一种基于直流电压的MMC同步控制方法及系统与流程

一种基于直流电压的mmc同步控制方法及系统
技术领域
1.本发明涉及换流器控制技术领域，特别是涉及一种基于直流电压的mmc同步控制方法及系统。


背景技术：

2.当柔性直流换流器连接弱交流系统时，由锁相环获取交流系统相角存在困难。这是由于强度较弱的交流系统，其交流电压幅值和相角的波动均会使锁相环获取的相角产生误差，进而引起换流器交直流侧的功率交换产生波动，严重时造成换流器闭锁。
3.功率同步控制以交流侧功率平衡计算交流侧相角，但是没有考虑换流母线相角角速度的反馈；并且该方法与现有的电流矢量控制不能匹配；同时，在故障情况下仍需要切换到后备锁相环控制以抵御故障过程中的积分器饱和。
4.因此，目前亟需一种在连接弱交流系统时有效实现换流器同步控制的方法。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种基于直流电压的mmc(modular multilevel converter，模块化多电平换流器)同步控制方法及系统，以在连接弱交流系统时准确获取交流侧相角信息，完成锁相控制。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
7.一种基于直流电压的mmc同步控制方法，所述方法包括：
8.将模块化多电平换流器虚拟为同步发电机，并基于虚拟同步机原理构建基于直流电压的mmc同步控制模型；
9.获取直流侧直流电压，并与直流电压参考值作差，确定直流电压偏差值；
10.将所述直流电压偏差值输入基于直流电压的mmc同步控制模型中，获得换流母线的电压相角。
11.可选的，所述基于虚拟同步机原理构建基于直流电压的mmc同步控制模型，具体包括：
12.构建柔性直流换流站交流侧电压的角频率与直流电压的关系模型；
13.建立所述关系模型中变量的微增量模型；所述关系模型中变量包括角频率、直流电压和换流器损耗；
14.根据变量的微增量模型，将所述关系模型转换为角频率微增量与直流电压微增量的关系模型；
15.根据角频率微增量与直流电压微增量的关系模型，以实际运行中mmc损耗的测量值等于参考值为条件，获得基于直流电压的mmc同步控制模型。
16.可选的，所述构建柔性直流换流站交流侧电压的角频率与直流电压的关系模型，具体包括：
17.利用直流电压描述mmc直流侧的功率平衡表达式为其中，c为mmc等效电容，u
dc
为直流侧的直流电压，p
in
为mmc经过等效电容之前注入直流系统中的功率，p
out
为mmc经过等效电容之后注入直流系统中的功率；
18.建立虚拟同步机的功率平衡表达式为其中，h为mmc的等效惯性时间常数，ω为换流器交流侧电压的角频率，ω0为额定角频率，p
m
为虚拟的机械功率，p
m
＝p
s
＝p
in
p
loss
，p
s
为换流母线注入柔性直流换流站的有功功率，p
loss
为换流器损耗，p
e
为虚拟的电磁功率，d
p
为mmc虚拟为同步发电机后的虚拟阻尼系数；
19.根据mmc直流侧的功率平衡表达式和虚拟同步机的功率平衡表达式，确定换流站交流侧电压的角频率与直流电压的关系模型为
20.可选的，所述关系模型中变量的微增量模型为
[0021][0022]
其中，p
loss0
和u
dc0
分别为换流器损耗和直流电压的稳态运行值，δp
loss
、δω和δu
dc
分别为换流器损耗、角频率和直流电压的微增量。
[0023]
可选的，所述直流电压微增量的关系模型为
[0024]
可选的，所述基于直流电压的mmc同步控制模型为：
[0025][0026]
其中，δt为仿真步长，θ为换流母线的电压相角，u
dcref
为直流电压参考值。
[0027]
一种基于直流电压的mmc同步控制系统，所述系统包括：
[0028]
mmc同步控制模型构建模块，用于将模块化多电平换流器虚拟为同步发电机，并基于虚拟同步机原理构建基于直流电压的mmc同步控制模型；
[0029]
直流电压偏差值确定模块，用于获取直流侧直流电压，并与直流电压参考值作差，确定直流电压偏差值；
[0030]
电压相角获得模块，用于将所述直流电压偏差值输入基于直流电压的mmc同步控制模型中，获得换流母线的电压相角。
[0031]
可选的，所述mmc同步控制模型构建模块，具体包括：
[0032]
关系模型构建子模块，用于构建柔性直流换流站交流侧电压的角频率与直流电压的关系模型；
[0033]
