基于谐振控制器的MMC换流站低电压穿越方法及控制系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于谐振控制器的MMC换流站低电压穿越方法及控制系统。这种方法针对电网不对称故障发生时，MMC换流站输出电流畸变的问题，通过三个谐振控制器分别实现了对于输出电流中负序、零序成分和内部环流的抑制。与已有的在正反转同步坐标系下对电流正负序分量分别控制的方法相比，本方法控制结构更加简单，且能够对零序电流进行抑制，进一步提升MMC换流站的功率送出能力，从而减少DC chopper的设计容量，降低工程建设成本，在故障较轻时甚至能够在无需投入DC chopper的条件下实现系统的故障穿越运行。本发明专利技术中提出基于谐振控制器的MMC换流站低电压穿越方法结构简单、效果显著，具有较强的工程实用价值。

【技术实现步骤摘要】
基于谐振控制器的MMC换流站低电压穿越方法及控制系统
本专利技术涉及一种基于谐振控制器的MMC换流站低电压穿越方法及控制系统，适用于电力电子

技术介绍
近年来，随着海上风电事业的蓬勃发展，海上风电场的建设逐渐由近距离、小容量向着深远海，大规模方向发展。传统的交流输电技术由于其技术成熟、设备造价低等优势，比较适用于容量较低，距离较短的近海风电场。然而当其面向深远海时，存在着线路成本高、无功损耗大，对风电场支撑能力较弱等问题。因此，一般当路由距离超过70～80km时，采用更为经济有效的高压直流输电技术是当下发展的共识。基于模块化多电平换流器(MMC)拓扑的柔性直流输电技术凭借自身波形质量高、运行损耗低、可以潮流反转等优势，成为远距离海上风电场的接入陆上大电网的最优选择。然而，当接入的大电网发生故障时，柔性直流输电系统也会受到严重影响。以海上风电柔直送出系统为例，当陆上大电网发生电压跌落事故时，陆上MMC换流站的功率送出能力将会严重降低，而由于风机的输出功率无法在短时间内衰减，海上MMC换流站的输入功率也很难在第一时间进行衰减，过剩的功率将会使柔性直流输电系统的直流母线电压迅速上升，如不采取有效措施，将会导致整个直流系统脱网，严重影响发电效率与局部电网的安全稳定。因此，研究MMC换流站在电网故障下的故障穿越策略具有重要的意义。目前，对于交流电网故障下MMC换流站的故障穿越策略的研究还比较有限，已有的针对MMC换流站故障穿越策略的研究中提出了一种在交流电网发生故障时，投入DCchopper以消耗掉盈余的功率的方法，这种方法的有效性取决于耗能电阻的容量，对于大功率直流输电系统而言，成本很高，而且只能够短时间歇性地投入。实际上，对于交流大电网来说，单相短路故障等不对称故障发生的频率较高，此时，MMC换流站仍然具备一定的功率输送能力。考虑如何通过改进控制策略以增强在电网发生不对称故障时MMC换流站的功率送出能力，能够有效缩短DCchopper的投入时间，甚至在无需DCchopper投入的条件下实现系统的故障穿越运行，具有重要意义。针对电网不对称故障，已有研究提出了一种在正反转同步坐标系下对电流的正负序分量进行分别控制的控制策略，能够有效地抑制负序电流。然而，这种方法需要对电压电流进行正负序分离，还需要在两个坐标系下采用两套控制系统对正负序分量进行分别控制，另外，还需要将共模电流再变换到第三个坐标系下进行抑制，控制结构十分复杂，且需要对控制参数进行重新设计。此外，由于电网故障点与MMC之间由联接变压器相连，当联接变压器采用Y0/Y0接法时，还会产生额外的零序回路。此时，MMC换流器的输出电流中将会包含大量零序分量，进一步导致电流波形畸变，严重影响换流器的功率送出能力。综上所述，研究电网电压不对称跌落故障下MMC换流站的改进控制策略，简化其控制结构，提升故障发生时MMC换流站的功率送出能力，对于整个柔性直流输电系统顺利实现故障穿越运行具有重要意义。
技术实现思路
