CN117353338B - 一种基于m3c的虚拟同步机主动支撑控制系统和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供基于M3C的虚拟同步机主动支撑控制系统和装置，包括采用虚拟同步机控制策略，对分频电网的频率和电压提供主动支撑工频网侧控制的分频网侧控制单元；采用定模块电容电压及无功功率控制策略，控制工频侧无功功率并稳定模块直流电压的工频网侧控制单元；实现各子换流器间的动态能量平衡的子换流器能量平衡控制单元；实现子换流器中各桥臂的动态能量平衡的子换流器中桥臂间能量平衡控制单元；利用网侧外环控制、子换流器能量平衡控制和子换流器中桥臂间能量平衡控制中产生的电流基准值控制实际桥臂电流的桥臂电流控制单元。本发明构建了子换流器间和子换流器的桥臂间的均压控制体系，实现M3C换流器及整个系统的安全稳定运行。
Description
技术领域
本发明属于低频输电技术领域，具体涉及一种基于M3C的虚拟同步机主动支撑控制系统和装置。
背景技术
目前海上风电并网主要有三种技术：高压交流输电(high voltage alternatingcurrent，HVAC)、高压直流输电(high voltage direct current，HVDC)以及分频输电(fractional frequency transmission system，FFTS)技术。分频输电方式又称为低频输电方式，最早是由西安交通大学电气工程学院王锡凡教授于1994年针对水电开发提出的一种新型输电方式。FFTS在不提高电压等级的前提下通过降低输电频率（例如从50Hz降低到50/3Hz），以减少交流输电线路的电气距离，从而达到提高输电线路的输送功率能力，减少输电回路数和出线走廊的目的。分频输电特别适用于远距离、大容量输送电能，也为海上风电并网提供了新的选择。分频输电兼备传统交流输电方式和直流输电方式的优点，通过降频提高电缆载流量并减轻了线路中的容性电流，大大提升了传输容量与传输距离，而陆基变频站相较直流输电所需的海上变频站而言，制造和维护成本都大幅降低。同时，分频开关类似于交流输电开关，所以分频输电系统比直流输电系统更容易形成多端。
模块化多电平矩阵换流器作为一种直接型频率变换器，具有输出波形质量高、开关频率低、可拓展性强等优势，成为分频输电系统当中最为关键的设备之一，作为连接分频网络和工频网络的端口，模块化多电平矩阵换流器控制策略的制定对于实现分频输电系统的稳定运行具有十分重要的作用。
与传统背靠背MMC技术方案比较，模块化多电平矩阵换流器的单个换流阀和模块电容的容量较小，换流阀和储能总容量也更小，模块化多电平矩阵换流器方案的电路冗余度较高，唯一满足“n-1”法则，可以实现不停电检修方案，可靠性高，是分频输电系统变频装置的最佳技术方案。目前针对M3C的数学建模与控制设计已形成了系统性的研究成果。
现有的模块化多电平换流器稳态运行下的经典控制方法主要有基于双Clark变换来实现差模分量和共模分量分离的控制方法，其中基于双Clark变换的方法在子换流器及桥臂间均压控制方面运用了经过了大量的数学推导，以控制子换流器间的功率流动来达到均压的目的，其控制过程原理和实现过程较为复杂，采用了大量的坐标变换，计算量十分巨大；在控制方面其采用了高增益比例控制器和比例谐振控制器，控制的高增益会给换流器的输出特性乃至于控制系统的鲁棒性带来不利影响，尤其是在电压调制比较高的场合，很容易造成过调制而导致输出电能质量下降。目前针对模块化多电平矩阵换流器的数学建模与控制设计已形成了系统性的研究成果，但现有控制方法原理上较为复杂且计算量大，运用了大量的坐标变换与反变换，且高增益比例控制器会给系统的鲁棒性造成较大的影响。