基于PR控制器的MMC-HVDC环流抑制方法技术

本发明专利技术公开了基于PR控制器的MMC-HVDC环流抑制方法，逆变端采用PR控制器环流抑制方法抑制正序和负序环流，同时采用零序环流控制器来抑制直流电压波动和零序环流，整流端采用PR控制器环流抑制方法；或整流端采用PR控制器环流抑制方法抑制正序和负序环流，同时采用零序环流控制器来抑制直流电压波动和零序环流，逆变端采用PR控制器环流抑制方法；或整流端和逆变端均采用PR控制器环流抑制方法抑制正序和负序分量，同时都采用零序环流控制器来抑制直流电压波动和零序环流。在交流侧系统故障情况下均能够完全抑制环流正序，负序和零序分量，同时还可以抑制直流电压波动，提升了交流系统故障时的故障穿越能力，解决了传统PR控制方法应用于MMC-HVDC时出现的问题。

【技术实现步骤摘要】
基于PR控制器的MMC-HVDC环流抑制方法
本专利技术涉及电力系统柔性直流输电
，尤其涉及一种基于PR控制器的MMC-HVDC环流抑制方法。
技术介绍
模块化多电平换流器(modularmultilevelconverter，MMC)是近几年备受关注的一种多电平换流器拓扑结构。它采用多个子模块(submodule，SM)级联的方式，通过分别控制各个子模块的投入和切除状态，可以使得换流器输出的交流电压波形包含很多的电压阶梯以最大限度的逼近正弦波，从而降低输出电压中的谐波含量，减小波形畸变，以满足电网的谐波要求。与传统二、三电平结构的VSC拓扑相比，MMC拓扑具有模块化的结构，低的输出电压电流谐波，低的开关损耗，低的功率器件开关应力以及小的或无滤波器需求等优势。除此之外，MMC还可以直接处理有功/无功，无需工频变压器直接应用到高压直流网络中。因此MMC-HVDC被认为是一种极具潜力的柔性直流输电方式，也是近年柔性直流输电工程中普遍采用的拓扑形式。环流是MMC拓扑(相对于二、三电平拓扑)中特有的一个问题，该问题是由并联在直流母线上的三个相单元输出电压与直流电压不相等引起的。在交流系统平衡情况下，环流仅包含二倍频负序分量，在交流系统不平衡情况下，除了负序分量，环流还包含正序分量和零序分量。环流能够增大电流应力、引入附加损耗，增大子模块电容电压波动，甚至导致暂态不稳定，因此必须加以控制。为了消除或者减小环流，多种文献提出了不同的方法。由于在交流系统平衡条件下环流主要表现为二倍频负序分量，文献“ReducedSwitching-frequencyModulationandCirculatingCurrentSuppressionforModularMultilevelConverters”和“CirculatingCurrentAnalysisandSuppressionofModularMultilevelConverters”提出将环流通过二倍频负序旋转坐标变换变为dq旋转坐标系下的直流量，然后通过PI控制器进行控制，该方法原理简单，设计方便，是旋转坐标系下普遍使用的环流控制方法，但是该方法仅适用于三相系统，而且当交流系统不平衡时，该方法无法消除正序及零序分量，除此之外该方法使用多次依赖锁相环(PhaseLockedLoop,PLL)的坐标变换，增加了控制系统的计算量及复杂度。尽管文献“SuppressingDCVoltageRipplesofMMC–HVDCUnderUnbalancedGridConditions”在此基础了增加了专门的直流电压波动抑制控制器消除了交流系统故障下环流的零序分量，但是该方法需要额外地测量六个桥臂的电压量，因此增加了控制系统的成本。L.Angquist等人提出一种开环环流抑制方法，该方法首先通过测量输出交流电流及直流电压来建立换流器的动态方程，然后通过求解动态方程估计出桥臂储存的能量，进而得到桥臂输出电压的估计值，以此来实现环流的控制，因为不需要反馈控制，该方法动态响应快，控制通信数据量小，但是需要精确的系统元件参数，而且实时求解换流器的动态方程计算相对繁琐。