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CN108471226A - 新型模块化多电平换流器能量协同控制方法及装置 - Google Patents

新型模块化多电平换流器能量协同控制方法及装置 Download PDF

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CN108471226A
CN108471226A CN201810303990.4A CN201810303990A CN108471226A CN 108471226 A CN108471226 A CN 108471226A CN 201810303990 A CN201810303990 A CN 201810303990A CN 108471226 A CN108471226 A CN 108471226A
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cooperative control
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夏向阳
赵昕昕
曾菏清
蔡洁
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Xiangneng Chutian Power Technology Co ltd
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Changsha University of Science and Technology
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Abstract

本发明提供了一种新型模块化多电平换流器能量协同控制方法及装置，包括步骤S1：桥臂能量计算环节，通过桥臂子模块电容电压和求出换流器总能量及各桥臂能量差；步骤S2：桥臂功率交换计算环节，利用PI控制器控制换流器总能量到达额定值及各桥臂能量均衡得到桥臂功率交换参考；步骤S3：附加电流计算环节，利用得到的功率交换参考推导求出各桥臂附加电流参考值；步骤S4：桥臂电流协同控制环节，实现对交流侧三相电流及换流器内部能量的协同控制。本发明能够确保模块化多电平换流器在正常工作下及交流侧故障下的稳定运行，通过所提出的提出附加控制回路控制各桥臂电流中的环流分量，维持换流器内部的能量平衡。

