计算交流不平衡工况下串联型MMC功率安全传输范围的方法

计算交流不平衡工况下串联型mmc功率安全传输范围的方法
技术领域
1.本发明属于电力电子技术领域，特别设计一种计算交流不平衡工况下串联型mmc功率安全传输范围的方法。


背景技术：

2.我国是能源大国，但能源共、需分布极不均衡。随着偏远地区的开发及柔性直流输电技术的大规模应用，直流输电线路走廊附近存在从直流输电线路获取电力的需求，如中亚——南亚四国需要从阿富汗中间之路引出300mw的直流功率。于是借助已有的直流输电线路走廊，建立和发展一种经济有效的功率分支站可以推动其输电走廊沿线经济发展，工程应用价值重大。为保证输电经济性，需采用架空线路，而这种裸露的线路容易发生短路、闪络等暂时性的故障，因此对直流输电系统有着处理直流侧短路故障途径的要求。利用换流器自身控制来实现直流侧故障的快速自清除特别适合直流输电网络。
3.三相串联型sc-mmc工作在交流不平衡工况下，功率安全传输范围的缩小会影响其安全运行。目前，针对三相串联型sc-mmc的研究主要集中在其自身运行机理、数学模型及谐波模型问题上，而三相串联型sc-mmc在交流不平衡工况下的功率安全传输范围问题的研究还未见报道。因此，一种计算交流不平衡工况下串联型mmc功率安全传输范围的方法提出对柔性直流输电系统具有积极的意义和重要的实用价值。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术中的问题，本发明针对工作在交流不平衡工况下的三相串联型sc-mmc，提出了一种计算其交流不平衡工况下的功率安全传输范围的方法。该方法可以进一步提高其运行的安全性。
5.本发明提供了计算交流不平衡工况下串联型mmc功率安全传输范围的方法，将实际工程模型等效为单端sc-mmc的单相等效电路，建立其数学模型；为抑制交流不平衡工况下换流器侧产生的负序电流采用负序电流控制；为避免开关设备被击穿而损坏，同时保证换流站保持一定的电力传输采用零序电压注入法；根据零序电压注入法计算出电流dq轴正序分量和零序分量的参考值，利用对称分量法分析pcc处不平衡电压的正序、负序和零序分量，计算pcc处电压值、输出电压值、交流电流值；根据分析计算结果列写影响sc-mmc功率安全传输范围相对应的约束条件，在pq平面刻划其功率安全传输范围。
6.作为本发明的进一步改进，所述三相串联型sc-mmc工作在交流不平衡工况下，建立其数学模型，采用负序电流和零序电压注入控制策略，所述不平衡工况下对pcc处电压采用对称分量法分析，列写出pcc电压的正序、负序和零序分量，所述零序电压注入法求解的电流dq轴正序和零序的参考值，以及对称分量法求解的pcc处电压正序、负序和零序分量，列写pcc处电压值、输出电压值和交流电流值。
7.作为本发明的进一步改进，对于运行在交流不平衡工况下的sc-mmc，为抑制交流不平衡工况下换流器侧产生的负序电流采用负序电流控制；为避免开关设备被击穿而损
坏，同时保证换流站保持一定的电力传输采用零序电压注入法。
8.作为本发明的进一步改进，所述交流不平衡工况下采用负序电流控制。为抑制负序电流，可以通过在换流器电压中添加负序分量来补偿交流故障时出现在变压器换流器侧的负序电压。
9.作为本发明的进一步改进，所述交流不平衡工况下采用零序电压注入法。为平衡sc-mmc各相的有功功率，在换流器侧注入零序电压。
10.作为本发明的进一步改进，pcc处c相发生单相接地故障，采用对称分量法分析不平衡工况下的pcc电压，其正序、负序和零序分量分别为：
[0011][0012][0013][0014]
其中，u
+
、u-和u0分别代表pcc处电压正序分量、负序分量和零序分量的幅值；和分别代表电压正序分量，负序分量和零序分量的相位角，k和分别代表不平衡时pcc处c相的电压比和c相电压导致其不平衡位置的角度。
