基于谐振控制器的MMC换流站低电压穿越方法及控制系统与流程

本发明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领域。

背景技术：

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。

技术实现要素：

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。

本发明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。

所述mmc参考差模电压的零序分量udifref0根据以下方法得到：

其中，udifrefd1、udifrefq1对应为电压矢量udifrefdq1的d轴、q轴分量，udifrefd2、udifrefq2对应为电压矢量udifrefdq2的d轴、q轴分量。

所述mmc参考共模电压ucomrefabc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，ucomrefa、ucomrefb和ucomrefc对应为电压矢量ucomrefabc的a轴、b轴和c轴分量，ica、icb和icc对应为三相内部环流icabc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，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；

坐标变换模块，用于对电网侧三相电压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；

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，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；

差模电流控制器，用于采用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；

负序电流抑制模块，用于采用谐振频率在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；

零序电流抑制模块，用于采用谐振频率在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；

参考差模电压计算模块，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；

内部环流控制器，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；

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，能够有效提升mmc换流站的功率送出能力，从而减少dcchopper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dcchopper的条件下实现系统的故障穿越运行。

本发明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，控制结构十分简单，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为采用实施例中基于谐振控制器的mmc换流站低电压穿越方法的仿真波形。

具体实施方式

如图1、图2所示，本发明中的电网电压不对称跌落故障下基于谐振控制器的mmc换流站低电压穿越系统，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4、用于检测联接变压器阀侧三相电流的电流传感器5；该系统的控制环节包括锁相环模块6、功率计算模块7、坐标变换模块8、直流母线电压与无功功率控制器9、差模电流控制器10、负序电流抑制模块11、零序电流抑制模块12、参考差模电压计算模块13、内部环流控制器14、桥臂电压计算模块15和调制模块16。

本实施例中系统基于谐振控制器的mmc换流站低电压穿越方法包括以下步骤：

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ⅰ4采集三相电流isabc，利用电流传感器ⅱ5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得到电网侧三相电压usabc的相位角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。

采用直流母线电压和无功功率控制器9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电流d、q轴的参考值ivdqref，控制器的实现方式如下：

其中：fpi(s)为pi控制器的传递函数，kp为比例系数，ki为积分系数，控制变量不同时，比例与积分系数要根据实际情况进行调节，ivdref,ivqref对应为电流矢量ivdqref的d轴，q轴分量。

在同步旋转坐标系下采用差模电流控制器10对电流ivdq进行控制，其d、q轴参考值为ivdqref，控制器的输出作为mmc参考差模电压的直流分量udifrefdq1，控制器的实现方式如下：

其中，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。

在负序电流抑制模块11中，采用谐振频率为±100hz的谐振控制器对电流ivdq进行控制，将其参考值给定为零，以实现对负序电流的抑制，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，控制器的实现方式如下：

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，在实施例中，谐振频率选择为±100hz，截止频率选择为12hz；udifrefd2、udifrefq2对应为电压矢量udifrefdq2的d轴、q轴分量。

在零序电流抑制模块12中，采用谐振频率为±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，控制器的实现方式如下：

udifref0＝fr50(s)(0-iv0)

其中：fr50(s)为谐振控制器的传递函数，在本步骤中，谐振频率选择为±50hz，截止频率选择为12hz。

在参考差模电压计算模块13中，将参考值差模电压的直流分量udifrefdq1与二倍频脉动分量udifrefdq2相加，得到最终的参考差模电压udifrefdq，再与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：

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，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。

在内部环流抑制模块14中，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，以实现对内部环流的抑制，谐振控制器的输出作为mmc参考共模电压ucomrefabc，控制器的实现方式如下：

其中，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15，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，再利用采用最近电平逼近法的调制模块16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换流站输出电流中存在较多的零序与负序分量，其输出功率受到限制，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为采用本发明中基于谐振控制器的mmc换流站低电压穿越方法的仿真波形。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，故障发生时，输出电流中的零序与负序分量得到了有效抑制，mmc换流站输出功率能力没有明显降低，且与传统方法相比有显著提高，因此，在1s的故障时间内，直流母线电压不会升高到超过阈值，无需投入dcchopper即可实现故障穿越。

综上所述，采用本实施例中的基于谐振控制器的mmc换流站低电压穿越方法，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负序和零序分量，增强mmc换流站输出功率能力，从而减少dcchopper的设计容量，降低工程建设成本，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；本发明中的低电压穿越方法实现十分简单，具有较强的工程实用价值。

上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。