Description

新型模块化多电平换流器能量协同控制方法及装置
技术领域
本发明专利涉及一种新型模块化多电平换流器能量协同控制方法及装置，属于电力技术领域。
背景技术
随着大规模风电、光伏接入电网，城市用电负荷与日俱增，基于模快化多电平换流器(MMC)的柔性直流输电系统作为一种先进输电技术，在规模化可在生能源接入、大电网互联、大城市供电和小型孤立负荷供电等方面得到了广泛的关注和应用。基于MMC的柔性直流输电与传统高压直流输电相比具有许多优点，譬如不需要无功功率补偿、可独立控制有功和无功功率、谐波水平低等。MMC 正常运行下输出电压稳定且子模块开关频率降低，使得开关损耗减少，但其发生故障时内部运行机理和规律难以分析，换流器内部能量流动无法实现很好的控制。因此如何实现交流侧故障穿越调控与换流器能量协同控制，提高输电系统的故障保护能力等问题仍需面对与解决。
发明内容
为实现模快化多电平换流器交流侧故障穿越调控与换流器能量协同控制，本发明提供了一种新型模块化多电平换流器能量协同控制方法及装置，能够确保模块化多电平换流器在正常工作下及交流侧故障下的稳定运行的同时，通过所提出的提出附加控制回路控制各桥臂电流中的环流分量，维持换流器内部各桥臂间的能量平衡。
本发明提供了一种新型模块化多电平换流器能量协同控制方法方法，包括：
步骤S1：桥臂能量计算环节，通过桥臂子模块电容电压和求出换流器总能量及各桥臂能量差；
步骤S2：桥臂功率交换计算环节，以步骤S1所得到的换流器总能量及各桥臂能量差利用PI控制器控制使其总能量达到额定值及各桥臂能量均衡为目标，得到桥臂功率交换参考；
步骤S3：附加电流计算环节，利用步骤S2所得到的桥臂功率交换参考通过公式推导求出各桥臂附加电流参考值；
步骤S4：桥臂电流协同控制环节，通过步骤S3得到的附加电流参考与交流侧三相电流参考叠加得到各桥臂电流参考值，然后通过所述的桥臂电流控制器实现对交流侧三相电流及换流器内部能量的协同控制。
所述的桥臂能量计算环节，通过所测得的各桥臂电容电压和计算出换流器内部总能量及各桥臂能量差。
各能量变量之间的关系如下所示
式中，Eku、Ekl分别为换流器k相上桥臂和下桥臂的能量，vku_cap、vkl_cap为各相上桥臂和下桥臂子模块电容电压和，Cm、N为子模块电容和换流器各桥臂子模块数量。
换流器内部总能量及各桥臂间能量差(以A相为基准)，可分别由下表示
Esum＝∑Eku+∑Ekl
Ea→b＝(Eau+Eal)-(Ebu+Ebl)
Ea→c＝(Eau+Eal)-(Ecu+Ecl)
Eku-l＝Eku-Ekl
其中，Esum、Ea→b、Ea→c、Eku-l分别为换流器内部总能量、a相与b相的能量差、a相与c相的能量差、各相上下桥臂的能量差。
所述的桥臂功率交换计算环节，采用PI控制器控制换流器与直流电网间的功率交换及换流器内部各桥臂间的功率交换实现换流器总能量追踪其额定值及 MMC内部各桥臂能量的均衡，得到功率交换参考值Psum_ref、Pa-b_ref、Pa-c_ref、 Pku-l_ref，如图3，图中Ea→b_ref、Ea→c_ref、Eku-l_ref为各能量差参考值，为实现各桥臂能量均衡，参考值均设为0，Esum_ref为换流器内部能量额定值，如下
式中，vm为子模块的额定工作电压。
所述的附加电流计算环节，通过对得到的功率交换参考值Psum_ref、Pa-b_ref、Pa-c_ref、Pku-l_ref分别进行相应的变换求出附加电流参考。
各桥臂的附加电流包含直流分量和交流分量。
直流分量通过直流线路构成回路，是直流输电的工作电流。该分量控制换流器与直流侧及各桥臂间的功率交换，两者间的关系如式所示
式中，iα_add_dc_ref、iβ_add_dc_ref、i0_add_dc_ref经Clark反变换得到三相附加电流直流分量参考ik_add_dc_ref。
交流分量可分解为正序、负序及零序，零序分量参考值需设置为零，以防止交流电流流入直流侧，构成纹波。正序和负序分量则完全在三相桥臂间流动，既不流入交流电网，也不流入直流线路，但其会导致换流器上下桥臂电压及功率的不平衡，通过控制ik_add_ac实现MMC各相上下桥臂间的功率交换，关系如下
其中，由交流侧三相电压根据根据对称分量法求得，为交流电网电压正序分量和负序分量的相位差，α为的相位差。
P1、P2、P3则由换流器各相上下桥臂间的功率交换值经下列各式获得
式中，为换流器各相上下桥臂间的功率交换值，其中，k＝a，b，c。
MMC各相附加电流参考由其直流分量及交流分量叠加得到，如式所示
ik_add_ref＝ik_add_dc_ref+ik_add_ac_ref
所述的桥臂电流协同控制环节，各桥臂电流由交流侧电流及附加电流组成，则各桥臂电流参考值iku_ref、ikl_ref可用图2中有功无功控制所求出的交流三相电流参考和附加电流参考ik_add_ref表示，如下式所示，具体控制流程见图4，图4中控制流程将k相桥臂电流追踪其参考值得到的初始信号dku_f、dkl_f与k相静态占空比Dku、Dkl叠加得到最终控制信号dku、dkl。同时为提高直流电压的利用率，人为叠加了一个零序电压信号v0。
