本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)輸電
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體涉及一種多回MMC-HVDC饋入極弱電網(wǎng)的控制策略。
背景技術(shù)：
：模塊化多電平換流器(modularmultilevelconverter，MMC)是電壓源換流器型直流輸電系統(tǒng)(highvoltagedirectcurrent，HVDC)最有競爭力、最具應(yīng)用前景的換流器拓?fù)洹Ｓ捎谄渲圃祀y度小、損耗低、波形質(zhì)量高、能向無源網(wǎng)絡(luò)供電，MMC在各領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。隨著MMC-HVDC工程的逐漸增多，一個(gè)區(qū)域電網(wǎng)很有可能形成兩回或者多回MMC-HVDC饋入同一交流母線，或者彼此間電氣距離很近的情況。例如，在德國風(fēng)電并網(wǎng)項(xiàng)目中，已投運(yùn)的HVDCBorwin1工程和HVDCBorwin2工程同落點(diǎn)于德國的Diele，而已投運(yùn)的HVDCDolwin1工程則落點(diǎn)于離Diele不遠(yuǎn)處的West。未來，隨著我國東海海上風(fēng)電場的不斷開發(fā)，華東電網(wǎng)也將形成多柔性直流饋入的情況。截止目前，已投運(yùn)的MMC-HVDC工程的最大輸送容量為1000MW(魯西背靠背柔性直流工程)。隨著MMC技術(shù)的不斷發(fā)展和制造成本的下降，MMC-HVDC的輸送容量還將進(jìn)一步增加，這等效地降低了區(qū)域電網(wǎng)的強(qiáng)度，甚至?xí)纬纱笕萘縈MC-HVDC向弱電網(wǎng)供電的情況。多饋入柔性直流輸電系統(tǒng)向極弱交流電網(wǎng)供電的系統(tǒng)簡化模型如圖1所示，這里考慮兩個(gè)MMC換流站共同向某個(gè)極弱交流電網(wǎng)供電的情況。圖1中的SG是容量很小(占負(fù)荷功率的15％以內(nèi))的小型同步發(fā)電機(jī)(可視為小水電機(jī)組或柴油機(jī)組)，大部分的負(fù)荷功率由兩個(gè)換流站(MMC1、MMC2)共同承擔(dān)。當(dāng)多回MMC-HVDC饋入極弱電網(wǎng)時(shí)，電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行遇到了新的挑戰(zhàn)，此時(shí)亟需研究出適用于多回MMC-HVDC饋入極弱電網(wǎng)的控制策略。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：鑒于上述，本發(fā)明提供了一種多回MMC-HVDC饋入極弱電網(wǎng)的控制策略，該控制策略不僅可以使系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，而且能夠快速有效地進(jìn)行功率分配，并消除因功率波動(dòng)帶來的頻率偏差問題，在工程中具有非常強(qiáng)的參考意義與使用價(jià)值。一種多回MMC-HVDC饋入極弱電網(wǎng)的控制策略，包括：(1)為區(qū)域電網(wǎng)饋入功率的每個(gè)MMC均采用同步發(fā)電機(jī)模擬控制方法，所述同步發(fā)電機(jī)模擬控制方法包括有功-頻率控制環(huán)節(jié)、無功-電壓控制環(huán)節(jié)、輸出電流跟蹤控制環(huán)節(jié)以及內(nèi)部環(huán)流抑制控制環(huán)節(jié)；其中：所述的有功-頻率控制環(huán)節(jié)用于根據(jù)有功功率通過計(jì)算得到虛擬同步發(fā)電機(jī)功角θ；所述的無功-電壓控制環(huán)節(jié)用于根據(jù)無功功率通過計(jì)算得到dq坐標(biāo)系下的MMC閥側(cè)電流參考矢量所述的輸出電流跟蹤控制環(huán)節(jié)用于根據(jù)MMC閥側(cè)電流參考矢量通過計(jì)算得到dq坐標(biāo)系下的MMC橋臂差模電壓參考矢量所述的內(nèi)部環(huán)流抑制控制環(huán)節(jié)以MMC內(nèi)部環(huán)流為0作為控制目標(biāo)，通過計(jì)算得到dq坐標(biāo)系下的MMC橋臂共模電壓參考矢量(2)MMC間的功率分配采用動(dòng)態(tài)功率分配方法，即根據(jù)區(qū)域電網(wǎng)負(fù)荷的變化，按特定比例動(dòng)態(tài)調(diào)整各MMC的功率參考值。