本發(fā)明涉及直流輸電領(lǐng)域，具體講涉及一種含MMC直流輸電系統(tǒng)電流振蕩抑制的阻尼控制方法。

背景技術(shù)：

基于電壓源換流器(voltage source converter,VSC)的高壓直流(high voltage direct current,HVDC)輸電技術(shù)以其有功功率和無功功率獨(dú)立可控的性能的得到了較快的發(fā)展，在光伏和風(fēng)電等可再生能源接納、輸送和消納方面具有重大意義。VSC-HVDC存在兩電平或三電平以及模塊化多電平的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中以模塊化多電平為換流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在直流輸電領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛。

含有MMC的HVDC系統(tǒng)在直流場中存在電容、平波電抗器與直流線路等，因此直流系統(tǒng)存在與主電路參數(shù)有關(guān)的中低頻諧振頻率點(diǎn)，也存在與主電路和線路參數(shù)有關(guān)的高頻諧振頻率點(diǎn)。由于直流場設(shè)備的等效電阻較小，換流閥開關(guān)器件的死區(qū)效應(yīng)、通信延時(shí)、觸發(fā)延時(shí)等外部因素均可能引起系統(tǒng)振蕩，在某些極端情況下會嚴(yán)重惡化直流輸電系統(tǒng)的運(yùn)行性能，嚴(yán)重將導(dǎo)致?lián)Q流站閉鎖停運(yùn)，給交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)造成重大損失。基于以上原因，如果控制系統(tǒng)不能提供一定的阻尼，直流電流將持續(xù)存在較大的中低頻振蕩分量，易引起監(jiān)控設(shè)備報(bào)警，嚴(yán)重情況下可能導(dǎo)致?lián)Q流站閉鎖停運(yùn)。直流電流的中低頻振蕩現(xiàn)象在一些柔性直流輸電工程中已經(jīng)出現(xiàn)，這種振蕩現(xiàn)象為非衰減和非等幅振蕩，具有持續(xù)性和周期性。為了使含有MMC的直流輸電系統(tǒng)能夠在各種潮流工況和外部干擾下穩(wěn)定可靠的運(yùn)行，需要抑制直流電流的諧振振蕩分量和提高直流輸電系統(tǒng)的阻尼特性。

直流電壓和直流電流是表征直流輸電系統(tǒng)有效運(yùn)行的重要指標(biāo)，盡管直流輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性表面上是由直流電壓的穩(wěn)定性來體現(xiàn)的，但直流電流比直流電壓更容易體現(xiàn)系統(tǒng)的運(yùn)行性能。

為了抑制直流電流的諧振振蕩以及提高直流輸電系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性，需要為直流系統(tǒng)提供一定的阻尼，以使直流輸電系統(tǒng)能夠快速衰減直流電流的振蕩分量。如果控制系統(tǒng)不能提供所需的阻尼，直流電流持續(xù)的諧振振蕩將增大系統(tǒng)的輸電損耗，縮短換流站和直流設(shè)備的使用壽命，其中直流電流的高頻諧振分量對鄰近的設(shè)備也會產(chǎn)生電磁干擾，影響其正常工作。

因此，需要提供一種既能抑制直流電流震蕩又可兼有提高整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定性的作用的技術(shù)方案。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明提供一種含MMC直流輸電系統(tǒng)電流振蕩抑制的阻尼控制方法，包括步驟：A.構(gòu)建MMC簡化等效模型；B.選擇阻尼控制器結(jié)構(gòu)，確定阻尼控制器的最終表現(xiàn)形式，并配置阻尼控制器的參數(shù)；C.基于阻尼控制器的最終表現(xiàn)形式和換流器出口的直流電流，獲取阻尼補(bǔ)償電壓；D.將阻尼補(bǔ)償電壓送入換流閥閥基控制器，得到修正MMC的橋臂參考電壓，實(shí)現(xiàn)電流振蕩分量的抑制。

步驟B中阻尼控制器的最終表現(xiàn)形式G_damp(S)如下式表示：

式中，R_vir：虛擬電阻；k_HPF：高通濾波器的增益；ω_HPF：高通濾波器的截止頻率；s：拉普拉斯算子；k_R：諧振控制器的增益；ω_caf：諧振頻率。

虛擬電阻R_vir計(jì)算如下式所示：

其中，k_pdc為定直流電壓控制器的比例系數(shù)，U_s為定直流電壓控制站PCC點(diǎn)相電壓的幅值，C_eq1為定功率站MMC的等效電容，C_eq2為定直流電壓站MMC的等效電容，ω_r為諧振角頻率，U_dcN為額定直流電壓，a₀和a₁分別為系統(tǒng)根據(jù)主電路參數(shù)和控制器參數(shù)設(shè)置而得到的常數(shù)，η為抑制系數(shù)。