此外，由于M3C的分频侧电网由电力电子设备主导，对系统频率和电压的稳定提出了挑战。因此，亟需一种能够控制原理简单，计算量小且具备灵活主动支撑能力的M3C换流器的控制方法。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在解决现有控制方法原理上较为复杂且计算量大，运用了大量的坐标变换与反变换，且高增益比例控制器会给系统的鲁棒性造成较大的影响的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种基于M3C的虚拟同步机主动支撑控制系统，包括：
分频网侧控制单元，用于采用虚拟同步机控制策略，对分频电网的频率和电压提供主动支撑工频网侧控制；
工频网侧控制单元，用于采用定模块电容电压及无功功率控制策略，控制工频侧无功功率并稳定模块直流电压；
子换流器能量平衡控制单元，用于实现各子换流器间的动态能量平衡；
子换流器中桥臂间能量平衡控制单元，用于实现子换流器中各桥臂的动态能量平衡；
桥臂电流控制单元，利用网侧外环控制、子换流器能量平衡控制和子换流器中桥臂间能量平衡控制中产生的电流基准值控制实际桥臂电流。
进一步的，在分频网侧控制单元中， M3C分频侧频率和电压的控制方程，具体如下：
；
；
式中，P 0 和Q 0 分别为有功功率和无功功率的设定值，P和Q分别为有功功率和无功功率的实际值，J和D分别为虚拟惯量和虚拟阻尼，为分频侧频率的标幺值，K q 和D q 为电压无功控制的下垂参数，U 0 和U为分频侧电压幅值的设定值和实际值，t为时间，d为微分算子。
进一步的，在子换流器能量平衡控制单元中，能量平衡的控制方程，具体如下：
；
；
式中，为子换流器a中三个桥臂中电容电压的电压和，/>为桥臂ax，x= u, v, w中电容电压的和，/>为子换流器a上关于M3C子换流器能量平衡的电流参考值的d轴分量，/>为子换流器a中电容电压之和的参考值，/>和/>分别为M3C子换流器能量平衡控制的比例和积分参数，s为拉普拉斯算子，a为子换流器的序号。
进一步的，在子换流器中桥臂间能量平衡控制单元中，能量平衡的控制方程，具体如下：
；
；
；
；
式中，为子换流器a中三个桥臂中电容电压的平均电压，/>为子换流器a的桥臂ax上关于子换流器内部各桥臂能量平衡的环流电流的幅值，/>为环流电流的瞬时值，/>和/>分别为M3C子换流器桥臂间电容电压平衡控制的比例和积分参数，/>表示工频侧频率，t为时间。
进一步的，在桥臂电流控制单元中，桥臂电流的输出分量，具体如下：
；
；
其中，和/>分别为输出电流的d轴和q轴分量，/>为直流电压给定值，/>为输出无功给定值，/>为输出电压的d轴分量，/>和/>分别为桥臂电流控制单元控制器的比例值和积分值。
进一步的，桥臂电流的输出电流参考值，具体如下：
；
式中，、/>和/>分别为为桥臂au，桥臂av和桥臂aw上的输出电流参考值，和/>分别为输出电流的d轴和q轴参考值，/>为派克变换矩阵，如下：
。
进一步的，用于PWM调制的电压参考值，具体如下：
；
式中，为桥臂ax用于PWM调制的电压参考值，/>为桥臂ax的输入电流参考值，/>为桥臂ax的输出电流参考值，/>为桥臂ax的环流电流参考值，/>和/>分别为桥臂ax电压控制器的比例值和积分值，/>为桥臂ax中电流的实际值，/>和/>分别为分频侧x相和工频侧a相电压值。
第二方面，本发明提供了一种基于M3C的虚拟同步机主动支撑控制装置，包括：
分频网侧控制模块，用于采用虚拟同步机控制策略，对分频电网的频率和电压提供主动支撑工频网侧控制；
工频网侧控制模块，用于采用定模块电容电压及无功功率控制策略，控制工频侧无功功率并稳定模块直流电压；
