一种三相电网不平衡下MMC的三相电压支撑方法

摘要

本发明公开了一种三相电网不平衡下MMC的三相电压支撑方法，该方法基于一种多变量保护控制方法，旨在改善电网发生不平衡故障时MMC的输出行为。由于交流电网故障时系统的三相电流会不平衡且在直流侧会存在较大电压纹波及功率波动，严重时危及变换器安全、缩短变换器寿命，因此必须要合理控制电网负序分量对系统的影响。本发明采用一种灵活正负序控制算法(FPNSC)，采用d‑q坐标系下灵活正负和负序控制策略，通过参变量的调节，合理调整网侧电流参考的正负序含量，使得网侧电流波形质量和系统瞬时有功功率、无功功率得到合理控制，从而实现在三相电网不平衡下对MMC的三相电压支撑。

说明书

技术领域

本发明涉及一种三相电网不平衡下MMC的对交流电网电压的支撑方法，属于电力电子功率变换器领域。

背景技术

柔性直流输电的应用，扩大了电力电子变流技术在电力系统输电领域的应用，MMC(如图一)以其较好的延展性被认为是较有应用前景的拓扑电路，广泛应用在柔性直流输电(VSC-HVDC)领域，尤其是在近年来兴起的多端柔性直流输电领域。

在交直流混合型输配电中，电网故障时由于电网负序分量的存在会导致系统三相电流不平衡或非正弦、直流侧存在较大电压纹波、功率波动等问题，危及变流器安全、缩短变流器寿命。并网导则规定在一定交流电网故障下分布式并网发电系统需要正常并网运行并提供动态无功支撑。

目前电网不平衡时变换器提供三相电压支撑的控制方法主要有如下几种：瞬时有功-无功控制，对称正序控制，正负序控制，平均有功-无功控制。瞬时有功-无功控制可精确的控制系统的有功和无功功率，但如果网侧电压出现不平衡跌落，该方法将导致网侧电流波形畸变严重；对称正序控制策略不考虑电网电压负序分量，可得到对称的网侧电流；正负序控制、平均有功-无功控制均考虑电网电压负序分量，但这两种控制方法均为单一控制目标的方法无法灵活的调节电流参考中网侧电压负序分量的含量。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出了一种三相电网不平衡下MMC的三相电压支撑方法，以柔性直流输电(VSC-HVDC)为应用目标，从交流网侧电流质量、MMC桥臂电流、直流侧电压纹波以及中点电位平衡多个控制变量出发，提出了灵活的多变量保护控制策略，使MMC系统在交流电网故障下能够正常运行并提供动态电压支撑。

一种三相电网不平衡下MMC的三相电压支撑方法，本发明提出的MMC三相电压支撑方法基于一种多变量保护控制方法，即选择一种较为灵活的控制方法，将恒有功功率控制的对称正序控制，正负序控制，平均有功-无功控制三种方法统一，通过调节控制变量，达到动态调节电流参考中的网侧电压负序分量部分的目的，在一定程度上消除系统瞬时有功功率的二倍频振荡，相对减小电流参考的幅值，实现对网侧电流波形质量和系统功率波动的灵活调节与控制，达到支撑电压的目的；当电网出现不平衡故障时，通过从MMC向电网注入适当的有功功率与无功功率，可对并网点实现最优电压支撑，满足并网规范要求，保证系统运行在安全稳定的状态；

本发明具体包含以下步骤：

步骤1.忽略电网电压的零序分量，计算MMC采用恒有功功率控制方法下并网三相电流；

其中：V⁺、V^-和V⁰分别表示电网电压向量的正序、负序和零序的幅值；θ⁺、θ^-和θ⁰分别表示电网电压向量的正序、负序和零序的角度，k为多变量保护方法中的控制参数；ω表示电网频率，t表示时间；

步骤2.根据步骤1计算出三相电网电压的幅值如下：

其中：

假设电压最大值U_max＝max(U_a,U_b,U_c)，电压最小值U_min＝min(U_a,U_b,U_c)，得出U_max，U_min和的关系如表1所示；由表可以看出，被分成六个区间，每个区间长度为π/3，可计算出不同下相应的电压幅值的最大值和最小值；即当时，A相电压的幅值最大，C相最小；时，B相电压的幅值最大，C相电压的幅值最小；时，B相电压的幅值最大，A相电压幅值最小；时，C相电压幅值最大，A相最小；C相电压幅值最大，B相最小；时，A相电压幅值最大，B相最小；