步驟C中直流電流的獲取途徑包括：檢測換流器的輸出電流或計(jì)算獲得。

步驟C中的阻尼補(bǔ)償電壓計(jì)算公式如下式所示：

Δu_damp＝G_damp(s)·i_dc

其中，i_dc為換流器出口的直流電流。

步驟D中修正MMC的橋臂參考電壓如下所示：

其中，和分別為j相上橋臂和下橋臂的參考電壓，MMC交流側(cè)輸出電壓的參考值；環(huán)流抑制參考電壓。

與最接近的現(xiàn)有技術(shù)比，本發(fā)明提供的技術(shù)方案具有以下優(yōu)異效果：

1、本發(fā)明提供的技術(shù)方案能有效抑制MMC型直流輸電系統(tǒng)中直流電流的振蕩現(xiàn)象；

2、本發(fā)明的阻尼控制方法具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，能夠有效提供系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性；

3、本發(fā)明提供的技術(shù)方案無需增加外部硬件電路以及相關(guān)設(shè)備，控制算法原理簡單，易于工程實(shí)現(xiàn)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的主電路結(jié)構(gòu)；

圖2是本發(fā)明的等效簡化電路；

圖3是本發(fā)明抑制直流電流振蕩的阻尼控制器實(shí)現(xiàn)原理；

圖4是本發(fā)明抑制阻尼控制器的實(shí)現(xiàn)方法；

圖5是本發(fā)明阻尼控制器的結(jié)構(gòu)；

圖6是本發(fā)明的方法流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施例作進(jìn)一步說明，本發(fā)明提出的直流電流振蕩抑制阻尼的控制方法所需步驟如下：

1)建立MMC簡化等效模型

圖1為模塊化多電平換流器(MMC)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，若忽略其內(nèi)部特性，只考慮外部特性，則MMC可以簡化等效為圖2所示的結(jié)構(gòu)，其中i_d表示受控電流源輸出的電流，i_dc表示MMC直流電流，u_dc為MMC直流電壓，u_ceq為投入子模塊平均電壓，C_eq為MMC等效電容，p_c為注入MMC的有功功率，L_s和R_s為橋臂電抗器的等效電感和等效電阻，從而可以得到MMC簡化模型的電磁暫態(tài)方程為

2)分析阻尼控制方法實(shí)現(xiàn)形式

直流電流振蕩是由于直流輸電系統(tǒng)不能提供足夠大的阻尼，為了抑制直流電流的振蕩需要從提供直流系統(tǒng)阻尼特性方面進(jìn)行考慮。

本發(fā)明在不增加外圍設(shè)備和硬件電路的情況下提出了一種抑制直流電流的阻尼控制方法，考慮到MMC橋臂電壓的可控性，阻尼控制方法的實(shí)現(xiàn)形式可以利用MMC橋臂電壓的可控性來實(shí)現(xiàn)。以阻尼控制器配置在定功率站為例(配置在定直流電壓站也可以)，可以得到圖3所示的阻尼控制方法原理圖，圖中的L_d表示平波電抗器的等效電感。Δu_damp為阻尼控制器產(chǎn)生的阻尼補(bǔ)償電壓。

在實(shí)際控制系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)直流電流的抑制，MMC橋臂參考電壓需修正為：

式(1)所示的方程就是圖4所示阻尼控制策略的實(shí)現(xiàn)方式，其中和分別j(j＝a,b,c)相上橋臂和下橋臂的參考電壓，為MMC交流側(cè)輸出電壓的參考值，為環(huán)流抑制參考電壓。

3)獲取換流器出口直流電流

為了抑制直流輸電系統(tǒng)的直流電流振蕩，需要反饋換流器出口直流電流。直流電流的獲取途徑有兩種方式，一是直接檢測換流器輸出的直流電流，二是間接計(jì)算得到直流電流。

4)選取阻尼控制器結(jié)構(gòu)