子换流器能量平衡控制模块，用于实现各子换流器间的动态能量平衡；
子换流器中桥臂间能量平衡控制模块，用于实现子换流器中各桥臂的动态能量平衡；
桥臂电流控制模块，利用网侧外环控制、子换流器能量平衡控制和子换流器中桥臂间能量平衡控制中产生的电流基准值控制实际桥臂电流。
进一步的，在分频网侧控制模块中， M3C分频侧频率和电压的控制方程，具体如下：
；
；
式中，P 0 和Q 0 分别为有功功率和无功功率的设定值，P和Q分别为有功功率和无功功率的实际值，J和D分别为虚拟惯量和虚拟阻尼，为分频侧频率的标幺值，K q 和D q 为电压无功控制的下垂参数，U 0 和U为分频侧电压幅值的设定值和实际值，t为时间，d为微分算子。
进一步的，在子换流器能量平衡控制模块中，能量平衡的控制方程，具体如下：
；
；
式中，为子换流器a中三个桥臂中电容电压的电压和，/>为桥臂ax，x= u, v, w中电容电压的和，/>为子换流器a上关于M3C子换流器能量平衡的电流参考值的d轴分量，/>为子换流器a中电容电压之和的参考值，/>和/>分别为M3C子换流器能量平衡控制的比例和积分参数，s为拉普拉斯算子，a为子换流器的序号。
综上，本发明提供了一种基于M3C的虚拟同步机主动支撑控制系统和装置，包括用于采用虚拟同步机控制策略，对分频电网的频率和电压提供主动支撑工频网侧控制的分频网侧控制单元；用于采用定模块电容电压及无功功率控制策略，控制工频侧无功功率并稳定模块直流电压的工频网侧控制单元；用于实现各子换流器间的动态能量平衡的子换流器能量平衡控制单元；用于实现子换流器中各桥臂的动态能量平衡的子换流器中桥臂间能量平衡控制单元；利用网侧外环控制、子换流器能量平衡控制和子换流器中桥臂间能量平衡控制中产生的电流基准值控制实际桥臂电流的桥臂电流控制单元。本发明构建了子换流器间和子换流器的桥臂间的均压控制体系，实现M3C换流器及整个系统的安全稳定运行。
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它的附图。
图1为本发明实施例提供的M3C换流器通过九个桥臂联结工频电网和分频电网的结构图；
图2为本发明实施例提供的基于M3C的虚拟同步机主动支撑控制控制示意图。
具体实施方式
为使得本发明的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，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，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
本发明实施例提供一种基于M3C的虚拟同步机主动支撑控制系统及装置，包括：
分频网侧控制单元，采用虚拟同步机控制策略，对分频电网的频率和电压提供主动支撑工频网侧控制；
工频网侧控制单元，采用定模块电容电压及无功功率控制策略，控制工频侧无功功率并稳定模块直流电压；
子换流器能量平衡控制单元，实现各子换流器间的动态能量平衡；
子换流器中桥臂间能量平衡控制单元，实现子换流器中各桥臂的动态能量平衡；
桥臂电流控制单元，利用网侧外环控制、子换流器能量平衡控制和子换流器中桥臂间能量平衡控制中产生的电流基准值控制实际桥臂电流。基于M3C换流器的分频网侧控制、工频网侧控制、子换流器能量平衡控制及子换流器中桥臂间能量平衡控制和M3C换流器的桥臂电流控制，构建子换流器间和子换流器的桥臂间的均压控制体系，实现M3C换流器及整个系统的安全稳定运行。