微增量模型建立子模块，用于建立所述关系模型中变量的微增量模型；所述关系模型中变量包括角频率、直流电压和换流器损耗；
[0034]
转换子模块，用于根据变量的微增量模型，将所述关系模型转换为角频率微增量
与直流电压微增量的关系模型；
[0035]
mmc同步控制模型获得子模块，用于根据角频率微增量与直流电压微增量的关系模型，以实际运行中mmc损耗的测量值等于参考值为条件，获得基于直流电压的mmc同步控制模型。
[0036]
可选的，所述关系模型构建子模块，具体包括：
[0037]
mmc直流侧的功率平衡表达式描述单元，用于利用直流电压描述mmc直流侧的功率平衡表达式为其中，c为mmc等效电容，u
dc
为直流侧的直流电压，p
in
为mmc经过等效电容之前注入直流系统中的功率，p
out
为mmc经过等效电容之后注入直流系统中的功率；
[0038]
虚拟同步机的功率平衡表达式建立单元，用于建立虚拟同步机的功率平衡表达式为其中，h为mmc的等效惯性时间常数，ω为换流器交流侧电压的角频率，ω0为额定角频率，p
m
为虚拟的机械功率，p
m
＝p
s
＝p
in
p
loss
，p
s
为换流母线注入柔性直流换流站的有功功率，p
loss
为换流器损耗，p
e
为虚拟的电磁功率，d
p
为mmc虚拟为同步发电机后的虚拟阻尼系数；
[0039]
关系模型确定单元，用于根据mmc直流侧的功率平衡表达式和虚拟同步机的功率平衡表达式，确定换流站交流侧电压的角频率与直流电压的关系模型为
[0040]
可选的，所述关系模型中变量的微增量模型为
[0041][0042]
其中，p
loss0
和u
dc0
分别为换流器损耗和直流电压的稳态运行值，δp
loss
、δω和δu
dc
分别为换流器损耗、角频率和直流电压的微增量。
[0043]
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
[0044]
本发明公开一种基于直流电压的mmc同步控制方法及系统，首先将模块化多电平换流器虚拟为同步发电机，并基于虚拟同步机原理构建基于直流电压的mmc同步控制模型，然后获取直流侧直流电压，并与直流电压参考值作差，确定直流电压偏差值，最后将直流电压偏差值输入基于直流电压的mmc同步控制模型中，获得换流母线的电压相角，实现了在连接弱交流系统时准确获取交流侧相角信息，完成锁相控制。
附图说明
[0045]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0046]
图1为本发明提供的基于直流电压的mmc同步控制方法的流程图；
[0047]
图2为本发明提供的将模块化多电平换流器虚拟为同步发电机的示意图；
[0048]
图3为本发明提供的基于直流电压的mmc同步控制框图；
[0049]
图4为本发明提供的mmc接入强交流系统时直流电压同步控制和锁相环的直流电压对比图；图4(a)为0到0.2s的直流电压的波形对比图，图4(b)为0.35到0.45s的直流电压波形对比图；
[0050]
图5为本发明提供的mmc接入强交流系统时直流电压同步控制和锁相环的有功功率对比图；图5(a)为0到0.2s的有功功率对比图，图5(b)为0.35到0.50s的有功功率对比图；
[0051]
图6为本发明提供的mmc接入强交流系统时直流电压同步控制和锁相环的无功功率对比图；图6(a)为0到0.2s的无功功率对比图，图6(b)为0.35到0.50s的无功功率对比图；
[0052]
图7为本发明提供的mmc接入强交流系统时直流电压同步控制和锁相环的换流母线电压有效值对比图；
[0053]
图8为本发明提供的mmc接入弱交流系统时直流电压同步控制和锁相环的波形对比图；图8(a)为mmc接入弱交流系统时的直流电压对比图，图8(b)为mmc接入弱交流系统时的有功功率对比图，图8(c)为mmc接入弱交流系统时的无功功率对比图，图8(d)为mmc接入弱交流系统时的换流母线电压有效值对比图；
[0054]
图9为本发明提供的基于直流电压的mmc同步控制系统的结构示意图。
具体实施方式
[0055]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0056]
本发明的目的是提供一种基于直流电压的mmc同步控制方法及系统，以在连接弱交流系统时准确获取交流侧相角信息，完成锁相控制。
[0057]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0058]
