一种基于暂稳态协同的混合MMC虚拟惯性控制策略

本发明属于模块化多电平换流器，具体涉及一种基于暂稳态协同的混合mmc虚拟惯性控制策略。

背景技术：

1、柔性直流电网是现代电网发展的重要方向，其中模块化多电平换流器凭借谐波含量少、开关频率低、可靠性高等优势已经在柔性直流工程中广泛应用。然而，由于换流站设备高度电力电子化，具有“低惯性，弱阻尼”的特征。当发生负荷波动时，极易引起直流电压的剧烈波动，严重时会导致直流电网失稳。对直流电网的安全运行带来极大的隐患。同时，当直流侧发生双极短路故障时，子模块电容中存储能量连同交流能量一同向短路点馈入，将导致短路电流迅速上升至额定电流的数倍甚至数十倍，给电力系统的运行以及换流站中的电力电子器件带来严重的危害。

2、采用基于直流电压的虚拟惯性环节可以增强直流电网的惯性，提高其稳态下的抗扰动能力。但当直流侧发生双极短路故障时，惯性环节会持续的为直流系统馈入能量，加快故障电流的上升。而采用混合mmc的主动限流控制，虽然可以隔离直流故障，完成故障穿越，但在故障初始阶段存在一定的动作“死区”，在初始阶段内故障电流的升高便足以使得换流站闭锁。而在穿越环节采用的电压前馈控制来解决“死区”时间又会加剧稳态下直流电压的波动。

3、稳态下的惯性环节与暂态下的穿越环节，控制逻辑相互矛盾，在控制上往往表现出顾此失彼的情况，因此如何协调稳态惯性控制环节与暂态穿越控制环节，使得彼此可以互相兼顾，对增加电网惯性，增强其抗干扰能力，并进行故障穿越，为交流系统提供一定支撑能力，具有重要的意义。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于暂稳态协同的混合mmc虚拟惯性控制策略，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

3、一种基于暂稳态协同的混合mmc虚拟惯性控制策略，所述控制策略包括附带虚拟电感控制策略的直流环与附带虚拟电容控制策略的交流环，其特征在于，所述直流环的输入量包括直流电流的设定值idcref，直流电流的反馈值idc，换流器出口侧的直流电压udc，直流电压的设定值udcref，子模块电容电压额定值ucn，所述交流环的输入量包括子模块电容电压的设定值ucn_ref，子模块电容电压反馈值的平均值uc_avg，换流器出口侧的直流电压udc，交流侧三相电流经过dq变换后的电流反馈值isd，isq，交流侧三相电压经过dq变换后的电压反馈值usd，usq；

4、当mmc未切换至故障穿越模式时，直流电流设定值idcref的平方减去直流电流反馈值idc的平方后，得到的信号与将该信号经过一阶低通滤波环节1/(1+st)后的信号作差，再乘lvir/2t，得到虚拟电感上的能量δp，将δp与直流电流idc相除得到虚拟电感上的压降δu，此时，该信号到达滞环比较环节，通过比较直流电压udc与阈值的大小，若大于阈值，则将该信号置0，直流环直接由直流电压的设定值udcref除以子模块电容电压额定值ucn输出，若小于阈值，则将直流电压的设定值udcref与虚拟电感上的压降δu作差后除以子模块电容电压的额定值ucn得到直流侧投入子模块数量m；

5、所述直流电压设定值ucn_ref的平方减去直流电压反馈值uc_avg的平方后，得到的信号与将该信号经过一阶低通滤波环节1/(1+st)后的信号作差，再乘cvir/(3tusd)，得到虚拟电容上的能量δp，将δp与直流电压相除得到虚拟电容上的有功电流δidvir，此时，该信号到达动态限幅环节，若δidvir大于设定的最大值时，则限幅环节上限设置为0，下限设置为无穷大，当δidvir小于设定的最小值时，则限幅环节下限设置为0，上限设置为无穷大，当δidvir处在限幅环节设定值之间时，不对其做限幅处理，传统的混合mmc有功外环为将子模块电容电压的设定值与子模块电容电压反馈值的平均值作差后经pi环节得到有功电流idsm，将有功电流与虚拟有功电流相加后得到电流内环的有功设定值id*。

