基于虚拟阻抗的多落点混合级联直流系统故障电流抑制方法

1.本发明涉及混合直流输电技术领域，具体为一种基于虚拟阻抗的多落点混合级联直流系统故障电流抑制方法。


背景技术：

2.混合直流输电由于结合了常规直流(lcc-hvdc)与柔性直流(vsc-hvdc)两种各自的优点，近年来已经成为直流输电技术的重要发展方向。受端级联混合直流输电(如图1)的整流站由2组12脉动lcc串联构成，逆变站由1组12脉动换相换流器(lcc)和电压源换流器(vsc)并联组串联构成，并将低端vsc扩展为多个vsc并联并落点于不同区域电网，在增加混合直流系统传输功率的同时，多落点结构也同时有利于工程的分期建设(图1中mmc为模块化多电平换流器，属于vsc的一种)。而受端换流站由于多个vsc换流站并联后再与lcc换流站级联，实际已经形成了多端系统，赋予了多个vsc逆变站功率分配的能力。
3.当受端交流系统发生短路故障时，尽管混合级联直流系统兼具了lcc直流和vsc直流的技术优势，但由于逆变侧lcc换流器的存在，换相失败仍然是不可避免的一大问题。而无论是功率盈余还是lcc换相失败均可能会导致vsc过电流、过电压而引起vsc保护动作，造成vsc阀组闭锁，甚至会导致功率传输中断。
4.文献[1](刘泽洪,王绍武,种芝艺,黄勇,郭贤珊,肖鲲,刘杉,李探,赵文强.适用于混合级联特高压直流输电系统的可控自恢复消能装置[j].中国电机工程学报,2021,41(02):514-524)中记载了利用大容量可控自恢复消能装置来提升系统暂态特性，但该措施需要额外安装故障电流抑制装置，增加工程投资。
[0005]
文献[2](许冬，李探，梅念，等.vsc与lcc混合级联直流输电系统暂态电流抑制方法[j].全球能源互联网，2020，3(2):166-171.)中提到添加额外装置来抑制故障电流，但额外的设备总是需要临时停止混合高压直流系统的电力传输，这危害了电力系统的安全运行。


技术实现要素：

[0006]
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种基于虚拟阻抗的多落点混合级联直流系统故障电流抑制方法，通过在mmc组控制中引入虚拟阻抗的方式来抑制级联型混合直流交流故障电流。技术方案如下：
[0007]
一种基于虚拟阻抗的多落点混合级联直流系统故障电流抑制方法，包括以下步骤：
[0008]
步骤1：在mmc控制中引入虚拟阻抗控制
[0009]
mmc采用双环控制，在采用定功率外环控制的mmc站中，mmc直流电流与直流电压通过电流内环控制建立联系，故在内环控制中引入虚拟阻抗zv_
mmc
；
[0010]
将外环控制输出的参考电流的dq轴分量i
ref,d
和i
ref,q
作为内环电流控制的输入信号；并考虑耦合项ωbl
t
id、ωbl
tiq
和u
sd
、u
sq
对dq轴电流分量的影响，其中，id和iq为公共连接
点dq轴电流分量，l
t
是mmc交流侧等值电感，ωb是交流侧的基准频率，u
sd
、u
sq
为公共连接点dq轴电压分量；电流内环控制器的输出电压u
cref,d
和u
cref,q
经过pwm调制过程之后得到换流器的交流侧的等效输出电压u
cd
，u
cq
；通过在pwm调制前引入虚拟阻抗z
v_mmc
来调控输出电压u
cref,d
和u
cref,q
至新的电压u’cref,d
和u’cref,q
；
[0011]
步骤2：计算虚拟阻抗
[0012]
推导mmc的阻抗模型，得到其输出阻抗值，其中定功率站等效受控电流源的输出阻抗z
ep
推导过程如下：
[0013]
在dq坐标系下的内环输出量表示为
[0014][0015]
其中，ω为交流系统的角频率，gc，g
lt
为矩阵代号，δu
cref,d
和δu
cref,q
为电流内环控制器的输出电压dq轴分量的扰动量；kc(s)为电流内环pi控制器的传递函数；δi
ref,d
和δi
ref,q
为外环控制输出的参考电流的dq轴分量的扰动量；δid和δiq为公共连接点dq轴电流分量的扰动量；δu
