CN114465224A - 一种适用于直流配电网的lcc与mmc协调控制策略 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种适用于直流配电网的LCC与MMC协调控制策略，所述控制策略采用LCC与MMC并联运行的方式，LCC与MMC直流侧连接于同一条直流母线，同时为直流配电网供电，当传输功率较小及功率反向流动时，LCC退出运行，MMC承担所有的传输功率；当传输功率较大时，LCC投入运行并承担大部分功率，结合LCC与MMC换流站的自身特点，MMC采用定直流电压控制和定无功功率控制，LCC采用定直流电流或定直流功率的控制策略。本发明控制策略利用LCC代替MMC承担部分传输功率，降低直流配电网中MMC装置的数量及容量，直流配电网中LCC与MMC稳态运行的协调控制策略采用LCC与MMC并联运行的方式，LCC与MMC直流侧连接于同一条直流母线，同时为直流配电网供电。

Description

一种适用于直流配电网的LCC与MMC协调控制策略

技术领域

本发明涉及直流配电技术领域，具体是一种适用于直流配电网的LCC(LineCommutated Converter，电网换相换流器)与MMC(Modular Multilevel Converter，模块化多电平换流器)协调控制策略。

背景技术

为了满足可再生能源并网以及对直流负荷的供电需求，直流配电网得到了广泛的关注和应用。然而，直流配电网系统惯性较低，直流电压容易出现波动，同时直流配电网中负载的投切以及光伏、风电等分布式电源出力的随机波动，都会对直流电压造成较大的影响，甚至危及直流配电网的安全运行。

作为交直流电网的联结枢纽，联网换流器在维持直流侧功率平衡和抑制直流电压波动中扮有重要角色。现有直流配电网工程广泛采用MMC作为联网换流器进行直流电压控制，但其高昂的造价与维护成本制约了直流配电系统的进一步发展。与MMC相比，LCC具有容量大、造价低、运行损耗小的优点，但是也具有最小输送电流存在限制、响应速度慢、功率反向流动时须改变直流侧电压极性等缺点。将LCC引入到直流配电网，代替MMC承担部分传输功率，可以达到降低造价与维护成本的目的，但LCC自身的限制条件会使现有的直流配电网协调控制策略不再适用。在直流配电网中，MMC与LCC如何在稳态时协调运行，成为直流配电网中LCC/MMC协调控制的关键问题。

现有LCC与MMC的协调控制策略在混合直流输电领域获得了广泛的应用，但是这些协调控制策略都是基于高压直流输电领域，不适宜应用在潮流快速频繁变化的直流配电网。因此，亟待一种直流配电网中LCC与MMC的协调控制策略。本发明结合LCC与MMC的特点，设计了一种LCC与MMC的功率分配、容量配比以及LCC的投入与切除逻辑判断条件。当传输功率较小及功率反向流动时，LCC退出运行，MMC承担所有的传输功率。当传输功率较大时，LCC投入运行并承担大部分功率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于直流配电网的LCC与MMC协调控制策略，利用LCC代替MMC承担部分传输功率，降低直流配电网中MMC装置的数量及容量，直流配电网中LCC与MMC稳态运行的协调控制策略采用LCC与MMC并联运行的方式，LCC与MMC直流侧连接于同一条直流母线，同时为直流配电网供电；

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种适用于直流配电网的LCC与MMC协调控制策略，所述控制策略采用LCC与MMC并联运行的方式，LCC与MMC直流侧连接于同一条直流母线，同时为直流配电网供电。

当传输功率较小及功率反向流动时，LCC退出运行，MMC承担所有的传输功率；当传输功率较大时，LCC投入运行并承担大部分功率。

进一步的，所述LCC采用定直流电流控制或者定直流功率控制，承担整流的作用，MMC采用定直流电压控制，承担平衡直流侧功率的作用。

进一步的，所述MMC在系统正常运行期间始终投入运行。

进一步的，当β_load≤β₀，或β_lcc≤β_L时，LCC退出运行。

所述MMC容量取值满足S_MMC＞(S_LCC+S_MMC)β₀，其中，S_MMC、S_LCC分别为MMC、LCC的额定直流容量，β_load、β_lcc分别为直流母线、LCC的负载率，β₀与β_L分别为LCC退出运行时，直流母线负载率的临界值和LCC负载率的临界值。

