基于模拟同步电机特性的MMC-HVDC换流站功率控制方法及系统与流程

本发明涉及一种换流站功率控制技术领域，是一种基于模拟同步电机特性的mmc-hvdc换流站功率控制方法及系统。

背景技术：

基于模块化多电平换流器的柔性直流输电技术结合了电压源换流技术与脉冲调制技术的高可控性，具有模块化程度高，波形质量好，开关损耗小，制造难度低等优点，适合高电压大功率输电场合，因此应用潜力十分广阔。

柔性直流输电系统可以快速控制有功功率和无功功率，换相时不须借助外部电源，因此能实现互联电网的有功功率支援，向大型海岛电网及无源网络供电。与主电网不同，海岛电网短路比一般不高，静态时频率波动大，负荷变动频繁，运行工况多变，有时还会成为无源网络。在有源模式时，换流站与本地电源共同向负荷供电；但在故障或检修状态时，本地电网将呈现无源孤岛，因此换流站需要具备联网和孤岛模式相互切换的能力。目前存在以下控制方案：

1)基于本地电气量的mmc控制模式切换策略，可以实现双模式运行的控制目标，但控制模式的切换将对电网产生冲击。

2)将同步电机的一次调频特性与换流站的电压控制相结合的功率同步控制，无须控制模式切换的控制策略，提升了系统切换过程的响应特性，但联网时换流站传输功率将取决于本地电网频率，电网频率静态波动将导致换流站不能精准控制有功功率。

3)基于同步变换器的控制技术，可以实现背靠背mmc-hvdc系统的同步电机运行特性。

以上方案与虚拟同步电机技术相似，通过提高惯性参数可以抑制本地电网频率的快速波动，但这会明显降低系统阻尼，导致功率振荡。因此mmc在模拟同步电机特性时如何兼顾原有的潮流控制功能，实现主电网对本地电网调节的选择性，是一项技术难点。

技术实现要素：

本发明提供了一种基于模拟同步电机特性的mmc-hvdc换流站功率控制方法及系统，克服了上述现有技术之不足，其能有效解决基于模拟同步电机特性的mmc-hvdc换流站存在的在本地电网频率静态随机波动时，不能在模拟同步电机特性的条件下实现有功功率精准控制的问题。

本发明的技术方案之一是通过以下措施来实现的：一种基于模拟同步电机特性的mmc-hvdc换流站功率控制方法，包括以下步骤：

在基于模拟同步电机特性的mmc-hvdc换流站中添加附加功率控制器；

附加功率控制器投切控制，即判断附加功率控制器是否工作于有源状态，响应于附加功率控制器不工作于有源状态，则附加功率控制器切除，响应于附加功率控制器工作于有源状态，则附加功率控制器通过频率偏移量ferr的滞环控制实现选择性投切。

下面是对上述发明技术方案的进一步优化或/和改进：

上述附加功率控制器根据本地电网的联网状态进行投切，若本地电网通过换流站与主电网联网，则表示附加功率控制器工作于有源状态，若本地电网没有通过换流站与主电网联网，则表示附加功率控制器工作于无源状态。

上述附加功率控制器通过频率偏移量ferr的滞环控制实现选择性投切的过程包括：

附加功率控制器工作于有源状态后，经tb秒延时，判断换流站中频率偏移量ferr的绝对值是否超过设定阈值范围；

若超过，则附加功率控制器投入作用，直到频率偏移量ferr的绝对值在设定的阈值范围内后，附加功率控制器停止；若不超过，则附加功率控制器切除。

上述响应于附加功率控制器工作于有源状态，则附加功率控制通过频率偏移量ferr的滞环控制实现选择性投切的过程中加入人工投入开关，具体过程包括：

响应于附加功率控制器工作于有源状态后，判断人工投入开关的设置状态，若人工投入开关设置为0，则切除附加功率控制器，若人工投入开关设置为1，则经tb秒延时，判断换流站中频率偏移量ferr的绝对值是否超过设定阈值范围。

上述在附加功率控制器中加入抑制功率振荡的阻尼控制器，阻尼控制器包括在附加功率控制输入环节叠加输入功率的微分项和在限幅环节加入一阶低通滤波器。

上述在附加功率控制器中加入抑制换流站传输功率偏移的比例-积分调节器。

本发明的技术方案之二是通过以下措施来实现的：一种基于模拟同步电机特性的mmc-hvdc换流站功率控制系统，其特征在于包括附加功率控制器，用于消除由本地电网频率静态随机波动导致换流站传输功率的偏移，精确控制有功功率；

附加功率控制器包括控制器投切策略模块，控制器投切策略模块用于对附加功率控制器投切进行控制，即判断附加功率控制器是否工作于有源状态，响应于附加功率控制器不工作于有源状态，则附加功率控制器切除，响应于附加功率控制器工作于有源状态，则附加功率控制器通过频率偏移量ferr的滞环控制实现选择性工作。

