一种具备限压限流和振荡抑制能力的柔性直流换流站电压单环控制方法

本发明涉及基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter,mmc)的柔性直流输电(high voltage direct current,hvdc)系统供电孤岛交流网络的限压限流和谐振振荡抑制应用领域，包括柔性直流输电换流站接入孤岛光伏场站、孤岛陆地或偏远地区风电场站、海上风电场站等没有传统电源支撑的交流电网，具体涉及一种具备限压限流和谐振振荡抑制能力的柔性直流换流站电压单环控制方法。

背景技术：

1、大力发展风电和光伏等新能源已经成为势不可挡的趋势。这些规模化的新能源基地位于偏远地区且往往远离负荷中心，尤其是海上风电应用场合，没有传统同步交流电源提供电压支撑，呈现孤岛性质，采用何种方案将其有效可靠并网送出是学术工业界研究的重点。基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter,mmc)的柔性直流输电技术以其自身具备电压支撑能力的特性成为当前一种可供选择的先进方案，并在国内外多个工程应用，例如在我国的张北新能源基地和如东海上风电场应用。

2、孤岛新能源场站经柔性直流输电系统并网送出时，系统运行初期柔性直流换流站为孤岛交流线路空载加压是不可少的运行环节，存在开环和闭环两种控制模式。前者适用于启动初期空载加压和功率输送较小的场合，后者适用于功率较大且需要提升抗干扰能力的场合。鉴于该系统是典型的电力电子化系统，存在不同频率段的谐振振荡风险，同时也可能出现短路故障等情况，例如张北直流电网和如东风电场发生了几hz到几千hz不等的宽频振荡现象，如何有效抑制谐振振荡是系统可靠运行的前提。尽管换流站在开环控制下不会发生谐振振荡，但是从抗干扰能力，尤其是短路故障电流抑制能力方面来看，开环控制并不适用于大功率或长时间运行。发生短路故障导致过电流风险较大。然而，闭环控制尽管具有较好的抗干扰能力，但是容易因装备链路延时产生中高频振荡现象。综上，如何有效在提升换流站短路故障电流限制等抗干扰能力的基础上，抑制系统谐振振荡成为当前研究的热点。

3、当前绝大部分文献在柔性直流换流站供电孤岛交流系统方面所采用的控制方式是电压电流双闭环形式，大部分都以谐振稳定性及其抑制方案研究为主。尽管双闭环也可以实现限压限流控制，但是电流限幅值一般在1.1～1.2倍额定值，发生三相短路故障之后，为保护半导体功率器件过热损害，不能长时间运行。另一方面，几乎所有研究均是考虑新能源场站与柔性直流输电系统已经成功连接的应用场景，在交流线路空载加压方面所做的研究工作非常欠缺，尤其是换流站如何同时应对短路故障限压限流和谐振稳定性等方面的研究还未开展。

4、基于以上叙述，针对新能源场站经柔性直流输电系统并网送出应用场景，本发明专利提出了一种具备故障限压限流和谐振振荡抑制能力的柔性直流换流站电压单环控制架构，给出了控制方案的参数选择方法，无需闭锁环路站，且能在交流系统发生短路故障的情况下，将故障电流限制在0.2倍额定值以下，正常运行时还具备谐振振荡抑制能力。

技术实现思路

1、本发明专利所提出的具备限压限流和振荡抑制能力的柔性直流换流站电压单环控制方法，其中
技术实现要素：
的保护点如下：

2、s1.获取柔性直流换流站交流侧的三相电压和三相电流数据；

3、s2.获取电压电流输入量usd和usq与isd和isq；

4、s3.将步骤s2得到的d轴电压和q轴电压经低通滤波器之后，与参考电压u*s进行加减，将产生的误差值送至带有限幅的交流电压控制器guac，输出交流电压控制值；

5、s4.将步骤s3得到的交流电压控制器输出值与瞬时交流电压经前馈算法之后产生的补偿量进行叠加，实现限压限流交流电压前馈补偿算法；

6、s5.将步骤s4得到的叠加电压与瞬时电流馈至补偿器产生的补偿电压进行叠加并送至阀控系统，实现谐振抑制交流电流前馈补偿算法；

7、s6.对步骤s5中交流电流前馈补偿器参数进行设计，分为了低频补偿、中频补偿和高频补偿，实现谐振抑制交流电流前馈补偿器参数解析与设计。

8、步骤s2所述的获取电压电流输入量usd和usq与isd和isq，具体为采集柔性直流换流站交流侧的三相电压usabc(t)和三相电流isabc(t)，在换流站自身给定的dq坐标系上通过park变换，计算得到d轴电压usd(t)、q轴电压usq(t)、d轴电流isd(t)、q轴电流isq(t)。

9、步骤s3所述的将步骤s2得到的d轴电压和q轴电压经低通滤波器之后，与参考电压进行加减，将产生的误差值送至带有限幅的交流电压控制器guac，然后输出交流电压控制值，具体为将步骤s2得到的d轴电压usd和q轴电压usq经低通滤波器之后与参考电压u*s进行加减，先设置交流电压控制器输出限幅值usd_lim和usq_lim，再将产生的误差值送至电压控制器guac，然后将电压控制器的输出值与限幅值usd_lim和usq_lim进行对比，如果d轴(q轴)电压控制器的输出值在±usd_lim(或±usq_lim)内，则直接输出，否则就输出限幅值。该步骤主要用于在正常情况下稳定交流电压输出。

