一种混合型MMC不间断运行的控制方法及控制系统与流程

文档序号：14010269阅读：295来源：国知局

本发明属于电力系统输配电技术领域，更具体地，涉及一种混合型mmc交流不对称故障和直流故障不间断运行的控制方法。

背景技术：

模块化多电平换流器(modularmultilevelconverter，mmc)具有模块化结构、易于拓展等优点，在柔性直流输电领域得到了广泛的应用。在各类mmc拓扑中，基于全桥型子模块(fullbridgesub-module，fbsm)和半桥型子模块(halfbridgesub-module，hbsm)的混合型mmc具有良好的控制特性，通过采用交、直流解耦控制方法，能够在直流故障时不闭锁开关器件igbt、穿越直流故障，是一种具备应用前景的方案。

目前，对于混合型mmc的建模和控制策略均基于三相对称电网，而交流电网发生不对称故障的概率较大，针对电网电压不对称的运行工况，管敏渊等人在《电网故障时模块化多电平换流器型高压直流输电系统的分析与控制》(高电压技术,2013,39(5):1238-1245)中提出了一种基于dq坐标系的矢量控制方法，该方法利用正负序两套pi控制器，在dq坐标系下分别对正序分量和负序分量进行解耦控制。欧朱建等人在《电网电压不对称工况下基于桥臂电流控制的模块化多电平变换器控制策略》(中国电机工程学报,2009,29(00))中提出了一种基于桥臂电流控制的模块化多电平变换器控制策略，采用分层控制，在abc坐标系下对桥臂进行直接控制。

但是，上述方案都只针对交流侧的电气量进行控制，控制结构存在缺陷，无法对直流侧的电气量进行控制；并且，上述方案都不具备直流故障处理能力，无法保证混合型mmc在交流不对称故障和直流故障期间的不间断运行。

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提出了一种电网不对称故障下混合型mmc不间断运行的控制方法，其目的在于重新设计现有的混合型mmc的控制方法，使得正常运行以及交流不对称故障期间，可以确保交直流电流、电压维持在安全范围内，从而实现混合型mmc的不间断运行。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种混合型mmc不间断运行的控制方法，包括如下步骤：

(1)通过交流电流控制获取各相上、下桥臂交流输出电压参考值；

(2)通过直流电流控制获取直流电压参考值；

(3)测量各相上、下桥臂电流，对测量的各相上、下桥臂电流进行负序环流抑制控制，得到各相上、下桥臂负序二倍频环流抑制参考电压；

(4)通过零序环流抑制控制获取各相上、下桥臂零序环流补偿电势参考值；

(5)将步骤(2)获取到的直流电压参考值，分别减去步骤(1)获取到的各相上桥臂交流输出电压参考值，然后对应地减去步骤(3)获取到的各相上桥臂负序二倍频环流抑制参考电压，最后对应地减去步骤(4)获取到的各相上桥臂零序环流补偿电势参考值，得到各相上桥臂输出电压参考值；将步骤(2)获取到的直流电压参考值，分别减去步骤(1)获取到的各相下桥臂交流输出电压参考值，然后对应地减去步骤(3)获取到的各相下桥臂负序二倍频环流抑制参考电压，最后对应地减去步骤(4)获取到的各相下桥臂零序环流补偿电势参考值，得到各相下桥臂输出电压参考值；

(6)对步骤(5)所获取到的各相上、下桥臂输出电压参考值进行子模块电容电压均压控制，得到开关器件的驱动信号，驱动信号使得混合型mmc在交流故障和直流故障期间均可保证一定的电压或功率输出，进而实现混合型mmc的不间断运行。

进一步地，步骤(1)具体包括如下步骤：

(1.1)获得子模块电容电压平均值的参考值vcref、子模块电容电压平均值的实测标幺值无功功率指令值qref以及无功功率实测标幺值qpu；将子模块电容电压平均值的参考值vcref减去子模块电容电压平均值的实测标幺值后进行比例积分运算，得到交流有功电流指令值idref；将无功功率指令值qref减去无功功率实测标幺值qpu后进行比例积分运算，得到交流无功电流指令值iqref；

