式以限制电网短路电流和消除电磁环网，考虑到电网分区间潮流方向灵活多变，可通过柔性直流输电系统或者低频交流系统实现分区柔性互联。两种方案的系统拓扑结构比较相似，其主要差异在于线路两端所采用的换流器是分别是AC/DC换流器和AC/AC换流器。

柔性直流方案的主要缺点在于换流站占地面积大、场站投资成本较高、直流电缆存在空间电荷积累效应等缺点；当需要构建多端直流输电系统以实现更加灵活的多分区功率互济运行时，还需要考虑直流断路器等设备的研发和投资费用。尽管低频交流输电方案的所采用的AC/AC换流器比柔性直流输电系统采用的AC/DC换流器投资成本更高，但是在现有交流电缆系统两端加变频站即可完成由工频交流互联系统向低频交流互联系统的升级，减小了线路改造的难度和隧道反复开挖对城市环境造成的不良影响。此外，采用低频交流输电技术可以避免直流电网空间电荷积累效应的影响，构造低频交流多端输电系统也不存在较大的技术难度。2021年5月，位于杭州富阳区的中埠—亭山换频站完成地质勘探，标志着世界上首个柔性低频输电工程—220kV中埠—亭山柔性低频输电示范项目正式启动。

架空线路的故障大多是瞬时性故障，重合后线路可以恢复正常运行；而电缆的短路故障大部分属于永久性故障，若重合断路器，在故障点将会再次产生电弧，不仅对系统和电气设备再次造成冲击，而且会扩大电缆故障，甚至会造成爆炸事故。因此，故障电缆将在很长一段时间内处于切除状态，而常规基于三相运行方式进行设计的低频输电系统在此期间停运，造成功率传输中断。

到目前为止，已公开的绝大多数文献基本只研究低频输电系统的稳态控制策略和架空线条件下的故障穿越策略，很少有针对电缆故障情况的低频输电系统运行控制研究。单相故障是最常见的线路故障类型，剩余的两相非故障线路理论上仍可构成输电回路并完成功率传输；进一步提升基于低频输电方案的城市供区互联系统的可靠性和利用率，很有必要从对低频输电系统两相运行方法进行研究。

发明内容

鉴于上述，本发明提供了一种基于M3C的两端柔性低频输电系统两相运行控制方法，该方法针对单相电缆故障切除场景，实现故障期间低频输电系统功率不间断传输，对于提高城市供区互联系统的可靠性和利用率具有实际意义。

一种基于M3C的两端柔性低频输电系统两相运行控制方法，应用于所述系统中M3C任一相出现故障被切除的情况下，该系统利用接入送端电网的M3C与接入受端电网的M3C通过低频电缆进行电能传输，其中与送端电网连接的M3C作为电压基准节点，与受端电网连接的M3C作为功率可调节点；

所述M3C工频侧采用定功率控制策略，包含有功功率控制环节、无功功率控制环节以及输出电流跟踪控制环节，其中有功功率控制环节根据工频侧有功功率通过计算得到M3C工频侧d轴电流参考值I_d,ref，无功功率控制环节根据工频侧无功功率通过计算得到M3C工频侧q轴电流参考值I_q,ref，输出电流跟踪控制环节根据I_d,ref和I_q,ref通过计算得到M3C三相桥臂差模电压参考值U_diffa,ref、U_diffb,ref和U_diffc,ref；

所述M3C低频侧控制策略与节点类别相关，对于电压基准节点，其低频侧采用定电压控制策略，包含拟方波电压生成环节，该环节根据预设的拟方波电压信号通过计算得到M3C桥臂共模电压参考值U_com,ref；对于功率可调节点，其低频侧采用定电流控制策略，包含拟方波电流控制环节，该环节根据预设的拟方波电流信号通过计算得到M3C桥臂共模电压参考值U_com,ref；

最后，将U_com,ref分别与U_diffa,ref、U_diffb,ref和U_diffc,ref相加即得到M3C上桥臂的三相调制电压，将U_com,ref分别与U_diffa,ref、U_diffb,ref和U_diffc,ref相减即得到M3C下桥臂的三相调制电压，进而根据上下桥臂的三相调制电压通过相应调制算法生成各桥臂的开关控制信号用以对M3C进行控制。

