一种降低不平衡电网电压下MMC子模块电压波动的方法与流程

本发明涉及柔性直流输电技术领域，具体涉及一种降低不平衡电网电压下mmc子模块电容电压波动的方法。

背景技术：

柔性直流输电(vsc-hvdc)是继交流输电、常规直流输电之后的新一代直流输电技术。柔性直流输电技术具有有功、无功可独立调节，弱电网接入和低电压穿越能力强，低交流滤波及无功补偿需求等特点。柔性直流输电是构建智能电网的重要装备，与传统方式相比，柔性直流输电在孤岛供电、城市配电网的增容改造、交流系统互联、大规模风电场并网等方面具有较强的技术优势，是改变大电网发展格局的战略选择。模块化多电平换流器(modularmultilevelconverter，mmc)具有模块化、开关频率低、谐波含量低并且便于冗余配置等优势，与基于晶闸管的电网换相换流器以及传统的两电平电压源换流器相比，具有更广泛的应用场景。

然而，mmc作为柔性直流输电系统的核心设备，目前仍存在许多制约瓶颈。模块化的分散布置也带来了子模块电容电压波动较大等问题。电容电压波动与相间环流交互耦合影响使交流侧输出电压出现偏差、增大输出谐波含量，同时较大的模块电容电压波动幅值会降低直流系统的运行可靠性。

mmc的电容器是子模块中体积最大的设备，占子模块总体积的60％以上。虽然提高子模块电容值可以降低电容电压波动，但如果仅依靠此方法，会使电容器体积和成本不断增加，经济性较差。因此，探索mmc降低子模块电容电压波动的方法，从而降低对子模块电容容值的要求，实现换流器轻型化设计，具有重要的工程意义。

实际电网运行中经常出现三相电压不平衡情况，此时产生的负序电压会引起mmc输出功率的波动与输出电流的不平衡，同时也会加剧mmc内部模块电压与桥臂电流的波动。现有的子模块电压波动抑制方法不适用于电网电压不平衡情况下的子模块电压波动情况。

技术实现要素：

为了克服上述现有的子模块电压波动抑制方法不适用于电网电压不平衡情况下的子模块电压波动情况的不足，本发明提供一种降低不平衡电网电压下mmc子模块电压波动的方法，当交流电网电压发生不对称时，分别确定三相的三次谐波电压修正量；通过三次谐波电压修正量确定不平衡电网电压下mmc的调制波电压；根据mmc的调制波电压峰值确定提高阀侧交流电压幅值的比例；最后通过注入三次谐波电压修正量并相应提高阀侧交流电压实现降低不平衡电网电压下mmc的子模块电容电压波动。

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

本发明提供一种降低不平衡电网电压下mmc子模块电压波动的方法，包括：

当交流电网电压发生不对称时，分别确定三相的三次谐波电压修正量；

通过三次谐波电压修正量确定不平衡电网电压下mmc的调制波电压；

根据mmc的调制波电压峰值确定提高阀侧交流电压幅值的比例；

通过注入三次谐波电压修正量并相应提高阀侧交流电压实现降低不平衡电网电压下mmc的子模块电容电压波动。

以a相为例，所述不平衡电网电压下mmc稳定时的桥臂电压与桥臂电流表示如下：

上下桥臂电流分别表示为：

其中i⁺为正序交流电流幅值，i^-为负序交流电流幅值，β⁺与β^-分别为正、负序交流电流的相角。idca表示a相桥臂电流中的直流电流分量。

考虑三次谐波注入电压情况下，桥臂调制电压表示为：

其中，m⁺与m^-分别为正、负序电压调制比，α⁺与α-分别为正、负序交流电压的相角。为注入的三次谐波电压，a表征注入幅值大小(平衡电网电压下通常注入的三次谐波电压中，a＝1)，θ为注入量的相角。上下桥臂注入量大小相等，方向相反，可以保证直流电压中不含三倍频电压分量。

所述三次谐波注入电压修正量按下式确定：

注入的三次谐波电压为：

其中的注入幅值参数和相角表示为：

其中，a＝m⁺cosα⁺+m^-cosα^-；b＝m⁺sinα⁺+m^-sinα^-；

所述通过三次谐波电压修正量确定mmc的调制波电压，包括：

1、按下式确定正序外环功率控制器输出的电流参考值：

其中，id_ref表示外环功率控制器输出的d轴电流参考值，iq_ref表示外环功率控制器输出的q轴电流参考值，p表示mmc输出的有功功率，q表示mmc输出的无功功率，pref表示mmc输出的有功功率参考值，qref表示mmc输出的无功功率参考值，k1、k3表示比例系数，k2、k4表示积分系数；