(1.2)获得交流有功电流实测标幺值idpu和交流无功电流实测标幺值iqpu；将交流有功电流实测标幺值idpu与比例系数lpu相乘后，得到中间结果将交流无功电流实测标幺值iqpu与比例系数lpu相乘后，得到中间结果

(1.3)将交流有功电流指令值idref与交流有功电流实测标幺值idpu相减后分别进行比例积分运算和准谐振运算，以分别控制交流正序电流和交流负序电流；将比例积分运算结果和准谐振运算结果相加，得到中间结果将交流无功电流指令值iqref与交流无功电流实测标幺值iqpu相减后分别进行比例积分运算和准谐振运算，以分别控制交流正序电流和交流负序电流；将比例积分运算结果和准谐振运算结果相加，得到中间结果

(1.4)获得交流d轴电压的标幺值vdpu和交流q轴电压的标幺值vqpu；将交流d轴电压的标幺值vdpu与中间结果相加后减去中间结果得到d轴调制比md；将交流q轴电压的标幺值vqpu与中间结果相加后减去中间结果得到q轴调制比mq；

(1.5)获得mmc交流母线的交流瞬时值vpcc；并将mmc交流母线的交流瞬时值vpcc经过基于anf的锁相环运算后输出θ；

(1.6)对d轴调制比md和q轴调制比mq进行dq/abc坐标变换后分别得到abc坐标下交流调制比ma、mb、mc；其中，坐标变换的同步变换角为θ；

(1.7)将abc坐标下交流调制比ma、mb、mc分别与比例系数相乘后，得到各相上、下桥臂交流输出电压参考值；其中，vdcn为极对极直流电压额定值。

进一步地，步骤(2)具体包括如下步骤：

(2.1)获得有功功率参考值pdcref、有功功率实测标幺值pdcpu、直流电压参考值vdcref、直流电压实测标幺值vdcpu以及控制标志fdc；

(2.2)若控制标志fdc设置为i，则转入步骤(2.3)；若控制标志设置为ii，则转入步骤(2.4)；

(2.3)将有功功率参考值pdcref与比例系数相乘，得到中间结果以实现低压限流处理；并将中间结果减去有功功率实测标幺值pdcpu后进行比例积分运算，得到直流电流参考值idcref；并转入步骤(2.5)；

(2.4)将直流电压参考值vdcref减去直流电压实测标幺值vdcpu后进行比例积分运算，获得直流电流参考值idcref；并转入步骤(2.5)；

(2.5)获得直流电流实测标幺值idcpu，并将直流电流参考值idcref减去直流电流实测标幺值idcpu后进行比例积分运算，获得直流调制比mdc；

(2.6)将直流调制比mdc与比例系数相乘后，获得直流电压参考值。

进一步地，步骤(4)具体包括：获得mmc的极对极直流电压；对mmc的极对极直流电压进行准谐振运算后，滤除直流分量udc，得到各相上、下桥臂零序环流补偿电势参考值；准谐振运算的特性方程为其中，kr为谐振系数，ω0为谐振频率，ωc为截止频率。

按照本发明的另一方面，提供了一种混合型mmc不间断运行的控制系统，包括：交流电流控制装置、直流电流控制装置、负序环流抑制控制装置、零序环流抑制控制装置以及驱动信号合成装置；

交流电流控制装置的第一输入端用于接收子模块电容电压平均值的参考值vcref，交流电流控制装置的第二输入端用于接收子模块电容电压平均值的实测标幺值交流电流控制装置的第三输入端用于接收无功功率指令值qref，交流电流控制装置的第四输入端用于接收无功功率实测标幺值qpu，交流电流控制装置的第五输入端用于接收交流有功电流实测标幺值idpu，交流电流控制装置的第六输入端用于接收交流无功电流实测标幺值iqpu，交流电流控制装置的第七输入端用于接收交流d轴电压的标幺值vdpu，交流电流控制装置的第八输入端用于接收交流q轴电压的标幺值vqpu，交流电流控制装置的第九输入端用于接收mmc交流母线的交流瞬时值vpcc；交流电流控制装置用于对输入的电压、电流信号执行交流电流控制，以获取各相上、下桥臂交流输出电压参考值；

