一种适用于模块化多电平换流器的增强直流短路故障穿越控制方法与流程

本发明涉及电力系统柔性直流输配电，具体涉及一种适用于模块化多电平换流器直流单极接地短路故障的故障穿越控制方法，属于输配电技术领域。

背景技术：

相比传统的两电平和三电平换流器，模块化多电平换流器(modularmultilevelconvener，mmc)运行损耗更低，输出电压波形质量更高，可以通过增加子模块数灵活地扩展其电压功率等级，能够有效避免大量开关器件串联使用所带来的一系列问题，在柔性直流输电领域取得了广泛的应用。

模块化多电平变流器高压直流(modularmulti-levelconverter-highvoltagedirectcurrent，mmc-hvdc)输电系统发生直流单极接地短路故障时，该极不仅失去了输电能力，且桥臂电容的迅速放电，也会引起严重的过电流问题，此时mmc-hvdc系统的正、负两极的控制目标不再相同，对应的控制指令需要重新制定，有功无功的容量分配也需要重新优化。因此，为了提高mmc-hvdc在直流单极接地短路故障下的故障穿越能力，提出直流单极接地短路故障下的故障穿越控制方法，需进一步对直流单极接地短路故障下mmc-hvdc的故障穿越控制方法进行深入研究。目前，针对mmc-hvdc的直流侧故障穿越控制技术，国内外学者已开展了相关研究，如已公开的下列文献：

(1)孔明,汤广福,贺之渊.子模块混合型mmc-hvdc直流故障穿越控制策略[j].中国电机工程学报,2014,34(30):5343-5351.

(2)yuxinyu,weiyingdong,jiangqirong.statcomoperationschemeofthecdsm-mmcduringapole-to-poledcfault[j].ieeetransactionsonpowerdelivery,2016,31(3):1150-1159.

文献(1)和(2)针对mmc-hvdc系统直流双极短路故障场景，提出了相应的故障穿越控制策略，但并没有考虑mmc-hvdc系统单极接地短路故障。

技术实现要素：

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提出一种适用于mmc-hvdc系统直流单极接地短路故障下的故障穿越控制方法，本方法不仅明确了mmc-hvdc系统在发生直流单极接地短路故障时送端和受端正、负极(故障所在极及另一极)的控制目标，并优化了其有功和无功功率配置原则，能够充分利用mmc-hvdc系统容量为电网提供有功和无功支撑，从而提高mmc-hvdc系统在直流单极接地短路下故障穿越能力及其所联交流电网的稳定运行能力。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种适用于模块化多电平换流器的增强直流短路故障穿越控制方法，所述短路故障为正负两极中仅其中一极发生的单极接地短路故障，其特征在于：本控制方法涉及故障所在极的控制和与故障所在极相对的另一极的控制，各极控制步骤分别如下：

(a)对故障所在极的控制步骤为：

a1)分别采集交流电网三相电压信号uabc，mmc-hvdc系统的故障所在极三相桥臂电流信号iuabc，以及子模块电容电压ucj，j＝1...n，其中n为桥臂的子模块数；

a2)将交流电网三相电压信号uabc经过静止三相abc坐标系到静止两相αβ坐标轴系的恒功率坐标变换，转换为静止两相αβ坐标轴系下的电压信号，即uα、uβ；

a3)采用电网电压d轴定向方式，分别将步骤a2)所得静止两相αβ坐标轴系下的电压信号uα、uβ经静止两相αβ坐标轴系到正向同步旋转坐标轴系的恒功率变换，得到交流电网三相电压在正向同步旋转坐标轴系下的dq轴分量，即ud、uq；

a4)将采集到的mmc-hvdc系统故障所在极三相桥臂电流信号iuabc经过静止三相abc坐标轴系到静止两相αβ坐标轴系的恒功率坐标变换得到静止两相αβ坐标轴系下的电流iuα、iuβ；

a5)将步骤a4)所得静止两相αβ坐标轴系下mmc-hvdc系统故障所在极三相桥臂电流iuα、iuβ经静止两相αβ坐标轴系到正向同步旋转坐标轴系的恒功率变换得到mmc-hvdc系统故障所在极三相桥臂电流在正向同步旋转坐标轴系下的dq轴分量，即iud、iuq；

a6)将步骤a3)所得到交流电网三相电压在正向同步旋转坐标系下的dq轴分量ud、uq，各子模块电容电压ucj，以及该故障所在极的无功功率指令qu^*，按照下式计算故障所在极dq轴电流的输出参考值，得到mmc-hvdc系统送、受端故障所在极能够维持各子模块电容电压恒定，并提供相应无功支撑所需的未经限幅的dq轴电流参考值