[0015]
因此，换流器侧的等效pcc电压为：
[0016][0017]
作为本发明的进一步改进，实际运行不平衡度k和为：
[0018][0019]
其中，zs代表电网阻抗。
[0020]
作为本发明的进一步改进，变压器电网侧的交流电流为：
[0021][0022]
其中，p
t
和q
t
分别代表注入到sc-mmc的有功功率和无功功率。
[0023]
作为本发明的进一步改进，换流器等效输出电压的三相表达式为：
[0024][0025]
作为本发明的进一步改进，所述输出电压的零序分量可通过零序电压注入法求得的电流零序分量来计算。
[0026]
作为本发明的进一步改进，所述刻划的交流不平衡工况下三相串联型sc-mmc的功率安全传输范围有助于该拓扑在交流不平衡工况下的安全运行。
[0027]
本发明的有益效果是：(1)本发明针对工作在交流不平衡工况下的三相串联型sc-mmc，该方法基于交流不平衡工况下串联型mmc数学模型的建立，使用对称分量法对pcc处不平衡电压进行分析，能够有效计算出pcc处正序、负序和零序电压，并在此基础上分析其影响功率安全传输范围的约束条件，同时在pq平面上刻划出交流不平衡工况下串联型mmc的功率安全传输范围，有助于该拓扑在交流不平衡工况下的安全运行。(2)本发明所述方法具有经济可靠、实现简单、性能优异的特点，可应用于采用了三相串联型mmc的柔性直流输电系统实际工程中。
附图说明
[0028]
图1为三相串联型sc-mmc拓扑结构图；
[0029]
图2为a相sc-mmc拓扑结构图；
[0030]
图3为交流不平衡工况下单端sc-mmc的单相等效电路图；
[0031]
图4为pcc点c相发生spf等效电路图；
[0032]
图5(a)至图5(c)是pcc电压不对称分量的相量图，其中，图5(a)是pcc处电压正序分量图，图5(b)是pcc处电压负序分量图，图5(c)是pcc处电压零序分量图；
[0033]
图6是本发明的方法流程图。
具体实施方式
[0034]
如图6所示，本发明公开了一种计算交流不平衡工况下串联型mmc功率安全传输范围的方法，包括如下步骤：
[0035]
步骤1：将实际工程模型等效为单端sc-mmc的单相等效电路，建立串联型mmc数学模型；
[0036]
步骤2：为抑制交流不平衡工况下换流器侧产生的负序电流采用负序电流控制，为避免开关设备被击穿而损坏，同时保证换流站保持一定的电力传输采用零序电压注入法；
[0037]
步骤3：利用对称分量法分析pcc处不平衡电压的正序、负序和零序分量；
[0038]
步骤4：根据分析计算结果列写影响sc-mmc功率安全传输范围相对应的约束条件；
[0039]
步骤5：在pq平面刻划交流不平衡工况下串联型mmc功率安全传输范围。
[0040]
在所述步骤1中，sc-mmc工作在交流不平衡工况下，建立其数学模型。
[0041]
在所述步骤3中，根据零序电压注入法计算出电流dq轴正序和零序的参考值，不平衡工况下对pcc处电压用对称分量法分析，可以列写出pcc电压的正序、负序和零序分量，计算pcc处电压值、输出电压值和交流电流值。
[0042]
在所述步骤5中，根据约束条件，采用扫描法和解析法在pq平面刻划其功率安全传输范围。对于运行在交流不平衡工况下的sc-mmc，为抑制交流不平衡工况下换流器侧产生的负序电流采用负序电流控制；为避免开关设备被击穿而损坏，同时保证换流站保持一定的电力传输采用零序电压注入法。
[0043]
交流不平衡工况下采用负序电流控制。为抑制负序电流，可以通过在换流器电压中添加负序分量来补偿交流故障时出现在变压器换流器侧的负序电压。
[0044]