所述有功-頻率控制環(huán)節(jié)通過以下控制方程計(jì)算出虛擬同步發(fā)電機(jī)功角θ：其中：ω*為角頻率參考值，s為拉普拉斯算子，P*為MMC的有功功率參考值，P為MMC的有功功率實(shí)際值，ω0為區(qū)域電網(wǎng)的額定角頻率，J為設(shè)定的虛擬轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，D為設(shè)定的虛擬阻尼系數(shù)。所述無功-電壓控制環(huán)節(jié)的具體控制方法如下：首先，對MMC的網(wǎng)側(cè)電壓進(jìn)行Park變換，得到對應(yīng)dq坐標(biāo)系下的網(wǎng)側(cè)電壓d軸分量實(shí)際值usd和網(wǎng)側(cè)電壓q軸分量實(shí)際值usq；然后，令網(wǎng)側(cè)電壓q軸分量參考值并通過以下控制方程計(jì)算出網(wǎng)側(cè)電壓d軸分量參考值其中：Q*為MMC的無功功率參考值，Q為MMC的無功功率實(shí)際值，s為拉普拉斯算子，U0為輸出功率為零時(shí)MMC的額定電壓，kp為設(shè)定的比例系數(shù)，ki為設(shè)定的積分系數(shù)；最后，使的差值結(jié)果依次經(jīng)PI(比例積分)調(diào)節(jié)以及限幅環(huán)節(jié)后得到閥側(cè)電流d軸分量參考值使的差值結(jié)果依次經(jīng)PI調(diào)節(jié)以及限幅環(huán)節(jié)后得到閥側(cè)電流q軸分量參考值和即組成了dq坐標(biāo)系下的MMC閥側(cè)電流參考矢量所述輸出電流跟蹤控制環(huán)節(jié)通過以下控制方程計(jì)算出dq坐標(biāo)系下的MMC橋臂差模電壓參考矢量其中：為dq坐標(biāo)系下的MMC網(wǎng)側(cè)電壓矢量，其由MMC網(wǎng)側(cè)電壓經(jīng)Park變換得到；L＝Lac+L0/2，R＝R0/2，Lac為區(qū)域電網(wǎng)對應(yīng)戴維南等效電路中的等效電感值，L0為MMC的橋臂電感值，R0為MMC的橋臂等效電阻值，ω為區(qū)域電網(wǎng)的實(shí)際角頻率，j為虛數(shù)單位，t為時(shí)間。所述內(nèi)部環(huán)流抑制控制環(huán)節(jié)通過以下控制方程計(jì)算出dq坐標(biāo)系下的MMC橋臂共模電壓參考矢量其中：為dq坐標(biāo)系下的MMC內(nèi)部環(huán)流參考矢量，其為0矢量；L0為MMC的橋臂電感值，R0為MMC的橋臂等效電阻值，ω為區(qū)域電網(wǎng)的實(shí)際角頻率，j為虛數(shù)單位，t為時(shí)間。所述同步發(fā)電機(jī)模擬控制方法以-2θ作為坐標(biāo)變換角將反變換為三相橋臂共模參考電壓，以θ作為坐標(biāo)變換角將反變換為三相橋臂差模參考電壓；使三相橋臂共模參考電壓與三相橋臂差模參考電壓對應(yīng)相相加即得到MMC三相上橋臂的調(diào)制電壓，使三相橋臂共模參考電壓與三相橋臂差模參考電壓對應(yīng)相相減即得到MMC三相下橋臂的調(diào)制電壓；進(jìn)而根據(jù)所述調(diào)制電壓通過相應(yīng)調(diào)制算法生成MMC各橋臂的開關(guān)控制信號(hào)用以對MMC進(jìn)行控制。所述動(dòng)態(tài)功率分配方法基于以下方程表達(dá)式：其中：和分別為第i個(gè)發(fā)電單元的有功功率參考值和無功功率參考值，λi和γi分別為第i個(gè)發(fā)電單元的有功功率分配系數(shù)和無功功率分配系數(shù)，n為發(fā)電單元的總數(shù)，區(qū)域電網(wǎng)中的同步發(fā)電機(jī)以及為區(qū)域電網(wǎng)饋入功率的MMC均為發(fā)電單元；Ptotal和Qtotal分別為區(qū)域電網(wǎng)所需總的有功功率和無功功率，其通過對區(qū)域電網(wǎng)中的負(fù)荷測量統(tǒng)計(jì)得到。