电网故障下增强MMC换流站功率送出能力的控制方法及系统与流程

本发明涉及一种电网故障下增强mmc换流站功率送出能力的控制方法及系统，适用于电力电子技术领域。

背景技术：

随着全球环境污染与能源危机问题的日益严峻，大力发展可再生能源成为了世界各国发展的共识。柔性直流输电技术在大规模可再生能源的汇集和输送过程中有十分良好的应用前景，取得了广泛的关注。尤其对于远距离海上风电场来说，柔性直流输电技术已经成为其接入陆上大电网的最优选择。与基于两电平或三电平拓扑的柔性直流输电技术相比，基于模块化多电平换流器(mmc)拓扑的柔性直流输电技术具有制造难度低，波形质量高，运行损耗低等优点，因而得到了广泛应用。

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，已有的研究主要集中于在故障发生时投入dcchopper消耗掉盈余的功率，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。

事实上，交流大电网的故障以单相短路故障等不对称故障居多，当不对称故障发生时，mmc换流站仍然具备一定的功率输送能力。此时，考虑如何通过采用合适的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，对于mmc换流站来说，当大电网发生单相接地等电压不对称跌落故障时，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。

技术实现要素：

针对上述存在的问题，提供一种电网故障下增强mmc换流站功率送出能力的控制方法及系统，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的投入次数。

本发明所采用的技术方案是：一种电网故障下增强mmc换流站功率送出能力的控制方法，其特征在于：通过一个二阶广义积分器实现了对于零序电流成分的抑制，并与正负序解耦控制方法相结合，在电网电压不对称跌落时对电流中的零序分量与负序分量进行充分抑制，从而提升mmc换流站的功率送出能力。

包括如下步骤：

采集mmc交流电网侧三相电压usabc，三相电流isabc和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；

利用锁相环获取电网侧三相电压usabc相位角θv和角频率ωv；根据mmc上、下桥臂电流ipabc和inabc计算得到mmc三相内部环流icabc；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；

对电网侧三相电压电流usabc和isabc进行park变换，对应得到同步旋转d-q-0坐标系下的电压矢量usdq0和电流矢量ivdq0；

采用二阶广义积分器对零序电流分量iv0进行单独控制，将其参考值给定为零；该二阶广义积分器的输出作为mmc参考差模电压的零序分量udifref0；

采用pi控制器对直流母线电压udc及无功功率qs进行控制，分别使其跟随给定的参考值udcref及qsref，两个pi控制器的输出分别作为正序电流d轴和q轴的参考值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。

对电压电流矢量usdq的ivdq的d、q轴分量进行正负序分离，得到其在正转同步坐标系下的正序分量usdq+和ivdq+，以及在反转同步坐标系下的负序分量usdq-和ivdq-；分别通过两组pi控制器在正转、反转两个坐标系下对正序、负序电流ivdq+、ivdq-进行控制，其中正序电流参考值为ivdqref+，负序电流参考值为零，得到mmc参考差模电压的正序分量udifrefdq+和负序分量udifrefdq-；

将udifrefdq-变换到正转同步坐标系中，与udifrefdq+相加，得到mmc参考差模电压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；

利用park变换将三相内部环流icabc变换到以-2θv进行旋转的d^-2-q^-2旋转坐标系中得到内部环流icdq；在d^-2-q^-2坐标系下采用pi控制器对内部环流icdq进行控制，其d、q轴参考值icdqref均给定为零，pi控制器的输出作为mmc参考共模电压ucomrefdq；

利用反park变换将mmc参考差模电压udifrefdq0与mmc参考共模电压ucomrefdq变换到静止三相坐标系中得到udifrefabc与ucomrefabc，经过计算得到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。

所述电网侧三相电压电流usabc和isabc根据以下算式进行park变换得到电压矢量usdq0和电流矢量ivdq0：

其中：usa、usb和usc分别为电压usabc对应a、b、c三相上的电压，isa、isb和isc分别为电流isabc对应a、b、c三相上的电流，usd、usq和us0对应为电压矢量usdq0的d轴、q轴和0轴分量，ivd、ivq和iv0对应为电流矢量ivdq0的d轴，q轴和0轴分量。