直流电流控制装置的第一输入端用于接收有功功率参考值pdcref，直流电流控制装置的第二输入端用于接收有功功率实测标幺值pdcpu，直流电流控制装置的第三输入端用于接收直流电压参考值vdcref，直流电流控制装置的第四输入端用于接收直流电压实测标幺值vdcpu，直流电流控制装置的第五输入端用于接收控制标志fdc，直流电流控制装置的第六输入端用于接收直流电流实测标幺值idcpu；直流电流控制装置通过对有功功率或者直流电压进行控制实现直流电流控制，以获取直流电压参考值；

负序环流抑制控制装置的第一输入端用于接收a相上桥臂电流ipa，负序环流抑制控制装置的第二输入端用于接收a相下桥臂电流ina，负序环流抑制控制装置的第三输入端用于接收b相上桥臂电流ipb，负序环流抑制控制装置的第四输入端用于接收b相下桥臂电流inb，负序环流抑制控制装置的第五输入端用于接收c相上桥臂电流ipc，负序环流抑制控制装置的第六输入端用于接收c相下桥臂电流inc，负序环流抑制控制装置的第七输入端用于接收同步变换角；负序环流抑制控制装置用于对各相上、下桥臂电流进行负序环流抑制控制，以获取各相上、下桥臂负序二倍频环流抑制参考电压；

零序环流抑制控制装置的输入端用于接收mmc的极对极直流电压；零序环流抑制控制装置用于滤除mmc的极对极直流电压的直流分量，以获取各相上、下桥臂零序环流补偿电势参考值；

驱动信号合成装置的第一输入端连接至交流电流控制装置的输出端，驱动信号合成装置的第二输入端连接至直流电流控制装置的输出端，驱动信号合成装置的第三输入端连接至负序环流抑制控制装置的输出端，驱动信号合成装置的第四输入端连接至零序环流抑制控制装置的输出端；驱动信号合成装置将直流电压参考值分别减去各相上桥臂交流输出电压参考值，然后对应地减去各相上桥臂负序二倍频环流抑制参考电压，最后对应地减去各相上桥臂零序环流补偿电势参考值，得到各相上桥臂输出电压参考值；驱动信号合成装置将直流电压参考值分别减去各相下桥臂交流输出电压参考值，然后对应地减去各相下桥臂负序二倍频环流抑制参考电压，最后对应地减去各相下桥臂零序环流补偿电势参考值，得到各相下桥臂输出电压参考值；驱动信号合成装置对各相上、下桥臂输出电压参考值进行子模块电容电压均压控制，得到开关器件的驱动信号，驱动信号使得混合型mmc在交流故障或直流故障期间均可保证一定的电压或功率输出，进而实现混合型mmc的不间断运行。

进一步地，交流电流控制装置包括：交流有功控制外环模块、交流无功控制外环模块以及交流控制内环模块；

交流有功控制外环模块的第一输入端作为交流电流控制装置的第一输入端，交流有功控制外环模块的第二输入端作为交流电流控制装置的输入端，交流有功控制外环模块将子模块电容电压平均值的参考值vcref与子模块电容电压平均值的实测标幺值相减后进行比例积分运算，得到交流有功电流指令值idref；

交流无功控制外环模块的第一输入端作为交流电流控制装置的第三输入端，交流无功控制外环模块的第二输入端作为交流电流控制装置的第四输入端，交流无功控制外环模块将无功功率指令值qref与无功功率实测标幺值qpu相减后进行比例积分运算，得到交流无功电流指令值iqref；