2、电网电压不平衡时，会产生负序电流。为了抑制负序电流，防止电力电子器件过电流，按下式确定负序电流参考值：

3、根据i⁺d_ref和i⁺q_ref，并按下式确定正序内环电流控制器输出的电压参考值：

其中，ed_ref⁺表示正序内环电流控制器输出的正序d轴电压参考值，eq_ref⁺表示正序内环电流控制器输出的正序q轴电压参考值，usd⁺表示d轴正序交流网侧电压，usq⁺表示q轴正序交流网侧电压，id⁺表示正序d轴实际电流，iq⁺表示正序q轴实际电流，k5、k7表示比例系数，k6、k8表示积分系数；

4、根据id_ref^-和iq_ref^-，并按下式确定负序电流控制器输出的电压参考值：

其中，ed_ref^-表示负序电流控制器输出的负序d轴电压参考值，eq_ref^-表示负序电流控制器输出的负序q轴电压参考值，usd^-表示d轴负序交流网侧电压，usq^-表示q轴负序交流网侧电压，id^-表示负序d轴实际电流，iq^-表示负序q轴实际电流，k9、k11表示比例系数，k10、k12表示积分系数；

5、将ed_ref⁺、eq_ref⁺进行dq/abc变换，得到三相正序虚拟电动势；将ed_ref^-、eq_ref^-进行dq/abc变换，得到三相负序虚拟电动势。

6、根据三次谐波电压修正量δu3和三相正序、负序虚拟电动势，并按下式确定mmc的调制波电压：

其中，upj_ref表示mmc中上桥臂的调制波电压，unj_ref表示mmc中下桥臂的调制波电压，ej_ref⁺表示三相正序虚拟电动势，ej_ref^-表示三相负序虚拟电动势。

所述根据mmc的调制波电压峰值确定提高阀侧交流电压幅值的比例，包括：

若以电压发生不平衡之前的工况为准(即每桥臂所需子模块个数与发生电压不平衡之前保持相同)，则交流电压可提高至约：

若电压不平衡工况为电压跌落，则可以将电压调制电压峰值提高至跌落前的水平；若电压不平衡工况为一相电压增大，则可通过三次谐波注入可以减少调制电压峰值，从而避免电压增大带来的子模块个数不足，裕度减小的问题。

与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：

本发明提供的降低不平衡电网电压下mmc子模块电压波动的方法中，当交流电网电压发生不对称时，分别确定三相的三次谐波电压修正量；通过三次谐波电压修正量确定不平衡电网电压下mmc的调制波电压；根据mmc的调制波电压峰值确定提高阀侧交流电压幅值的比例；最后通过注入三次谐波电压修正量并相应提高阀侧交流电压实现降低不平衡电网电压下mmc的子模块电容电压波动。本发明提供的方法由于能够有效降低不平衡电网电压下的子模块电容电压波动，抑制由于电网电压不平衡而引发的子模块电容电压波动增大，提高了mmc系统的可靠性，降低了对子模块电容容值的要求，有利于实现mmc的轻型化。

本发明提供的降低不平衡电网电压下mmc子模块电压波动的方法填补了不平衡电网电压下mmc子模块电容电压波动抑制方法的技术空白，可以与环流抑制方案结合使用，在降低子模块电容电压波动的同时，最小化mmc系统环流，提高mmc系统的可靠性，降低mmc系统损耗。

附图说明

图1是本发明实施例中降低不平衡电网电压下mmc子模块电压波动的方法流程图；

图2是本发明实施例中三次谐波电压修正量确定过程图；

图3是本发明实施例中三相正、负序虚拟电动势确定过程图；

图4是本发明实施例中通过三次谐波电压修正量和三相正序虚拟电动势、负序电动势获得调制电压的流程图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明实施例提供了一种降低不平衡电网电压下mmc子模块电压波动的方法，具体流程图如图1所示，具体过程如下：