针对上述存在的问题，提供一种控制结构简单的基于谐振控制器的MMC换流站低电压穿越方法及控制系统，以在故障发生时有效提升MMC换流站的功率送出能力，减少DCchopper的设计容量，降低工程建设成本。本专利技术所采用的技术方案是：一种基于谐振控制器的MMC换流站低电压穿越方法，其特征在于：在电网不对称故障发生时，通过三个谐振控制器分别实现了对于输出电流中负序、零序成分和内部环流的抑制，从而提升MMC换流站的功率送出能力。包括如下步骤：采集MMC交流电网侧三相电流Isabc和三相电压Usabc，对联接变压器阀侧三相电流Ivabc，MMC上、下桥臂电流Ipabc和Inabc，以及直流侧直流母线电压Udc进行采集；根据MMC上、下桥臂电流Ipabc和Inabc计算得到MMC三相内部环流Icabc；利用锁相环获取电网侧三相电压Usabc的相位角θv和角频率ωv；根据电网侧三相电压电流Usabc和Isabc计算MMC输出的无功功率Qs；对电网侧三相电压Usabc和阀侧三相电流Ivabc进行Park变换，得到同步旋转d-q-0坐标系下对应的电压矢量Usdq0和电流矢量Ivdq0；采用PI控制器对直流母线电压Udc及无功功率Qs进行控制，使其分别跟随给定的参考值Udcref及Qsref，两个PI控制器的输出分别作为d、q轴电流的参考值Ivdqref；参考值Udcref为系统的额定直流母线电压，参考值Qsref根据系统指令由上层控制器给定；参考值Qsref根据系统指令给定，单位功率因数运行时给定为0，也可以根据电网的无功需求对电网进行对应的无功补偿；采用PI控制器对d、q轴电流Ivdq的直流分量进行控制，其d、q轴参考值为Ivdqref，PI控制器的输出作为MMC参考差模电压的直流分量Udifrefdq1；采用谐振频率在100Hz的谐振控制器对d、q轴电流Ivdq的二倍频脉动分量进行控制，谐振控制器的参考值设置为0，谐振控制器的输出作为MMC参考差模电压的二倍频脉动分量Udifrefdq2；采用谐振频率在50Hz的谐振控制器对零序电流分量Iv0进行单独控制，将其参考值给定为零，以实现对零序电流的抑制，谐振控制器的输出作为MMC参考差模电压的零序分量Udifref0；将MMC参考差模电压的直流分量Udifrefdq1与二倍频脉动分量Udifrefdq2相加，得到其d、q轴分量Udifrefdq，再与MMC参考差模电压的零序分量Udifref0组合，得到MMC参考差模电压Udifrefdq0；再对参考差模电压Udifrefdq0进行反Park变换，得到静止三相坐标系中的参考差模电压Udifrefabc；采用谐振频率在100Hz的谐振控制器对三相内部环流Icabc进行控制，将其参考值给定为零，谐振控制器的输出作为MMC参考共模电压Ucomrefabc；根据参考差模电压Udifrefabc和参考共模电压Ucomrefabc，计算得到MMC上、下桥臂的参考电压Uprefabc与Unrefabc，再利用最近电平逼近法进行调制，实现对MMC的控制。所述MMC参考差模电压的直流分量Udifrefdq1根据以下方法得到：其中，FPI(s)为PI控制器的传递函数，Ivdref、Ivqref对应为电流矢量Ivdqref的d轴、q轴分量，Ivd、Ivq对应为电流矢量Ivdq0的d轴、q轴分量；L为包含联接变压器和桥臂电抗器的等效电感，Usd和Usq分别为电压矢量Usdq0的d轴、q轴分量，Udifrefd1、Udifrefq1对应为电压矢量Udifrefdq1的d轴、q轴分量。所述MMC参考差模电压的二倍频脉动分量Udifrefdq2根据以下方法得到：其中：FR100(s)为谐振控制器的传递函数，kg为谐振控制器的增益系数，ωc为截止频率，Udifrefd2、Udifrefq2对应为电压矢量Udifrefdq2的d轴、q轴分量。所本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于谐振控制器的MMC换流站低电压穿越方法，其特征在于：在电网不对称故障发生时，通过三个谐振控制器分别实现了对于输出电流中负序、零序成分和内部环流的抑制，从而提升MMC换流站的功率送出能力。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于谐振控制器的MMC换流站低电压穿越方法，其特征在于：在电网不对称故障发生时，通过三个谐振控制器分别实现了对于输出电流中负序、零序成分和内部环流的抑制，从而提升MMC换流站的功率送出能力。