其中，uc0为子模块电容电压的额定值，kp1和τi1分别为控制系统中功率和电压外环pi控制器的比例系数和积分时间常数，qu^*为mmc-hvdc系统故障所在极的无功功率给定值，qu为故障所在极提供的实际无功功率，|qu^*|最大不得超过故障所在极额定容量；

a7)将步骤a6)计算得到电流参考值输送至mmc-hvdc系统的电流内环控制环节，得到mmc-hvdc系统故障所在极在正向同步旋转坐标系下的正序控制电压dq轴分量

a8)将步骤a7)得到的mmc-hvdc系统故障所在极的正序控制电压dq轴分量分别经过正向同步旋转坐标轴系到静止两相αβ坐标轴系的恒功率变换得到静止两相αβ坐标轴系下正序控制电压vαβ；

a9)将步骤a8)得到的mmc-hvdc系统故障所在极的正序控制电压vαβ通过调制产生pwm驱动信号；

(b)对mmc-hvdc系统与故障所在极相对的另一极的控制步骤为：

b1)采集mmc-hvdc系统该另一极三相桥臂电流信号ilabc；

b2)将采集到的mmc-hvdc系统该另一极三相桥臂电流信号ilabc经过静止三相abc坐标轴系到静止两相αβ坐标轴系的恒功率坐标变换得到静止两相αβ坐标轴系下的电流ilα、ilβ；

b3)将步骤b2)所得静止两相αβ坐标轴系下mmc-hvdc系统该另一极三相桥臂电流ilα、ilβ经静止两相αβ坐标轴系到正向同步旋转坐标轴系的恒功率变换得到mmc-hvdc系统该另一极三相桥臂电流在正向同步旋转坐标轴系下的dq轴分量，即ild、ilq；

b4)将步骤a3)所得到的交流电网电压在正向同步旋转坐标系下的dq轴分量ud、uq，该另一极的无功功率指令ql^*和有功功率指令pl^*，按照下式，计算该另一极dq轴电流参考值，以确定mmc-hvdc系统送端该另一极能够维持该极直流母线电压恒定，并将剩余容量提供无功需求的未经限幅的dq轴电流参考值

其中，为mmc-hvdc系统正负极直流母线电压的额定值，udc为该极直流母线电压的实际值；kp4和τi4分别为控制系统中外环pi控制器的比例系数和积分时间常数，kp5和τi5分别为控制系统中功率外环pi控制器的比例系数和积分时间常数，pl和ql分别为该另一极提供的实际有功功率和无功功率，qref为整个mmc-hvdc系统的无功总指令，pl^*和ql^*分别为mmc-hvdc系统该另一极的有功、无功功率给定值，pl^*和ql^*值需满足下式限制：

其中，sl为该另一极的额定视在功率，且sl＝0.5p.u.；

b5)将步骤b4)计算得到的送、受端该另一极电流参考值输送至mmc-hvdc系统的该另一极电流内环控制环节，得到mmc-hvdc系统该另一极在正向同步旋转坐标系下的正序控制电压dq轴分量

b6)将步骤b5)得到的mmc-hvdc系统该另一极的正序控制电压dq轴分量分别经过正向同步旋转坐标轴系到静止两相αβ坐标轴系的恒功率变换得到静止两相αβ坐标轴系下正序控制电压vαβ；

b7)将步骤b6)得到的mmc-hvdc系统该另一极的正序控制电压vαβ通过调制产生pwm驱动信号。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明在mmc-hvdc系统单极接地短路故障期间，充分考虑mmc-hvdc单极容量和运行工况，经合理优化和分配后，分别得到mmc-hvdc系统故障所在极及另一极的功率给定指令，使得mmc-hvdc能够在直流单极接地短路故障下充分利用自身容量实现故障穿越，从而显著提高mmc-hvdc的故障穿越能力及其所联交流电网的稳定运行能力。