s101：当交流电网电压发生不对称时，分别确定三相的三次谐波电压修正量；

s102：通过三次谐波电压修正量确定不平衡电网电压下mmc的调制波电压；

s103：根据mmc的调制波电压峰值确定提高阀侧交流电压幅值的比例；

s104：通过注入三次谐波电压修正量并相应提高阀侧交流电压实现降低不平衡电网电压下mmc的子模块电容电压波动。

其中，mmc包括三个相单元，每个相单元包括一个上桥臂和一个下桥臂，上桥臂和下桥臂中子模块个数相等。

以a相为例，所述不平衡电网电压下mmc稳定时的桥臂电压与桥臂电流表示如下：

上下桥臂电流分别表示为：

其中i⁺为正序交流电流幅值，i-为负序交流电流幅值，β⁺与β^-分别为正、负序交流电流的相角。idca表示a相桥臂电流中的直流电流分量。

考虑三次谐波注入电压情况下，桥臂调制电压表示为：

其中，m⁺与m-分别为正、负序电压调制比，α⁺与α-分别为正、负序交流电压的相角。为注入的三次谐波电压，a表征注入幅值大小(平衡电网电压下通常注入的三次谐波电压中，a＝1)，θ为注入量的相角。上下桥臂注入量大小相等，方向相反，可以保证直流电压中不含三倍频电压分量。

上述的s101中，三次谐波电压修正量确定过程如图2所示，三次谐波电压修正量按下式确定：

注入的三次谐波电压为：

其中的注入幅值参数和相角表示为：

其中，a＝m⁺cosα⁺+m^-cosα^-；b＝m⁺sinα⁺+m^-sinα^-；

上述s102中，mmc的调制波电压由s101中获得的三相的三次谐波电压修正量与三相的正、负序虚拟电动势得出。其中，三相正、负序虚拟电动势确定过程图如图3所示，通过三次谐波电压修正量和三相正序虚拟电动势、负序电动势获得调制电压的流程图如图4所示。三相正、负序虚拟电动势确定的具体过程如下：

1、按下式确定正序外环功率控制器输出的电流参考值：

其中，id_ref表示外环功率控制器输出的d轴电流参考值，iq_ref表示外环功率控制器输出的q轴电流参考值，p表示mmc输出的有功功率，q表示mmc输出的无功功率，pref表示mmc输出的有功功率参考值，qref表示mmc输出的无功功率参考值，k1、k3表示比例系数，k2、k4表示积分系数；

2、电网电压不平衡时，会产生负序电流。为了抑制负序电流，防止电力电子器件过电流，按下式确定负序电流参考值：

3、根据i⁺d_ref和i⁺q_ref，并按下式确定正序内环电流控制器输出的电压参考值：

其中，ed_ref⁺表示正序内环电流控制器输出的正序d轴电压参考值，eq_ref⁺表示正序内环电流控制器输出的正序q轴电压参考值，usd⁺表示d轴正序交流网侧电压，usq⁺表示q轴正序交流网侧电压，id⁺表示正序d轴实际电流，iq⁺表示正序q轴实际电流，k5、k7表示比例系数，k6、k8表示积分系数；

4、根据id_ref^-和iq_ref^-，并按下式确定负序电流控制器输出的电压参考值：

其中，ed_ref^-表示负序电流控制器输出的负序d轴电压参考值，eq_ref^-表示负序电流控制器输出的负序q轴电压参考值，usd^-表示d轴负序交流网侧电压，usq^-表示q轴负序交流网侧电压，id^-表示负序d轴实际电流，iq^-表示负序q轴实际电流，k9、k11表示比例系数，k10、k12表示积分系数；

5、将ed_ref⁺、eq_ref⁺进行dq/abc变换，得到三相正序虚拟电动势；将ed_ref^-、eq_ref^-进行dq/abc变换，得到三相负序虚拟电动势。

通过三次谐波电压修正量确定mmc的调制波电压的具体过程如下：

根据三次谐波电压修正量δu3和三相正序、负序虚拟电动势，并按下式确定mmc的调制波电压：

其中，upj_ref表示mmc中上桥臂的调制波电压，unj_ref表示mmc中下桥臂的调制波电压，ej_ref⁺表示三相正序虚拟电动势，ej_ref^-表示三相负序虚拟电动势。

上述s103中根据mmc的调制波电压峰值确定提高阀侧交流电压幅值的比例的具体过程如下：

若以电压发生不平衡之前的工况为准(即每桥臂所需子模块个数与发生电压不平衡之前保持相同)，则交流电压可提高至约：

若电压不平衡工况为电压跌落，则可以将电压调制电压峰值提高至跌落前的水平；若电压不平衡工况为一相电压增大，则可通过三次谐波注入可以减少调制电压峰值，从而避免电压增大带来的子模块个数不足，裕度减小的问题。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。