用于柔直MMC交直流统一构网控制的动模实验方法及应用

本发明属于电力系统控制领域，更具体地，涉及一种用于柔直mmc交直流统一构网控制的动模实验方法及应用。

背景技术：

1、当前，大容量电力只能采用架空线高压直流输电才能送达上千公里之外的中部和东南沿海负荷中心。其中，基于模块化多电平换流器(mmc)的柔性直流输电技术是目前最先进的输电技术。然而，随着东南沿海地区大举开发分布式发电和海上风电，高比例电力电子设备和高比例新能源的接入使得柔直系统受端电网的短路容量和系统惯量降低，动态行为发生深刻变化。因此，为适应受端电网新变化，受端mmc换流站需具备弱电网适应能力以及参与交流电网频率调节的能力。

2、受端mmc换流站通常采用跟网型(grid following control，gfl)控制策略，利用锁相环(phase locked loop，pll)实现电网同步，同时控制柔直系统的直流链路电压。但这种控制容易受到交流电网短路容量变化的影响，可能导致系统在弱电网下出现振荡现象。此外，现有柔直mmc控制不具备主动支撑能力，受端电网在扰动下存在频率稳定问题。为提高新能源基地经柔直系统馈入受端弱交流电网的运行稳定性，受端mmc换流器应该具备以下功能：基本的直流链路电压控制能力；适应弱交流电网的稳定运行能力；参与电网频率调节的主动支撑能力。

技术实现思路

1、针对现有mmc控制的缺陷，本发明通过控制架构创新，提出一种用于柔直mmc交直流统一构网控制的动模实验方法及应用，能够实现交直流侧同时构网，并具备主动电网支撑能力，完全满足接入弱交流电网时柔直mmc换流器的性能要求，所提出的动模实验方法还可避免构网换流器直接启动面临的系统过流风险。

2、本发明解决上述技术问题的技术方案如下：提出一种用于柔直mmc交直流统一构网控制的动模实验方法，柔直换流器交直流统一构网控制基于4维度控制架构。4维度控制架构包含交流直轴调制比(md)、交流交轴调制比(mq)、直流调制比(mdc)和电容电压调制比(mc)。其中md和mq为交流电流控制的输出，mdc为直流电流控制的输出，mc为子模块电容电压平均值计算的输出。

3、进一步地，所开发的mmc控制器包含两种控制策略，分别为：柔直换流器交直流统一构网控制和构网换流器启动控制策略。其中，构网换流器启动控制策略用于开展动模实验时实现构网换流器的无过流并网。

4、进一步地，所开发的mmc控制器中设置有控制模式切换信号ena。ena＝0和ena＝1分别对应着构网换流器启动控制和柔直换流器交直流统一构网控制。开展动模实验时，柔直换流器首先采用构网换流器启动控制，即置ena＝0；之后令ena＝1时，柔直换流器控制切换为交直流统一构网控制。

5、进一步地，柔直换流器交直流统一构网控制包括：能量同步控制、交流电压控制和直流电压控制。

6、设置控制模式切换信号ena＝0，进入构网换流器启动控制：

7、测量电网电压相位θpll，利用所述电网电压相位θpll计算mmc矢量控制的dq变换，以生成mmc调制电压的交流分量，控制mmc交流侧输出电压的幅值达到预设值；

8、对mmc子模块电容能量wmmc和mmc子模块电容能量的控制参考值wmmcref的差值进行比例控制，通过控制交流直轴电流实现对mmc电容能量的调控，使其达到预设值；

9、将直流电压的参考值与直流电压作减法，经过比例控制得到直流电流的参考值，与直流电流作减法，经过比例控制并附加直流电压得到mdc，以生成mmc调制电压的直流分量，控制mmc直流侧输出电压的幅值达到预设值；

10、设置控制模式切换信号ena＝1，进入交直流统一构网控制：

11、将交流直轴/交轴电压vd/vq和交流直轴/交轴电压参考值vdref/vqref做减法，经过pi控制得到交流直轴/交轴电流的参考值，与交流直轴/交轴电流作减法，经过pi控制得到交流直轴/交轴调制比md/mq，以控制mmc交流侧输出电压的幅值达到预设值；

12、对mmc子模块电容能量wmmc和mmc子模块电容能量的控制参考值wmmcref的差值进行比例控制，利用所述比例控制的输出结果和额定电网角频率ω0生成mmc输出角频率ω；对所述mmc输出角频率ω进行积分，以获得用于计算mmc矢量控制的dq变换及反变换所需要的相位θesc，附加当前时刻(θpll-θesc)，作为参考相位θ；利用所述参考相位θ计算mmc矢量控制的dq变换，以控制mmc电容电压；

13、将直流电压的参考值与直流电压作减法，经过pi控制得到直流电流的参考值，与直流电流作减法，经过pi控制并附加直流电压得到mdc，以控制mmc直流侧输出电压的幅值达到预设值。

14、其中，能量同步控制用于生成矢量控制坐标变换所需要的参考相位，实现自主电网同步和mmc电容能量的精准调控；交流电压控制为前述交流电流控制的外环控制，用于实现mmc交流侧电压幅值控制；直流电压控制为前述直流电流控制的外环控制，用于实现mmc直流侧电压控制。

15、进一步地，构网换流器启动控制包括：锁相环、能量控制。锁相环采用基于二阶广义积分器的锁相环(dsogi-pll)，实现对电网电压相位的测量，并用于矢量控制坐标变换。能量控制为pi控制，通过控制交流直轴电流实现对mmc电容能量的调控。

