[發(fā)明專利]模型預(yù)測定交流電壓控制下MMC頻率耦合阻抗建模方法

有效

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• 申請日: 2020-05-12
• 公開（公告）號: CN111541262B
• 公開（公告）日: 2021-08-31
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 年珩;朱茂瑋;鄒常躍;趙曉斌;許樹楷;馮俊杰
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江大學(xué);南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司
• 主分類號: H02J3/36
• 分類號: H02J3/36
• 代理公司: 杭州天勤知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 33224
• 代理人: 王琛

本發(fā)明公開了一種模型預(yù)測定交流電壓控制下MMC頻率耦合阻抗建模方法，以采用模型預(yù)測定交流電壓控制下的MMC為建模對象，通過電路方程頻域小信號建模、模型預(yù)測定交流電壓控制環(huán)路頻域小信號建模，推導(dǎo)得到MMC小信號阻抗模型，模型由MMC正序阻抗、負(fù)序阻抗以及由于MMC內(nèi)部復(fù)雜諧波動態(tài)特性引起的正序阻抗、負(fù)序阻抗頻率耦合項(xiàng)組成。仿真驗(yàn)證了本發(fā)明所建立的小信號阻抗模型的準(zhǔn)確性，本發(fā)明可以為MMC小信號阻抗建模和基于MMC系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析提供方法和依據(jù)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于電力電子設(shè)備建模技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種模型預(yù)測定交流電壓控制下MMC(模塊化多電平變流器)頻率耦合阻抗建模方法。

背景技術(shù)

基于MMC的高壓柔性直流輸電(HVDC)具有輸出諧波含量低、開關(guān)損耗小、無需無功補(bǔ)償、具備黑啟動能力、模塊化程度高等一系列優(yōu)點(diǎn)，是大規(guī)模、遠(yuǎn)距離電能傳輸?shù)膬?yōu)選方案；已經(jīng)投運(yùn)的典型工程包括德國Borwin3柔性直流輸電工程、中國張北四端柔性直流輸電工程，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)與環(huán)保效益。

MMC的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，其主要包含3相6個橋臂，每個橋臂都是由固定數(shù)量的子模塊(Sub-Module，SM)和1個橋臂電抗器串聯(lián)而成，MMC每個子模塊均視為可控電壓源，當(dāng)處于投入狀態(tài)時端電壓為固定值，當(dāng)處于切除狀態(tài)時端電壓為0；又由于每個橋臂的所有子模塊為串聯(lián)關(guān)系，所以通過控制每個橋臂子模塊的投入數(shù)量，即可以控制MMC端口輸出不同電平的電壓；對于單個橋臂含有N個子模塊的MMC，其可輸出的電平數(shù)量為N+1。

當(dāng)MMC接入孤島電網(wǎng)、風(fēng)電場等無源電網(wǎng)時，需要采用定交流電壓控制，從而建立、維持無源電網(wǎng)母線電壓，保障電能的正常傳輸。傳統(tǒng)的定交流電壓控制一般采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的閉環(huán)矢量控制方式，其中PI控制器可以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)母線電壓的無差調(diào)節(jié)，但是存在控制器參數(shù)設(shè)計(jì)復(fù)雜，電壓外環(huán)響應(yīng)速度較慢等缺點(diǎn)。模型預(yù)測定交流電壓控制是較為先進(jìn)的控制方式，這種控制基于MMC換流站的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過當(dāng)前時刻MMC相電壓、相電流、下一時刻相電壓控制目標(biāo)等關(guān)鍵變量，預(yù)測出下一時刻的調(diào)制信號，從而控制電網(wǎng)相電壓跟隨給定值，因此模型預(yù)測定交流電壓控制響應(yīng)迅速，且無需PI控制器參數(shù)設(shè)計(jì)，用于連接無源電網(wǎng)時暫態(tài)、穩(wěn)態(tài)性能顯著優(yōu)于基于閉環(huán)矢量控制方式，是MMC送端換流站連接無源電網(wǎng)理想的控制策略。

由于MMC換流站為復(fù)雜電力電子器件，MMC接入無源電網(wǎng)容易產(chǎn)生不穩(wěn)定和諧振現(xiàn)象，成為制約電能送出水平的重要因素。阻抗穩(wěn)定性分析方法是分析互聯(lián)系統(tǒng)小信號穩(wěn)定性的有效辦法，為利用阻抗穩(wěn)定性分析法分析MMC接入無源電網(wǎng)的穩(wěn)定性，首先需要推導(dