一种模块化多电平换流器控制方法、装置及设备与流程

本申请涉及电气工程技术领域，尤其涉及一种模块化多电平换流器控制方法、装置及设备。

背景技术

基于模块化多电平换流器的柔性直流输电技术因其模块化程度高、开关损耗小、有功无功可高度解耦控制等优势得到了快速的发展，在清洁能源接入与消纳、弱电网与异步电网联网等方面具有重大优势，是未来智能电网和全球能源互联网的重要组成部分。合理选择换流器的控制策略，对提高电力系统经济性，保障电力系统的安全运行具有重要的实际意义。

然而电力电子设备的快速响应特性可能会诱发电网的次同步振荡现象，并且换流器复杂的内部结构会对互联系统的稳定运行产生不良影响。在这种情况下，经典的解耦控制策略可能会加剧功率的振荡。因此，需要寻找一种能够抑制模块化多电平换流器输出功率振荡的控制方法。

技术实现要素：

本申请实施例提供了一种模块化多电平换流器控制方法、装置及设备的方法、相关设备以及系统，解决了经典解耦控制可能会恶化功率振荡的技术问题。

有鉴于此，本申请第一方面提供了一种模块化多电平换流器控制方法，所述方法包括：

采集变压器网侧的电压信号和电流信号，并对所述电压信号和所述电流信号进行坐标变换，得到变换电压和变换电流；

根据所述变换电压和所述变换电流，通过瞬时功率计算公式，计算瞬时实功率和瞬时虚功率；

将换流器的有功功率参考值和所述瞬时实功率的差值经过pi控制，生成有功功率补偿值；将换流器的无功功率参考值和所述瞬时虚功率的差值经过pi控制，生成无功功率补偿值；

将所述有功功率补偿值和所述无功功率补偿值通过补偿电压计算式计算补偿电压值；

将所述补偿电压值经过前馈控制，得到电压期望值；

将所述电压期望值进行反坐标变换，并输出。

可选的，所述坐标变换具体为clark变换，所述反坐标变换为clark反变换。

可选的，所述瞬时功率计算公式具体为：

其中，uα、uβ为经过所述坐标变换后的电压信号，iα、iβ为经过所述坐标变换后的电流信号，p为瞬时实功率，q为瞬时虚功率。

可选的，所述补偿电压计算式具体为：

其中，p^*为有功功率补偿值，q^*为无功功率补偿值，为补偿电压值。

可选的，所述根据所述变换电压和所述变换电流，通过瞬时功率计算公式，计算瞬时实功率和瞬时虚功率和所述将换流器的有功功率参考值和所述瞬时实功率的差值经过pi控制，生成有功功率补偿值；将换流器的无功功率参考值和所述瞬时虚功率的差值经过pi控制，生成无功功率补偿值之间，还包括：

将所述瞬时实功率和所述瞬时虚功率经过滤波器滤波，得到瞬时实功率直流量、瞬时实功率波动量、瞬时虚功率直流量和瞬时虚功率波动量；

可选的，所述将换流器的有功功率参考值和所述瞬时实功率的差值经过pi控制，生成有功功率补偿值；将换流器的无功功率参考值和所述瞬时虚功率的差值经过pi控制，生成无功功率补偿值具体为：

将换流器的有功功率参考值和所述瞬时实功率直流量的差值经过pi控制，再与经过p控制的所述瞬时实功率波动量求差，得到有功功率补偿值；将换流器的无功功率参考值和所述瞬时虚功率直流量的差值经过pi控制，再与经过p控制的所述瞬时虚功率波动量求差，得到无功功率补偿值。

本申请第二方面提供了一种模块化多电平换流器控制装置，包括采集模块、变换模块、pi控制模块、计算模块、前馈控制模块和反变换模块；

所述采集模块，用于采集变压器网侧的电压信号和电流信号，并对所述电压信号和所述电流信号进行坐标变换，得到变换电压和变换电流；

所述变换模块，用于根据所述变换电压和所述变换电流，通过瞬时功率计算公式，计算瞬时实功率和瞬时虚功率；

所述pi控制模块，用于将换流器的有功功率参考值和所述瞬时实功率的差值经过pi控制，生成有功功率补偿值；将换流器的无功功率参考值和所述瞬时虚功率的差值经过pi控制，生成无功功率补偿值；

所述计算模块，用于将所述有功功率补偿值和所述无功功率补偿值通过补偿电压计算式计算补偿电压值；

所述前馈控制模块，用于将所述补偿电压值经过前馈控制，得到电压期望值；

所述反变换模块，用于将所述电压期望值进行反坐标变换，并输出。

可选的，还包括滤波模块；

所述滤波模块，用于将所述瞬时实功率和所述瞬时虚功率经过滤波器滤波，得到瞬时实功率直流量、瞬时实功率波动量、瞬时虚功率直流量和瞬时虚功率波动量。

本申请第三方面提供了一种模块化多电平换流器控制设备，所述设备包括处理器以及存储器：

所述存储器用于存储程序代码，并将所述程序代码传输给所述处理器；

所述处理器用于根据所述程序代码中的指令执行如上述第一方面所述的模块化多电平换流器控制方法。

本申请第四方面提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质用于存储程序代码，所述程序代码用于执行如上述第一方面所述的模块化多电平换流器控制方法。

从以上技术方案可以看出，本申请实施例具有以下优点：

本申请实施例中，提供了一种模块化多电平换流器控制方法，通过采集变压器网侧的电压信号和电流信号，并进行坐标变换；将变换后的电压和电流通过瞬时功率计算公式计算瞬时实功率和瞬时虚功率；获取换流器的功率参考值，和之前得到的瞬时功率求差，并进行pi控制，得到功率补偿值；然后将功率补偿值通过补偿电压计算式计算补偿电压值；最后将补偿电压经过前馈控制得到电压期望值，将电压期望值反变换后输出，即可实现对功率振荡起到抑制作用，达到了提高直流输电系统的稳定性的作用，解决了现有技术中经典解耦控制可能会恶化功率振荡的技术问题。

附图说明

图1为本申请所提供的模块化多电平换流器控制方法的第一种具体实施方式的方法流程图；

图2为本申请所提供的模块化多电平换流器控制方法的第二种具体实施方式的方法流程图；

图3为本申请所提供的模块化多电平换流器控制方法的第二种具体实施方式的控制流程图；

图4为本申请所提供的模块化多电平换流器控制方法的第二种具体实施方式pi控制和p控制示意图；

图5为本申请所提供的模块化多电平换流器控制方法的第二种具体实施方式的前馈控制示意图；

图6为本申请所提供的模块化多电平换流器控制装置的结构示意图；

图7为本申请应用例中仿真模型与控制装置的电气连接图；

图8为本申请应用例中系统在稳态情况下发生潮流阶跃的仿真结果；

图9为应用本申请所提供的模块化多电平换流器控制方法与经典解耦控制的对比。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请设计了一种模块化多电平换流器控制方法、装置及设备，

为了便于理解，请参阅图1，图1为本申请所提供的模块化多电平换流器控制方法的第一种具体实施方式的方法流程图，具体包括：

步骤101，采集变压器网侧的电压信号和电流信号，并对电压信号和电流信号进行坐标变换，得到变换电压和变换电流；

由于变压器网侧的电压信号和电流信号均为三相信号，因此，首先需要进行从三相变换成二相的坐标变换，得到变换后的变换电压和变换电流。

需要说明的是，电压信号或电流信号均表示三相电压或三相电流的集合，同理，变换电压或变换电流表示转换后的二相变换电压和二相变换电流的集合。

步骤102，根据变换电压和变换电流，通过瞬时功率计算公式，计算瞬时实功率和瞬时虚功率；

得到变换电压和变换电流后，根据瞬时功率计算公式，可以通过计算得到瞬时实功率和瞬时虚功率。

步骤103，将换流器的有功功率参考值和瞬时实功率的差值经过pi控制，生成有功功率补偿值；将换流器的无功功率参考值和瞬时虚功率的差值经过pi控制，生成无功功率补偿值；