本发明针对在连接弱交流系统时，柔性直流换流器采用锁相环获取交流系统相角存在的锁相困难问题，通过将柔性直流换流器虚拟为同步发电机，并以直流侧直流电压的变化反映功率平衡，获取交流侧相角信息，完成锁相控制。
[0059]
本发明提供了一种基于直流电压的mmc同步控制方法，如图1所示，方法包括：
[0060]
步骤101，将模块化多电平换流器虚拟为同步发电机，并基于虚拟同步机原理构建基于直流电压的mmc同步控制模型。
[0061]
图2为将mmc虚拟为同步发电机的示意图。交流系统等效电路为等效电压源e∠0
°
、交流电源内部电感l
s
、交流电源内部电阻r
s
串联，再与滤波电容c
f
并联而成。交流系统出口处换流母线电压为u
f
∠θ
°
，换流母线注入柔性直流换流站的有功功率为p
s
，方向如箭头所示。模块化多电平换流器包括六个桥臂，由多个结构相同的子模块sm1、sm2、
…
、sm
n
级联构成。
[0062]
柔性直流换流站由等效电路阻感器件r
c
、l
c
串联，再与模块化多电平换流器并联组成。其中r
c
包括电压源换流器通态损耗和变压器、电抗器、桥臂电阻损耗的等值电阻，l
c
包括
相电抗器的电感、变压器漏感以及其他回路电感；u
dc
为直流侧的直流电压；p
out
为mmc注入直流系统中的功率(经过等效电容c之后)，即p
dc
，p
dc
＝p
e
。
[0063]
交流系统连接电压源换流器处电压为u
v
∠θ
v
°
，注入柔性直流换流站的有功功率为p
v
，换流站的损耗p
loss
为换流母线注入柔性直流换流站的有功功率p
s
和p
dc
之间的差值。
[0064]
基于虚拟同步机原理构建基于直流电压的mmc同步控制模型，具体包括：
[0065]
构建柔性直流换流站交流侧电压的角频率与直流电压的关系模型；
[0066]
建立关系模型中变量的微增量模型；关系模型中变量包括角频率、直流电压和换流器损耗；
[0067]
根据变量的微增量模型，将关系模型转换为角频率微增量与直流电压微增量的关系模型；
[0068]
根据角频率微增量与直流电压微增量的关系模型，以实际运行中mmc损耗的测量值等于参考值为条件，获得基于直流电压的mmc同步控制模型。
[0069]
其中，构建柔性直流换流站交流侧电压的角频率与直流电压的关系模型，具体包括：
[0070]
利用直流电压描述mmc直流侧的功率平衡表达式为其中，c为mmc等效电容，u
dc
为直流侧的直流电压，p
in
为mmc经过等效电容之前注入直流系统中的功率，p
out
为mmc经过等效电容之后注入直流系统中的功率；
[0071]
建立虚拟同步机的功率平衡表达式为其中，h为mmc的等效惯性时间常数，ω为换流器交流侧电压的角频率，ω0为额定角频率，p
m
为虚拟的机械功率，p
m
＝p
s
＝p
in
p
loss
，p
s
为换流母线注入柔性直流换流站的有功功率，p
loss
为换流器损耗，p
e
为虚拟的电磁功率，d
p
为mmc虚拟为同步发电机后的虚拟阻尼系数；
[0072]
根据mmc直流侧的功率平衡表达式和虚拟同步机的功率平衡表达式，确定换流站交流侧电压的角频率与直流电压的关系模型为
[0073]
关系模型中变量的微增量模型为
[0074][0075]
其中，p
loss0
和u
dc0
分别为换流器损耗和直流电压的稳态运行值，δp
loss
、δω和δu
dc
分别为换流器损耗、角频率和直流电压的微增量。
[0076]
直流电压微增量的关系模型为
[0077]
基于直流电压的mmc同步控制模型为：
[0078]
[0079]
其中，δt为仿真步长，θ为换流母线的电压相角，u
dcref
为直流电压参考值。
[0080]
步骤102，获取直流侧直流电压，并与直流电压参考值作差，确定直流电压偏差值；
[0081]
步骤103，将直流电压偏差值输入基于直流电压的mmc同步控制模型中，获得换流母线的电压相角。
[0082]
参照图3，对本发明的mmc同步控制方法进行详细阐述。
[0083]
步骤1：测量直流侧直流电压u
dc
，并与直流电压参考值u
dcref
进行比较，获取直流电压的偏差δu
dc
，输入到控制部分。
[0084]
步骤2：结合附图2，由直流电压描述mmc直流侧的功率平衡，为：
[0085][0086]
式中p
in
为mmc注入直流系统中的功率(经过等效电容c之前)。
[0087]
步骤3：计及换流站的损耗(p
loss