参见图1，M3C换流器通过九个桥臂联结工频电网和分频电网，本发明在M3C的分频侧引入了虚拟同步机控制，实现M3C对分频电网频率和电压的主动支撑能力。从工频侧看，M3C可分为子换流器a、子换流器b和子换流器c，类似的，从分频侧看，M3C可分为子换流器u、子换流器v和子换流器w。
在本发明的一个实施例中，参见图2，本发明公布的一种基于M3C的虚拟同步机主动支撑控制系统中，其中，M3C换流器的分频网侧控制采用虚拟同步机控制策略，通过模拟同步发电机有功/频率和无功/电压动态特性输出分频侧频率及电压；工频网侧控制采用直流电压/无功控制，为系统控制提供工频输出电流参考值；子换流器能量平衡控制用于平衡各子换流器间能量，避免子换流器过压，为系统控制提供输入电流参考值；子换流器桥臂能量平衡控制用于平衡各桥臂间能量，避免桥臂过压，为系统控制提供环流电流参考值；最后，输入电流、输出电流与环流电流参考值累加，形成桥臂实际电流参考值，并通过电流内环控制和PWM调制产生各子模块的控制逻辑。
具体为： M3C分频侧频率和电压控制分别采用如式（1）和式（2）所示的控制方程
（1）
（2）
式中，P 0 和Q 0 分别为有功功率和无功功率的设定值，P和Q分别为有功功率和无功功率的实际值，J和D分别为虚拟惯量和虚拟阻尼，为分频侧频率的标幺值，K q 和D q 为电压无功控制的下垂参数，U 0 和U为分频侧电压幅值的设定值和实际值，t为时间，d为微分算子。
在本发明的一个实施例中，对于M3C换流器的工频网侧控制，采用定模块电容电压及无功功率控制策略，稳定M3C换流器的虚拟直流电压，控制工频侧无功功率。
在本发明的一个实施例中，M3C换流器的子换流器能量平衡控制，以子换流器a为例，具体如式（3）和式（4）所示：
（3）
（4）
式中，为子换流器a中三个桥臂中电容电压的电压和，/>为桥臂ax，x= u, v, w中电容电压的和，/>为子换流器a上关于M3C子换流器能量平衡的电流参考值的d轴分量，/>为子换流器a中电容电压之和的参考值，/>和/>分别为M3C子换流器能量平衡控制的比例和积分参数，s为拉普拉斯算子。派克变化矩阵可写为：
（5）
令，则可得出在abc坐标下的输入电流参考值为：
（6）
M3C换流器子换流器中桥臂间能量平衡控制，以子换流器a为例，具体如式（7）—式（10）所示：
（7）
（8）
（9）
（10）
式中，为子换流器a中三个桥臂中电容电压的平均电压，/>为子换流器a的桥臂ax上关于子换流器内部各桥臂能量平衡的环流电流的幅值，/>为上述环流电流的瞬时值，/>和/>分别为M3C子换流器桥臂间电容电压平衡控制的比例和积分参数，s为拉普拉斯算子。需要强调的是，式（10）中/>的计算方法可以保证输出侧的环流分量不流入输入侧，避免影响M3C网侧控制目标。
M3C换流器的桥臂电流控制，以子换流器a为例，具体为桥臂电流的参考值由输入分量、输出分量和环流分量三部分构成，环流分量和输入分量分别见式（8）-式（10）和式（4）、式（6），输出分量由式（11）和式（12）决定。
（11）
（12）
式中和/>分别为输出电流的d轴和q轴分量，/>为直流电压给定值，/>和分别为桥臂输出电流控制器的比例值和积分值，/>为输出无功给定值，/>为输出电压的d轴分量，s为拉普拉斯算子。故在abc坐标下的输出电流参考值为
（13）
式中，、/>和/>分别为为桥臂au，桥臂av和桥臂aw上的输出电流参考值，和/>分别为输出电流的d轴和q轴参考值，/>为派克变换矩阵。
最终用于PWM调制的电压参考值由式（14）生成
（14）
式中，为桥臂ax用于PWM调制的电压参考值，/>为桥臂ax的输入电流参考值，/>为桥臂ax的输出电流参考值，/>为桥臂ax的环流电流参考值，/>和/>分别为桥臂ax电压控制器的比例值和积分值，/>为桥臂ax中电流的实际值，/>和/>分别为分频侧x相和工频侧a相电压值。