可以理解的是，此步骤需要获取换流器的有功功率参考值和无功功率参考值。通过将有功功率参考值和瞬时实功率的差值经过pi控制，可以生成有功功率补偿值。将无功功率参考值和瞬时虚功率的差值经过pi控制，可以生成无功功率补偿值。

步骤104，将有功功率补偿值和无功功率补偿值通过补偿电压计算式计算补偿电压值；

得到有功功率补偿值和无功功率补偿值之后，通过补偿电压计算式，可以得到补偿电压值。

步骤105，将补偿电压值经过前馈控制，得到电压期望值；

得到电压补偿值之后，将电压补偿值经过前馈控制，得到电压期望值。

步骤106，将电压期望值进行反坐标变换，并输出。

可以理解的是，之前对电压信号和电流信号经过坐标变换，使其从三相变为二相，因此，最后需要将二相电压和电流经过反坐标变换，得到三相电压和三相电流，并输出。

通过本申请实施例所提供的模块化多电平换流器控制方法，不需要锁相环，对电压电流频率没有限制，能充分利用采集信号中的非工频分量，可以将功率振荡中的纹波分量加以补偿，从而提高系统的动态稳定性，实现抑制功率振荡的目的，对提高电力系统经济性，保障电力系统的安全运行具有重要的实际意义。

请参考图2和图3，图2为本申请所提供的模块化多电平换流器控制方法的第二种具体实施方式的方法流程图，图3为本申请所提供的模块化多电平换流器控制方法的第二种具体实施方式的控制流程图，所述方法包括：

步骤201，采集变压器网侧的电压信号和电流信号，并对电压信号和电流信号经过clark变换，得到变换电压和变换电流；

其中，clark变换的公式为：

其中，ua、ub、uc为变换前的三相的电压信号，uα、uβ为经过所述坐标变换后的电压信号；m为常数，当时，变换前后，功率不变；当时，变换前后，幅值不变。本申请实施例采用

以上是以电压信号为例，电流信号也同样经过相同的clark变换，此处不再进行赘述。

步骤202，根据变换电压和变换电流，通过瞬时功率计算公式，计算瞬时实功率和瞬时虚功率；

其中，瞬时功率计算公式具体为：

其中，uα、uβ为经过所述坐标变换后的电压信号，iα、iβ为经过所述坐标变换后的电流信号，p为瞬时实功率，q为瞬时虚功率。

步骤203，将瞬时实功率和瞬时虚功率经过滤波器滤波，得到瞬时实功率直流量、瞬时实功率波动量、瞬时虚功率直流量和瞬时虚功率波动量；

需要说明的是，经过滤波器滤波后，得到功率的直流量和波动量，对两个分量分别进行相应的控制，更能达到本申请所需要得到的技术效果。

步骤204，将换流器的有功功率参考值和瞬时实功率直流量的差值经过pi控制，再与经过p控制的瞬时实功率波动量求差，得到有功功率补偿值；将换流器的无功功率参考值和瞬时虚功率直流量的差值经过pi控制，再与经过p控制的瞬时虚功率波动量求差，得到无功功率补偿值。

请同时参考图4，图4为本申请所提供的模块化多电平换流器控制方法的第二种具体实施方式pi控制和p控制示意图。

以有功功率为例，将获取到的换流器的有功功率参考值与实功率直流量求差，求得的结果经过pi控制，再与经过p控制的实功率直流量求差，最后得到有功功率补偿值。无功功率的控制步骤类似，不再进行赘述。