A.Antonopoulos等人提出一种闭环环流抑制方法，与开环环流抑制方法相比该方法对系统元件参数不敏感，但是该方法需要测量所有子模块的电压信息并与控制器之间进行通信，在子模块较多时需要非常复杂的测量及控制系统，并且会导致严重的系统延时，降低控制系统的可靠性。Harneforsetal.等人提出一种基于比例控制器的环流抑制方法，该方法需要使用桥臂电阻值但是桥臂电阻值无法精确获得，同时比例控制器也无法完全消除环流。Yangetal.等人将一种改进的开关函数应用到MMC环流抑制中，命名为quasi-harmoniceliminationtechnique，由于使用了预测的电容电压波动，因此环流抑制效果难以保证。Bergnaetal.通过在基频正序旋转坐标系和二倍频负序旋转坐标系下控制相单元中上下桥臂的能量和和能量差来实现环流和电容电压波动的控制，该方法为了获得较小的电容电压波动，不能完全消除环流，而且控制结构复杂。G.Bergna等人提出将比例谐振(ProportionalResonantPR)控制器引入环流控制中，将其谐振频率调整为二倍频基波频率，将参考输入设置为直流量，从而在静止坐标系下消除环流。该方法使用一个控制器就可以同时消除环流的正序、负序及零序分量，而且由于在静止坐标系下实现，无需坐标变换，降低了对锁相环的依赖及计算量，该方法可以适用于单相及多相系统，因此是静止坐标系下普遍使用的环流控制方法。通过以上分析，虽然有多种MMC环流抑制方法，但是易于实现且应用普遍的环流控制方法是旋转坐标系下基于PI控制器的环流抑制方法和静止坐标系下基于PR控制器的环流抑制方法。基于比例谐振PR控制器的环流抑制方法由于无需依赖PLL的坐标变换，交流系统故障情况下能够同时抑制环流的正序，负序及零序分量，而且适用于单相及多相系统，因此该控制方法在这两种控制方法中更具有优势。由于MMC-HVDC连接两个MMC，因此一般不针对MMC-HVDC专门设计环流抑制方法而是直接将MMC环流抑制方法应用于MMC-HVDC，有的人将旋转坐标系下基于PI控制器的环流抑制方法直接应用于MMC-HVDC，为了抑制交流故障下直流电压和直流电流的波动，文献“SuppressingDCVoltageRipplesofMMC–HVDCUnderUnbalancedGridConditions”在文献“ReducedSwitching-frequencyModulationandCirculatingCurrentSuppressionforModularMultilevelConverters”的基础上增加了专门的直流电压波动抑制控制器，解决了直流电压波动的问题，但是需要额外测量桥臂电压从而增加了控制成本，同时也增加了控制器的个数。文献“AnalysisandControlofModularMultilevelConvertersUnderUnbalancedConditions”将静止坐标系下基于PR控制器的环流抑制方法直接应用于MMC-HVDC，由于PR控制器自身的优势，使得该控制方法比旋转坐标系下的PI控制方法更为简洁，并且完全消除了二倍频零序环流，从而不会导致该环流分量流入直流系统。根据本专利技术分析，直接应用该类控制方法，尽管能够同时抑制零序环流分量，阻止零序环流进入直流系统，但是不会完全消除直流电压波动，因此适用于MMC-HVDC的环流抑制方法应该进行深入分析，重新设计；同时本专利技术还提出了新的控制模型，而且证明了新模型的精确性。
技术实现思路