所述mmc参考差模电压的零序分量udifref0根据以下方法得到：

udifref0＝fsogi(s)(0-iv0)

其中：fsogi(s)为二阶广义积分器的传递函数，kg为二阶广义积分器的增益系数，ωc为截止频率，ωr为谐振频率。

所述谐振频率ωr选择±50hz，截止频率ωc选择12hz。

所述mmc参考差模电压udifrefdq0根据以下方法得到：

其中，udifrefd+、udifrefq+对应为正序电压矢量udifrefdq+的d轴、q轴分量，udifrefd-、udifrefq-对应为负序电压矢量udifrefdq-的d轴、q轴分量。

所述mmc参考差模电压udifrefdq0与mmc参考共模电压ucomrefdq根据以下算式进行反park变换得到udifrefabc与ucomrefabc：

其中，udifrefd、udifrefq和udifref0对应为电压矢量udifrefdq0的d轴、q轴和0轴分量，udifrefa、udifrefb和udifrefc对应为电压矢量udifrefabc的a轴、b轴和c轴分量，ucomrefd、ucomrefq对应为电压矢量ucomrefdq的d轴、q轴分量，ucomrefa、ucomrefb和ucomrefc对应为电压矢量ucomrefabc的a轴、b轴和c轴分量。

根据以下方法计算mmc上、下桥臂的参考电压uprefabc与unrefabc：

其中，uprefa、uprefb和uprefc对应为电压矢量uprefabc的a轴、b轴和c轴分量，unrefa、unrefb和unrefc对应为电压矢量uprefabc的a轴、b轴和c轴分量。

一种基于所述控制方法的控制系统，其特征在于，包括：

电压传感器，用于检测电网侧三相电压usabc；

电流传感器ⅰ，用于检测电网侧三相电流isabc；

电流传感器ⅱ，用于检测联接变压器阀侧三相电流ivabc；

锁相环模块，用于获取电网侧三相电压usabc相位角θv和角频率ωv；

功率计算模块，用于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；

坐标变换与正负序分离模块，用于对电网侧三相电压电流usabc和isabc进行park变换，对应得到同步旋转d-q-0坐标系下的电压矢量usdq0和电流矢量ivdq0；用于利用park变换将三相内部环流icabc变换到以-2θv进行旋转的d^-2-q^-2旋转坐标系中得到内部环流icdq；

零序电流抑制模块，用于采用二阶广义积分器对零序电流分量iv0进行单独控制，将其参考值给定为零；该二阶广义积分器的输出作为mmc参考差模电压的零序分量udifref0；

直流母线电压与无功功率控制器，用于采用pi控制器对直流母线电压udc及无功功率qs进行控制，分别使其跟随给定的参考值udcref及qsref，两个pi控制器的输出分别作为正序电流d轴和q轴的参考值ivdqref+；

正负序电流控制器，用于分别通过两组pi控制器在正转、反转两个坐标系下对正序、负序电流ivdq+、ivdq-进行控制，其中正序电流参考值为ivdqref+，负序电流参考值为零，得到mmc参考差模电压的正序分量udifrefdq+和负序分量udifrefdq-；

参考差模电压计算模块，用于将udifrefdq-变换到正转同步坐标系中，与udifrefdq+相加，得到mmc参考差模电压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，利用反park变换将mmc参考差模电压udifrefdq0变换到静止三相坐标系中得到udifrefabc；

内部环流控制器，用于在d^-2-q^-2坐标系下采用pi控制器对内部环流icdq进行控制，其d、q轴参考值icdqref均给定为零，pi控制器的输出作为mmc参考共模电压ucomrefdq，利用反park变换将mmc参考共模电压ucomrefdq变换到静止三相坐标系中得到ucomrefabc；

桥臂电压计算模块，用于根据udifrefabc与ucomrefabc，经过计算得到mmc上、下桥臂的参考电压uprefabc与unrefabc；

调制模块，用于根据mmc上、下桥臂的参考电压uprefabc与unrefabc，采用最近电平逼近法输出开关开断信号，实现对mmc的控制。

本发明的有益效果是：本发明在电网电压发生不对称跌落故障时，通过对电流中的零序分量与负序分量进行抑制，能够有效提升mmc换流站的功率送出能力，从而减少dcchopper的投入次数，在故障较轻时甚至能够在无需投入dcchopper的条件下实现系统的故障穿越运行。