步骤205，将有功功率补偿值和无功功率补偿值通过补偿电压计算式计算补偿电压值；

其中，补偿电压计算式具体为：

其中，p^*为有功功率补偿值，q^*为无功功率补偿值，为变压器网侧的补偿电压值。

步骤206，将补偿电压值经过前馈控制，得到电压期望值；

请同时参考图5，图5为本申请所提供的模块化多电平换流器控制方法的第二种具体实施方式的前馈控制示意图。

将采集的电压信号叠加补偿电压值后，经过前馈补偿修正线路上的压降，可得到电压的期望值。线路压降可用电流的微分与电感的乘积结果表示。

步骤207，将电压期望值进行clark反坐标变换，并输出。

步骤201对电压信号和电流信号进行了clark坐标变换，因此，最后一步需要对求得的电压期望值进行clark反坐标变换，具体如下：

其中，uα、uβ为电压期望值，ua、ub、uc为经过反坐标变换后的三相电压值。

本申请第二方面提供了一种模块化多电平换流器控制装置。

请参考图6，图6为本申请所提供的一种模块化多电平换流器控制装置的结构示意图，具体包括采集模块301、变换模块302、pi控制模块303、计算模块304、前馈控制模块305和反变换模块306；

采集模块301，用于采集变压器网侧的电压信号和电流信号，并对电压信号和电流信号进行坐标变换，得到变换电压和变换电流；

变换模块302，用于根据变换电压和变换电流，通过瞬时功率计算公式，计算瞬时实功率和瞬时虚功率；

pi控制模块303，用于将换流器的有功功率参考值和瞬时实功率的差值经过pi控制，生成有功功率补偿值；将换流器的无功功率参考值和瞬时虚功率的差值经过pi控制，生成无功功率补偿值；

计算模块304，用于将有功功率补偿值和无功功率补偿值通过补偿电压计算式计算补偿电压值；

前馈控制模块305，用于将补偿电压值经过前馈控制，得到电压期望值；

反变换模块306，用于将电压期望值进行反坐标变换，并输出。

进一步的，还包括滤波模块307；

滤波模块307，用于将瞬时实功率和瞬时虚功率经过滤波器滤波，得到瞬时实功率直流量、瞬时实功率波动量、瞬时虚功率直流量和瞬时虚功率波动量。

本申请第三方面提供了一种模块化多电平换流器控制设备，处理器以及存储器：

存储器用于存储程序代码，并将程序代码传输给处理器；

处理器用于根据程序代码中的指令执行本申请第一方面所提供的模块化多电平换流器控制方法。

本申请第四方面提供了一种计算机可读存储介质，用于存储程序代码，此程序代码用于执行本申请第一方面所提供的模块化多电平换流器控制方法。

将本申请所提供的方法应用到换流器的暂态仿真模型中，与经典解耦控制策略进行比对，即可对本申请所提供的模块化多电平换流器控制方法的有效性进行验证。

以下是本申请所提供的一种模块化多电平换流器控制方法及装置的应用例。

以模块化多电平换流器的电磁暂态仿真模型为例进行研究，模型的主要参数如表一所示：

表1仿真模型的主要参数

选取柔直变压器网侧为电压采集点和电流采集点，控制器的输出经过调制生成换流器桥臂子模块的触发信号。请参考图7，图7为本申请应用例中仿真模型与控制装置的电气连接图。

请参考图8，图8为本申请应用例中系统在稳态情况下发生潮流阶跃的仿真结果，可看出基于瞬时功率理论的模块化多电平换流器控制方法能够更好的过渡到新的稳定状态。为了进一步验证控制方法的有效性，在网侧电源叠加次同步的电压扰动，请参考图9，图9为应用本申请所提供的模块化多电平换流器控制方法与经典解耦控制的对比。可看出，当扰动存在时本发明提供的方法抑制功率扰动的效果是明显的，扰动清除后系统可以立刻恢复稳定状态。所以综上所述，模块化多电平换流器控制方法能够更好抑制住功率扰动，提高系统的稳定性。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

本申请的说明书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

应当理解，在本申请中，“至少一个(项)”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，用于描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“a和/或b”可以表示：只存在a，只存在b以及同时存在a和b三种情况，其中a，b可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，a，b或c中的至少一项(个)，可以表示：a，b，c，“a和b”，“a和c”，“b和c”，或“a和b和c”，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(英文全称：read-onlymemory，英文缩写：rom)、随机存取存储器(英文全称：randomaccessmemory，英文缩写：ram)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。