进一步地，所述有功功率控制环节通过以下公式计算得到M3C工频侧d轴电流参考值I_d,ref；

其中：k_pp和k_pi分别为有功功率控制环节设定的比例系数和积分系数，s为拉普拉斯算子，P_LF,ave为M3C低频侧输入有功功率滑动平均值，P_cvc,ref为M3C工频侧输出有功功率参考值，P_PF为M3C工频侧输出有功功率实际值，t表示时刻，T_LF为给定的低频周期，U_LF和I_LF分别为M3C低频侧的输出电压实际值和输出电流实际值，k_cp和k_ci分别为子模块电容电压控制环节设定的比例系数和积分系数，U_c,ave为M3C的子模块电容电压平均值，U_c,ref为M3C的子模块电容电压参考值。

进一步地，所述无功功率控制环节通过以下公式计算得到M3C工频侧q轴电流参考值I_q,ref；

其中：k_qp和k_qi分别为无功功率控制环节设定的比例系数和积分系数，s为拉普拉斯算子，Q_PF为M3C工频侧输出无功功率实际值，Q_PF,ref为M3C工频侧输出无功功率参考值。

进一步地，所述输出电流跟踪控制环节首先对M3C工频侧电压和电流进行Park变换，得到dq坐标系下工频侧电压的d轴分量实际值U_d和q轴分量实际值U_q以及dq坐标系下工频侧电流的d轴分量实际值I_d和q轴分量实际值I_q；然后通过以下公式计算得到M3C桥臂差模电压d轴分量参考值U_diffd,ref和q轴分量参考值U_diffq,ref；

其中：k_vp和k_vi分别为输出电流跟踪控制环节设定的比例系数和积分系数，X_c为给定的补偿电抗；

最后通过对M3C工频侧电压锁相得到位置角θ_PF，利用θ_PF将U_diffd,ref和U_diffq,ref通过Park反变换得到M3C三相桥臂差模电压参考值U_diffa,ref、U_diffb,ref和U_diffc,ref。

进一步地，所述拟方波电压生成环节通过以下公式计算得到M3C桥臂共模电压参考值U_com,ref；

其中：U_LF,ref为M3C低频侧输出电压参考值，U_LFm,ref为M3C低频侧输出拟方波电压幅值参考值，T_swi为正负半波切换过程时长，T_LF为给定的低频周期，t_per为当前时刻与低频周期起点时刻之差。

进一步地，所述拟方波电流控制环节通过以下公式计算得到M3C桥臂共模电压参考值U_com,ref；

其中：I_LF,in为M3C低频侧输入电流实际值，I_LF,ref为M3C低频侧输入电流参考值，k_ip和k_ii分别为拟方波电流控制环节设定的比例系数和积分系数，s为拉普拉斯算子，I_LFm,ref为M3C低频侧输出拟方波电流幅值参考值，T_swi为正负半波切换过程时长，T_LF为给定的低频周期，t_per为当前时刻与低频周期起点时刻之差。

基于上述技术方案，本发明具有以下有益技术效果：

1.针对城市供区互联场景，本发明提出了一种基于M3C的两端柔性低频输电系统两相运行控制方法，可维持单相电缆故障切除期间低频输电系统功率不间断传输，有利于提升系统可靠性和利用率。

2.已有文献提出了基于全桥模块化多电平换流器的两相低频输电方法，但是在进行控制系统设计将柔性低频输电系统的一端假设为纯电阻负载，与实际情况不符所提出的电容电压平衡控制策略鲁棒性较差。本发明针对低频输电系统的两端M3C均进行了控制系统设计，所提出的控制方法在系统两相运行期间能够较好地维持M3C子模块电容电压恒定。

附图说明

图1为基于M3C的两端柔性低频输电系统两相运行方式示意图。

图2为接入工频交流系统和两相低频线路的单端M3C拓扑结构示意图。

图3为本发明M3C工频侧定功率控制策略的系统框图。

图4为本发明M3C低频侧定电压和定电流控制策略的系统框图。

图5为本发明采用拟方波输电方式下有功功率、拟方波电压和电流的波形示意图。

图6为采用本发明控制方法稳态运行情况下M3C1关于低频侧输出电压和输入电流、工频侧输出功率以及子模块电容电压的仿真波形示意图。

图7为采用本发明控制方法受端电网吸收有功功率发生变化情况下M3C1关于低频侧输出电压和输入电流、工频侧输出功率以及子模块电容电压的仿真波形示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