交流控制内环模块的第一输入端连接至交流有功控制外环模块的输出端，交流控制内环模块的第二输入单连接至交流无功控制外环模块的输出端，交流控制内环模块的第三输入端作为交流电流控制装置的第五输入端，交流控制内环模块的第四输入端作为交流电流控制装置的第六输入端，交流控制内环模块的第五输入端作为交流电流控制装置的第七输入端，交流控制内环模块的第六输入端作为交流电流控制装置的第八输入端，交流控制内环模块的第七输入端作为交流电流控制装置的第九输入端；交流控制内环模块对输入信号进行运算处理，以获取各相上、下桥臂交流输出电压参考值。

更进一步地，交流控制内环模块包括：加减运算单元ai1、加减运算单元ai2、准谐振单元ri1、比例积分单元pii1、加减运算单元ai3、准谐振单元ri2、比例积分单元pii2、加减运算单元ai4、比例运算单元ki1、比例运算单元ki2、加减运算单元ai5、加减运算单元ai6、anf锁相单元anf-pll、dq/abc坐标变换单元ti1、比例运算单元ki3、比例运算单元ki4以及比例运算单元ki5；

加减运算单元ai1的第一输入端作为交流控制内环模块的第一输入端，加减运算单元ai1的第二输入端作为交流控制内环模块的第三输入端，加减运算单元ai1将交流有功电流指令值idref与交流有功电流实测标幺值idpu相减后得到第一交流运算结果；

加减运算单元ai2的第一输入端作为交流控制内环模块的第二输入端，加减运算单元ai2的第二输入端作为交流控制内环模块的第四输入端，加减运算单元ai2将交流无功电流指令值iqref与交流无功电流实测标幺值iqpu相减后得到第二交流运算结果；

准谐振单元ri1的输入端连接至加减运算单元ai1的输出端，准谐振单元ri1对第一交流运算结果执行准谐振运算后，得到第三交流运算结果；

比例积分单元pii1的输入端连接至加减运算单元ai1的输出端，比例积分单元pii1对第一交流运算结果执行比例积分运算后，得到第四交流运算结果；

加减运算单元ai3的第一输入端连接至准谐振单元ri1的输出端，加减运算单元ai3的第二输入端连接至比例积分单元pii1的输出端，加减运算单元ai3将第三交流运算结果与第四交流运算结果相加后，得到中间结果

准谐振单元ri2的输入端连接至加减运算单元ai2的输出端，准谐振单元ri2对第二交流运算结果执行准谐振运算后，得到第五交流运算结果；

比例积分单元pii2的输入端连接至加减运算单元ai2的输出端，比例积分单元pii2对第二交流运算结果执行比例积分运算后，得到第六交流运算结果；

加减运算单元ai4的第一输入端连接至准谐振单元ri2的输出端，加减运算单元ai4的第二输入端连接至比例积分单元pii2的输出端，加减运算单元ai4将第五交流运算结果与第六交流运算结果相加后，得到中间结果

比例运算单元ki1的输入端与加减运算单元ai1的第二输入端连接至相同的输入信号，比例运算单元ki1将交流无功电流实测标幺值iqpu与比例系数lpu相乘后，得到中间结果

比例运算单元ki2的输入端与加减运算单元ai2的第二输入端连接至相同的输入信号，比例运算单元ki2将交流有功电流实测标幺值idpu与比例系数lpu相乘后，得到中间结果

加减运算单元ai5的第一输入端作为交流控制内环模块的第五输入端，加减运算单元ai5的第二输入端连接至加减运算单元ai3的输出端，加减运算单元ai5的第三输入端连接至比例运算单元ki1的输出端，加减运算单元ai5将交流d轴电压的标幺值vdpu与中间结果相加后减去中间结果得到d轴调制比md；

加减运算单元ai6的第一输入端作为交流控制内环模块的第六输入端，加减运算单元ai6的第二输入端连接至加减运算单元ai4的输出端，加减运算单元ai6的第三输入端连接至比例运算单元ki2的输出端，加减运算单元ai6将交流q轴电压的标幺值vqpu与相加后减去得到q轴调制比mq；

anf锁相单元anf-pll的第一输入端作为交流控制内环模块的第七输入端，anf锁相单元anf-pll用于根据mmc交流母线的交流瞬时值vpcc计算得到角度θ；

dq/abc坐标变换单元ti1的第一输入端连接至加减运算单元ai5的输出端，dq/abc坐标变换单元ti1的第二输入端连接至加减运算单元ai6的输出端，dq/abc坐标变换单元ti1的第三输入端连接至anf锁相单元anf-pll的输出端，dq/abc坐标变换单元ti1对d轴调制比md和q轴调制比mq执行坐标变换，得到abc坐标下交流调制比ma、mb、mc；其中，同步变换角为θ；