进一步的，当由交流电网流向直流配电网的传榆功率P_load较大时，LCC投入运行并承担较大的传输功率；当P_load由大逐渐减小时，LCC同步地减小传输功率；

当所述LCC开始退出运行时系统应满足：

P_LCC＝S_LCC*β_L，

P_MMC＝P_load-P_LCC＝S_LCC*(β₀-β_L)+S_MMC*β₀，

其中，P_LCC、P_MMC分别表示LCC、MMC的传输功率；

此时，所述LCC与MMC的负荷分配比例为：

当LCC投入运行时，LCC与MMC在满载前的功率分配关系满足上式。

进一步的，当所述LCC恰好饱和时，也即P_LCC逐渐增大至S_LCC时，MMC承担的传输功率P_MMC＝mS_MMC，即当LCC与MMC在直流配电网并列运行时，LCC与MMC的容量应满足式：

进一步的，当P_load＜(S_LCC+S_MMC)β₀时，随着P_load的增大，MMC承担的传输功率也随之增大。

在LCC投入运行前P_MMC小于mS_MMC，即当P_MMC≥mS_MMC时，LCC立即投入运行，且LCC投入运行后，且LCC与MMC负荷分配满足：

当β_load≤β₀时，此时β_LCC≤β_L，LCC如未退出运行，则立即退出运行，而在β_MMC≥m时，此时

LCC如未启动，则立即启动并投入运行，以s＝0时表示LCC被切除，s＝1表示LCC启动投入，则满足：

在LCC切除后的瞬间，MMC承担了系统所有的传输功率，即：

P_MMC＝(S_LCC+S_MMC)β₀，

同时，(S_LCC+S_MMC)β₀与mS_MMC之间存在差值。

本发明的有益效果：

1、本发明控制策略利用LCC代替MMC承担部分传输功率，降低直流配电网中MMC装置的数量及容量，直流配电网中LCC与MMC稳态运行的协调控制策略采用LCC与MMC并联运行的方式，LCC与MMC直流侧连接于同一条直流母线，同时为直流配电网供电；

2、本发明控制策略结合LCC与MMC的特点，设计了直流配电网中LCC与MMC的功率分配比、容量配比以及LCC投入与退出运行的状态切换逻辑条件，由于与MMC相比，LCC具有容量大、设备成本低、运行损耗小等优势，该协调控制策略将LCC引入到直流配电网，代替MMC承担部分传输功率，从而降低了直流配电网中MMC装置的数量及容量，因此，降低了直流配电网设备的造价与维护成本。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是本发明直流配电网中LCC与MMC并列运行结构示意图；

图2是本发明直流配电网中LCC状态切换逻辑图；

图3是本发明直流配电网中LCC与MMC仿真系统接线图；

图4是本发明直流配电网中LCC与MMC稳态运行功率分配策略的仿真波形：

其中，(a)为直流母线电压波形；(b)为LCC电流指令值波形；(c)为LCC输出电流波形；(d)为LCC触发角波形；

图5是本发明直流配电网中LCC投入时的控制策略的仿真波形；

其中，(a)为直流母线电压波形；(b)为LCC电流指令值波形；(c)为LCC输出电流波形；(d)为LCC触发角波形；

图6是本发明直流配电网中LCC切除时的控制策略的仿真波形；

其中，(a)为直流母线电压波形；(b)为LCC电流指令值波形；(c)为LCC输出电流波形；(d)为LCC触发角波形。

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它实施例，都属于本发明保护的范围。

一种适用于直流配电网的LCC与MMC协调控制策略，控制策略采用LCC与MMC并联运行的方式，如图1所示，LCC与MMC直流侧连接于同一条直流母线，同时为直流配电网供电。

当传输功率较小及功率反向流动时，LCC退出运行，MMC承担所有的传输功率；当传输功率较大时，LCC投入运行并承担大部分功率。

其中，LCC采用定直流电流控制或者定直流功率控制，承担整流的作用，MMC采用定直流电压控制，承担平衡直流侧功率的作用。

假定MMC的额定容量为S_MMC，LCC的额定直流容量为S_LCC，直流母线、LCC与MMC的负载率分别为β_load、β_lcc、β_mmc，LCC退出运行时，直流母线负载率的临界值和LCC负载率的临界值分别为β₀与β_L。