如图2所示为两相运行方式下单端M3C的拓扑结构，假设低频侧b相电缆发生故障并被切除，则与低频侧b相电缆相连的3个M3C桥臂退出运行。图中u_sk为工频交流系统等效电压源k相电压(k＝a,b,c，表示abc三相)，L_s为工频交流系统等效串联电感，R_s为工频交流系统等效串联电阻，u_k为M3C工频侧k相电压，i_k为M3C工频侧k相输出电流，u_pk和u_nk分别表示上下桥臂电压，i_pk和i_nk分别表示上下桥臂电流，R₀为桥臂等效电阻，L₀为桥臂电感，U_LF表示M3C低频侧输出电压，I_LF表示M3C低频侧输入电流。

表征两相运行方式下M3C工低频侧动态特性的数学模型如下：

式中：上标abc表示该电气量是在abc三相静止坐标系下的矢量，表示桥臂差模电压矢量，它的k相表达式为：

u_com表示桥臂共模电压矢量，可由下式表示：

从式(1)和式(2)可知，通过控制M3C桥臂差模电压分量，就可以控制M3C工频侧输出电流；通过控制M3C桥臂共模电压分量，就可以控制M3C低频侧输出电流，同时可以调节M3C低频侧输出电压。

为了得到易于控制的直流量，常用方法是对式(1)进行坐标变换，将abc三相静止坐标系下的正弦交流量变换到dq轴同步旋转坐标系下的直流量，经过坐标变换后的结果如下：

式中：上标dq表示该电气量是在dq同步坐标系下的矢量，ω_PF为工频交流系统角频率。

根据式(5)设计了如图3中的输出电流跟踪控制环节，对该环节输出的dq坐标系下的桥臂差模电压参考值u_diffd,ref、u_diffq,ref进行反park变换即可得到abc坐标下的桥臂差模电压参考值u_diffa,ref、u_diffb,ref、u_diffc,ref。

dq同步旋转坐标系的角位置θ_PF由锁相环对M3C工频侧三相电压锁相得到提供，稳态下有U_q＝0，U_q为M3C工频侧电压q轴分量。此时，M3C的工频侧输出有功功率P_LF和工频侧输出无功功率Q_LF可由下式表示：

式中：U_d表示M3C工频侧电压d轴分量，I_d、I_q表示M3C工频侧输出电流d、q轴分量。由式(6)可知，通过控制M3C工频侧输出电流d轴分量可以调节M3C工频侧输出有功功率，通过控制M3C工频侧输出电流q轴分量可以调节M3C工频侧输出无功功率。

图3所示的有功功率控制环节的输入功率参考值包含P_LF,ave和P_cvc,ref两部分，其中P_LF,ave用于跟踪M3C低频侧输入功率P_LF，可以通过对P_LF进行滑动平均处理得到：

式中：t为时间，T_LF为低频周期。

P_cvc,ref用于维持M3C内部子模块电容电压稳定，由子模块电容电压平均值U_c,ave和子模块电容电压参考值U_c,ref之差通过子模块电容电压控制环节得到：

式中：k_cp和k_ci为子模块电容电压控制环节设定的比例系数和积分系数，s为拉普拉斯算子。

在获得上述有功功率参考值后，通过PI控制器，就可以得到M3C工频侧输出电流d轴分量参考值I_d,ref：

式中：k_pp和k_pi分别为有功功率控制环节设定的比例系数和积分系数。

图3所示的无功功率控制环节的输入信号为无功功率实际值Q_PF和参考值Q_PF,ref，两者之差通过PI控制器生成M3C工频侧输出电流q轴分量参考值I_q,ref：

其中：k_qp和k_qi为无功功率控制环节设定的比例系数和积分系数。

直流输电方式和正弦交流输电方式在应用于两相电缆输电场景时具有明显缺陷：直流输电引发的电缆空间电荷积累问题会对线路绝缘造成损害，直流断路器技术尚不成熟，直流故障难以穿越；正弦交流输电会导致线路传输功率波动较大，同时由低频测功率波动引发的能量波动将全部由AC/AC换流器子模块电容吸收，威胁装置安全稳定运行。而当采用图5所示的拟方波输电方式进行功率传输时，功率波动仅出现在拟方波电压和电流正负半波切换过程中，波动幅度小，持续时间短，其输电能力与直流输电方式类似。同时，拟方波输电方式具有电流电压过零点，又能够避免直流输电方式中的电缆空间电荷积累效应和直流故障难以处理等问题。