比例运算单元ki3的输入端连接至dq/abc坐标变换单元ti1的第一输出端，比例运算单元ki3将ma与比例系数相乘后，得到a相交流输出电压参考值；其中，vdcn为极对极直流电压额定值；

比例运算单元ki4的输入端连接至dq/abc坐标变换单元ti1的第二输出端，比例运算单元ki4将mb与比例系数相乘后，得到b相交流输出电压参考值；

比例运算单元ki5的输入端连接至dq/abc坐标变换单元ti1的第三输出端，比例运算单元ki5将mc与比例系数相乘后，得到c相交流输出电压参考值。

进一步地，直流电流控制装置包括：直流控制外环模块以及直流控制内环模块；直流控制外环模块的第一输入端作为直流电流控制装置的第一输入端，直流控制外环模块的第二输入端作为直流电流控制装置的第二输入端，直流控制外环模块的第三输入端作为直流电流控制装置的第三输入端，直流控制外环模块的第四输入端作为直流电流控制装置的第四输入端，直流控制外环模块的第五输入端作为直流电流控制装置的第五输入端，直流控制外环模块根据控制标志fdc对有功功率或者直流电压进行控制，以生成直流电流参考值idcref；直流控制内环模块的第一输入端连接至直流控制外环模块的输出端，直流控制内环模块的第二输入端作为直流电流控制装置的第六输入端，直流控制内环模块将直流电流参考值idcref与直流电流实测标幺值idcpu相减后，得到第一直流运算结果，然后对第一直流运算结果执行比例积分运算，得到直流调制比mdc，最后将直流调制比mdc与比例系数相乘后，得到直流电压参考值。

更进一步地，直流控制外环模块包括：低压限流单元sdc1、加减运算单元adc1、比例积分单元pidc1、加减运算单元adc2、比例积分单元pidc2以及控制开关；

低压限流单元sdc1的第一输入端作为直流控制内环模块的第一输入端，低压限流单元sdc1将有功功率参考值pdcref与比例系数相乘后，得到中间结果以实现低压限流处理；

加减运算单元adc1的第一输入端连接至低压限流单元sdc1的输出端，加减运算单元adc1的第二输入端作为直流控制内环模块的第二输入端，加减运算单元adc1将中间结果与有功功率实测标幺值pdcpu相减后，得到第二直流运算结果；

比例积分单元pidc1的输入端连接至加减运算单元adc1的输出端，比例积分单元pidc1对第二直流运算结果执行比例积分运算后，得到第三直流运算结果；

加减运算单元adc2的第一输入端作为直流控制内环模块的第三输入端，加减运算单元adc2的第二输入端作为直流控制内环模块的第四输入端，加减运算单元adc2将直流电压参考值vdcref与直流电压实测标幺值vdcpu相减后，得到第四直流运算结果；

比例积分单元pidc2的输入端连接至加减运算单元adc2的输出端，比例积分单元pidc2对第四直流运算结果执行比例积分运算后，得到第五直流运算结果；

控制开关的输入端作为直流控制内环模块的第五输入端，控制开关用于根据控制标志fdc的取值控制直流控制外环模块的工作模式，当控制标志fdc设置为i时，直流控制外环模块对有功功率进行控制，输出第三直流运算结果作为直流电流参考值idcref；当控制标志fdc设置为ii时，直流控制外环模块对直流电压进行控制，输出第五直流运算结果作为直流电流参考值idcref。

