一种抑制弱交流电网功率耦合的受端MMC功率协调控制方法

本发明涉及电力系统运行与控制，特别涉及一种抑制弱交流电网功率耦合的受端mmc功率协调控制方法。

背景技术：

1、模块化多电平换流器(modular multilevel converter,mmc)是一种基于电力电子器件的交直流电能变换装置，具有开关损耗小、波形质量高、故障处理能强以及可快速、独立调节有功、无功功率等特点，广泛应用于柔性直流输电场景以及无源网络或弱交流电网等供电场景。随着基于mmc的柔性直流输电(mmc-hvdc)系统应用日渐广泛，其输电容量在电力系统总负荷中的占比不断提高，使得电力系统中传统强交流电网的短路比逐渐下降，呈现出不利于mmc-hvdc系统运行稳定的弱交流电网特性。mmc-hvdc受端交流电网的强度会直接影响mmc-hvdc系统的动态特性和稳定特性：首先，受端交流电网强度越低，受端mmc控制器的外环控制对mmc-hvdc受端系统运行稳定性的影响越大，越容易出现稳定性问题；其次，相较于强交流电网，弱交流电网具有更低的惯性以及系统阻尼，mmc同样具备低阻尼、低惯性的特点，两者的相互作用将会恶化mmc-hvdc受端系统的运行稳定性；最后，弱交流电网会呈现出有功、无功功率耦合的运行特性，这将使得受端mmc控制器的有功外环与无功外环相互影响，影响mm-hvdc受端系统的稳定性，甚至导致系统失稳。

2、在mmc-hvdc系统中，为了响应电网调度中心发出的功率指令，受端mmc控制器一般会采用有功外环定有功功率控制、无功外环定无功功率控制的定功率双环控制系统，同时，为了兼顾频率、电压调节的灵活性，在其定有功功率、定无功功率外环中，往往还会引入下垂控制；其中，定有功功率外环一般引入频率—有功功率下垂控制，定无功功率外环一般引入电压—无功功率下垂控制。对于定有功功率外环，其引入下垂控制后，在受端交流电网出现频率波动时，可使受端mmc根据受端交流电网频率的波动程度，按下垂系数确定的比例增发有功功率，参与受端交流电网的一次调频。对于定无功功率外环，其引入下垂控制后，在受端交流电网遭受低电压穿越故障期间，可使受端mmc根据受端交流电网电压的跌落程度，按下垂系数确定的比例增发无功功率，以支撑受端交流电网的电压。

3、然而，下垂控制具有一定的负阻尼特性，在受端mmc控制系统的外环中引入下垂控制会削弱mmc-hvdc受端系统的阻尼，从而恶化系统稳定性。当受端mmc连接的弱交流电网遭受短路故障时，弱交流电网有功、无功功率耦合特性导致的受端mmc有功、无功外环间的相互影响会降低mmc-hvdc受端系统稳定性，其中，有功、无功外环下垂控制的相互影响会进一步恶化系统的稳定性，甚至导致mmc-hvdc受端系统失稳。

4、感应电动机是交流电网占比最高的负荷与最主要的动态负荷，其运行特性对交流电网的运行特性具有重要影响。弱交流电网中的电源对弱交流电网的调节能力较弱，相较于强交流电网，感应电动机负荷对弱交流电网运行特性的影响更大；弱交流电网有功、无功功率耦合的运行特性，正是感应电动机负荷影响其运行特性的一种具体表现。

5、综上所述，当mmc-hvdc受端换流器连接弱交流电网时，现有的受端mmc定功率双环控制系统的有功、无功功率指令值相互独立，无法应对弱交流电网的功率耦合特性；当受端弱交流电网遭受短路故障时，在弱交流电网的功率耦合特性的作用下，受端mmc有功、无功外环间的相互作用会恶化mmc-hvdc受端系统的稳定性，甚至导致其失稳。

6、鉴于此，需要一种抑制弱交流电网功率耦合的受端mmc功率协调控制方法。

技术实现思路

1、针对现有的mmc-hvdc受端换流器控制方法中，当受端mmc连接弱交流电网时，在弱交流电网的功率耦合特性影响下，存在有功、无功外环间的相互影响而降低mmc-hvdc受端系统稳定性的问题。本发明提供了一种抑制弱交流电网功率耦合的受端mmc功率协调控制方法，能够应对受端mmc连接弱交流电网时，其存在的有功、无功外环相互影响而降低mmc-hvdc受端系统稳定性的问题。具体技术方案如下：

2、一种抑制弱交流电网功率耦合的受端mmc功率协调控制方法，包括以下步骤：

3、s1：确立感应电动机外电路拓扑结构并建立模型坐标系；

4、s2：建立dq0旋转坐标系下感应电动机的数学模型；

5、s3：将感应电动机机端电压、定子电流与转子电压之间的关系带入所述步骤s2中的感应电动机的数学模型，得到仅包含感应电动机机端电压、定子电流的dq0旋转坐标系下感应电动机的数学模型；

6、s4：考虑所述步骤s3中得出的仅包含感应电动机机端电压、定子电流的dq0旋转坐标系下感应电动机的数学模型中各个电气量基波分量，并基于正弦函数的导函数与原函数之间关系，得出dq0旋转坐标系下不含导数项的感应电动机的数学模型；