本发明还提供了一种基于桥臂电流控制器的MMC能量协同控制装置，如图 6，包括：
桥臂能量计算模块，用于根据桥臂子模块电容电压和根据能量计算公式得到换流器总能量及各桥臂能量差；
功率交换计算模块，用于以控制换流器内部总能量达到额定值及其各桥臂能量均衡为目标得到桥臂功率交换参考；
附加电流计算模块，用于利用得到的桥臂功率交换参考值通过对应的公式推导求出各桥臂附加电流参考值；
协同控制模块，用于通过将附加电流参考与交流侧三相电流参考叠加得到各桥臂电流参考值，然后通过所述的桥臂电流控制器实现对交流侧三相电流及换流器内部能量的协同控制；
进一步的，桥臂能量计算模块将所述的各桥臂电容电压和作为输入参数得到所述的换流器内部总能量及各桥臂能量差：
式中，Eku、Ekl分别为换流器k相上桥臂和下桥臂的能量，vku_cap、vkl_cap为各相上桥臂和下桥臂子模块电容电压和，Cm、N为子模块电容和换流器各桥臂子模块数量。
换流器内部总能量及各桥臂间能量差(以A相为基准)，可分别由下表示
Esum＝∑Eku+∑Ekl
Ea→b＝(Eau+Eal)-(Ebu+Ebl)
Ea→c＝(Eau+Eal)-(Ecu+Ecl)
Eku-l＝Eku-Ekl
其中，Esum、Ea→b、Ea→c、Eku-l分别为换流器内部总能量、a相与b相的能量差、a相与c相的能量差、各相上下桥臂的能量差。
进一步的，功率交换计算模块所采用的所述功率交换计算参考如下：
采用PI控制器控制换流器与直流电网间的功率交换及换流器内部各桥臂间的功率交换，得到功率交换参考值Psum_ref、Pa-b_ref、Pa-c_ref、Pku-l_ref，如图3，图中Ea→b_ref、Ea→c_ref、Eku-l_ref为各能量差参考值，为实现各桥臂能量均衡，参考值均设为0，Esum_ref为换流器内部能量额定值，如下
式中，vm为子模块的额定工作电压。
进一步的，附加电流计算模块所采用的所述功率交换参考计算公式如下：
各桥臂的附加电流包含直流分量和交流分量。
直流分量控制换流器与直流侧及各桥臂间的功率交换，两者间的关系如式所示
式中，iα_add_dc_ref、iβ_add_dc_ref、i0_add_dc_ref经Clark反变换得到三相附加电流直流分量参考ik_add_dc_ref。
交流分量可分解为正序、负序及零序，零序分量参考值需设置为零，以防止交流电流流入直流侧，构成纹波。正序和负序分量则完全在三相桥臂间流动，既不流入交流电网，也不流入直流线路，通过控制ik_add_ac实现MMC各相上下桥臂间的功率交换，关系如下
其中，由交流侧三相电压根据根据对称分量法求得，为交流电网电压正序分量和负序分量的相位差，α为的相位差。
P1、P2、P3则由换流器各相上下桥臂间的功率交换值经下列各式获得
式中，为换流器各相上下桥臂间的功率交换值，其中，k＝a，b，c。
MMC各相附加电流参考由其直流分量及交流分量叠加得到，如下式所示
ik_add_ref＝ik_add_dc_ref+ik_add_ac_ref
进一步的，协同控制模块所采用的所述桥臂电流协同控制方法如下：
将各桥臂电流参考值iku_ref、ikl_ref可用图1中有功无功控制所求出的交流三相电流参考和附加电流参考ik_add_ref表示，如下式所示，具体控制流程见图 4，图4中控制流程将k相桥臂电流追踪其参考值得到的初始信号dku_f、dkl_f与k 相静态占空比Dku、Dkl叠加得到最终控制信号dku、dkl。同时为提高直流电压的利用率，人为叠加了一个零序电压信号v0。
有益效果
本发明分析了MMC桥臂电流各分量对换流器的影响，为实现换流器内部各桥臂间能量的均衡，提供了一种基于桥臂电流控制的模块化多电平换流器能量协同控制方法及装置，能够保证MMC在稳态及暂态过程中的稳定运行。采用直接桥臂电流反馈控制，一方面控制交流侧三相电流对称；另一方面对换流器内部环流各分量进行控制，使得换流器能量达到其额定值，同时维持换流器内部各桥臂间的能量均衡。
附图说明
图1是本发明提供的模块化多电平换流器能量协同控制流程图；
图2是本发明提供的模块化多电平换流器能量协同整体控制示意图；
图3是本发明提供的能量控制器示意图；
图4是本发明提供的桥臂电流协同控制示意图；
图5是本发明采用的所述模块化多电平换流器能量协同控制方法的仿真效果图，(a)为交流侧a相电流，(b)为各相上桥臂子模块电容电压和，(c)为a 相子模块上下电压和；
图6是本发明提供的桥臂电流控制器的MMC能量协同控制装置的结构示意图。
具体实施方式
为了方便更好地理解本发明方案的内容，下面结合具体实施例对本发明方案进行进一步阐述。