本发明通过一个二阶广义积分器实现了对于零序电流成分的抑制，实现方式十分简单，并将这种方法与已有的正负序解耦控制方法相结合，验证了这种改进控制方法与本领域已有研究的兼容性，说明这种方法能够广泛地应用到已有的控制策略中，具有较强的实用性。

附图说明

图1为mmc换流站的结构示意图。

图2为实施例中控制方法的系统实现原理示意图。

图3为验证实施例有效性的基于pscad/emtdc仿真环境的模型结构示意图。

图4中为采用传统控制策略的仿真波形。

图5为采用本发明中增强mmc换流器功率送出能力控制策略的仿真波形。

具体实施方式

如图1、图2所示，本实施例为一种电网电压不对称跌落故障下增强mmc换流站功率送出能力的控制系统，系统包括mmc换流站1、联接组别为y0/y0的联接变压器2、用于检测电网侧三相电压的电压传感器3、用于检测电网侧三相电流的电流传感器ⅰ4、用于检测联接变压器阀侧三相电流的电流传感器ⅱ5，该系统的控制环节包括锁相环模块6、坐标变换与正负序分离模块7、功率计算模块8、零序电流抑制模块9、直流母线电压与无功功率控制器10、正负序电流控制器11、参考差模电压计算模块12，内部环流控制器13、桥臂电压计算模块14和调制模块15。

本实施例中该控制系统的控制方法包括以下步骤：

利用电压传感器3采集mmc交流电网侧三相电压usabc；利用电流传感器4采集三相电流isabc，利用电流传感器5采集联接变压器阀侧三相电流ivabc，利用mmc换流站内部的传感器采集mmc上、下桥臂电流ipabc和inabc，以及直流侧直流母线电压udc，并将其全部折算为标幺值。

通过锁相环6得到电压相位角θv和角频率ωv，根据mmc上、下桥臂电流ipabc和inabc，计算得到mmc三相内部环流icabc，计算方法如下：

其中：ipa、ipb、ipc分别为上桥臂电流ipabc对应a相、b相、c相上的电流，ina、inb、inc分别为下桥臂电流inabc对应a相、b相、c相上的电流，ica、icb、icc分别为三相内部环流icabc对应a相、b相、c相上的电流。

根据电网侧三相电压电流usabc和isabc，利用功率计算模块7计算得到mmc输出的有功功率ps及无功功率qs；，计算方法如下：

其中：usa，usb和usc分别为电压usabc对应a相、b相、c相上的电压，isa，isb和isc分别为电流isabc对应a相、b相、c相上的电流。

利用坐标变换与正负序分离模块8分别对三相电压usabc和三相电流ivabc进行park变换，对应得到同步旋转d-q-0坐标系下的电压矢量usdq0和电流矢量ivdq0，计算方法如下：

其中：usd、usq和us0对应为电压矢量usdq0的d轴、q轴和0轴分量，ivd、ivq和iv0对应为电流矢量ivdq0的d轴、q轴和0轴分量；

再对其中的d轴，q轴分量进行正负序分离，得到其在正转同步坐标系下的正序分量usdq+和ivdq+，以及在反转同步坐标系下的负序分量usdq-和ivdq-。

在零序电流抑制模块9中，采用二阶广义积分器对零序电流分量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，二阶广义积分器的输出作为mmc参考差模电压的零序分量udifref0，控制器如下：

udifref0＝fsogi(s)(0-iv0)

其中：fsogi(s)为二阶广义积分器的传递函数，kg为二阶广义积分器的增益系数，ωc为截止频率，ωr为谐振频率，在实施例中，谐振频率选择为±50hz，截止频率选择为12hz。

采用直流母线电压和无功功率控制器10对直流母线电压udc及无功功率qs进行控制，分别使其跟随给定的参考值udcref及qsref，两个控制器的输出分别作为正序电流d轴和q轴的参考值ivdqref+。