下面是对上述发明技术方案的进一步优化或/和改进：

上述控制器投切策略模块包括投切初判断模块、人工投入开关、滞环控制模块；

投切初判断模块，用于根据附加功率控制器是否工作于有源状态，判断是否投入附加功率控制器；

人工投入开关，用于人工设置附加功率控制器的投切信号；

滞环控制模块，用于在附加功率控制器工作于有源状态后，控制附加功率控制器是否投入工作。

上述附加功率控制器还包括阻尼控制器和比例-积分调节器；

阻尼控制器，用于在附加功率控制器输入环节叠加输入功率的微分项和在限幅环节加入一阶低通滤波器；

比例-积分调节器，用于附加功率控制器中加入抑制换流站传输功率偏移的比例-积分调节器。

本发明针对mmc-hvdc采用同步电机模拟控制策略向大型海岛供电的场景，为消除由本地电网频率静态随机波动导致换流站传输功率的偏移，设计了利用有功功率偏移量积分实时修正频率标称值的附加功率控制器，解决了同步电机模拟控制本地电网频率静态随机波动时不能精准控制有功功率的问题，实现了主电网通过直流系统参与本地电网调节的选择性。并且本发明在附加功率控制器中引入了比例-积分调节器和阻尼控制器，进一步制换流站传输功率偏移、有效抑制了纯微分运算对系统高频分量的放大，实现了软限幅功能。

附图说明

图1为本发明实施例1的流程图。

图2为本发明实施例1附加功率控制器投切控制的流程图。

图3为本发明实施例1附加功率控制通过滞环控制实现选择性投切的流程图。

图4为本发明实施例1含阻尼控制器的附加功率控制器。

图5为本发明实施例2的系统结构示意图。

图6为本发明实施例3、4、5的柔性直流输电系统示意图。

图7为本发明实施例3无源/有源相互切换时的功率响应波形图。

图8为本发明实施例4电网静态频率波动时换流站传输的有功功率波形图。

图9为本发明实施例4电网暂态频率波动时本地电网及功率环指令的频率波形图。

图10为本发明实施例4电网暂态频率波动时的换流站传输的有功功率波形图。

图11为本发明实施例5交流系统故障时换流站传输的有功功率波形图。

图12为本发明实施例5交流系统故障时换流站的频率波形图。

图13为本发明实施例5交流系统故障时换流站交流电流的d轴分量波形图。

图14为本发明实施例5交流系统故障时换流站交流电流的q轴分量波形图。

具体实施方式

本发明不受下述实施例的限制，可根据本发明的技术方案与实际情况来确定具体的实施方式。

下面结合实施例及附图对本发明作进一步描述：

实施例1：如附图1、2、3、4所示，基于模拟同步电机特性的mmc-hvdc换流站功率控制方法，包括以下步骤：

s1，在基于模拟同步电机特性的mmc-hvdc换流站中添加附加功率控制器。

s2，附加功率控制器投切控制，具体包括过程如下：

s21，若本地电网没有通过换流站与主电网联网，brk1＝0，则附加功率控制器工作于无源状态，此时设置附加功率控制器投入/切除信号sp＝0，附加功率控制器自动切除；

s22，若本地电网通过换流站与主电网联网，brk1＝1，则附加功率控制器工作于有源状态，此时附加功率控制器通过滞环控制实现选择性投切，具体包括过程如下：

a，将brk1＝1经tb秒延后，判断换流站中频率偏移量ferr(实测值fg减去基准值f0)的绝对值是否超过设定阈值范围(ferrmin，ferrmax)；

b，若超过，则设置附加功率控制器投入/切除信号sp＝1，附加功率控制器开始投入作用，直到频率偏移量ferr的绝对值在设定的阈值范围(ferrmin，ferrmax)内，设置附加功率控制器投入/切除信号sp＝0，切除附加功率控制器；若不超过，则设置附加功率控制器投入/切除信号sp＝0，附加功率控制器不投入作用。

上述引入滞环控制，有效防止了附加功率控制器频繁投切，同时保证了在交流系统故障时可靠的切除附加功率控制器。

下面是对上述发明技术方案的进一步优化或/和改进：

如附图3、4所示，s22中，响应于附加功率控制器工作于有源状态，则附加功率控制通过频率偏移量ferr的滞环控制实现选择性投切的过程中加入人工投入开关，具体过程包括：

响应于附加功率控制器工作于有源状态后，判断人工投入开关的设置状态，若人工投入开关设置为0，则设置附加功率控制器投入/切除信号sp＝0，切除附加功率控制器，若人工投入开关设置为1，则经tb秒延时，判断换流站中频率偏移量ferr的绝对值是否超过设定阈值范围。

上述实际运行时通过引入人工投入开关，可以提高控制器投切的选择性。

如附图4所示，在所述附加功率控制器中加入抑制换流站传输功率偏移的比例-积分调节器。

引入比例-积分调节器后，同步电机模拟控制策略的数学模型可以写成：

δpref→δp和δfg→δp的频域关系为：

式中，kp和ki为附加功率控制器的pi参数。

由上可知引入附加功率控制器后的稳态功率偏移量为δpref＝δp，说明所设计方上可以实现控制目标。

如附图4所示，在所述附加功率控制器中加入抑制功率振荡的阻尼控制器，阻尼控制器包括在附加功率控制器的输入环节叠加输入功率的微分项和在限幅环节加入一阶低通滤波器。

上述在附加功率控制器的输入环节叠加输入功率p的微分项，系数为kd，能有效抑制纯微分运算对系统高频分量的放大；在限幅环节加入一阶低通滤波器，使其与微分项形成不完全微分因子，从而并实现软限幅功能。