10、步骤s4所述的将步骤s3得到的交流电压控制器输出值与瞬时交流电压经前馈算法之后产生的补偿量进行叠加，实现限压限流交流电压前馈补偿算法，具体为将步骤s3得到的交流电压输出值uguacd、uguacq与瞬时交流电压经前馈算法之后产生的补偿量uvfwd、uvfwq进行叠加，其中前馈补偿输算法应具有前馈交流电压直流分量的能力，其实现方法包括但不限于低通滤波器、阶梯波前馈、滑动平均值前馈等。该步骤主要用于在交流系统发生故障之后，前馈瞬时交流电压用于降低短路故障电流。

11、步骤s5所述的将步骤s4得到的叠加电压与瞬时电流馈至补偿器产生补偿电压进行叠加并送至阀控系统，实现谐振抑制交流电流前馈补偿算法，具体为将步骤s4得到的叠加电压与将电流前馈至补偿器产生补偿电压进行叠加，叠加之后送至阀控系统。当交流系统发生短路故障之后，d轴电压严重降低必然导致d轴交流电压控制器输出限幅，再考虑故障电流方向反向，可以通过前馈补偿器产生反向补偿电压，降低输出交流电压控制器在短路故障期间输出限幅的影响，进而进一步降低短路电流。另外一方面，在正常运行情况下，加入了前馈补偿之后相当于改变了换流站的阻抗特性，为了抑制系统可能存在的低频、中频和高频振荡，需要分频段重构换流站输出阻抗特性，实现不同频率段的振荡抑制。由以上叙述可知，交流电流前馈补偿器应具备前馈交流电流直流分量的能力，为保证稳定性一般采用低通滤波器；此外，为分频段重构换流站输出阻抗特性，还需要由带通滤波器构成。

12、步骤s6所述的对步骤s5中交流电流前馈补偿器参数进行设计，分为了低频补偿、中频补偿和高频补偿，实现谐振抑制交流电流前馈补偿器参数解析与设计，具体包括如下步骤：

13、6.1低频补偿参数计算

14、a)计算具备限压限流能力的低频补偿器增益选择范围。选择低通滤波器，根据交流电压控制器的输出限幅和三相短路故障允许的电流，计算低通滤波器补偿系数增益的最小取值范围。

15、b)计算具备低频振荡抑制能力的补偿器增益选择范围。如图5所示，绘制交流线路(系统)的阻抗曲线，阻抗特性曲线表达式用zac(s)表示，其中s＝jω，j为虚数，ω为角频率且ω＝2πf，f取值从1hz到阀控频率的一半。计算或观察在低频段取得极大值的频率fmax，进而计算或观察得到此频率的交流系统导纳幅值|yac(jωmax)|＝|zac(jωmax)|。经过fmax作一条垂直频率线与交流线路(系统)阻抗幅值交于点a；过a点在幅值曲线上面作一条平行线与换流站阻抗幅值交于点b；过b点再作一条垂直频率线与交流线路(系统)阻抗相位交于点c。由于在[0,fmax]范围内换流站阻抗幅值上升且交流线路(系统)阻抗幅值下降，因此两个阻抗幅值的交点d的频率一定大于c点的频率fb1。只要在c点换流站的阻抗相位小于90°，就一定能保证不会发生低频振荡。

16、6.2中频补偿参数计算

17、如果交流线路(系统)低频谐振风险区域与中频谐振风险区域的频率相差太远，例如1000hz以上，则采用分频段补偿方式；如果相差不是太远，既可以采用分频段补偿方式，也可以利用6.1中低通滤波器的参数进行补偿，本专利以低频和中频振荡风险频率相差不远和解析的方式进行分析。

18、a)计算换流站输出阻抗的表达式，如果是解析计算则采用简化模型，如果是图示设计，则可以用简化也可以用详细模型。

19、b)计算换流站阻抗实部符号的简化表达式，给出考虑前馈低频补偿之后的阻抗模型，将其实部和虚部分离，忽略影响较小的物理量之后，给出阻抗实部符号简化表达式。

20、c)求解中频段振荡抑制补偿器增益系数最大值。令6.2b)中阻抗实部符号简化表达式大于零，计算使得抑制中频振荡的补偿器增益系数最大值。

21、d)绘制增益系数取值合适的区间。根据低频和中频谐振振荡风险区域和低频补偿器带宽频率，绘制补偿器增益系数的合理区间，观察是否有交集，取折中的交集作为低频和中频段的补偿器参数；否则，就要重新进行6.1的步骤，直到参数满足要求。

22、6.3高频补偿参数设计

23、高频段难以用解析表达式完成，需要借用阻抗图示曲线进行。考虑频频率补偿，因此需要采用多个带通滤波器。

24、a)确定系统中高频谐振振荡风险区域个数nres。该步骤可以根据交流线路(系统)和换流站的阻抗幅值交点频率处的相位特性确定。

25、b)确定带通滤波器的最大个数。根据nres个中高频谐振振荡风险区域，可以初步认为系统抑制中频和高频振荡只需要nres个带通滤波器。

26、c)确定带通滤波器的参数。从第一个中高频风险区域开始，选择合适的阻尼比和无阻尼振荡频率，通过绘制带通滤波器增益系数对谐振稳定性的影响，选择合适的带通滤波器增益系数。重复该步骤，直到所有谐振风险区域满足稳定要求。