基于MMC的分布式潮流控制器的控制系统及建模方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于MMC的分布式潮流控制器的电磁暂态数学模型、控制系统及建模方法，分布式潮流控制器包括由并联侧基于MMC的三相变流器与并联侧单相变流器组成的并联侧变流器，以及由多组串联侧单相变流器构成的串联侧变流器；电磁暂态数学模型主要包括并联侧变流器模型和串联侧变流器模型；控制系统包括并联侧控制模型和串联侧控制模型，并联侧控制模型包括并联侧基于MMC的三相变流器控制模块和并联侧单相变流器控制模块，串联侧控制模型包括串联侧三次谐波控制模块和串联变流器有功功率无功功率控制模块。本发明专利技术电磁暂态数学模型采用模块化设计，降低子模块开关频率，降低损耗；控制系统适应不同电压等级，适用于柔性交流输电场合。

【技术实现步骤摘要】
基于MMC的分布式潮流控制器的电磁暂态数学模型、控制系统及建模方法
本专利技术涉及拓扑结构优化后的分布式潮流控制器(DPFC)仿真建模领域，具体涉及一种基于MMC的分布式潮流控制器的电磁暂态数学模型、控制系统及建模方法。
技术介绍
随着电力系统朝着坚强智能化大电网的方向发展，以电力电子变换器为基础的柔性交流输电技术(FlexibleACTransmissionSystem，FACTS)受到了研究人员越来越多的关注。分布式潮流控制器(distributedpowerflowcontroller,DPFC)作为一种功能强大，调节系统潮流最为灵活的FACTS装备，得到了广泛的研究。传统的DPFC采用两电平或者三电平电压源型换流器拓扑，不能满足不同电压等级的需要，这一方面增加了交流输电的成本，另一方面也增加了损耗，占地面积大，控制不灵活。模块化多电平换流器(modular-multilevel-converter，MMC)的出现，其级联多电平特性适合高压大功率的发展方向，为交流输电系统的高压、大容量应用带来新的契机。因此，进行基于MMC的分布式潮流控制器电磁暂态建模，对推进DPFC工程化应用和系统稳定运行具有十分重要的意义。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是，针对传统DPFC采用两电平或者三电平电压源型换流器拓扑存在的上述不足，提供一种基于MMC的分布式潮流控制器的电磁暂态数学模型、控制系统及建模方法，电磁暂态数学模型采用模块化设计，降低了子模块的开关频率，降低损耗，减小占地面积；控制系统根据串联子模块个数来调整输出电平数，以适应不同电压等级的要求，适用于柔性交流输电场合；提高输电效率，大大增加输电系统的经济效益。本专利技术为解决上述技术问题所采用的技术方案是：基于MMC的分布式潮流控制器的电磁暂态数学模型，该分布式潮流控制器包括由并联侧基于MMC的三相变流器与并联侧单相变流器组成的并联侧变流器，以及由多组结构相同的串联侧单相变流器构成的串联侧变流器；所述电磁暂态数学模型主要包括并联侧变流器模型和串联侧变流器模型：串联侧变流器模型中，多组串联侧单相变流器分布化布置于输电线路中(串联耦合于A、B、C三相线路上)，吸收并联侧输出的三次谐波有功功率维持自身电容电压恒定，串联侧单相变流器的直流侧电容电流Idcse与直流侧电容电压Vdcse以及串联侧电容Cse关系表示如下：CsedVdcse/dt＝Idcse(1)串联侧单相变流器的交流侧基波电流电压与三次谐波电流电压共存(平均周期内)，并共同作用于直流电容电流，因此又有Idcse＝(1/mse,1+1/mse,3)(I1+I3)(2)式(2)中，mse,1是基波电压的调制比，mse,3是三次谐波电压的调制比，I1是交流侧基波电流，I3是三次谐波电流；将(2)式代入式(1)，得CsedVdcse/dt＝(1/mse,1+1/mse,3)(I1+I3)(3)经abc→dq派克变换，得直流侧电容电压Vdcse如下式式(4)中θ为输电线路送电端电压的相角θs与串联侧变流器触发相角的差，mse1d是串联侧基波电压d轴分量调制比，mse1q是串联侧基波电压q轴分量调制比，mse3d是串联侧三次谐波电压d轴分量调制比，mse3q是串联侧三次谐波电压q轴分量调制比，I1,d是基波电流d轴分量，I1,q是基波电流q轴分量，I3,d是三次谐波电流d轴分量，I3,q是三次谐波电流q轴分量；由傅立叶原理，不同频次谐波乘积为零，式(4)写为Vdcse＝(1/2)∫((1/mse1dI1,d+1/mse1qI1,q)+(1/mse3dI3,d+1/mse3qI3,q))dt(5)并联侧变流器模型中，并联侧基于MMC的三相变流器交流侧经变压器Tsh与交流母线相连接，并联侧基于MMC的三相变流器的三相各桥臂电路