据此，我们设计了图4所示的M3C低频侧拟方波电压生成环节和低频侧拟方波电流控制环节，低频侧拟方波电压生成环节的输入信号为拟方波电压幅值参考值U_LFm,ref、正负半波切换过程时长T_swi和低频周期T_LF，并通过拟方波电压发生器得到以T_LF为周期变换的低频侧输出电压参考信号U_LF,ref：

式中：t_per为当前时刻与周期起点时刻之差，图5给出了一个低频周期内的拟方波电压参考波形。

然后，根据下式可以计算得到M3C桥臂共模电压参考值U_com,ref：

低频侧拟方波电流控制环节首先通过拟方波电流发生器生成低频侧电流参考信号I_LF,ref：

式中：I_LFm,ref为M3C的低频侧输出拟方波电流幅值参考值，图5给出了一个低频周期内的拟方波电流参考波形。

然后，将M3C的低频侧输出电流实际值I_LF与参考值I_LF,ave之差送入PI控制器得到M3C桥臂共模电压参考值U_com,ref：

式中：k_ip和k_ii为拟方波电流控制环节设定的比例系数和积分系数。

实际运行过程中，M3C桥臂共模电压参考值的来源与所属节点类型有关，当M3C被设置为电压基准节点时，U_com,ref由拟方波电压生成环节产生；当M3C被设置为功率可调节点时，U_com,ref由拟方波电流控制环节产生。

在得到三相桥臂共模电压参考值与桥臂共模电压参考值之后，根据下式就可计算出触发所需要的k相上下桥臂电压指令值u_pk,ref和u_nk,ref：

为验证本发明控制方法的准确性和有效性，我们在PSCAD/EMTDC仿真软件中搭建了如图1所示的两端柔性低频输电系统，与送端工频交流系统相连的M3C1被设置为电压基准节点，与受端工频交流系统相连的M3C2被设置为功率可调节点，系统详细参数如表1所示：

表1

仿真工况1：系统运行在额定运行工况，送端工频交流系统通过两相低频输电线路向受端交流系统输出450MW有功功率，从两端AC/AC换流器注入各自所连工频交流系统的无功功率均设置为0。如图6所示为稳态运行期间M3C1的低频侧输出电压和输入电流、工频侧输出功率以及子模块电容电压的仿真波形，可以看到，低频侧输出电压和输入电流均呈拟方波形状，低频侧输出电压实际值能够很好地跟踪其设定值，表明低频侧电压控制环节具有良好的稳态性能；工频侧输出有功功率为系统额定功率且保持恒定，表明低频侧有功功率波动不影响工频侧，工频侧输出无功功率能很好地跟踪其设定值保持为零。在低频侧电压切换过程中，低频侧有功功率小于工频侧，功率差额由子模块电容吸收，子模块电容电压上升；低频侧电压切换结束后，低频侧有功功率略大于工频侧，功率差额由子模块电容补偿，子模块电容电压下降，子模块电容电压仿真波形与理论分析一致，子模块电容电压控制策略是有效的。

仿真工况2：在t＝3.4s，受端工频交流系统从低频输电系统中吸收的有功功率从450MW变化到300MW，从两端AC/AC换流器注入各自所连工频交流系统的无功功率仍设置为0。如图7所示为传输功率变化期间M3C1的低频侧输出电压和输入电流、工频侧输出功率以及子模块电容电压的仿真波形，可以看到，在传输功率变化后，低频侧输出电压仍很好地跟踪设定的拟方波，低频侧输入电流仍保持拟方波形状，其峰值随着传输有功功率的变化而变化；送端工频侧输出有功功率很好地跟踪受端有功功率需求，工频侧输出无功功率仍跟踪其设定值保持为零，子模块电容电压在控制系统的作用下维持在额定值附近。仿真波形表明本控制策略具有良好的暂态特性。

上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明，熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于M3C的两端柔性低频输电系统两相运行控制方法，应用于所述系统中M3C任一相出现故障被切除的情况下，该系统利用接入送端电网的M3C与接入受端电网的M3C通过低频电缆进行电能传输，其中与送端电网连接的M3C作为电压基准节点，与受端电网连接的M3C作为功率可调节点；其特征在于：

所述M3C工频侧采用定功率控制策略，包含有功功率控制环节、无功功率控制环节以及输出电流跟踪控制环节，其中有功功率控制环节根据工频侧有功功率通过计算得到M3C工频侧d轴电流参考值I_d,ref，无功功率控制环节根据工频侧无功功率通过计算得到M3C工频侧q轴电流参考值I_q,ref，输出电流跟踪控制环节根据I_d,ref和I_q,ref通过计算得到M3C三相桥臂差模电压参考值U_diffa,ref、U_diffb,ref和U_diffc,ref；