在加入阻尼控制器后，同步电机模拟控制策略的数学模型可以写成：

仅考虑功率环时，δpref→δp和δfg→δp的频域关系为：

对比式以上两个公式可知，kp和ki不变时，引入阻尼控制器不改变功率环阶数及零点，仅改变极点的位置。适度加大ki的值可提高主导极点的自然频率，以保证稳态精度。

本发明针对mmc-hvdc换流站采用同步电机模拟控制策略向大型海岛供电的场景，提出了为消除由本地电网频率静态随机波动导致换流站传输功率的偏移，设计了利用有功功率偏移量积分实时修正频率标称值的附加功率控制器，解决了同步电机模拟控制在稳态时不能精准控制有功功率的问题，实现了主电网通过直流系统参与本地电网调节的选择性。并且本发明在附加功率控制器中引入了比例-积分调节器和阻尼控制器，进一步制换流站传输功率偏移、有效抑制了纯微分运算对系统高频分量的放大，实现了软限幅功能。

实施例2：如附图5所示，一种基于模拟同步电机特性的mmc-hvdc换流站功率控制系统，包括附加功率控制器，用于消除由本地电网频率静态随机波动导致换流站传输功率的偏移，精确控制有功功率；

附加功率控制器包括控制器投切策略模块，控制器投切策略模块用于对附加功率控制器投切进行控制，即判断附加功率控制器是否工作于有源状态，响应于附加功率控制器不工作于有源状态，则附加功率控制器切除，响应于附加功率控制器工作于有源状态，则附加功率控制器通过频率偏移量ferr的滞环控制实现选择性工作。

下面是对上述发明技术方案的进一步优化或/和改进：

如附图5所示，所述控制器投切策略模块包括投切初判断模块、人工投入开关、滞环控制模块；

投切初判断模块，用于根据附加功率控制器是否工作于有源状态，判断是否投入附加功率控制器；

人工投入开关，用于人工设置附加功率控制器的投切信号；

滞环控制模块，用于在附加功率控制器工作于有源状态后，控制附加功率控制器是否投入工作。

如附图5所示，所述附加功率控制器还包括阻尼控制器和比例-积分调节器；

阻尼控制器，用于在附加功率控制器的输入环节叠加输入功率的微分项和在限幅环节加入一阶低通滤波器；

比例-积分调节器，用于附加功率控制器中加入抑制换流站传输功率偏移的比例-积分调节器。

实施例3：以附图6所示的系统仿真模型为例，对附加功率控制器投切方案进行仿真验证，具体结果如下：

附图7中，附加功率控制器在t＝22.9s投入，t＝25s时联络线开关brk1跳闸，换流站转为无源供电模式，由附图7可知投入附加功率控制器不会对运行模式切换的动态过程产生不利影响。

实施例4：以附图6所示的系统仿真模型为例，对电网频率波动时的情况进行仿真验证，具体结果如下：

附图8表明，采用附加功率控制器后有功功率受电网频率波动的影响很小，仅经历极短的时间即迅速回归指令值，功率最大波动仅在3mw范围内，因此可以认为此方案实现了功率精准控制，弥补了同步电机模拟控制的不足。

附图9至附图10为电网暂态频率波动时换流站各变量的仿真结果。设t＝24s时本地电网频率升至50.1hz，附加功率控制器因ferr绝对值越限而自动切除，此时主电网参与对本地电网的功率调节。如附图9所示，t＝26s时电网频率降至49.98hz，属静态频率波动，此时不希望主电网参与功率调节。如附图10所示，引入附加功率控制器后，换流站在此时不参与功率调节，其传输功率维持在指令值200mw不变，实现了换流站参与功率调节的选择性。

实施例5：以附图6所示的系统仿真模型为例，对交流系统故障时的情况进行仿真验证，具体结果如下：

设换流站联网运行至t＝25s时pcc2处发生三相接地短路故障，0.1s后清除，各变量的波形如附图11至附图14所示。可知采用同步电机模拟控制策略时，受惯性系数tj的影响，换流站与电网同步时间长，故障后呈现很大的功率冲击，但功率环指令频率暂态波动小；引入附加功率控制器后，故障时附加功率控制因ferr绝对值越限而自动切除，故障后换流站可以在很短时间内实现有功功率同步，有效抑制功率振荡，实现了功率快速控制。尽管故障时指令频率暂态波动变大，但故障后可快速与电网同步。设换流站过流能力为额定电流的1.1倍，由附图13和14可知，故障期间换流站交流电流均保持在安全范围。

以上技术特征构成了本发明的最佳实施例，其具有较强的适应性和最佳实施效果，可根据实际需要增减非必要的技术特征，来满足不同情况的需求。