本發(fā)明具有以下有益技術(shù)效果：(1)本發(fā)明中的有功-頻率環(huán)能夠很好地模擬同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)過程，使MMC像同步發(fā)電機(jī)一樣具有慣性作用。(2)本發(fā)明中的無功-電壓環(huán)能夠很好地模擬同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)，使得MMC在維持輸出電壓穩(wěn)定的情況下，還具有無功調(diào)節(jié)能力。(3)本發(fā)明中的電流內(nèi)環(huán)具有電流限幅能力，可以避免換流器閉鎖或故障時(shí)的過電流問題。(4)本發(fā)明通過動(dòng)態(tài)功率分配控制，能夠?qū)Ω鲹Q流器進(jìn)行精確的功率配置，并且可以消除頻率偏差。附圖說明圖1為多饋入柔性直流輸電系統(tǒng)向極弱交流電網(wǎng)的供電示意圖。圖2為MMC單相接入交流系統(tǒng)的等效結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明MMC同步發(fā)電機(jī)模擬控制架構(gòu)的整體示意圖。圖4為本發(fā)明動(dòng)態(tài)功率分配控制示意圖。圖5為采用本發(fā)明控制策略穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況下MMC1、MMC2和SG關(guān)于有功功率、無功功率、交流電壓以及系統(tǒng)頻率的仿真波形示意圖。圖6為采用本發(fā)明控制策略MMC2故障退出情況下MMC1、MMC2和SG關(guān)于有功功率、無功功率、交流電壓以及系統(tǒng)頻率的仿真波形示意圖。具體實(shí)施方式為了更為具體地描述本發(fā)明，下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。圖2為單相MMC接入交流系統(tǒng)的等效結(jié)構(gòu)，其中usk為k相電網(wǎng)電壓(k＝a,b,c，表示abc三相)，ivk為MMC輸出電流，ipk、ink分別表示上、下橋臂電流，upk、unk分別表示上、下橋臂電壓，icirk表示橋臂環(huán)流，R0為橋臂等效電阻，L0為橋臂電感，Lac為換流器出口處到交流系統(tǒng)等值電勢之間的等效電感(包括系統(tǒng)等值電感和變壓器漏電感)，Udc表示直流電壓。表征MMC交直流側(cè)動(dòng)態(tài)特性的數(shù)學(xué)模型如下：式中，L＝Lac+L0/2，R＝R0/2。上標(biāo)abc表示該電氣量是在abc三相靜止坐標(biāo)系下的矢量。和分別表示橋臂差模電壓矢量和橋臂共模電壓矢量，它們的k(k＝a,b,c)相表達(dá)式為：從式(1)和(2)可以看出，通過控制MMC橋臂電壓的差模分量，就可以控制MMC的輸出電流；通過控制MMC橋臂電壓的共模分量，就可以控制MMC的內(nèi)部環(huán)流，因此MMC的電流內(nèi)環(huán)包括輸出電流跟蹤控制器和橋臂環(huán)流抑制控制器。為了得到易于控制的直流量，常用方法是對式(1)和(2)進(jìn)行坐標(biāo)變換，將abc三相靜止坐標(biāo)系下的正弦交流量變換到dq軸同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流量，經(jīng)過坐標(biāo)變換過后的結(jié)果如下：式中，上標(biāo)dq表示該電氣量為dq軸坐標(biāo)系下的矢量，ω為電網(wǎng)角頻率。根據(jù)式(5)可設(shè)計(jì)MMC電流內(nèi)環(huán)的輸出電流跟蹤控制部分，根據(jù)式(6)可設(shè)計(jì)MMC電流內(nèi)環(huán)的環(huán)流抑制控制部分，它們的控制架構(gòu)如圖3所示。因?yàn)榭刂颇繕?biāo)是要抑制內(nèi)部環(huán)流，故環(huán)流的dq軸指令值和都設(shè)成零。之后對橋臂差模電壓和橋臂共模電壓進(jìn)行dq反變換，就能得到abc三相靜止坐標(biāo)下的橋臂差模電壓指令值和橋臂共模電壓指令值。