抑制直流電流用的阻尼控制方式具有多種形式，即虛擬電阻、高通濾波器以及諧振控制器等，選取阻尼控制器結(jié)構(gòu)需要根據(jù)直流系統(tǒng)的特性來選取，即可以只選擇一種，也可以選擇多種，例如，若直流輸電系統(tǒng)的換流站均為MMC型結(jié)構(gòu)，則可以只使用阻尼電阻或者高通濾波器，若直流輸電系統(tǒng)存在LCC型換流器，則可以三者的組合形式?？紤]到實(shí)際系統(tǒng)的交流側(cè)可能發(fā)生故障，從而導(dǎo)致直流電流存在2倍頻的波動，因此，為了更加有效的抑制直流電流的振蕩，推薦將諧振控制器也選取在內(nèi)。因此，可以得到阻尼控制控制器的最終實(shí)現(xiàn)形式為：

式中R_vir為虛擬電阻，k_HPF為高通濾波器的增益，ω_HPF為高通濾波器的截止頻率，s為拉普拉斯算子，k_R為諧振控制器的增益，ω_caf為諧振頻率。

需要說明的是：虛擬電阻只是本發(fā)明專利給出了一種敘述，還可以是比例系數(shù)等，高通濾波器不限于一階，也可以是二階，諧振控制器不限于理想諧振控制器也不限于只有一種諧振控制器，對于其它能夠提取直流電流波動分量的濾波器和諧振控制器均屬于本發(fā)明專利所保護(hù)的范圍，凡是在橋臂電壓中疊加補(bǔ)償值的方式也均屬于本發(fā)明專利保護(hù)之內(nèi)。

5)配置阻尼控制器參數(shù)

阻尼控制器的參數(shù)在抑制直流電流振蕩時(shí)具有重大作用，選擇合適的控制器參數(shù)能夠在抑制直流電流振蕩的時(shí)候兼顧動態(tài)響應(yīng)特性?？紤]到直流輸電系統(tǒng)直流電流的振蕩頻率與MMC子模塊電容、投入模塊數(shù)、橋臂電抗器、平波電抗器、直流線路、穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)等相關(guān)，直流電流振蕩頻率難以用一個(gè)統(tǒng)一的公式確定，以國內(nèi)某±320kV/1000MW柔性直流輸電工程為例，直流電流振蕩的頻率在25Hz附近波動，因此，為了提取直流電流的波動分量，高通濾波器的截止頻率推薦選取5～50rad/s中的某個(gè)值；諧振頻率ω_caf即可以是2倍工頻角頻率，也是是12倍工頻角頻率，在某些特殊場合也可以是其它值。為更加簡單的選取R_vir、k_HPF和k_R，三者可以選擇同一個(gè)值，其中計(jì)算公式為

式(3)中k_pdc為定直流電壓控制器的比例系數(shù)，U_s為定直流電壓控制站PCC點(diǎn)相電壓幅值，C_eq1為定功率站MMC的等效電容，C_eq2為定直流電壓站MMC的等效電容，ω_r為直流的諧振角頻率，U_dcN為額定直流電壓，a₀和a₁為根據(jù)主電路參數(shù)和控制器參數(shù)設(shè)置而得到的常數(shù)，η為抑制系數(shù)，在(0，1)中取值，η越小則說明抑制程度越好，推薦取0.4～0.5左右的值，其中a₀和a₁的表達(dá)式為

式(4)中L_line為直流線路的等效電感。

需要說明的是(4)只是給出一種推薦計(jì)算方式，并不說明一定非要按照此公式計(jì)算。

6)獲取阻尼補(bǔ)償電壓

當(dāng)系統(tǒng)阻尼控制器設(shè)計(jì)完之后，需要獲取阻尼補(bǔ)償電壓來實(shí)現(xiàn)直流電流振蕩的抑制，阻尼補(bǔ)償電壓的表示為

Δu_damp＝G_damp(s)·i_dc (5)

將所得到的阻尼補(bǔ)償電壓送入換流閥閥基控制器中產(chǎn)生橋臂參考電壓，控制MMC橋臂輸出電壓，從而實(shí)現(xiàn)直流電流振蕩分量的抑制。

最后應(yīng)當(dāng)說明的是：以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對其限制，所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員參照上述實(shí)施例依然可以對本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行修改或者等同替換，這些未脫離本發(fā)明精神和范圍的任何修改或者等同替換，均在申請待批的本發(fā)明的權(quán)利要求保護(hù)范圍之內(nèi)。