基于pr控制器的mmc-hvdc環(huán)流抑制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及電力系統(tǒng)柔性直流輸電技術(shù)領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種基于PR控制器的 MMC-HVDC環(huán)流抑制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 模塊化多電平換流器（mo化larmultilevelconverter,MMC)是近幾年備受關(guān)注 的一種多電平換流器拓撲結(jié)構(gòu)。它采用多個子模塊（submo化le，SM)級聯(lián)的方式，通過分別 控制各個子模塊的投入和切除狀態(tài)，可W使得換流器輸出的交流電壓波形包含很多的電壓 階梯W最大限度的逼近正弦波，從而降低輸出電壓中的諧波含量，減小波形崎變，W滿足電 網(wǎng)的諧波要求。與傳統(tǒng)二、S電平結(jié)構(gòu)的VSC拓撲相比，MMC拓撲具有模塊化的結(jié)構(gòu)，低的 輸出電壓電流諧波，低的開關(guān)損耗，低的功率器件開關(guān)應(yīng)力W及小的或無濾波器需求等優(yōu) 勢。除此之外，MMC還可W直接處理有功/無功，無需工頻變壓器直接應(yīng)用到高壓直流網(wǎng)絡(luò) 中。因此MMC-HVDC被認為是一種極具潛力的柔性直流輸電方式，也是近年柔性直流輸電工 程中普遍采用的拓撲形式。
[0003] 環(huán)流是MMC拓撲（相對于二、S電平拓撲）中特有的一個問題，該問題是由并聯(lián) 在直流母線上的=個相單元輸出電壓與直流電壓不相等引起的。在交流系統(tǒng)平衡情況 下，環(huán)流僅包含二倍頻負序分量，在交流系統(tǒng)不平衡情況下，除了負序分量，環(huán)流還包含正 序分量和零序分量。環(huán)流能夠增大電流應(yīng)力、引入附加損耗，增大子模塊電容電壓波動， 甚至導(dǎo)致暫態(tài)不穩(wěn)定，因此必須加W控制。為了消除或者減小環(huán)流，多種文獻提出了不 同的方法。由于在交流系統(tǒng)平衡條件下環(huán)流主要表現(xiàn)為二倍頻負序分量，文獻"Recced Switching-frequencyModulationandCirculatingCurrentSuppressionforModular MultilevelConverters" 和"CirculatingCurrentAnalysisandSuppressionof Mo化larMultilevelConveners"提出將環(huán)流通過二倍頻負序旋轉(zhuǎn)坐標變換變?yōu)閐q旋 轉(zhuǎn)坐標系下的直流量，然后通過PI控制器進行控制，該方法原理簡單，設(shè)計方便，是旋轉(zhuǎn)坐 標系下普遍使用的環(huán)流控制方法，但是該方法僅適用于S相系統(tǒng)，而且當(dāng)交流系統(tǒng)不平衡 時，該方法無法消除正序及零序分量，除此之外該方法使用多次依賴鎖相環(huán)（PhaseLocked Loop,化L)的坐標變換，增加了控制系統(tǒng)的計算量及復(fù)雜度。盡管文獻"SuppressingDC VoltageRi卵lesofMMC-HVDCUnderUnbalancedGridConditions"在此基礎(chǔ)了增加 了?？诘闹绷麟妷翰▌右种瓶刂破飨私涣飨到y(tǒng)故障下環(huán)流的零序分量，但是該方法需 要額外地測量六個橋臂的電壓量，因此增加了控制系統(tǒng)的成本。L.Angquist等人提出一種 開環(huán)環(huán)流抑制方法，該方法首先通過測量輸出交流電流及直流電壓來建立換流器的動態(tài)方 程，然后通過求解動態(tài)方程估計出橋臂儲存的能量，進而得到橋臂輸出電壓的估計值，W此 來實現(xiàn)環(huán)流的控制，因為不需要反饋控制，該方法動態(tài)響應(yīng)快，控制通信數(shù)據(jù)量小，但是需 要精確的系統(tǒng)元件參數(shù)，而且實時求解換流器的動態(tài)方程計算相對繁瑣。A.Antonopoulos 等人提出一種閉環(huán)環(huán)流抑制方法，與開環(huán)環(huán)流抑制方法相比該方法對系統(tǒng)元件參數(shù)不敏 感，但是該方法需要測量所有子模塊的電壓信息并與控制器之間進行通信，在子模塊較多 時需要非常復(fù)雜的測量及控制系統(tǒng)，并且會導(dǎo)致嚴重的系統(tǒng)延時，降低控制系統(tǒng)的可靠性。Harne化rsetal.等人提出一種基于比例控制器的環(huán)流抑制方法，該方法需要使用橋臂電 阻值但是橋臂電阻值無法精確獲得，同時比例控制器也無法完全消除環(huán)流。Yangetal.等 人將一種改進的開關(guān)函數(shù)應(yīng)用到MMC環(huán)流抑制中，命名為quasi-harmonicelimination technique,由于使用了預(yù)測的電容電壓波動，因此環(huán)流抑制效果難W保證。Bergnaet al.