交流不平衡工况下采用零序电压注入法。为平衡sc-mmc各相的有功功率，在换流器侧注入零序电压。
[0045]
当pcc处c相发生单相接地故障时，采用对称分量法分析不平衡工况下的pcc电压，其正序、负序和零序分量分别为：
[0046][0047][0048][0049]
其中，u
+
、u-和u0分别代表pcc处电压正序分量、负序分量和零序分量的幅值；和分别代表电压正序分量，负序分量和零序分量的相位角，k和分别代表不平衡时pcc处c相的电压比和c相电压导致其不平衡位置的角度。
[0050]
因此，换流器侧的等效pcc电压为：
[0051][0052]
实际运行中不平衡度k和为：
[0053][0054]
其中，zs代表电网阻抗。
[0055]
变压器电网侧的交流电流为：
[0056]
[0057]
其中，p
t
和q
t
分别代表注入到sc-mmc的有功功率和无功功率。
[0058]
换流器侧等效输出电压三相表达式为：
[0059][0060]
其中，和分别代表输出电压的正序、负序和零序分量的幅值，和分别代表输出电压的正序、负序和零序分量的相位角。
[0061]
输出电压的零序分量可通过零序电压注入法求得的电流零序分量来计算。
[0062]
刻划出交流不平衡工况下sc-mmc的功率安全传输范围有助于该拓扑在交流不平衡工况下的安全运行。
[0063]
本发明是针对一种工作在交流不平衡工况下的三相串联型mmc，如图1所示，该三相串联型sc-mmc由三相mmc串联而成，每相mmc有四个桥臂，四个桥臂全部由半桥子模块(hbsm)组成，其中，vtn(n＝1,2)为全控开关器件(通常为igbt)，vdn(n＝1,2)为开关器件反并联二极管，c为子模块电容值，uc为子模块电压，u
sm
为子模块输出电压。hbsm的输出电压u
sm
为0或uc，l0为桥臂电抗器电感值，u
dc
为三相串联mmc直流侧电压值。
[0064]
图2为sc-mmc系统a相拓扑结构，其中u
ai
(i＝1,2,3,4)为a相四个桥臂中hbsms切换产生的电压，ud为换流器直流侧母线电压的三分之一，ua和ia分别为变压器二次侧的电压和电流，u
mn
为输出电压。
[0065]
图3位交流不平衡工况下单端sc-mmc的单相等效电路图，其中us为电网电压，其中zs代表电网阻抗，zg代表接地阻抗，以模拟pcc处的电压不平衡，其中x
t
为变压器基波漏抗，x
l
为桥臂电抗。
[0066]
图4为pcc点c相发生spf等效电路图，pcc的c相发生spf，通过连接到pcc处c相的接地阻抗zg模拟电压不平衡。
[0067]
图5为pcc电压不对称分量的相量图，不平衡工况下pcc处电压正序、负序和零序分量分别为：
[0068][0069][0070][0071]
其中，u
+
、u-和u0分别代表pcc处电压正序分量、负序分量和零序分量的幅值；
和分别代表电压正序分量，负序分量和零序分量的相位角，k和分别代表不平衡时pcc处c相的电压比和c相电压导致其不平衡位置的角度。
[0072]
因此，换流器侧的等效pcc电压为：
[0073][0074]
实际运行不平衡度k和为：
[0075][0076]
其中，zs代表电网阻抗。
[0077]
变压器电网侧的交流电流为：
[0078][0079]
其中，p
t
和q
t
分别代表注入到sc-mmc的有功功率和无功功率。
[0080]
换流器等效输出电压的三相表达式为：
[0081][0082]
本发明提出的一种计算交流不平衡工况下三相串联型sc-mmc功率安全传输范围的方法，有助于该拓扑在交流不平衡工况下的安全运行，可应用于柔性直流输电系统实际工程中。
[0083]
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。