附图说明

图1为全桥型mmc-hvdc系统的拓扑结构图。

图2为全桥型mmc-hvdc系统子模块的拓扑结构图。

图3为直流单极接地故障控制下mmc-hvdc系统仿真运行效果图。

图4为直流单极接地故障控制下mmc-hvdc系统正负极桥臂子模块电容电压图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方案做详细描述。

图1为mmc-hvdc系统的拓扑结构，其mmc-hvdc系统子模块均为图2所示的全桥型子模块。

本发明短路故障为正负两极中仅其中一极发生的单极接地短路故障，控制方法涉及故障所在极的控制和与故障所在极相对的另一极的控制，具体实施步骤如下：

(a)假设mmc-hvdc系统正极发生单极接地短路故障，此时正极即为故障所在极，此时对正极的控制步骤为：

a1)利用电压霍尔传感器采集交流电网三相电压信号uabc，子模块电容电压ucj(j＝1...n)，其中n为桥臂包含子模块数，利用电流霍尔传感器采集mmc-hvdc系统正极直流电流信号idc_p，以及正极三相桥臂的电流信号iuabc；

a2)将采集的交流电网三相电压信号uabc低通滤波后，经静止三相abc坐标系到静止两相αβ坐标轴系的恒功率坐标变换，转换为静止两相αβ坐标轴系下的电压信号，即uα、uβ；

a3)采用电网电压d轴定向方式，分别将步骤a2)所得静止两相αβ坐标轴系下的电压信号uα、uβ经静止两相αβ坐标轴系到正向同步旋转坐标轴系的恒功率变换，得到交流电网三相电压在正向同步旋转坐标轴系下的dq轴分量，即ud、uq；

a4)将采集到的mmc-hvdc系统正极三相桥臂电流信号iuabc低通滤波后，经过静止三相abc坐标轴系到静止两相αβ坐标轴系的恒功率坐标变换得到静止两相αβ坐标轴系下的电流iuα、iuβ；

a5)将步骤a4)所得静止两相αβ坐标轴系下mmc-hvdc系统正极三相桥臂电流iuα、iuβ经静止两相αβ坐标轴系到正向同步旋转坐标轴系的恒功率变换得到mmc-hvdc系统正极三相桥臂电流在正向同步旋转坐标系下的dq轴分量，即iud、iuq；

a6)将步骤a3)所得的交流电网三相电压在正向同步旋转坐标系下的dq轴分量ud、uq，和步骤a1)采集到的各子模块电容电压ucj，以及正极的无功功率指令qu^*输送至电流参考值计算模块，可确定mmc-hvdc系统送、受端正极能够将各子模块电容电压维持恒定，并提供相应无功支撑所需输出的未经限幅的电流参考值该正极电流参考值计算模块如下式所示：

其中，uc0为子模块电容电压的设计值，kp1和τi1分别为控制系统中功率外环pi控制器的比例系数和积分时间常数，qu^*为mmc-hvdc系统的正极的无功功率给定值，qu为正极提供的实际无功功率，|qu^*|最大不得超过正极额定容量；

a7)将步骤a6)计算得到电流参考值输送至mmc-hvdc系统的电流内环控制环节，得到mmc-hvdc系统正极在正向同步旋转坐标系下的正序控制电压dq轴分量

a8)将步骤a7)得到的mmc-hvdc系统正极控制电压dq轴分量分别经过正向同步旋转坐标轴系到静止两相αβ坐标轴系的恒功率变换得到静止两相αβ坐标轴系下正序控制电压vαβ；

a9)将步骤a8)得到的mmc-hvdc系统控制电压vαβ通过改进的最近电平调制算法，调制产生pwm驱动信号作用于正极的子模块；

(b)模块化多电平换流器负极的控制步骤为：

b1)利用电压霍尔传感器采集交流电网三相电压信号uabc，子模块电容电压ucj(j＝1...n)，其中n为桥臂包含子模块数，利用电流霍尔传感器采集mmc-hvdc系统负极直流电流信号idc_n，以及负极三相桥臂电流信号ilabc；

b2)将采集到的交流电网三相电压信号uabc低通滤波后，经过静止三相abc坐标系到静止两相αβ坐标轴系的恒功率坐标变换，转换为静止两相αβ坐标轴系下的电压信号，即uα、uβ；

b3)采用电网电压d轴定向方式，分别将步骤b2)所得静止两相αβ坐标轴系下的电压信号uα、uβ经静止两相αβ坐标轴系到正向同步旋转坐标轴系的恒功率变换，得到交流电网三相电压的正向同步旋转坐标轴系下的dq轴分量，即ud、uq；