sd
和δu
sq
为公共连接点dq轴电压分量的扰动量；δu
sd
、δu
sq
表示为下式：
[0016][0017]
其中，z
t
为交流侧等效阻抗；r
t
为交流侧等值电阻；δu
cd
和δu
cq
为mmc换流站交流侧的等效输出电压dq轴分量的扰动量；
[0018]
pwm环节的调制过程用一个延时环节表示为：
[0019][0020]
其中，t
sw
为开关延时，f
sw
为开关频率；g
pwm
为上述延时环节传递函数，s为拉普拉斯算子；
[0021]
电流内环输出的电压参考值u
cref,d
和u
cref,q
经过pwm调制过程之后得到换流器的交流侧的等效输出电压u
cd
，u
cq
为
[0022][0023]
联立式(1)-式(4)得
[0024][0025]
电流参考值i
ref,d
和i
ref,q
的表达式为
[0026][0027]
其中，g
u0
和g
i0
为矩阵代号，k
p
(s)为功率外环pi控制器的传递函数；u
sd0
和u
sq0
为公共连接点dq轴电压分量的稳态值；i
d0
和i
q0
为dq轴电流分量的稳态值；
[0028]
联立式(2)、式(5)、式(6)得
[0029][0030]
其中，e为单位矩阵；g
ia
和g
ua
为矩阵代号；
[0031]
消去交流侧的电气扰动量δu
cd
、δu
cq
、δid和δiq得：
[0032][0033]
其中，m
d0
和m
q0
分别为d轴和q轴的调制度，ga为矩阵代号；v
dc0
和i
dc0
分别为mmc换流站直流侧电压和电流的稳态值；δi
dc
和δv
dc
分别为mmc换流站直流侧电压和电流的扰动量；u
cd0
和u
cq0
mmc换流站交流侧的等效输出电压dq轴分量的稳态值。
[0034]
定功率站等效受控电流源的输出阻抗z
ep
的最终表达式为
[0035][0036]zep
进一步等效后得到mmc定功率站的输出阻抗z
p
表达式为
[0037][0038]
其中，c
eq
为等效电容，r
arm
和l
arm
分别为桥臂电阻和桥臂电感；
[0039]
引入虚拟阻抗后将式(5)改写为
[0040][0041]
其中，k
vic
为虚拟阻抗调节系数；
[0042]
进而将式(8)改写为：
[0043]
[0044]
其中，gv为矩阵代号；
[0045]
根据式(12)得引入虚拟阻抗后系统阻抗为
[0046][0047]
从式(13)看出，虚拟阻抗控制器投入后，系统的等效阻抗在原有模型的基础上增加了一部分，增加的量即为虚拟阻抗值，该值为：
[0048][0049]
其中，gv通过调节引入的虚拟阻抗调节系数k
vic
的值进行改变，从而改变虚拟阻抗z
v_mmc
的数值；
[0050]
步骤3：实现虚拟阻抗控制
[0051]
当检测到直流侧实际测量电流值i
dc_m
与直流侧额定电流值i
dc_rated
的差值超过设定阈值时，通过发送触发信号0，使调节系数k
vic
的值为虚拟阻抗控制模块的输出值，虚拟阻抗投入使用当检测到直流侧实际测量电流值i
dc_m
与直流侧额定电流值i
dc_rated
的差值没有设定阈值时，通过发送触发信号1，切换调节系数k
vic
的值为0，虚拟阻抗不再投入，所有mmc的控制变为正常运行时的控制；
[0052]
步骤4：经过200ms～300ms的故障穿越时间后，系统恢复运行。
[0053]
进一步的，所述故障电流抑制方法也适用于定直流电压控制mmc站。
[0054]
本发明的有益效果是：
[0055]
1)相较于文献1记载的方法，本发明仅需改变vsc本身控制结构就可以实现，不需要安装额外的限流装置，大大提升了经济性；
[0056]
2)相较于文献2记载的方法，本发明通过故障时触发控制环节就能直接投入，不需要临时停止混合高压直流系统的电力传输。
附图说明
[0057]
图1为多落点受端级型联混合直流系统电路原理图。
[0058]
图2为逆变侧定功率控制mmc引入虚拟阻抗的控制框图。
