一種含MMC直流輸電系統電流振蕩抑制的阻尼控制方法與流程
本發明涉及直流輸電領域，具體講涉及一種含MMC直流輸電系統電流振蕩抑制的阻尼控制方法。
背景技術：
基于電壓源換流器(voltage source converter,VSC)的高壓直流(high voltage direct current,HVDC)輸電技術以其有功功率和無功功率獨立可控的性能的得到了較快的發展，在光伏和風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撲結構，其中以模塊化多電平為換流器的拓撲結構在直流輸電領域應用最為廣泛。
含有MMC的HVDC系統在直流場中存在電容、平波電抗器與直流線路等，因此直流系統存在與主電路參數有關的中低頻諧振頻率點，也存在與主電路和線路參數有關的高頻諧振頻率點。由于直流場設備的等效電阻較小，換流閥開關器件的死區效應、通信延時、觸發延時等外部因素均可能引起系統振蕩，在某些極端情況下會嚴重惡化直流輸電系統的運行性能，嚴重將導致換流站閉鎖停運，給交流系統和直流系統造成重大損失。基于以上原因，如果控制系統不能提供一定的阻尼，直流電流將持續存在較大的中低頻振蕩分量，易引起監控設備報警，嚴重情況下可能導致換流站閉鎖停運。直流電流的中低頻振蕩現象在一些柔性直流輸電工程中已經出現，這種振蕩現象為非衰減和非等幅振蕩，具有持續性和周期性。為了使含有MMC的直流輸電系統能夠在各種潮流工況和外部干擾下穩定可靠的運行，需要抑制直流電流的諧振振蕩分量和提高直流輸電系統的阻尼特性。
直流電壓和直流電流是表征直流輸電系統有效運行的重要指標，盡管直流輸電系統的穩定性表面上是由直流電壓的穩定性來體現的，但直流電流比直流電壓更容易體現系統的運行性能。
為了抑制直流電流的諧振振蕩以及提高直流輸電系統的運行穩定性，需要為直流系統提供一定的阻尼，以使直流輸電系統能夠快速衰減直流電流的振蕩分量。如果控制系統不能提供所需的阻尼，直流電流持續的諧振振蕩將增大系統的輸電損耗，縮短換流站和直流設備的使用壽命，其中直流電流的高頻諧振分量對鄰近的設備也會產生電磁干擾，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系統穩定性的作用的技術方案。
技術實現要素：
有鑒于此，本發明提供一種含MMC直流輸電系統電流振蕩抑制的阻尼控制方法，包括步驟：A.構建MMC簡化等效模型；B.選擇阻尼控制器結構，確定阻尼控制器的最終表現形式，并配置阻尼控制器的參數；C.基于阻尼控制器的最終表現形式和換流器出口的直流電流，獲取阻尼補償電壓；D.將阻尼補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，實現電流振蕩分量的抑制。
步驟B中阻尼控制器的最終表現形式Gdamp(S)如下式表示：
式中，Rvir：虛擬電阻；kHPF：高通濾波器的增益；ωHPF：高通濾波器的截止頻率；s：拉普拉斯算子；kR：諧振控制器的增益；ωcaf：諧振頻率。
虛擬電阻Rvir計算如下式所示：
其中，kpdc為定直流電壓控制器的比例系數，Us為定直流電壓控制站PCC點相電壓的幅值，Ceq1為定功率站MMC的等效電容，Ceq2為定直流電壓站MMC的等效電容，ωr為諧振角頻率，UdcN為額定直流電壓，a0和a1分別為系統根據主電路參數和控制器參數設置而得到的常數，η為抑制系數。
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算獲得。
步驟C中的阻尼補償電壓計算公式如下式所示：
Δudamp＝Gdamp(s)·idc
其中，idc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交流側輸出電壓的參考值；環流抑制參考電壓。
與最接近的現有技術比，本發明提供的技術方案具有以下優異效果：
1、本發明提供的技術方案能有效抑制MMC型直流輸電系統中直流電流的振蕩現象；
2、本發明的阻尼控制方法具有較強的穩定性，能夠有效提供系統運行穩定性；
3、本發明提供的技術方案無需增加外部硬件電路以及相關設備，控制算法原理簡單，易于工程實現。
附圖說明
圖1是本發明的主電路結構；
圖2是本發明的等效簡化電路；
圖3是本發明抑制直流電流振蕩的阻尼控制器實現原理；
圖4是本發明抑制阻尼控制器的實現方法；
圖5是本發明阻尼控制器的結構；
圖6是本發明的方法流程圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明的實施例作進一步說明，本發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)的拓撲結構，若忽略其內部特性，只考慮外部特性，則MMC可以簡化等效為圖2所示的結構，其中id表示受控電流源輸出的電流，idc表示MMC直流電流，udc為MMC直流電壓，uceq為投入子模塊平均電壓，Ceq為MMC等效電容，pc為注入MMC的有功功率，Ls和Rs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方程為