)，并结合附图2，可以得到：
[0088][0089]
其中，对于一个运行在逆变状态的mmc，当其虚拟为同步发电机时，虚拟的机械功率p
m
等于其从交流系统吸收的功率p
s
，等于mmc注入直流系统的功率(经过等效电容c之前)p
in
加上mmc的损耗p
loss
；而虚拟的电磁功率等于mmc注入直流系统中的功率(经过等效电容c之后)p
dc
。
[0090]
此时，虚拟同步机的功率平衡表达式为：
[0091][0092]
其中，h为mmc的等效惯性时间常数；ω为换流器交流侧电压的角频率；ω0为额定角频率；d
p
为mmc虚拟为同步发电机后的虚拟阻尼系数。
[0093]
联立式(1)、(2)和(3)，可以得到角频率ω和直流电压u
dc
之间的关系，表示为：
[0094][0095]
步骤4：建立各变量的微增量模型，如下：
[0096][0097]
其中，p
loss0
、ω0和u
dc0
分别为各变量的稳态运行值。随后，得到式子如下：
[0098][0099]
[0100]
其中，因为是极小项，所以被忽略。
[0101]
将式(5)、(6)和(7)代入式中，可得：
[0102][0103]
此外，控制中还需要补充如下式子。
[0104][0105][0106]
步骤5：在实际运行中，认为mmc损耗的测量值与参考值是无差的，即认为δp
loss
等于0。此时，对角速度ω进行积分即可得到换流母线的电压相角θ。综合式、和，基于直流电压的mmc同步控制可以表示为：
[0107][0108]
其中，δt是仿真步长，一般设置为50μs。
[0109]
控制框图表示为图3。
[0110]
步骤6：按照工程经验和仿真验证，惯性时间常数h一般设置为0.2～0.5；虚拟阻尼系数d
p
一般设置为80～120；其他参数，如等效电容c和直流电压参考值u
dcref
等根据工程实际值设置。
[0111]
步骤7：为了抵御故障过程对控制的影响，控制部分的积分器设置上、下限限制，其中附图3中第一个积分器下限设置为0；上限设置为150π，表示为1.5倍的2πf，f为交流系统频率50hz。第二个积分器没有明确的上、下限，只在积分器饱和后，清零重新计数即可。
[0112]
设置上、下限可以很好的抵御交流系统故障，此时还需要及时调整直流电压的参考值。当发生直流系统故障时，需要第一个积分器保持输出值，并及时减少换流器注入直流系统的功率。
[0113]
本发明的方法针对交直流换流器的交流侧电压获取，用以替换锁相环，尤其是在连接弱交流系统时的效果较好。首先，测量直流侧直流电压信息，与直流电压参考值进行比较；随后将误差值输入到控制部分，经过计算输出交流侧电压相角；同时，电压相角信息由反馈环节经过计算得到反馈值输入到直流电压误差输入环节。在控制部分，设置积分器的上、下限幅，积分器的保持功能，输入误差的爬升、降低速率限制等，以抵御在故障情况下积分器饱和、积分器输出保持和输入误差的突变等现象。
[0114]
下面通过仿真波形展现本发明的mmc同步控制方法的技术效果。分别对mmc接入强交流系统和弱交流系统的两个场景下，采用直流电压同步控制和采用锁相环控制时，做出电气量变化对比。在仿真实验中，设置送端为定直流电压控制，受端为定有功功率控制，直流电压参考值设为330kv，有功功率参考值为350kw，由于参考方向选取的原因，仿真波形中有功功率为负值。
[0115]
场景一
[0116]
接入强交流系统时，采用直流电压同步控制与采用锁相环控制的差别不明显，均可实现有功功率的快速跟踪。
[0117]
1、直流电压波形对比
[0118]
图4为采用直流电压同步控制和锁相环的直流电压对比图。其中，实线表示采用直流电压同步控制的波形，虚线表示采用锁相环的波形。图4(a)展示了0到0.2s直流电压的波形。可以发现，采用直流电压同步控制(实线)和采用锁相环(虚线)时，两者的波形图基本没有区别。在0.4s时，设置有功功率参考值由350kw减小到300kw，直流电压略有上升，又快速回到参考电压，如图4(b)所示，两者波形仍基本没有区别。
[0119]
2、有功功率波形对比
[0120]
图5为采用直流电压同步控制和锁相环的有功功率对比图。图5(a)展示了启动过程，在0到0.10s中两者波形都有较大的跃变，但总体趋势基本相同，实线的峰值较低，且达到参考值的速度比虚线快，直流电压建立后，两波形基本相同，如0.10s～0.20s所示。图5(b)展示了0.40s发生功率参考值改变，在0.43s时，两波形趋于新的参考值并达到稳定。