通過在基頻正序旋轉(zhuǎn)坐標系和二倍頻負序旋轉(zhuǎn)坐標系下控制相單元中上下橋臂的能 量和和能量差來實現(xiàn)環(huán)流和電容電壓波動的控制，該方法為了獲得較小的電容電壓波動， 不能完全消除環(huán)流，而且控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜。G.Bergna等人提出將比例諧振（Propcxrtional ResonantPR)控制器引入環(huán)流控制中，將其諧振頻率調(diào)整為二倍頻基波頻率，將參考輸入 設(shè)置為直流量，從而在靜止坐標系下消除環(huán)流。該方法使用一個控制器就可W同時消除環(huán) 流的正序、負序及零序分量，而且由于在靜止坐標系下實現(xiàn)，無需坐標變換，降低了對鎖相 環(huán)的依賴及計算量，該方法可W適用于單相及多相系統(tǒng)，因此是靜止坐標系下普遍使用的 環(huán)流控制方法。
[0004] 通過W上分析，雖然有多種MMC環(huán)流抑制方法，但是易于實現(xiàn)且應(yīng)用普遍的環(huán)流 控制方法是旋轉(zhuǎn)坐標系下基于PI控制器的環(huán)流抑制方法和靜止坐標系下基于PR控制器的 環(huán)流抑制方法?；诒壤C振PR控制器的環(huán)流抑制方法由于無需依賴化L的坐標變換，交 流系統(tǒng)故障情況下能夠同時抑制環(huán)流的正序，負序及零序分量，而且適用于單相及多相系 統(tǒng)，因此該控制方法在該兩種控制方法中更具有優(yōu)勢。
[0005] 由于MMC-HVDC連接兩個MMC，因此一般不針對MMC-HVDC?？谠O(shè)計環(huán)流抑制方 法而是直接將MMC環(huán)流抑制方法應(yīng)用于MMC-HVDC，有的人將旋轉(zhuǎn)坐標系下基于PI控制 器的環(huán)流抑制方法直接應(yīng)用于MMC-HVDC，為了抑制交流故障下直流電壓和直流電流的波 動，文獻"SuppressingDCVoltageRi卵lesofMMC-HVDCUnderUnbalancedGrid Conditions"在文獻"ReducedSwitching-frequencyModulationandCirculating QirrentSuppressionforModularMultilevelConve;rters"的基礎(chǔ)上增加了?？诘闹?流電壓波動抑制控制器，解決了直流電壓波動的問題，但是需要額外測量橋臂電壓從而增 加了控制成本，同時也增加了控制器的個數(shù)。文獻"AnalysisandControlofMo化lar MultilevelConvertersUnderUnbalancedConditions"將靜止坐標系下基于PR控制器 的環(huán)流抑制方法直接應(yīng)用于MMC-HVDC,由于PR控制器自身的優(yōu)勢，使得該控制方法比旋轉(zhuǎn) 坐標系下的PI控制方法更為簡潔，并且完全消除了二倍頻零序環(huán)流，從而不會導(dǎo)致該環(huán)流 分量流入直流系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明分析，直接應(yīng)用該類控制方法，盡管能夠同時抑制零序環(huán)流 分量，阻止零序環(huán)流進入直流系統(tǒng)，但是不會完全消除直流電壓波動，因此適用于MMC-HVDC 的環(huán)流抑制方法應(yīng)該進行深入分析，重新設(shè)計；同時本發(fā)明還提出了新的控制模型，而且證 明了新模型的精確性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明提供了一種基于PR控制器的MMC-HVDC環(huán)流抑制方法，為了解決將PR控制 器環(huán)流抑制方法直接應(yīng)用于MMC-HVDC時引起直流電壓波動的問題，首先提出PR控制方法 的精確模型，然后提出了一種基于PR控制器的零序環(huán)流控制器，在此控制器的基礎(chǔ)上提出 了 =種適用于MMC-HVDC系統(tǒng)的環(huán)流抑制方法，改進的環(huán)流抑制方法在不增加控制器個數(shù) 及成本的情況下完全消除了直流電壓波動，提升了MMC-HVDC系統(tǒng)的故障穿越能力。
[0007] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0008] 基于PR控制器的MMC-HVDC環(huán)流抑制方法，直流線路兩端各連接一個MMC，一個為 整流端MMC，另一個為逆變端MMC，MMC由=相六個橋臂構(gòu)成，每個橋臂由一個橋臂串聯(lián)電感 和若干個結(jié)構(gòu)相同的子模塊級聯(lián)而成，每個子模塊包括兩個串聯(lián)的電力電子開關(guān)及與其并 聯(lián)的直流電容，其特征是，包括W下方法：
[0009] (1)整流端MMC采用PR控制器環(huán)流抑制方法；逆變端MMC采用PR控制器環(huán)流抑 制方法抑制正序和負序環(huán)流，同時逆變端MMC采用零序環(huán)流控制器來抑制直流電壓波動和 零序環(huán)流；
[0010] (2)整流端MMC采用PR控制器環(huán)流抑制方法抑制正序和負序環(huán)流，同時整流端 MMC采用零序環(huán)流控制器來抑制直流電壓波動和零序