[0059]
图3为mmc单相等效模型。
[0060]
图4为虚拟阻抗触发控制框图。
[0061]
图5为加入虚拟阻抗前后定功率控制mmc等效阻抗对比图。
[0062]
图6为实施例1加入虚拟阻抗前后mmc3的桥臂电流对比图；(a)无虚拟阻抗控制，(b)有虚拟阻抗控制。
[0063]
图7为实施例2加入虚拟阻抗前后mmc3的桥臂电流对比图；(a)无虚拟阻抗控制，(b)有虚拟阻抗控制。
具体实施方式
[0064]
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。本发明可通过所提出的在mmc组控制中引入虚拟阻抗的技术来抑制级联型混合直流交流故障电流，具体方式如下：
[0065]
(1)mmc控制中引入虚拟阻抗控制：
[0066]
mmc采用双环控制，以采用定功率外环控制的mmc站为例。mmc直流电流与直流电压通过电流内环控制建立联系，因此考虑在内环控制中引入虚拟阻抗z
v_mmc
，引入虚拟阻抗控制后的mmc控制框图如图2所示。图中及下文中变量带下标g、s、c分别代表是交流系统、公共连接点(pcc)以及mmc换流站交流侧出口处的变量，带下标d、q分别代表是d轴和q轴的分量，带abc下标代表是三相坐标系下的变量，带下标dc代表直流侧变量，带下标ref代表是参考值，带上标’代表是引入虚拟阻抗控制后的变量；其中l
t
和r
t
分别是交流侧等效额定电感和电阻，lg为交流系统的电感；ωb为交流侧基准频率；k
p
(s)和kc(s)分别为功率外环和电流内环pi控制器的传递函数。id和iq分别为d轴和q轴电流分量，外环输出的i
ref,d
和i
ref,q
作为内环电流控制器的输入信号；锁相环pll环节给坐标转换过程提供交流电压信号相角θ。ωb是交流侧的基准频率，考虑耦合项ωbl
t
id、ωbl
tiq
和u
sd
、u
sq
对dq轴电流分量的影响，电流内环的输出u
cref,d
和u
cref,q
经过pwm调制过程之后可以得到换流器的交流侧的等效输出电压u
cd
，u
cq
。pwm环节用一个延时环节表示，t
sw
为开关延时，f
sw
为开关频率。
[0067]
以采用定功率外环控制的mmc站为例，mmc直流电流与直流电压通过电流内环控制建立联系，故在内环控制中引入虚拟阻抗zv_
mmc
；将外环控制输出的参考电流的dq轴分量i
ref,d
和i
ref,q
作为内环电流控制的输入信号；并考虑耦合项ωbl
t
id、ωbl
tiq
和u
sd
、u
sq
对dq轴电流分量的影响，其中id和iq分别为d轴和q轴电流分量，ωb是交流侧的基准频率；电流内环控制器的输出电压u
cref,d
和u
cref,q
经过pwm调制过程之后得到换流器的交流侧的等效输出电压u
cd
，u
cq
；通过在pwm调制前引入虚拟阻抗z
v_mmc
来调控输出电压u
cref,d
和u
cref,q
至新的电压u’cref,d
和u’cref,q
。
[0068]
(2)虚拟阻抗的取值：
[0069]
为实现步骤1中虚拟阻抗控制的效果，关键即是求得虚拟阻抗z
v_mmc
的值。计算z
v_mmc
的值，需要先推导mmc的阻抗模型，得到其输出阻抗值。mmc在基频下的单相等效电路如图3所示，其中smn为mmc子模块，r
arm
和l
arm
分别为桥臂电阻和桥臂电感，c
eq
为等效电容，z
ep
和z
ev
分别对应定功率站和定电压站的等效受控电流源(equivalent controlled current source，eccs)的输出阻抗，z
p
和zv分别对应定功率站和定电压站的输出阻抗。z
p
和zv推导过程类似，下文以推导z
p
为例。
[0070]zep
的具体推导过程如下：
[0071]
在dq坐标系下的内环输出量可以表示为
[0072][0073]
其中，ω为交流系统的角频率，gc，g
lt
为矩阵代号，文中带δ的量都是代表其扰动量。δu
sd
、δu
sd
可表示为下式