设定由交流电网流向直流配电网的传输功率为P_load，且P_load＞0表示传输功率为正向，为了防止直流侧电流断续，LCC在运行时其直流侧电流一般不低于其额定电流的10％，而直流配电网在正常运行时其直流侧电压基本保持在额定值，则可近似认为LCC在运行时其传输功率一般不低于其额定容量的10％，即β_lcc≥10％。

为了留有一定的裕度，不妨取β_lcc≤β_L时LCC退出运行，其中，β_L＞10％，即LCC最小的正向传输功率为S_LCCβ_L，且LCC的功率在直流侧电压极性不变时不能反向传输，而MMC则无此限制。

显然，为了发挥LCC容量大，造价低、运行损耗小的优点，相比S_MMC，S_LCC的取值在允许范围内应尽量大些，以便能够承担更多的传输功率，从而降低MMC的传输功率和容量。

同时为了发挥MMC动态响应快的优点，以便取得较好地电压控制效果，MMC在系统正常运行期间应始终投入运行，同时当P_load≤S_LCCβ_L时，LCC应当退出运行，否则MMC将进入逆变状态。

为了留有一定裕度，不妨设定P_load≤(S_LCC+S_MMC)β₀时LCC退出运行，为了使MMC能够承担LCC退出运行后所有的传输功率，其容量取值应满足S_MMC＞(S_LCC+S_MMC)β₀。

基于上述分析，当P_load较大时，LCC应投入运行并承担较大的传输功率；而当P_load由大逐渐减小时，LCC也应同步地减小传输功率；当P_load逐渐减小至(S_LCC+S_MMC)β₀时，若以P_LCC表示此时LCC的传输功率，则可得P_LCC＝S_LCCβ_lcc，为了使S_LCC取一个尽可能大的值，显然，此时β_lcc应取最小值β_L，即当LCC开始退出运行时系统应满足式

即当直流母线总负载P_load＝(S_LCC+S_MMC)*β₀时，LCC的负载为：

P_LCC＝S_LCC*β_L (2)

则此时MMC的负载为：

P_MMC＝P_load-P_LCC＝S_LCC*(β₀-β_L)+S_MMC*β₀ (3)

联立式(2)和式(3)可求得此时LCC与MMC的负荷分配比例为

即当LCC投入运行时，LCC与MMC在饱和前的功率分配关系应当满足式(4)，这样可以确保当LCC开始退出运行时系统应满足式(1)。

直流配电网中LCC与MMC的容量配比，为了使MMC能够有效地抑制电压波动，在LCC饱和前MMC应留有一定的空余容量，不妨假设随着P_load的增大，当LCC恰好饱和时，也即P_LCC逐渐增大至S_LCC时，MMC承担的传输功率为：

P_MMC＝mS_MMC (5)

其中0<m<1，则联立式(4)和式(5)可得：

即当LCC与MMC在直流配电网并列运行时，LCC与MMC的容量应满足式(6)。

直流配电网中LCC投入与退出运行的状态切换逻辑条件，当系统某一时刻P_load＜(S_LCC+S_MMC)β₀时，根据上述分析，此时LCC已退出运行，MMC承担所有的传输功率，随着P_load的增大，MMC承担的传输功率也随之增大。

同理，为了使MMC能够有效地抑制电压波动，在LCC投入运行前P_MMC不应超过mS_MMC，即当P_MMC≥mS_MMC时，LCC应立即投入运行，且LCC投入运行后，且LCC与MMC根据式进行负荷分配。

由以上分析可知，当β_load≤β₀时，此时β_LCC≤β_L，LCC如未退出运行，则应立即退出运行，而在β_MMC≥m时，此时

LCC如未启动，则应立即启动并投入运行，若以s＝0时表示LCC被切除，s＝1表示LCC启动投入，则可得

即s与β_load之间的关系如图2所示。

同时应考虑，在LCC切除后的瞬间，MMC承担了系统所有的传输功率，即P_MMC＝(S_LCC+S_MMC)β₀，为了防止LCC频繁的投入及退出，(S_LCC+S_MMC)β₀与mS_MMC之间应存在合理的差值。