根據(jù)下式就可計(jì)算出觸發(fā)所需要的橋臂電壓指令值為：同步發(fā)電機(jī)對電網(wǎng)的慣性作用主要體現(xiàn)在轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)過程中。當(dāng)發(fā)電機(jī)的機(jī)械功率(或機(jī)械轉(zhuǎn)矩)與電磁功率(或電磁轉(zhuǎn)矩)不平衡時(shí)，它們的功率差(或轉(zhuǎn)矩差)將改變發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角速度。而同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的大小直接影響轉(zhuǎn)子角速度改變的快慢。描述這一動(dòng)態(tài)過程的運(yùn)動(dòng)方程就是我們通常所說的搖擺方程如下：其中，ω*為有功頻率環(huán)輸出的角頻率參考值，ω0為電網(wǎng)額定角頻率，P*為有功功率參考值，P為有功功率實(shí)際值，J為表征虛擬轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的參數(shù)，D為表征虛擬阻尼系數(shù)的參數(shù)。式(9)可以進(jìn)一步寫成如下形式：上式就是同步發(fā)電機(jī)模擬控制的有功-頻率環(huán)控制方程，根據(jù)該控制方程，可設(shè)計(jì)其控制器如圖3中所示的有功-頻率環(huán)部分。無功-電壓環(huán)主要包括無功功率的調(diào)節(jié)模塊和輸出電壓的調(diào)節(jié)模塊。其輸出電壓的指令值U*包括兩部分，一部分是輸出功率為零時(shí)的空載電壓U0，另一部分是用于調(diào)節(jié)無功功率而帶來的電壓波動(dòng)分量ΔU。為了消除無功功率的靜態(tài)誤差，無功-電壓環(huán)控制方程可以寫成：式中，U*為輸出電壓參考值，U0為輸出功率為零時(shí)的空載電壓，Q*為無功功率參考值，Q為無功功率實(shí)際值，kp為PI控制器的比例系數(shù)，ki為PI控制器的積分系數(shù)。在獲得輸出電壓的指令值之后，通過PI控制器，就可以得到電流內(nèi)環(huán)所需要的輸出電流指令值和如下：其中dq軸電壓指令值為：至此，我們得到了單個(gè)MMC的同步發(fā)電機(jī)模擬控制器完整模型，其整體如圖3所示。采用同步發(fā)電機(jī)模擬控制方法之后，每個(gè)MMC換流站都可以看成一個(gè)同步發(fā)電機(jī)。這里將實(shí)際的同步發(fā)電機(jī)和采用同步發(fā)電機(jī)模擬控制的MMC換流站統(tǒng)稱為發(fā)電單元(GenerationUnit，GU)。在系統(tǒng)的有功功率和無功功率發(fā)生波動(dòng)后，為了使發(fā)電單元的實(shí)際出力與其指令值一致，以達(dá)到消除頻率和電壓偏差的目的，我們對每個(gè)發(fā)電單元的功率指令值進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，發(fā)電單元i的有功指令值和無功指令值按如下式子進(jìn)行設(shè)置：其中，為發(fā)電單元i的有功功率參考值，為發(fā)電單元i的無功功率參考值，Ptotal和Qtotal為區(qū)域電網(wǎng)總的有功功率和無功功率，λi為發(fā)電單元i的有功功率分配系數(shù)，γi為發(fā)電單元i的無功功率分配系數(shù)。當(dāng)所有發(fā)電單元總的有功和無功出力分別等于總的有功和無功指令值時(shí)，系統(tǒng)就不存在頻率偏差，因此有：圖4所示了動(dòng)態(tài)功率分配控制架構(gòu)，每個(gè)發(fā)電單元所發(fā)出的有功功率和無功功率都傳送到上層能量管理系統(tǒng)。能量管理系統(tǒng)算出總的功率后，按照分配比例λiPtotal、γiQtotal再發(fā)送回各個(gè)發(fā)電單元作為它們的功率指令值。需要指出的是，負(fù)荷的改變勢必會(huì)引起發(fā)電單元出力的變化，因此實(shí)時(shí)測量各發(fā)電單元的輸出功率能夠反映實(shí)際負(fù)荷的大小。