本发明的M3C虚拟同步机主动支撑控制系统，基于M3C换流器的分频网侧控制、工频网侧控制、子换流器能量平衡控制及子换流器中桥臂间能量平衡控制和M3C换流器的桥臂电流控制，构建子换流器间和子换流器的桥臂间的均压控制体系，实现M3C换流器及整个系统的安全稳定运行。
以上是对本发明的一种基于M3C的虚拟同步机主动支撑控制系统的实施例进行的详细介绍，以下将对本发明的一种基于M3C的虚拟同步机主动支撑控制装置的实施例进行详细的介绍。
基于同样的发明构思，本申请实施例还提供了一种用于实现上述所涉及的基于M3C的虚拟同步机主动支撑控制系统的基于M3C的虚拟同步机主动支撑控制装置。该装置所提供的解决问题的实现方案与上述方法中所记载的实现方案相似，故下面所提供的一个或多个基于M3C的虚拟同步机主动支撑控制装置实施例中的具体限定可以参见上文中对于基于M3C的虚拟同步机主动支撑控制系统的限定，在此不再赘述。
本实施例提供了一种基于M3C的虚拟同步机主动支撑控制装置，包括：
分频网侧控制模块，用于采用虚拟同步机控制策略，对分频电网的频率和电压提供主动支撑工频网侧控制；
工频网侧控制模块，用于采用定模块电容电压及无功功率控制策略，控制工频侧无功功率并稳定模块直流电压；
子换流器能量平衡控制模块，用于实现各子换流器间的动态能量平衡；
子换流器中桥臂间能量平衡控制模块，用于实现子换流器中各桥臂的动态能量平衡；
桥臂电流控制模块，利用网侧外环控制、子换流器能量平衡控制和子换流器中桥臂间能量平衡控制中产生的电流基准值控制实际桥臂电流。
进一步的，在分频网侧控制模块中， M3C分频侧频率和电压的控制方程，具体如下：
；
；
式中，P 0 和Q 0 分别为有功功率和无功功率的设定值，P和Q分别为有功功率和无功功率的实际值，J和D分别为虚拟惯量和虚拟阻尼，为分频侧频率的标幺值，K q 和D q 为电压无功控制的下垂参数，U 0 和U为分频侧电压幅值的设定值和实际值，t为时间，d为微分算子。
进一步的，在子换流器能量平衡控制模块中，能量平衡的控制方程，具体如下：
；
；
式中，为子换流器a中三个桥臂中电容电压的电压和，/>为桥臂ax，x= u, v, w中电容电压的和，/>为子换流器a上关于M3C子换流器能量平衡的电流参考值的d轴分量，/>为子换流器a中电容电压之和的参考值，/>和/>分别为M3C子换流器能量平衡控制的比例和积分参数，s为拉普拉斯算子，a为子换流器的序号，其它子换流器的控制参照子换流器a进行。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (8)
1.一种基于M3C的虚拟同步机主动支撑控制系统，其特征在于，包括：
分频网侧控制单元，用于采用虚拟同步机控制策略，对分频电网的频率和电压提供主动支撑工频网侧控制；
工频网侧控制单元，用于采用定模块电容电压及无功功率控制策略，控制工频侧无功功率并稳定模块直流电压；
子换流器能量平衡控制单元，用于实现各子换流器间的动态能量平衡；
子换流器中桥臂间能量平衡控制单元，用于实现子换流器中各桥臂的动态能量平衡；
桥臂电流控制单元，利用网侧外环控制、子换流器能量平衡控制和子换流器中桥臂间能量平衡控制中产生的电流基准值控制实际桥臂电流；
在所述分频网侧控制单元中， M3C分频侧频率和电压的控制方程，具体如下：
；
；
式中，P 0 和Q 0 分别为有功功率和无功功率的设定值，P和Q分别为有功功率和无功功率的实际值，J和D分别为虚拟惯量和虚拟阻尼，为分频侧频率的标幺值，K q 和D q 为电压无功控制的下垂参数，U 0 和U为分频侧电压幅值的设定值和实际值，t为时间，d为微分算子。