均由N个子模块串接而成，其中子模块均采用半桥结构；并联侧单相变流器采用传统DC/AC电路拓扑，并联侧单相变流器的直流侧与并联侧基于MMC的三相变流器耦合，并联侧单相变流器的交流侧与交流电网中Y-△变压器Ts的Y侧中性点接地线路串联耦合，并联侧单相变流器输出(注入Y-△变压器Ts的Y侧中性点)的三次谐波电流为式(6)中，是并联侧单相变流器输出的三次谐波电流，Lsh3是等效电感，是并联侧单相变流器输出的三次谐波电压；且有Vsh3＝msh3Vdcsh(7)Vdcsh是并联侧基于MMC的三相变流器的直流侧电压，msh3是并联侧单相变流器交直流两侧电压调制比；对于并联侧基于MMC的三相变流器，令i＝a、b、c，则abc坐标系下并联侧基于MMC的三相变流器的交流侧电流表示为：式中，表示并联侧基于MMC的三相变流器单相的下桥臂电流，表示并联侧基于MMC的三相变流器单相的上桥臂电流；又根据电容电流电压之间的关系，得出：式中Csh,sm表示子模块电容值；Vsh,sm,up表示上桥臂投入的子模块的电容电压；Vsh,sm,down表示下桥臂投入的子模块的电容电压；将式(9)、式(10)代入式(8)中，得：对于N+1电平(交流侧生成的阶梯波)，有：式中，Ki为上桥臂第i个子模块的运行状态，Ki＝0时子模块旁路，Ki＝1时子模块投入；Kj为下桥臂第j个子模块的运行状态，Kj＝0时子模块旁路，Kj＝1时子模块投入；Vsh,sm,i表示上桥臂的电容电压，i＝1，2…N/2；Vsh,sm,j表示下桥臂的电容电压，j＝1，2…N/2；式(12)也表示成：本专利技术还提供了一种基于上述电磁暂态数学模型的控制系统，包括并联侧控制模型和串联侧控制模型，所述并联侧控制模型包括并联侧基于MMC的三相变流器控制模块和并联侧单相变流器控制模块，并联侧基于MMC的三相变流器控制模块用于控制并联侧基于MMC的三相变流器，所述并联侧单相变流器控制模块用于控制并联侧单相变流器；所述串联侧控制模型包括串联侧三次谐波控制模块和串联变流器有功功率无功功率控制模块，串联侧三次谐波控制模块用于吸收并联侧发出的三次谐波来维持其自身直流电容电压稳定，串联变流器有功功率无功功率控制模块用于根据系统对基频有功功率需求的响应，产生相应的基频电压注入有功功率来控制线路有功功率。按上述方案，所述并联侧基于MMC的三相变流器控制模块主要包括调制波生成模块、环流抑制模块、子模块导通个数计算以及导通个数改变后的触发模块和子模块充放电控制模块：调制波生成模块，包括电压外环控制模块、电流内环前馈解耦模块，电压外环控制模块用于将输入的直流侧电压给定指令值Vdcshref和系统无功潮流给定指令值Qref分别与实际值作差后，生成系统线路电流d轴有功参考分量Idref与q轴无功参考分量Iqref；电流内环前馈解耦模块用于将系统线路电流d轴有功参考分量Idref、q轴无功参考分量Iqref分别与采集到的实际电压电流经过dq变换后的量作差并经过PI调节器处理后，再通过两相旋转到三相静止坐标系变换，得到三相电压调制波参考值环流抑制模块用于分别采集基于MMC的三相变流器中的上桥臂电流值下桥臂电流值求矢量和并乘以1/2后，分别得到三相环流实际值，经过三相静止到两相旋转坐标系变换得到dq分量Icird、Icirq，再将其Icird、Icirq与电流dq分量目标值Icirdref、Icirqref作本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于MMC的分布式潮流控制器的电磁暂态数学模型，该分布式潮流控制器包括由并联侧基于MMC的三相变流器与并联侧单相变流器组成的并联侧变流器，以及由多组结构相同的串联侧单相变流器构成的串联侧变流器，其特征在于，所述电磁暂态数学模型主要包括并联侧变流器模型和串联侧变流器模型：串联侧变流器模型中，多组串联侧单相变流器分布化布置于输电线路中，吸收并联侧输出的三次谐波有功功率维持自身电容电压恒定，串联侧单相变流器的直流侧电容电流I

【技术特征摘要】
1.基于MMC的分布式潮流控制器的电磁暂态数学模型，该分布式潮流控制器包括由并联侧基于MMC的三相变流器与并联侧单相变流器组成的并联侧变流器，以及由多组结构相同的串联侧单相变流器构成的串联侧变流器，其特征在于，所述电磁暂态数学模型主要包括并联侧变流器模型和串联侧变流器模型：串联侧变流器模型中，多组串联侧单相变流器分布化布置于输电线路中，吸收并联侧输出的三次谐波有功功率维持自身电容电压恒定，串联侧单相变流器的直流侧电容电流Idcse与直流侧电容电压Vdcse以及串联侧电容Cse关系表示如下：CsedVdcse/dt＝Idcse(1)串联侧单相变流器的交流侧基波电流电压与三次谐波电流电压共存，并共同作用于直流电容电流，