2)分析阻尼控制方法實現形式
直流電流振蕩是由于直流輸電系統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阻尼特性方面進行考慮。
本發明在不增加外圍設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，阻尼控制方法的實現形式可以利用MMC橋臂電壓的可控性來實現。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Ld表示平波電抗器的等效電感。Δudamp為阻尼控制器產生的阻尼補償電壓。
在實際控制系統中，為了實現直流電流的抑制，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現方式，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交流側輸出電壓的參考值，為環流抑制參考電壓。
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，二是間接計算得到直流電流。
4)選取阻尼控制器結構
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，選取阻尼控制器結構需要根據直流系統的特性來選取，即可以只選擇一種，也可以選擇多種，例如，若直流輸電系統的換流站均為MMC型結構，則可以只使用阻尼電阻或者高通濾波器，若直流輸電系統存在LCC型換流器，則可以三者的組合形式。考慮到實際系統的交流側可能發生故障，從而導致直流電流存在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。因此，可以得到阻尼控制控制器的最終實現形式為：
式中Rvir為虛擬電阻，kHPF為高通濾波器的增益，ωHPF為高通濾波器的截止頻率，s為拉普拉斯算子，kR為諧振控制器的增益，ωcaf為諧振頻率。
需要說明的是：虛擬電阻只是本發明專利給出了一種敘述，還可以是比例系數等，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明專利所保護的范圍，凡是在橋臂電壓中疊加補償值的方式也均屬于本發明專利保護之內。
5)配置阻尼控制器參數
阻尼控制器的參數在抑制直流電流振蕩時具有重大作用，選擇合適的控制器參數能夠在抑制直流電流振蕩的時候兼顧動態響應特性。考慮到直流輸電系統直流電流的振蕩頻率與MMC子模塊電容、投入模塊數、橋臂電抗器、平波電抗器、直流線路、穩態運行點等相關，直流電流振蕩頻率難以用一個統一的公式確定，以國內某±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中的某個值；諧振頻率ωcaf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Rvir、kHPF和kR，三者可以選擇同一個值，其中計算公式為
式(3)中kpdc為定直流電壓控制器的比例系數，Us為定直流電壓控制站PCC點相電壓幅值，Ceq1為定功率站MMC的等效電容，Ceq2為定直流電壓站MMC的等效電容，ωr為直流的諧振角頻率，UdcN為額定直流電壓，a0和a1為根據主電路參數和控制器參數設置而得到的常數，η為抑制系數，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的表達式為
式(4)中Lline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算方式，并不說明一定非要按照此公式計算。
6)獲取阻尼補償電壓
當系統阻尼控制器設計完之后，需要獲取阻尼補償電壓來實現直流電流振蕩的抑制，阻尼補償電壓的表示為
Δudamp＝Gdamp(s)·idc (5)
將所得到的阻尼補償電壓送入換流閥閥基控制器中產生橋臂參考電壓，控制MMC橋臂輸出電壓，從而實現直流電流振蕩分量的抑制。
最后應當說明的是：以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非對其限制，所屬領域的普通技術人員參照上述實施例依然可以對本發明的具體實施方式進行修改或者等同替換，這些未脫離本發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明的權利要求保護范圍之內。
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