2.根据权利要求1所述的基于M3C的虚拟同步机主动支撑控制系统，其特征在于，在所述子换流器能量平衡控制单元中，能量平衡的控制方程，具体如下：
；
；
式中，为子换流器a中三个桥臂中电容电压的电压和，/>为子换流器a上关于M3C子换流器能量平衡的电流参考值的d轴分量，/>为子换流器a中电容电压之和的参考值，/>和/>分别为M3C子换流器能量平衡控制的比例和积分参数，s为拉普拉斯算子，a为子换流器的序号。
3.根据权利要求2所述的基于M3C的虚拟同步机主动支撑控制系统，其特征在于，在所述子换流器中桥臂间能量平衡控制单元中，能量平衡的控制方程，具体如下：
；
；
；
；
式中，为子换流器a中三个桥臂中电容电压的平均电压，/>为子换流器a的桥臂ax上关于子换流器内部各桥臂能量平衡的环流电流的幅值，/>为环流电流的瞬时值，和/>分别为M3C子换流器桥臂间电容电压平衡控制的比例和积分参数，/>表示工频侧频率，t为时间。
4.根据权利要求3所述的基于M3C的虚拟同步机主动支撑控制系统，其特征在于，在所述桥臂电流控制单元中，桥臂电流的输出分量，具体如下：
；
；
其中，和/>分别为输出电流的d轴和q轴分量，/>为直流电压给定值，/>为输出无功给定值，/>为输出电压的d轴分量，/>和/>分别为桥臂电流控制单元控制器的比例值和积分值。
5.根据权利要求4所述的基于M3C的虚拟同步机主动支撑控制系统，其特征在于，所述桥臂电流的输出电流参考值，具体如下：
；
式中，、/>和/>分别为为桥臂au，桥臂av和桥臂aw上的输出电流参考值，/>和分别为输出电流的d轴和q轴参考值，/>为派克变换矩阵，如下：
。
6.根据权利要求5所述的基于M3C的虚拟同步机主动支撑控制系统，其特征在于，用于PWM调制的电压参考值，具体如下：
；
式中，为桥臂ax用于PWM调制的电压参考值，/>为桥臂ax的输入电流参考值，为桥臂ax的输出电流参考值，/>为桥臂ax的环流电流参考值，/>和/>分别为桥臂ax电压控制器的比例值和积分值，/>为桥臂ax中电流的实际值，/>和/>分别为分频侧x相和工频侧a相电压值。
7.一种基于M3C的虚拟同步机主动支撑控制装置，其特征在于，包括：
分频网侧控制模块，用于采用虚拟同步机控制策略，对分频电网的频率和电压提供主动支撑工频网侧控制；
工频网侧控制模块，用于采用定模块电容电压及无功功率控制策略，控制工频侧无功功率并稳定模块直流电压；
子换流器能量平衡控制模块，用于实现各子换流器间的动态能量平衡；
子换流器中桥臂间能量平衡控制模块，用于实现子换流器中各桥臂的动态能量平衡；
桥臂电流控制模块，利用网侧外环控制、子换流器能量平衡控制和子换流器中桥臂间能量平衡控制中产生的电流基准值控制实际桥臂电流；
在所述分频网侧控制模块中， M3C分频侧频率和电压的控制方程，具体如下：
；
；
式中，P 0 和Q 0 分别为有功功率和无功功率的设定值，P和Q分别为有功功率和无功功率的实际值，J和D分别为虚拟惯量和虚拟阻尼，为分频侧频率的标幺值，K q 和D q 为电压无功控制的下垂参数，U 0 和U为分频侧电压幅值的设定值和实际值，t为时间，d为微分算子。
8.根据权利要求7所述的基于M3C的虚拟同步机主动支撑控制装置，其特征在于，在所述子换流器能量平衡控制模块中，能量平衡的控制方程，具体如下：
；
；
式中，为子换流器a中三个桥臂中电容电压的电压和，/>为子换流器a上关于M3C子换流器能量平衡的电流参考值的d轴分量，/>为子换流器a中电容电压之和的参考值，/>和/>分别为M3C子换流器能量平衡控制的比例和积分参数，s为拉普拉斯算子，a为子换流器的序号。
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