16、进一步地，开展动模实验时，柔直换流器输出相位θ的表达式为：

17、

18、式中，t0为信号ena从0切换为1的时刻，θpll和θesc分别为锁相环和能量同步控制输出的相位。

19、本发明还提供一种柔直mmc交直流统一构网控制装置，包括：构网换流器启动控制装置和交直流统一构网控制装置，

20、所述构网换流器启动控制装置包括：

21、第一交流电压控制模块，用于测量电网电压相位θpll，利用所述电网电压相位θpll计算mmc矢量控制的dq变换，以生成mmc调制电压的交流分量，控制mmc交流侧输出电压的幅值达到预设值；

22、第一电容电压控制模块，用于对mmc子模块电容能量wmmc和mmc子模块电容能量的控制参考值wmmcref的差值进行比例控制，通过控制交流直轴电流实现对mmc电容能量的调控，使其达到预设值；

23、第一直流电压控制模块，用于将直流电压的参考值与直流电压作减法，经过比例控制得到直流电流的参考值，与直流电流作减法，经过比例控制并附加直流电压得到mdc，以生成mmc调制电压的交流分量，控制mmc直流侧输出电压的幅值达到预设值；

24、所述交直流统一构网控制装置包括：

25、第二交流电压控制模块，用于将交流直轴/交轴电压vd/vq和交流直轴/交轴电压参考值vdref/vqref做减法，经过pi控制得到交流直轴/交轴电流的参考值，与交流直轴/交轴电流作减法，经过pi控制得到交流直轴/交轴调制比md/mq，以控制mmc交流侧输出电压的幅值达到预设值；

26、第二电容电压控制模块，用于对mmc子模块电容能量wmmc和mmc子模块电容能量的控制参考值wmmcref的差值进行比例控制，利用所述比例控制的输出结果和额定电网角频率ω0生成mmc输出角频率ω；对所述mmc输出角频率ω进行积分，以获得用于计算mmc矢量控制的dq变换及反变换所需要的相位θesc，附加当前时刻(θpll-θesc)，作为参考相位θ；利用所述参考相位θ计算mmc矢量控制的dq变换，以控制mmc电容电压；

27、第二直流电压控制模块，用于将直流电压的参考值与直流电压作减法，经过pi控制得到直流电流的参考值，与直流电流作减法，经过pi控制并附加直流电压得到mdc，以控制mmc直流侧输出电压的幅值达到预设值。

28、进一步地，所述第二交流电压控制模块包括依次连接的：

29、第一减法器，用于对输入的所述mmc子模块电容能量wmmc及其控制参考值wmmcref作减法，得到(wmmc-wmmcref)；

30、比例控制器，用于将比例增益k与来自所述第一减法器的(wmmc-wmmcref)作乘积；

31、第一加法器，用于将接收到的所述mmc直流侧有功输出功率pdc和所述比例控制器输出的k(wmmc-wmmcref)进行叠加，并与所述mmc交流侧有功输出功率pac作减法；

32、比例控制器，用于对比例增益与第一加法器的结果作乘积；

33、第二加法器，用于将所述额定电网角频率ω0和所述比例控制器输出的乘积进行叠加，获得所述mmc输出角频率ω；

34、积分控制器，用于对所述mmc输出角频率ω进行积分，以获得所述相位θesc。

35、本发明还提供了用于柔直mmc交直流统一构网控制的动模实验方法的启动方法，开展动模实验时，柔直换流器软硬件启动时序包括：

36、i)mmc接收到上位机发送的启动命令后，开始配置mmc桥臂内部继电器开关状态，使得mmc处于待充电模式；

37、ii)桥臂配置完成后，合闸交流主接触器，交流电网开始对mmc上下桥臂的子模块电容进行不可控整流充电；

38、iii)当子模块电容电压达到v1th时，交流不可控充电结束，mmc控制系统开始利用交流电网对子模块电容进行可控充电；

39、iv)当子模块电容电压达到v2th时，交流可控充电过程结束，mmc开始稳态运行，进入主控制器工作模式；此时，置ena＝0，柔直mmc采用构网换流器启动控制策略，锁相环开始工作以实现对交流电网电压相位的实时测量；同时，使能直流电压控制和能量控制稳定mmc直流电压和电容能量；

40、v)mmc稳定运行δt后，置ena＝1，柔直mmc控制模式切换为交直流统一构网控制继续运行，完成交直流统一构网控制换流器的实验启动。

41、本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的方法的步骤。

42、通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，本发明能够取得以下有益效果：

43、(1)本发明构建的用于柔直mmc交直流统一构网控制的动模实验方法及应用，控制架构上引入直流调制比和电容能量调制比，交直流统一构网控制具备独立的直流电压控制、直流电压控制、子模块电容电压(能量)控制能力；

44、(2)本发明设计的柔直换流器交直流统一构网控制，相比于传统柔直mmc构网控制，交直流统一构网控制不仅可进行交流侧构网，还具备直流侧构网的能力；此外，交直流统一构网控制采用能量同步控制，在实现自主电网同步的同时，还可灵活且充分地调控电容能量；

45、(3)本发明提出的用于柔直mmc交直流统一构网控制的动模实验方法采用基于模式切换的构网换流器启动控制策略。开展动模实验时，在构网控制投入时刻，实现了换流器输出相位与电网电压相位相等，避免了构网控制直接投入时由于较大的电压相位差而导致的过流问题。