所述M3C低频侧控制策略与节点类别相关，对于电压基准节点，其低频侧采用定电压控制策略，包含拟方波电压生成环节，该环节根据预设的拟方波电压信号通过计算得到M3C桥臂共模电压参考值U_com,ref；对于功率可调节点，其低频侧采用定电流控制策略，包含拟方波电流控制环节，该环节根据预设的拟方波电流信号通过计算得到M3C桥臂共模电压参考值U_com,ref；

最后，将U_com,ref分别与U_diffa,ref、U_diffb,ref和U_diffc,ref相加即得到M3C上桥臂的三相调制电压，将U_com,ref分别与U_diffa,ref、U_diffb,ref和U_diffc,ref相减即得到M3C下桥臂的三相调制电压，进而根据上下桥臂的三相调制电压通过相应调制算法生成各桥臂的开关控制信号用以对M3C进行控制。

2.根据权利要求1所述的两端柔性低频输电系统两相运行控制方法，其特征在于：所述有功功率控制环节通过以下公式计算得到M3C工频侧d轴电流参考值I_d,ref；

其中：k_pp和k_pi分别为有功功率控制环节设定的比例系数和积分系数，s为拉普拉斯算子，P_LF,ave为M3C低频侧输入有功功率滑动平均值，P_cvc,ref为M3C工频侧输出有功功率参考值，P_PF为M3C工频侧输出有功功率实际值，t表示时刻，T_LF为给定的低频周期，U_LF和I_LF分别为M3C低频侧的输出电压实际值和输出电流实际值，k_cp和k_ci分别为子模块电容电压控制环节设定的比例系数和积分系数，U_c,ave为M3C的子模块电容电压平均值，U_c,ref为M3C的子模块电容电压参考值。

3.根据权利要求1所述的两端柔性低频输电系统两相运行控制方法，其特征在于：所述无功功率控制环节通过以下公式计算得到M3C工频侧q轴电流参考值I_q,ref；

其中：k_qp和k_qi分别为无功功率控制环节设定的比例系数和积分系数，s为拉普拉斯算子，Q_PF为M3C工频侧输出无功功率实际值，Q_PF,ref为M3C工频侧输出无功功率参考值。

4.根据权利要求1所述的两端柔性低频输电系统两相运行控制方法，其特征在于：所述输出电流跟踪控制环节首先对M3C工频侧电压和电流进行Park变换，得到dq坐标系下工频侧电压的d轴分量实际值U_d和q轴分量实际值U_q以及dq坐标系下工频侧电流的d轴分量实际值I_d和q轴分量实际值I_q；然后通过以下公式计算得到M3C桥臂差模电压d轴分量参考值U_diffd,ref和q轴分量参考值U_diffq,ref；

其中：k_vp和k_vi分别为输出电流跟踪控制环节设定的比例系数和积分系数，X_c为给定的补偿电抗；

最后通过对M3C工频侧电压锁相得到位置角θ_PF，利用θ_PF将U_diffd,ref和U_diffq,ref通过Park反变换得到M3C三相桥臂差模电压参考值U_diffa,ref、U_diffb,ref和U_diffc,ref。

5.根据权利要求1所述的两端柔性低频输电系统两相运行控制方法，其特征在于：所述拟方波电压生成环节通过以下公式计算得到M3C桥臂共模电压参考值U_com,ref；

其中：U_LF,ref为M3C低频侧输出电压参考值，U_LFm,ref为M3C低频侧输出拟方波电压幅值参考值，T_swi为正负半波切换过程时长，T_LF为给定的低频周期，t_per为当前时刻与低频周期起点时刻之差。

6.根据权利要求1所述的两端柔性低频输电系统两相运行控制方法，其特征在于：所述拟方波电流控制环节通过以下公式计算得到M3C桥臂共模电压参考值U_com,ref；

其中：I_LF,in为M3C低频侧输入电流实际值，I_LF,ref为M3C低频侧输入电流参考值，k_ip和k_ii分别为拟方波电流控制环节设定的比例系数和积分系数，s为拉普拉斯算子，I_LFm,ref为M3C低频侧输出拟方波电流幅值参考值，T_swi为正负半波切换过程时长，T_LF为给定的低频周期，t_per为当前时刻与低频周期起点时刻之差。