為了驗(yàn)證所提控制策略的準(zhǔn)確性和有效性，我們在PSCAD/EMTDC仿真軟件中搭建了如圖1所示的改進(jìn)三機(jī)九節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)；系統(tǒng)初始負(fù)荷為330MW有功功率和90Mvar無功功率，向系統(tǒng)供電的發(fā)電單元包括一個(gè)小型同步發(fā)電機(jī)和兩回MMC-HVDC。同步發(fā)電機(jī)的參數(shù)如表1所示，初始有功出力為30MW；由于發(fā)電機(jī)的容量占系統(tǒng)負(fù)荷比例很小，因此該區(qū)域電網(wǎng)為一個(gè)極弱系統(tǒng)。兩回MMC-HVDC的參數(shù)如表2所示，饋入?yún)^(qū)域電網(wǎng)的MMC換流站控制系統(tǒng)參數(shù)如表3所示。表1電氣量數(shù)值額定容量40MVA額定線電壓13.8kV額定線電流1.67kA慣性時(shí)間常數(shù)2s原動(dòng)機(jī)與調(diào)速器:R0.04原動(dòng)機(jī)與調(diào)速器:TR5s勵(lì)磁系統(tǒng):KA200勵(lì)磁系統(tǒng):TA0.02s表2表3控制參數(shù)MMC1MMC2有功-頻率環(huán)的虛擬轉(zhuǎn)動(dòng)慣量6.43.2有功-頻率環(huán)的虛擬阻尼系數(shù)5025無功-電壓環(huán)的比例系數(shù)0.51無功-電壓的積分常數(shù)2.52.5動(dòng)態(tài)有功分配系數(shù)λ2/31/3動(dòng)態(tài)無功分配系數(shù)γ2/31/3仿真工況1：系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行之后，在t＝3s負(fù)荷的有功功率增加150MW。圖5顯示了各電氣量的響應(yīng)情況，從圖5中可以看出，系統(tǒng)所增加的有功負(fù)荷全都由MMC1換流站和MMC2換流站承擔(dān)，且增加的比例等于動(dòng)態(tài)功率分配的比例2:1。有功的波動(dòng)引起了系統(tǒng)頻率的波動(dòng)，但很快便恢復(fù)到了額定值，不存在頻率的偏差，具有快速二次調(diào)頻的效果。在t＝7s負(fù)荷的無功功率增加60Mvar，這增加的60Mvar無功功率由MMC1和MMC2按照2:1的比例進(jìn)行分配。無功功率的波動(dòng)并沒有造成輸出電壓的靜態(tài)偏差，表明本發(fā)明控制策略能夠模擬同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的功能。仿真工況2：MMC2換流站在t＝3s時(shí)發(fā)生故障并退出運(yùn)行，檢測到故障之后，MMC2換流站便不再參與動(dòng)態(tài)功率分配控制，而是由同步發(fā)電機(jī)和MMC1換流站承擔(dān)區(qū)域電網(wǎng)所需的功率。圖6為故障前后系統(tǒng)的響應(yīng)情況，從圖6中可以看出，MMC2退出運(yùn)行后，系統(tǒng)的頻率和電壓經(jīng)歷短時(shí)波動(dòng)后恢復(fù)穩(wěn)定。MMC2退出運(yùn)行所產(chǎn)生的功率缺額都由MMC1承擔(dān)，保證一個(gè)換流站故障不會(huì)引起區(qū)域電網(wǎng)的大面積停電，提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。上述對實(shí)施例的描述是為便于本
技術(shù)領(lǐng)域：
的普通技術(shù)人員能理解和應(yīng)用本發(fā)明。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對上述實(shí)施例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應(yīng)用到其他實(shí)施例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動(dòng)。因此，本發(fā)明不限于上述實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，對于本發(fā)明做出的改進(jìn)和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。當(dāng)前第1頁1 2 3