为了验证本发明所提控制策略的效果，对所提的直流配电网中LCC与MMC的稳态运行协调控制策略进行了仿真验证，直流配电网中LCC与MMC仿真系统如图3所示，仿真参数如表1所示，其中LCC换流站为2个LCC换流器串联组成的一个12脉波换流站。

表1直流配电网中LCC与MMC的稳态运行协调控制策略的一组仿真参数

根据表1的参数，对直流配电网中LCC与MMC的稳态运行协调控制策略进行了仿真验证，仿真结果如图4、图5和图6所示。

图4为LCC与MMC功率分配的仿真波形，仿真系统起始运行时，等效负载功率为10MW，在t＝2.5s时突加负载功率2MW，在t＝8.5s时突加负载切除，LCC初始指令值为350A。从t＝0s开始每两秒系统更新一次LCC的直流电流的指令值，以确保LCC与MMC的输出功率比值为7:3。

其中图4(a)为直流母线电压波形，除负载投切出现波动外，直流电压能够稳定在20kV。

图4(b)为LCC电流指令值波形，在t＝4s时，LCC触发电流指令值更新，电流指令值以30A/s的速率线性增加至420A以保持LCC与MMC所承担负载功率比值为7:3；同理，在t＝8.5s突加负载切除后，LCC指令电流值保持420A不变，切除负载功率由MMC承担。在t＝10s时，LCC触发电流指令值更新，电流指令值以30A/s的速率线性减小至350A以保持LCC与MMC所承担负载功率比值为7:3。

图4(c)为LCC输出电流波形。

图4(d)为LCC触发角变化波形，在电流指令值调整过程中，LCC均能够及时地调整自身触发角，使其输出电流能够跟踪其电流指令值，且在整个运行过程中LCC触发角始终保持在5-20°的合理区间。在设计的控制策略下稳定运行。

图5为LCC投入时的控制策略的仿真波形，系统运行初始未接负载，LCC未投入运行。为模拟负载功率逐渐增大，自2.5s开始每秒投入1MW负载，最终等效负载为10MW。

其中图5(a)为直流母线电压波形，除负载投切出现波动外，直流电压能够稳定在20kV。图5(b)为LCC电流指令值波形，随着负载功率的增大，LCC能在在t＝6s时解锁投入，电流指令值线性增加至350A以保持LCC与MMC输出功率比为7:3。

图5(c)为LCC输出电流波形，图5(d)为LCC触发角变化波形，在t＝6s时LCC解锁触发脉冲投入运行，触发角迅速降至40°以下，同时，LCC输出电流跟随电流指令值线性增加，最终电流稳定在350A，整个投入过程直流母线电压波动很小，实现了LCC的平滑投入，验证了LCC投入控制策略的可行性。

图6为LCC切除时的控制策略仿真波形，系统初始运行时LCC投入运行，等效负载为10MW，为模拟负载功率逐渐减小，自4.5s开始每秒切除负载功率1MW，最终负载功率为1MW。

其中图6(a)为直流母线电压波形，除负载投切出现波动外，直流电压能够稳定在20kV。

图6(b)为LCC电流指令值波形，随着负载的减小，LCC在t＝6s时触发进入切除程序，首先LCC电流指令值线性减小至0。

图6(c)为LCC输出电流波形。

图6(d)为LCC触发角变化波形，在t＝6s时LCC输出电流跟随指令值线性减小，当输出电流接近于零时触发角迅速移至150°，同时封锁LCC触发脉冲，整个切除过程直流母线电压波动很小，实现了LCC的平滑切除，验证了LCC切除控制策略的可行性。

根据流配电网中LCC与MMC的稳态运行协调控制策略仿真波形可知，本发明提出的直流配电网中LCC与MMC稳态运行的协调控制策略，能利用LCC代替MMC承担部分传输功率，达到了控制的目的和预期的效果，验证了所提配电网中LCC与MMC的稳态运行协调控制策略的有效性和可行性。