进一步地，零序环流抑制控制装置包括：准谐振单元piz0；准谐振单元piz0的输入端作为零序环流抑制控制装置的输入端，准谐振单元piz0对mmc的极对极直流电压执行准谐振运算后，滤除直流分量udc，得到各相上、下桥臂零序环流补偿电势参考值，准谐振单元piz0的特性方程为其中，kr为谐振系数，ω0为谐振频率，ωc为截止频率。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，实现了对混合型mmc直流侧电气量的控制，具备了直流故障处理能力，保证了混合型mmc在不对称故障下的不间断运行。具体地，能够取得以下有益效果：

(1)本发明提供的控制方法，对直流电流进行控制时，对有功功率进行低压限流处理，使得可以利用子模块电容进行功率平抑，从而在发生直流不对称故障时，避免器件过压过流，从而维持直流侧的安全稳定，进而实现混合型mmc的不间断运行；

(2)对交流电流进行控制时，对交流电流进行准谐振运算，从而控制交流负序电流，因而能够实现在交流不对称故障期间对交流正序电流和交流负序电流的统一控制；

(3)对交流电流进行控制时，由基于anf的锁相环提供坐标变换的同步变换角，可以准确地锁相，在一套控制其中实现对正序交流电流和负序交流电流的控制，从而抑制交流负序电流，保证电流三相对称，避免保护装置误动作；

(4)对零序环流进行了控制，只提取直流电压中的二倍频分量，对零序二倍频环流在桥臂上引起的压降进行补偿，从而抑制零序环流，维持直流电压的稳定。

附图说明

图1是现有的混合型mmc及其子模块的拓扑结构示意图；(a)是混合型mmc的拓扑结构示意图，(b)是全桥型子模块的拓扑结构示意图，(c)是半桥型子模块的拓扑结构示意图；

图2是现有的混合型mmc的a相桥臂等效回路示意图；(a)是mmc桥臂回路示意图；(b)是桥臂直流等效回路示意图；(c)是桥臂交流等效回路示意图；

图3是本发明实施例提供的锁相环结构框图；(a)是anf的逻辑框图；(b)是基于anf的锁相环的逻辑框图；

图4是本发明提供的电网不对称故障下混合型mmc不间断运行的控制方法的原理框图；

图5是现有的混合型mmc在电网不对称故障下的桥臂等效回路；

图6是基于现有的混合型mmc的两端直流输电系统。

图7是电网不对称故障下直流电流和电压仿真结果；(a)为直流电流对比结果；(b)为直流电压对比结果；

图8是电网不对称故障下交流侧仿真结果；(a)为mmc2的交流电网电压；(b)为经过锁相环后得到的交流电压d轴分量vd；(c)为mmc2输出的交流电压；(d)为交流电流的dq分量；

图9是电网不对称故障下换流器仿真结果；(a)为mmc2交流侧和直流侧的有功功率；(b)为mmc2子模块电容的平均电压；(c)为mmc2三相上、下桥臂电流。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1所示为现有的混合型mmc及其子模块的拓扑结构示意图；其中，(a)是混合型mmc的拓扑结构示意图，(b)是全桥型子模块的拓扑结构示意图，(c)是半桥型子模块的拓扑结构示意图。

图1所示的混合型mmc在电网不对称故障时，根据kvl定律以及kcl定律，可以分解得到dq坐标系下的正序、负序两套数学模型。由于交流电压和交流电流包含负序分量，mmc输出的有功功率和无功功率会出现两倍频的波动分量。

图2所示为混合型mmc的a相桥臂等效装置；在基于混合型mmc的两端或多端系统中，发生电网不对称故障时，桥臂电流会包含直流分量以及正序、负序、零序的二倍频分量，其中桥臂直流分量和零序二倍频分量会通过直流线路及对侧的换流器构成回路，正序、负序二倍频分量会在mmc桥臂之间形成环流。

图5所示为电网不对称故障时mmc等效的桥臂回路，二倍频环流流过mmc桥臂时，会在桥臂上产生二倍频的压降，因此可以将二倍频电流等效为串联在桥臂上的二倍频电压源。

本发明提供的电网不对称故障下混合型mmc不间断运行的控制方法，如图4所示，包括如下步骤：