因此又有Idcse＝(1/mse,1+1/mse,3)(I1+I3)(2)式(2)中，mse,1是基波电压的调制比，mse,3是三次谐波电压的调制比，I1是交流侧基波电流，I3是三次谐波电流；将(2)式代入式(1)，得CsedVdcse/dt＝(1/mse,1+1/mse,3)(I1+I3)(3)经abc→dq派克变换，得直流侧电容电压Vdcse如下式式(4)中θ为输电线路送电端电压的相角θs与串联侧变流器触发相角的差，mse1d是串联侧基波电压d轴分量调制比，mse1q是串联侧基波电压q轴分量调制比，mse3d是串联侧三次谐波电压d轴分量调制比，mse3q是串联侧三次谐波电压q轴分量调制比，I1,d是基波电流d轴分量，I1,q是基波电流q轴分量，I3,d是三次谐波电流d轴分量，I3,q是三次谐波电流q轴分量；由傅立叶原理，不同频次谐波乘积为零，式(4)写为Vdcse＝(1/2)∫((1/mse1dI1,d+1/mse1qI1,q)+(1/mse3dI3,d+1/mse3qI3,q))dt(5)并联侧变流器模型中，并联侧基于MMC的三相变流器交流侧经变压器Tsh与交流母线相连接，并联侧基于MMC的三相变流器的三相各桥臂电路均由N个子模块串接而成，其中子模块均采用半桥结构；并联侧单相变流器采用传统DC/AC电路拓扑，并联侧单相变流器的直流侧与并联侧基于MMC的三相变流器耦合，并联侧单相变流器的交流侧与交流电网中Y-△变压器Ts的Y侧中性点接地线路串联耦合，并联侧单相变流器输出的三次谐波电流为式(6)中，是并联侧单相变流器输出的三次谐波电流，Lsh3是等效电感，是并联侧单相变流器输出的三次谐波电压；且有Vsh3＝msh3Vdcsh(7)Vdcsh是并联侧基于MMC的三相变流器的直流侧电压，msh3是并联侧单相变流器交直流两侧电压调制比；对于并联侧基于MMC的三相变流器，令i＝a、b、c，则abc坐标系下并联侧基于MMC的三相变流器的交流侧电流表示为：式中，表示并联侧基于MMC的三相变流器单相的下桥臂电流，表示并联侧基于MMC的三相变流器单相的上桥臂电流；又根据电容电流电压之间的关系，得出：式中Csh,sm表示子模块电容值；Vsh,sm,up表示上桥臂投入的子模块的电容电压；Vsh,sm,down表示下桥臂投入的子模块的电容电压；将式(9)、式(10)代入式(8)中，得：对于N+1电平，有：式中，Ki为上桥臂第i个子模块的运行状态，Ki＝0时子模块旁路，Ki＝1时子模块投入；Kj为下桥臂第j个子模块的运行状态，Kj＝0时子模块旁路，Kj＝1时子模块投入；Vsh,sm,i表示上桥臂的电容电压，i＝1，2…N/2；Vsh,sm,j表示下桥臂的电容电压，j＝1，2…N/2；式(12)也表示成：2.一种上述权利要求1所述的基于MMC的分布式潮流控制器的电磁暂态数学模型的控制系统，其特征在于，包括并联侧控制模型和串联侧控制模型，所述并联侧控制模型包括并联侧基于MMC的三相变流器控制模块和并联侧单相变流器控制模块，并联侧基于MMC的三相变流器控制模块用于控制并联侧基于MMC的三相变流器，所述并联侧单相变流器控制模块用于控制并联侧单相变流器；所述串联侧控制模型包括串联侧三次谐波控制模块和串联变流器有功功率无功功率控制模块，串联侧三次谐波控制模块用于吸收并联侧发出的三次谐波来维持其自身直流电容电压稳定，串联变流器有功功率无功功率控制模块用于根据系统对基频有功功率需求的响应，产生相应的基频电压注入有功功率来控制线路有功功率。3.根据权利要求2所述的基于MMC的分布式潮流控制器的电磁暂态数学模型的控制系统，其特征在于，所述并联侧基于MMC的三相变流器控制模块主要包括调制波生成模块、环流抑制模块、子模块导通个数计算以及导通个数改变后的触发模块和子模块充放电控制模块：调制波生成模块，包括电压外环控制模块、电流内环前馈解耦模块，电压外环控制模块用于将输入的直流侧电压给定指令值Vdcshref和系统无功潮流给定指令值Qref分别与实际值作差后，生成系统线路电流d轴有功参考分量Idref与q轴无功参考分量Iqref；电流内环前馈解耦模块用于将系统线路电流d轴有功参考分量Idref、q轴无功参考分量Iqref分别与采集到的实际电压电流经过dq变换后的量作差并经过PI调节器处理后，再通过两相旋转到三相静止...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐爱红，万家乐，邵云露，舒欣，黄涌，郑旭，赵红生，徐秋实，王冲，高梦露，王少荣，刘涤尘，
申请(专利权)人：武汉理工大学，国网湖北省电力公司，华中科技大学，武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42