表1

步骤3.假设V⁺>V^-，根据步骤1，步骤2计算出V⁺，V^-和并网规范下的U_max、U_min的关系：

其中：k₁和k₂为中间变量，取值依据表2：

表2

得出并网规范下并网点电压正序V⁺和负序V^-；

步骤4.根据换流器与电网之间线路的等效电阻R和电感L来确定控制参数k以及注入的功率大小；

当R<<ωL，忽略电阻对并网点电压的影响，通过注入无功功率支撑并网点电压，调节参数k和注入的无功功率Q₀的关系表达式如下：

当R和ωL相当，线路电阻对并网点电压的影响不可忽略，按下式分配有功和无功功率：

这样调节参数k和注入的无功功率Q₀的表达式如下式所示：

通过对电网注入功率，以实现该控制方法下对并网点的最优电压支撑，满足并网规范要求。

本发明通过采用多变量保护控制方法，改变参数k来调节注入的有功功率P₀和无功功率Q₀，以实现并网规范范围内最好的电压支撑效果。

附图说明

图1为本发明所述MMC电路原理图；

图2为本发明所述三相电网不平衡下MMC三相电压支撑方法的控制框图；

图3为本发明所涉及的换流器接入电网简化电路；

图4为本发明所述三相电网不平衡下MMC三相电压支撑方法中电流参考值的计算流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明所述MMC电路，当网侧交流电压出现不平衡故障时，三相电流会不平衡且在直流侧会存在较大电压纹波及功率波动，严重时危及变换器安全。采用本发明提出的三相电网不平衡下MMC的三相电压支撑方法基于一种多变量保护控制方法，这种方法可以有效支撑电网电压，避免上述问题。多变量保护控制方法的系统控制框图如图3所示。方法主要步骤如下：

(1)方法变量初始化，设定所有电流电压相关参数，包括正负序电流在dq坐标系下的给定值i⁺_dref、i⁺_qref、i^-_dref、i^-_qref，保护控制参数k(-1<k<1)。

(2)对电网电压和网侧输出电流分别进行正负序分离，得到电网电压d轴正序分量v_d⁺，d轴负序分量v_d^-，q轴正序分量v_q⁺，q轴负序分量v_q^-，网侧电流d轴正序分量i_d⁺，d轴负序分量i_d^-，q轴正序分量i_q⁺，q轴负序分量v_q^-。

(3)在电网不平衡故障下进行锁相环计算以及直流母线电压环调节，锁相环对网侧电压锁相之后输出的相位角度θ以及MMC给定有功功率参考值P₀。

(4)根据步骤(1)(2)(3)所得的v_d⁺、v_d^-、v_q⁺、v_q^-、P₀、k，计算出dq坐标轴下网侧电流参考值，其公式如下：

(5)分别进行正序d轴电流环调节、正序q轴电流环调节、负序d轴电流环调节、负序q轴电流环调节，输出相应的控制电压U⁺_d，U⁺_q，U^-_d，U^-_q。

(6)根据步骤(5)所得出的U⁺_d，U⁺_q，U^-_d，U^-_q，获得MMC系统三相调制信号，实现变换器的瞬时有功功率、无功功率和直流电压的控制。

基于多变量保护控制方法，通过调节参数k来调节注入的有功功率P₀和无功功率Q₀，以实现并网规范范围内最好的电压支撑效果。

并网换流器接入电网的简化电路如图2所示，其中R、L为换流器与电网之间线路的等效电阻和电感，i_j(j＝a,b,c)为换流器注入电网的电流，u_j和V_gj分别为并网点和电网侧的端口电压，P₀和Q₀为换流器注入电网的有功和无功功率，P₁和Q₁为电网接收的有功和无功功率。

由图2可得出以下等式：

其中j＝(a,b,c)。

设ΔU₁和δU₁是u_j与V_gj之差的幅值和相角，根据电力系统相关理论可得出下式：

如果线路电阻远小于感抗，即R<<ωL，可通过向故障电网注入无功功率支撑来并网点电压。若电阻R不可忽略，为获得最大的电压支撑效果，可按下式分配有功和无功功率：

在电网不平衡时，三相电网电压的幅值计算如下：

其中

假设U_max＝max(U_a,U_b,U_c)，Umin＝min(U_a,U_b,U_c)，可得出U_max，U_min和的关系如下表所示。由表中可以看出，被分成六个区间，每个区间长度为π/3，可计算出不同下相应的电压幅值的最大值和最小值。即当时，A相电压的幅值最大，C相最小；时，B相电压的幅值最大，C相电压的幅值最小；时，B相电压的幅值最大，A相电压幅值最小；时，C相电压幅值最大，A相最小；C相电压幅值最大，B相最小；时，A相电压幅值最大，B相最小。

假设V⁺>V^-，综上所述可计算出V⁺，V^-和并网规范下的U_max、U_min的关系如下所示：

其中，k₁和k₂为中间变量，k₁和k₂的取值依据下表：

又根据并网规范，U_max和U_min需满足以下不等式：

其中U为相电压幅值。

由此可得出并网规范下并网点电压正序V⁺和负序V^-，也可进一步得出并网规范下需要注入电网的功率量。

关于参数k和注入的有功无功功率P₀和Q₀的计算分以下两种情况讨论：

1、如果R<<ωL，可忽略电阻对并网点电压的影响，通过注入无功功率支撑并网点电压。调节参数k和注入的无功功率Q₀的关系表达式如下：

2、如果R和ωL相当，线路电阻对并网点电压的影响不可忽略，调节参数k和注入的无功功率Q₀的表达式如下式所示：

根据以上分析，可以得出参数k和注入功率参考值。设计方法及具体流程如图4所示。首先对线路阻抗进行估算，并设置并网规范允许的U_min和U_max。然后计算出并网点电压的正序分量V⁺和负序分量V^-。根据线路电阻和电抗的关系，计算出调节参数k和注入的功率量。在确定调节参数k和注入的功率量后，确定交流电流参考值。

本发明提出的控制方法下可以实现对并网点的最优电压支撑，满足并网规范要求。