图1是本发明提供的模块化多电平换流器能量协同控制流程图，提供的方法包括：步骤S1：桥臂能量计算环节，通过桥臂子模块电容电压和求出换流器总能量及各桥臂能量差；步骤S2：桥臂功率交换计算环节，利用PI控制器控制换流器总能量到达额定值及各桥臂能量均衡得到桥臂功率交换参考；步骤S3：附加电流计算环节，利用所得到的桥臂功率交换参考通过公式推导求出各桥臂附加电流参考值；步骤S4：桥臂电流协同控制环节，根据所述的桥臂电流控制器实现对交流侧三相电流及换流器内部能量的协同控制。
在本发明中，将换流器内部各桥臂电容电压作为输入参数，从而求解所述的能量协同控制器的控制参数。图2是本发明提供的模块化多电平换流器能量协同整体控制示意图，所述的能量协同控制器MMC各相附加电流参考与主控制器有功无功控制所求得的附加三相电流参考叠加得到各桥臂电流参考。图4是本发明提供的桥臂电流协同控制示意图，将桥臂电流实际值与所得到的桥臂电流参考比较，使其追踪参考值，实现交流侧三相电流对称及换流器内部能量均衡。
具体而言，本实施例建立了33电平的MMC-HVDC模型，同时针对交流侧发生概率最高且较为严重的相间短路故障进行了仿真分析，设置交流系统在t＝8s 时A相与B相之间发生短路故障，到t＝8.3s结束，持续0.3s，短路电阻设为20 欧姆，表1给出了本实施例模型的各项参数。
表1系统参数
步骤S1：桥臂能量计算环节，通过桥臂子模块电容电压和求出换流器总能量及各桥臂能量差；
步骤S2：桥臂功率交换计算环节，以步骤S1所得到的换流器总能量及各桥臂能量差利用PI控制器控制使其总能量达到额定值及各桥臂能量均衡为目标，得到桥臂功率交换参考；
步骤S3：附加电流计算环节，利用步骤S2所得到的桥臂功率交换参考通过公式推导求出各桥臂附加电流参考值；
步骤S4：桥臂电流协同控制环节，通过步骤S3得到的附加电流参考与交流侧三相电流参考叠加得到各桥臂电流参考值，然后通过所述的桥臂电流控制器实现对交流侧三相电流及换流器内部能量的协同控制。
图5给出了实施例采用所述的桥臂能量协同控制方法的结果曲线图。结果表明，系统交流侧发生相间短路故障会引起交流电流及桥臂电容电压的波动，但均能迅速恢复平衡，验证了所述方法兼具交流侧故障穿越及换流器内部能量均衡的优点。
以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种新型模块化多电平换流器能量协同控制方法及装置，其特征在于，包括：
步骤S1：桥臂能量计算环节，通过桥臂子模块电容电压和求出换流器总能量及各桥臂能量差；
步骤S2：桥臂功率交换计算环节，以步骤S1所得到的换流器总能量及各桥臂能量差利用PI控制器控制使其总能量达到额定值及各桥臂能量均衡为目标，得到桥臂功率交换参考；
步骤S3：附加电流计算环节，利用步骤S2所得到的桥臂功率交换参考通过公式推导求出各桥臂附加电流参考值；
步骤S4：桥臂电流协同控制环节，通过步骤S3得到的附加电流参考与交流侧三相电流参考叠加得到各桥臂电流参考值，然后通过所述的桥臂电流控制器实现对交流侧三相电流及换流器内部能量的协同控制。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用桥臂子模块电容电压和根据能量计算公式得到换流器总能量及各桥臂能量差。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，以控制换流器内部总能量达到额定值及其各桥臂能量均衡为目标得到桥臂功率交换参考。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，利用得到的桥臂功率交换参考值通过对应的公式推导求出各桥臂附加电流参考值。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，通过将附加电流参考与交流侧三相电流参考叠加得到各桥臂电流参考值，然后通过所述的桥臂电流控制器实现对交流侧三相电流及换流器内部能量的协同控制。
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Patentee after: Xiangneng Chutian Power Technology Co.,Ltd.

Country or region after: China

Address before: Room 626, 6 / F, entrepreneurship center, Hunan environmental protection science and Technology Industrial Park, 199 Zhenhua Road, Yuhua District, Changsha City, Hunan Province, 410000

Patentee before: Xiangneng Chutian Power Technology Co.,Ltd.

Country or region before: China