采用正负序电流控制器11对正序电流ivdq+和负序电流ivdq-进行控制，其中，正序电流参考值采用参考值ivdqref+，负序电流参考值为零，控制器的输出作为mmc参考差模电压的正序分量udifrefdq+和负序分量udifrefdq-。

在参考差模电压计算模块12中，将udifrefdq-变换到正转同步坐标系中，与udifrefdq+相加，得到mmc参考差模电压d、q轴分量udifrefdq，再mmc参考差模电压的零序分量udifref0组合，得到最终的参考差模电压udifrefdq0，计算过程如下：

其中，udifrefd+,udifrefq+对应为正序电压矢量udifrefdq+的d轴，q轴分量，udifrefd-,udifrefq-对应为负序电压矢量udifrefdq-的d轴，q轴分量。

利用反park变换将udifrefdq0变换到静止三相坐标系中得到udifrefabc，计算方法如下：

其中，udifrefd,udifrefq和udifref0对应为电压矢量udifrefdq0的d轴，q轴和0轴分量，udifrefa,udifrefb和udifrefc对应为电压矢量udifrefabc的a轴，b轴和c轴分量。

利用坐标变换与正负序分离模块8将三相内部环流icabc变换到以-2θv进行旋转的d^-2-q^-2旋转坐标系中得到内部环流矢量icdq，然后在d^-2-q^-2坐标系下采用内部环流控制器13对内部环流icdq进行控制，其d、q轴参考值icdqref均给定为零，控制器的输出作为mmc参考共模电压ucomrefdq。

利用反park变换将ucomrefdq变换到静止三相坐标系中得到ucomrefabc，计算方法如下：

其中，ucomrefd，ucomrefq对应为电压矢量ucomrefdq的d轴，q轴分量，ucomrefa,ucomrefb和ucomrefc对应为电压矢量ucomrefabc的a轴，b轴和c轴分量。

利用桥臂电压计算模块14得到mmc上、下桥臂的参考电压uprefabc与unrefabc，再利用采用最近电平逼近法的调制模块15输出开关开断信号，实现对mmc的控制，其中，上、下桥臂参考电压的计算方法如下：

其中，uprefa,uprefb和uprefc对应为电压矢量uprefabc的a轴，b轴和c轴分量，unrefa,unrefb和unrefc对应为电压矢量uprefabc的a轴，b轴和c轴分量。

图3为验证本发明有效性的基于pscad/emtdc仿真环境的模型结构示意图。仿真过程中，海上mmc换流器向陆上侧发送恒定功率，在3s时陆上交流电网发生单相电压短路故障，故障持续1s，在4s时交流电网恢复正常。

图4中为采用传统控制策略的仿真波形。图4(a)中，从上至下分别为mmc变流站向交流电网送出的有功功率波形，电压波形，与电流波形；图4(b)中为dcchopper的动作信号。从仿真结果可以看出，在电网电压发生电压跌落故障后，mmc换流站输出功率受到限制，从930mw跌落至850mw，为了防止过剩的功率使直流母线电压过度升高造成系统脱网，需要投入dcchopper消耗掉一部分能量，在1s时间内共投入4次dcchopper。

图5为采用本实施例增强mmc换流器功率送出能力控制策略的仿真波形。图5(a)中，从上至下分别为mmc变流站向交流电网送出的有功功率波形，电压波形，与电流波形；图5(b)中为dcchopper的动作信号。从仿真结果可以看出，故障发生后达到稳定状态时，mmc换流站输出功率能力没有明显降低，与传统方法相比有显著提高，因此，在1s的故障时间内，只需要在故障初期投入一次dcchopper，就能够实现系统的故障穿越运行。这是由于采用改进方法时，输出电流中的零序分量得到有效抑制，在电流达到限流值时，有效电流所占比例增加，增强了系统的功率输出能力。

综上所述，采用本实施例增强mmc换流站功率送出能力的控制方法，可以在电网发生不对称电压跌落故障时，有效抑制输出电流中的零序分量，增强mmc换流站输出功率能力，从而减少dcchopper的投入次数，甚至能够在无需投入dcchopper的条件下实现系统的故障穿越运行；本实施例提出的改进控制策略实现十分简单，具有较强的实用性。