[0121]
3、无功功率波形对比
[0122]
图6为采用直流电压同步控制和锁相环的无功功率对比图。如图6(a)所示，无功功率设定值为0kvar，在仿真启动时，受端换流站先向交流系统输出无功功率，随后从交流系统吸收了大量无功，经一段时间振荡，在启动0.08s后趋于参考值。采用直流电压同步控制和采用锁相环控制时，无功功率波形趋近相同。
[0123]
4、换流母线电压有效值对比
[0124]
图7为采用直流电压同步控制和锁相环的换流母线电压有效值对比图。
[0125]
两种控制下，换流母线电压有效值都能在0.07s左右建立稳定的交流电压，且波形一致。
[0126]
综上，接入强交流系统时，通过采用直流电压同步控制可以和采用锁相环控制达到相同的控制效果。
[0127]
场景二
[0128]
接入弱交流系统时，直流电压同步控制相较于锁相环具有更好的控制性能。具体表现如下。
[0129]
图8为采用直流电压同步控制和锁相环连接弱交流系统时的波形对比图。图8(a)为直流电压同步控制和锁相环的直流电压对比图，图8(b)为直流电压同步控制和锁相环的有功功率对比图，图8(c)为直流电压同步控制和锁相环的无功功率对比图，图8(d)为直流电压同步控制和锁相环的换流母线电压有效值对比图。
[0130]
从图8可以发现，采用锁相环的换流站不能将换流母线的电压幅值控制在参考值附近，且有功功率、无功功率和直流电压波动较大。而采用直流电压同步控制的换流站能够较好地控制换流母线的电压，且有功功率、无功功率和直流电压波动更小。
[0131]
综上，接入弱交流系统时，直流电压同步控制相较于锁相环具有更好的控制性能。
[0132]
本发明还提供了一种基于直流电压的mmc同步控制系统，如图9所示，系统包括：
[0133]
mmc同步控制模型构建模块，用于将模块化多电平换流器虚拟为同步发电机，并基于虚拟同步机原理构建基于直流电压的mmc同步控制模型；
[0134]
直流电压偏差值确定模块，用于获取直流侧直流电压，并与直流电压参考值作差，确定直流电压偏差值；
[0135]
电压相角获得模块，用于将直流电压偏差值输入基于直流电压的mmc同步控制模型中，获得换流母线的电压相角。
[0136]
mmc同步控制模型构建模块，具体包括：
[0137]
关系模型构建子模块，用于构建柔性直流换流站交流侧电压的角频率与直流电压的关系模型；
[0138]
微增量模型建立子模块，用于建立关系模型中变量的微增量模型；关系模型中变量包括角频率、直流电压和换流器损耗；
[0139]
转换子模块，用于根据变量的微增量模型，将关系模型转换为角频率微增量与直流电压微增量的关系模型；
[0140]
mmc同步控制模型获得子模块，用于根据角频率微增量与直流电压微增量的关系模型，以实际运行中mmc损耗的测量值等于参考值为条件，获得基于直流电压的mmc同步控制模型。
[0141]
关系模型构建子模块，具体包括：
[0142]
mmc直流侧的功率平衡表达式描述单元，用于利用直流电压描述mmc直流侧的功率平衡表达式为其中，c为mmc等效电容，u
dc
为直流侧的直流电压，p
in
为mmc经过等效电容之前注入直流系统中的功率，p
out
为mmc经过等效电容之后注入直流系统中的功率；
[0143]
虚拟同步机的功率平衡表达式建立单元，用于建立虚拟同步机的功率平衡表达式为其中，h为mmc的等效惯性时间常数，ω为换流器交流侧电压的角频率，ω0为额定角频率，p
m
为虚拟的机械功率，p
m
＝p
s
＝p
in
p
loss
，p
s
为换流母线注入柔性直流换流站的有功功率，p
loss
为换流器损耗，p
e
为虚拟的电磁功率，d
p
为mmc虚拟为同步发电机后的虚拟阻尼系数；
[0144]
关系模型确定单元，用于根据mmc直流侧的功率平衡表达式和虚拟同步机的功率平衡表达式，确定换流站交流侧电压的角频率与直流电压的关系模型为
[0145]
关系模型中变量的微增量模型为
[0146][0147]
其中，p
loss0
和u
dc0
分别为换流器损耗和直流电压的稳态运行值，δp
loss
、δω和δu
dc
分别为换流器损耗、角频率和直流电压的微增量。
[0148]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说
明即可。
[0149]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。