7、s5：基于所述步骤s4中得出的dq0旋转坐标系下不含导数项的感应电动机的数学模型，解出dq0旋转坐标系下感应电动机定子电流d轴、q轴分量；

8、s6：基于dq0旋转坐标系下感应电动机定子电流d轴、q轴分量计算感应电动机吸收的有功功率和无功功率，得出dq0旋转坐标系下体现感应电动机有功、无功功率耦合关系的感应电动机功率耦合模型；

9、s7：基于所述步骤s6得出的感应电动机功率耦合模型，使用弱交流电网频率的偏差率近似替代感应电动机滑差，在受端mmc定功率双环控制系统的外环控制之前引入功率协调控制环节，构成受端mmc功率协调控制系统，以实现受端mmc输出有功、无功功率针对感应电动机运行特性的功率协调控制。

10、优选的，所述感应电动机的数学模型具体如下：

11、

12、式中，s为感应电动机滑差；e′d、e′q分别为转子电压d轴、q轴分量；f0为感应电动机电压额定频率；id、iq分别为定子电流d轴、q轴分量；td′0为定子开路时转子回路暂态时间常数；te为转子的电磁转矩；tj为负载的惯性时间常数；tm为负载的机械转矩；x为同步电抗；x′为暂态电抗；

13、其中，感应电动机的同步电抗x以及暂态电抗x′的计算公式如下所示：

14、x＝xs+xm

15、

16、式中，xm为感应电动机的励磁电抗；xr为感应电动机的归算到定子侧的转子电抗；xs为感应电动机的定子电抗。

17、优选的，所述步骤s3具体如下：

18、列出感应电动机机端电压、定子电流与转子电压之间的关系，如下所示：

19、

20、式中，vd、vq分别为感应电动机机端电压的d轴、q轴分量；

21、将感应电动机机端电压、定子电流与转子电压之间的关系带入感应电动机的数学模型；

22、得到仅包含感应电动机机端电压、定子电流的dq0旋转坐标系下感应电动机的数学模型，具体如下：

23、

24、优选的，所述步骤s4具体如下：

25、将所述步骤s3得出的仅包含感应电动机机端电压、定子电流的dq0旋转坐标系下感应电动机的数学模型进行整理，整理后如下所示：

26、

27、为简化分析，只考虑dq0旋转坐标系下感应电动机的数学模型中各个电气量的基波分量，即：v＝sin(ωt+θ)，i＝sin(ωt+θ+β)；

28、基于正弦函数经过一次求导后，其相位提前90度这一性质，在本发明所使用的dq0旋转坐标系中，存在如下关系：

29、

30、将上式带入整理后的dq0旋转坐标系下感应电动机的数学模型，得出dq0旋转坐标系下不含导数项的感应电动机数学模型，具体如下：

31、

32、优选的，所述步骤s5得出的dq0旋转坐标系下感应电动机定子电流d轴、q轴分量具体如下：

33、

34、优选的，所述步骤s6具体如下：

35、在本发明所采用dq0旋转坐标系下，感应电动机吸收的有功功率和无功功率的计算公式具体如下：

36、

37、式中，p为有功功率，q为无功功率；

38、将所述步骤s5得出的dq0旋转坐标系下感应电动机定子电流d轴、q轴分量带入感应电动机吸收的有功功率和无功功率计算公式中，得出下式：

39、

40、将上式中的vdid、-vdiq写为p、q，进一步得出下式：

41、

42、将上式中有关感应电动机滑差s的项写为如下函数：

43、

44、进一步得到dq0旋转坐标系下，体现感应电动机有功、无功功率耦合关系的感应电动机功率耦合模型：

45、

46、优选的，所述步骤s7中感应电动机滑的差近似替代方法具体如下：

47、列出感应电动机滑差s的计算公式，具体如下：

48、

49、式中，fr′为感应电动机转子归算到定子上的频率，f0为感应电动机机端电压的额定频率；

50、使用弱交流电网的电网频率fg代替感应电动机的fr′，近似计算感应电动机的滑差s，其计算公式如下：

51、

52、式中，δf％为弱交流电网频率的偏差率。

53、一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质包括存储的程序，其中，在所述程序运行时控制所述计算机可读存储介质所在设备执行权利要求1至6中任意一项所述的抑制弱交流电网功率耦合的受端mmc功率协调控制方法。

54、一种处理器，所述处理器用于运行程序，其中，所述程序运行时执行权利要求1至6中任意一项所述的抑制弱交流电网功率耦合的受端mmc功率协调控制方法。

55、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

56、1、本发明在受端mmc传统的定有功、定无功的双环控制系统中，引入功率协调控制环节，构成受端mmc功率协调控制系统，使得受端mmc连接弱交流电网时，可针对弱交流电网的功率耦合特性进行受端mmc功率协调控制，有效提高mmc-hvdc受端系统的运行稳定性。

57、2、本发明通过推导感应电动机的三阶数学模型得到了感应电动机功率耦合模型，并基于其设计了功率协调控制环节，可显著减小弱交流电网的功率耦合特性导致的受端mmc有功、无功外环间的相互影响，提高受端mmc在其连接的弱交流电网遭受故障期间的功率振荡抑制能力，从而提高mmc-hvdc受端系统在受端mmc连接的弱交流电网遭受故障期间的暂态稳定性。

58、3、相较于受端mmc传统的定有功、定无功的双环控制系统，在受端mmc连接弱交流电网时，本发明提供的受端mmc功率协调控制系统可显著减小受端mmc有功、无功外环间的相互影响，从而使连接弱交流电网的受端mmc的控制器能够采用更多样的附加功率控制策略，提高控制的灵活性。