b4)将采集到的mmc-hvdc系统负极三相桥臂电流信号ilabc低通滤波后，经过静止三相abc坐标轴系到静止两相αβ坐标轴系的恒功率坐标变换得到静止两相αβ坐标轴系下的电流ilα、ilβ；

b5)将步骤b4)所得静止两相αβ坐标轴系下mmc负极三相桥臂电流ilα、ilβ经静止两相αβ坐标轴系到正向同步旋转坐标轴系的恒功率变换得到mmc-hvdc系统负极三相桥臂电流在正向同步旋转坐标系下的dq轴分量，即ild、ilq；

b6)将步骤b3)所得的交流电网电压在正向同步旋转坐标系下的dq轴分量ud、uq，该负极的无功功率指令ql^*和有功功率指令pl^*，以及整个mmc-hvdc系统系统的无功总指令qref输送至电流参考值计算模块，可确定mmc-hvdc系统送、受端负极能够维持该极直流母线电压恒定，并将剩余容量提供无功需求所需输出的未经限幅的电流参考值负极电流参考值计算模块如下式所示：

其中，为mmc-hvdc系统正负极直流母线电压的额定值，udc为该极直流母线电压的实际值；kp4和τi4分别为控制系统中外环pi控制器的比例系数和积分时间常数，kp5和τi5分别为控制系统中功率外环pi控制器的比例系数和积分时间常数，pl和ql分别为负极提供的实际有功无功功率，pl^*和ql^*值需满足下式限制：

其中，sl为负极的额定视在功率，且sl＝0.5p.u.；

b7)将步骤b6)计算得到电流参考值输送至mmc-hvdc系统负极的电流内环控制环节，得到mmc-hvdc系统负极在正向同步旋转坐标系下的正序控制电压dq轴分量

b8)将步骤b7)得到的mmc-hvdc系统负极控制电压dq轴分量分别经过正向同步旋转坐标轴系到静止两相αβ坐标轴系的恒功率变换得到静止两相αβ坐标轴系下正序控制电压vαβ；

b9)将步骤b8)得到的mmc-hvdc系统正、负序控制电压uαβ通过改进的最近电平调制算法，调制产生pwm驱动信号作用于负极的子模块。

如果mmc-hvdc系统负极发生单极接地短路故障，此时负极即为故障所在极，此时负极的控制步骤跟前述正极发生单极接地短路故障下正极的控制完全类似，负极故障下正极的控制步骤跟正极故障下负极的控制也完全类似，故在此不赘述。

本发明在不增设硬件设备的前提下，实现了mmc-hvdc系统在直流单极接地故障下的故障穿越控制，充分考虑mmc-hvdc单极容量和运行工况，在保证系统安全运行的同时，最大限度地保证有功传输和无功支撑，以提高mmc-hvdc系统在直流单极接地短路故障下的故障穿越能力和经济运行效益。

图3和图4分别为采用所提控制策略下，mmc-hvdc送端和受端系统的仿真效果图，2.5s时mmc-hvdc系统正极发生接地短路故障，故障发生1ms时投入本发明所提控制方法，mmc-hvdc送端系统在整个故障穿越期间无功指令设为0，mmc-hvdc受端系统无功指令在2.5s-2.575s设为0，在2.575s-2.82s设为0.3p.u.，在2.82s-3.8s设为-0.6p.u.。mmc-hvdc系统的有功指令在2.5s-3.225s设为-0.6p.u.，在3.225s-3.575s设为0，在3.575s-3.8s设置为0.6p.u.，由图3和图4可知，mmc-hvdc送端系统的直流母线电压udc由额定值40kv降为额定值的一半，即20kv，正负极桥臂子模块电压均在采用所提控制策略后稳定在了4kv的额定电压值，正极直流母线电流idc_p逐渐降为0，系统的过压过流得到抑制，其mmc-hvdc送端系统的负极还可以输送一定容量的有功功率。mmc-hvdc受端系统正负极桥臂子模块电压均在采用所提控制策略后也稳定在了4kv的额定电压值，系统在保证优先传输有功功率的同时，还可以迅速为所联交流电网提供一定的无功功率。

最后需要说明的是，本发明的上述实例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。尽管申请人参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。