[0074][0075]
其中，z
t
为交流侧等效阻抗。
[0076]
pwm环节的调制过程可以用一个延时环节表示为
[0077][0078]
其中，t
sw
为开关延时，f
sw
为开关频率。
[0079]
电流内环输出的电压参考u
cref,d
和u
cref,q
经过pwm调制过程之后可以得到换流器的交流侧的等效输出电压u
cd
，u
cq
为
[0080][0081]
联立式(1)-式(4)得
[0082][0083]
电流参考值i
ref,d
和i
ref,q
的表达式为
[0084][0085]
其中，g
u0
，g
i0
为矩阵代号，文中下标“0”的都是指带该电气量在稳态点的数值。
[0086]
联立式(2)、式(5)、式(6)得
[0087][0088]
其中，g
u0
，g
i0
为矩阵代号，e为单位矩阵。
[0089]
消去交流侧的电气扰动量δu
cd
、δu
cq
、δid和δiq可得
[0090][0091]
其中，m
d0
和m
q0
分别为d轴和q轴的调制度，ga为矩阵代号。
[0092]zep
的最终表达式为
[0093][0094]zep
进一步等效后得到mmc定功率站的输出阻抗z
p
表达式为
[0095][0096]
根据图2引入虚拟阻抗后的mmc控制框图，可将式(5)改写为
[0097][0098]
其中k
vic
为虚拟阻抗控制中引入的变量数值。
[0099]
从而式(8)可以改写为
[0100][0101]
其中gv为矩阵代号。
[0102]
根据式(12)可得引入虚拟阻抗后系统阻抗为
[0103][0104]
从式(13)可以看出，虚拟阻抗控制器投入后，系统的等效阻抗在原有模型的基础上增加了一部分，增加的量即为虚拟阻抗值，该值为：
[0105][0106]
其中gv可以通过调节引入的虚拟阻抗参数k
vic
的值进行改变，从而可以改变虚拟阻抗z
v_mmc
的数值。
[0107]
由以上可以看出，引入虚拟阻抗后，系统等效阻抗会在原有基础上增加。本文通过在mmc组的控制中引入虚拟阻抗来限制故障电流的机理即是通过增大系统阻抗值的方式来减小故障电流，从而达到限流的目的。由于发生故障期间时高频段阻抗对故障电流的影响较大，根据图5可看出，引入虚拟阻抗后系统高频段阻抗有明显增加，从而能达到限流的目的。
[0108]
(3)虚拟阻抗控制的实现过程：
[0109]
引入的虚拟阻抗调节系数k
vic
，目的是调节虚拟阻抗值的大小。i
dc_m
为直流侧电流的测量值，i
dc_rated
为直流侧电流的额定值，δi
dc
为测量值和额定值的差值。虚拟阻抗只在故障发生时才会投入，正常工作情况下虚拟阻抗不会投入。正常工作时，触发模块产生触发信号“1”，此时k
vic
的值为0，等同虚拟阻抗未投入；当实际测量电流值超过额定电流值0.9pu时，触发模块产生触发信号“0”，k
vic
的值即为控制模块的输出值，此时虚拟阻抗投入。
[0110]
(4)当检测到实际测量电流值不超过额定电流值0.9pu，切换调节系数k
vic
为正常值0，即所有mmc的控制变为正常运行时的控制；
[0111]
(5)经过200ms～300ms的故障穿越时间后，系统恢复运行。
[0112]
实施例：
[0113]
以如图1所示级联型混合直流为例进行计算并验证。
[0114]
实施例1：逆变侧lcc交流母线设置单相短路接地故障的场景，故障开始时间为3s，故障持续时间为0.1s。图6给出了逆变侧lcc交流母线短路时投入虚拟阻抗控制前后流经mmc3的桥臂电流值的对比图。
[0115]
实施例2：在逆变侧mmc交流母线设置单相短路接地故障，故障开始时间为3s，持续时间为0.1s。图7给出了逆变侧lcc交流母线短路时投入虚拟阻抗控制前后流经mmc3的桥臂电流值的对比图。
[0116]
可见mmc的故障电流降为正常工作电流的两倍之内，即安全运行区域。这有效避免了mmc闭锁，功率能正常传输，保证了混合直流在逆变侧交流母线故障时能有效穿越，证明所提策略有效。