6、本发明的有益效果：

7、1、本发明控制策略包括直流控制环中的附加虚拟电感控制与交流控制环中的附加基于子模块电容的虚拟惯性控制环，附加虚拟电感控制相当于在换流器出口测串联一个等效虚拟电感，可以减小在故障初始阶段，即故障发生至保护装置检测到故障并发出穿越控制信号前的短路电流，附加基于子模块电容的虚拟惯性控制环相当于在子模块电容两端并联一个等效虚拟电容，既可以增加在直流故障下子模块电容电压的惯性，使之快速回到设定值，又可以增加在稳态负荷波动下直流电压的惯性，增强其抗干扰能力；

8、2、本发明控制策略为了实现暂稳态控制环互不影响，在虚拟电感出口侧增设滞环比较环节，同时为了解决电压惯性较大时调节时间过长的问题，在基于子模块电容的虚拟惯性环节中添加自适应动态限幅环节；

9、3、本发明控制策略从仿真结果来看，暂态过程下的短路电流可以降低至原来的40％，子模块电容电压波动峰值降低至原来的一半，在稳态过程下，当负荷发生扰动时，直流电压波动减少至原来的一半，本控制策略具有优越性。

技术特征：

1.一种基于暂稳态协同的混合mmc虚拟惯性控制策略，所述控制策略包括附带虚拟电感控制策略的直流环与附带虚拟电容控制策略的交流环，其特征在于，所述直流环的输入量包括直流电流的设定值idcref，直流电流的反馈值idc，换流器出口侧的直流电压udc，直流电压的设定值udcref，子模块电容电压额定值ucn，所述交流环的输入量包括子模块电容电压的设定值ucn_ref，子模块电容电压反馈值的平均值uc_avg，换流器出口侧的直流电压udc，交流侧三相电流经过dq变换后的电流反馈值isd，isq，交流侧三相电压经过dq变换后的电压反馈值usd，usq；

2.根据权利要求1所述的一种基于暂稳态协同的混合mmc虚拟惯性控制策略，其特征在于，在暂态过程当中，为防止换流站闭锁，增加换流站出口侧的等效电抗。

3.根据权利要求1所述的一种基于暂稳态协同的混合mmc虚拟惯性控制策略，其特征在于，当直流侧发生双极短路故障时，其等效kvl方程式如下式：

4.根据权利要求3所述的一种基于暂稳态协同的混合mmc虚拟惯性控制策略，其特征在于，在控制环的构造上应增大计算时的采样时间差，以差值来代替微分项，以减小高频信号的干扰，同时由于直流电流正常工作时在额定值附近，将所述控制器直流输出量公式修改为：

5.根据权利要求4所述的一种基于暂稳态协同的混合mmc虚拟惯性控制策略，其特征在于，将虚拟电感的表达式转换至控制环当中，在控制环的出口侧设置滞环比较环节，当直流电压大于0.7p.u时，认为线路仍正常工作，仅为负荷波动引起的电压波动；当直流电压小于0.7p.u时，认为线路不在正常工作范围，即发生了直流短路故障，因此虚拟电感环节投入工作，抑制短路电流的上升，当直流电压小于0.69p.u时，虚拟电感控制环启动；当直流电压大于0.71p.u时，虚拟电感环节不启动。

6.根据权利要求1所述的一种基于暂稳态协同的混合mmc虚拟惯性控制策略，其特征在于，对于混合mmc的稳态环节，针对直流电压惯性较弱的特点，采用基于子模块电容电压的虚拟惯性控制，此时交直流侧的功率平衡关系表示为：

7.根据权利要求6所述的一种基于暂稳态协同的混合mmc虚拟惯性控制策略，其特征在于，由于母线电压均在额定值附近，将所述惯性功率的表达式进行积分操作修改后得：

8.根据权利要求7所述的一种基于暂稳态协同的混合mmc虚拟惯性控制策略，其特征在于，对于微分环节，在控制上应增大计算时的采样时间差，以插值形式来代替微分项，从而减弱高频信号的干扰。

技术总结
本发明公开了模块化多电平换流器技术领域的一种基于暂稳态协同的混合MMC虚拟惯性控制策略，所述控制策略包括附带虚拟电感控制策略的直流环与附带虚拟电容控制策略的交流环。本发明控制策略可以增加在直流故障下子模块电容电压的惯性，使之快速回到设定值，又可以增加在稳态负荷波动下直流电压的惯性，增强其抗干扰能力；暂态过程下的短路电流可以降低至原来的40％，子模块电容电压波动峰值降低至原来的一半，在稳态过程下，当负荷发生扰动时，直流电压波动减少至原来的一半，本控制策略具有优越性。

技术研发人员：梅军,郭家炜,刁伟业,沃任飞,张森,雷刘鹏,王临远,刘雷,刘骜
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13