2.根据权利要求1所述的基于谐振控制器的MMC换流站低电压穿越方法，其特征在于包括如下步骤：
采集MMC交流电网侧三相电流Isabc和三相电压Usabc，对联接变压器阀侧三相电流Ivabc，MMC上、下桥臂电流Ipabc和Inabc，以及直流侧直流母线电压Udc进行采集；
根据MMC上、下桥臂电流Ipabc和Inabc计算得到MMC三相内部环流Icabc；利用锁相环获取电网侧三相电压Usabc的相位角θv和角频率ωv；根据电网侧三相电压电流Usabc和Isabc计算MMC输出的无功功率Qs；
对电网侧三相电压Usabc和阀侧三相电流Ivabc进行Park变换，得到同步旋转d-q-0坐标系下对应的电压矢量Usdq0和电流矢量Ivdq0；
采用PI控制器对直流母线电压Udc及无功功率Qs进行控制，使其分别跟随给定的参考值Udcref及Qsref，两个PI控制器的输出分别作为d、q轴电流的参考值Ivdqref；参考值Udcref为系统的额定直流母线电压，参考值Qsref根据系统指令由上层控制器给定；
采用PI控制器对d、q轴电流Ivdq的直流分量进行控制，其d、q轴参考值为Ivdqref，PI控制器的输出作为MMC参考差模电压的直流分量Udifrefdq1；
采用谐振频率在100Hz的谐振控制器对d、q轴电流Ivdq的二倍频脉动分量进行控制，谐振控制器的参考值设置为0，谐振控制器的输出作为MMC参考差模电压的二倍频脉动分量Udifrefdq2；
采用谐振频率在50Hz的谐振控制器对零序电流分量Iv0进行单独控制，将其参考值给定为零，以实现对零序电流的抑制，谐振控制器的输出作为MMC参考差模电压的零序分量Udifref0；
将MMC参考差模电压的直流分量Udifrefdq1与二倍频脉动分量Udifrefdq2相加，得到其d、q轴分量Udifrefdq，再与MMC参考差模电压的零序分量Udifref0组合，得到MMC参考差模电压Udifrefdq0；再对参考差模电压Udifrefdq0进行反Park变换，得到静止三相坐标系中的参考差模电压Udifrefabc；
采用谐振频率在100Hz的谐振控制器对三相内部环流Icabc进行控制，将其参考值给定为零，谐振控制器的输出作为MMC参考共模电压Ucomrefabc；
根据参考差模电压Udifrefabc和参考共模电压Ucomrefabc，计算得到MMC上、下桥臂的参考电压Uprefabc与Unrefabc，再利用最近电平逼近法进行调制，实现对MMC的控制。


3.根据权利要求2所述的基于谐振控制器的MMC换流站低电压穿越方法，其特征在于，所述MMC参考差模电压的直流分量Udifrefdq1根据以下方法得到：



其中，FPI(s)为PI控制器的传递函数，Ivdref、Ivqref对应为电流矢量Ivdqref的d轴、q轴分量，Ivd、Ivq对应为电流矢量Ivdq0的d轴、q轴分量；L为包含联接变压器和桥臂电抗器的等效电感，Usd和Usq分别为电压矢量Usdq0的d轴、q轴分量，Udifrefd1、Udifrefq1对应为电压矢量Udifrefdq1的d轴、q轴分量。


4.根据权利要求2所述的基于谐振控制器的MMC换流站低电压穿越方法，其特征在于，所述MMC参考差模电压的二倍频脉动分量Udifrefdq2根据以下方法得到：






其中：FR100(s)为谐振控制器的传递函数，kg为谐振控制器的增益系数，ωc为截止频率，Iv...

【专利技术属性】
技术研发人员：王霄鹤，周才全，杨林刚，谢瑞，杨建军，杨文斌，陈晴，施朝晖，郦洪柯，李景一，薛源，徐晗，
申请(专利权)人：中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33