本发明提出的直流配电网中LCC与MMC稳态运行的协调控制策略，能利用LCC代替MMC承担部分传输功率，降低直流配电网中MMC装置的数量及容量。

直流配电网中LCC与MMC稳态运行的协调控制策略采用LCC与MMC并联运行的方式，LCC与MMC直流侧连接于同一条直流母线，同时为直流配电网供电。并结合LCC与MMC的特点，设计了直流配电网中LCC与MMC的功率分配比、容量配比以及LCC投入与退出运行的状态切换逻辑条件。

由于与MMC相比，LCC具有容量大、设备成本低、运行损耗小等优势，该协调控制策略将LCC引入到直流配电网，代替MMC承担部分传输功率，从而降低了直流配电网中MMC装置的数量及容量。因此，降低了直流配电网设备的造价与维护成本。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。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。

Claims (7)

1.一种适用于直流配电网的LCC与MMC协调控制策略，其特征在于，所述控制策略采用LCC与MMC并联运行的方式，LCC与MMC直流侧连接于同一条直流母线，同时为直流配电网供电；

当传输功率较小及功率反向流动时，LCC退出运行，MMC承担所有的传输功率；当传输功率较大时，LCC投入运行并承担大部分功率。

2.根据权利要求1所述的一种适用于直流配电网的LCC与MMC协调控制策略，其特征在于，所述LCC采用定直流电流控制或者定直流功率控制，承担整流的作用，MMC采用定直流电压控制，承担平衡直流侧功率的作用。

3.根据权利要求2所述的一种适用于直流配电网的LCC与MMC协调控制策略，其特征在于，所述MMC在系统正常运行期间始终投入运行。

4.根据权利要求3所述的一种适用于直流配电网的LCC与MMC协调控制策略，其特征在于，当β_load≤β₀，或β_lcc≤β_L时，LCC退出运行；

所述MMC容量取值满足S_MMC＞(S_LCC+S_MMC)β₀，其中，S_MMC、S_LCC分别为MMC、LCC的额定直流容量，β_load、β_lcc分别为直流母线、LCC的负载率，β₀与β_L分别为LCC退出运行时，直流母线负载率的临界值和LCC负载率的临界值。

5.根据权利要求4所述的一种适用于直流配电网的LCC与MMC协调控制策略，其特征在于，当由交流电网流向直流配电网的传榆功率P_load较大时，LCC投入运行并承担较大的传输功率；当P_load由大逐渐减小时，LCC同步地减小传输功率；

当所述LCC开始退出运行时系统应满足：

P_LCC＝S_LCC*β_L，

P_MMC＝P_load-P_LCC＝S_LCC*(β₀-β_L)+S_MMC*β₀，

其中，P_LCC、P_MMC分别表示LCC、MMC的传输功率；

此时，所述LCC与MMC的负荷分配比例为：

当LCC投入运行时，LCC与MMC在满载前的功率分配关系满足上式。

6.根据权利要求5所述的一种适用于直流配电网的LCC与MMC协调控制策略，其特征在于，当所述LCC恰好饱和时，也即P_LCC逐渐增大至S_LCC时，MMC承担的传输功率P_MMC＝mS_MMC，即当LCC与MMC在直流配电网并列运行时，LCC与MMC的容量应满足式：

7.根据权利要求6所述的一种适用于直流配电网的LCC与MMC协调控制策略，其特征在于，当P_load＜(S_LCC+S_MMC)β₀时，随着P_load的增大，MMC承担的传输功率也随之增大；

在LCC投入运行前P_MMC小于mS_MMC，即当P_MMC≥mS_MMC时，LCC立即投入运行，且LCC投入运行后，且LCC与MMC负荷分配满足：

当β_load≤β₀时，此时β_LCC≤β_L，LCC如未退出运行，则立即退出运行，而在β_MMC≥m时，此时

LCC如未启动，则立即启动并投入运行，以s＝0时表示LCC被切除，s＝1表示LCC启动投入，则满足：

在LCC切除后的瞬间，MMC承担了系统所有的传输功率，即：

P_MMC＝(S_LCC+S_MMC)β₀，

同时，(S_LCC+S_MMC)β₀与mS_MMC之间存在差值。

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