本专利技术提供了一种基于PR控制器的MMC-HVDC环流抑制方法，为了解决将PR控制器环流抑制方法直接应用于MMC-HVDC时引起直流电压波动的问题，首先提出PR控制方法的精确模型，然后提出了一种基于PR控制器的零序环流控制器，在此控制器的基础上提出了三种适用于MMC-HVDC系统的环流抑制方法，改进的环流抑制方法在不增加控制器个数及成本的情况下完全消除了直流电压波动，提升了MMC-HVDC系统的故障穿越能力。为本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于PR控制器的MMC‑HVDC环流抑制方法，直流线路两端各连接一个MMC，一个为整流端MMC，另一个为逆变端MMC，MMC由三相六个桥臂构成，每个桥臂由一个桥臂串联电感和若干个结构相同的子模块级联而成，每个子模块包括与直流电容串联的第一电力电子开关以及与第一电力电子开关和直流电容并联的第二电力电子开关，其特征是，包括以下方法：(1)整流端MMC采用PR控制器环流抑制方法；逆变端MMC采用PR控制器环流抑制方法抑制正序和负序环流，同时逆变端MMC采用零序环流控制器来抑制直流电压波动和零序环流；(2)整流端MMC采用PR控制器环流抑制方法抑制正序和负序环流，同时整流端MMC采用零序环流控制器来抑制直流电压波动和零序环流；逆变端MMC采用PR控制器环流抑制方法；(3)整流端MMC和逆变端MMC均采用PR控制器环流抑制方法抑制正序和负序分量，同时采用零序环流控制器来抑制直流电压波动和零序环流；采用以上三种方法中的任意一种方法均能达到在保证直流电压不发生波动的前提下MMC‑HVDC环流抑制的目的。

【技术特征摘要】
1.基于PR控制器的MMC-HVDC环流抑制方法，直流线路两端各连接一个MMC，一个为整流端MMC，另一个为逆变端MMC，MMC由三相六个桥臂构成，每个桥臂由一个桥臂串联电感和若干个结构相同的子模块级联而成，每个子模块包括与直流电容串联的第一电力电子开关以及与第一电力电子开关和直流电容并联的第二电力电子开关，其特征是，包括以下方法：(1)整流端MMC采用PR控制器环流抑制方法；逆变端MMC采用PR控制器环流抑制方法抑制正序和负序环流，同时逆变端MMC采用零序环流控制器来抑制直流电压波动和零序环流；(2)整流端MMC采用PR控制器环流抑制方法抑制正序和负序环流，同时整流端MMC采用零序环流控制器来抑制直流电压波动和零序环流；逆变端MMC采用PR控制器环流抑制方法；(3)整流端MMC和逆变端MMC均采用PR控制器环流抑制方法抑制正序和负序分量，同时采用零序环流控制器来抑制直流电压波动和零序环流；采用以上三种方法中的任意一种方法均能达到在保证直流电压不发生波动的前提下MMC-HVDC环流抑制的目的；所述PR控制器环流抑制方法包括以下步骤：步骤1.1，将预设的环流参考值idiffj_ref减去反馈的内部不平衡电流idiffj后得到环流误差Δidiffj，其中j＝a，b，c，分别代表abc三相；步骤1.2，将环流误差Δidiffj经过PR控制器处理后得到内部不平衡电压参考值udiffj_ref，步骤1.3，用所述步骤1.2得到的所述内部不平衡电压参考值udiffj_ref减去所述内部不平衡电压参考值udiffj_ref的直流量udiffj_ref_dc，再减去激发环流的等效谐波电压源Uhj，再加上激发内部不平电流中直流电流的等效电压源ΔUdcj的1/2，将得到的结果经脉宽调制后控制MMC换流器子模块电力电子开关的开通和关断，最后得到内部不平衡电流idiffj。2.如权利要求1所述的基于PR控制器的MMC-HVDC环流抑制方法，其特征是，所述零序环流控制器包括两步，第一步产生零序环流；第二步将产生的零序环流转化为零序直流电压波动，最后将零序直流电压波动反馈回输入端中进行抑制。3.如权利要求1所述的基于PR控制器的MMC-HVDC环流抑制方法，其特征是，所述环流参考值idiffj_ref为一直流量，在MMC交流侧平衡情况下选取为Idc/3，Idc为直流母线电流值。4.如权利要求1所述的基于PR控制器的MMC-HVDC环流抑制方法，其特征是，PR控制器环流抑制方法的闭环传递函数为：其中是P...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁军，王金玉，贠志皓，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东;37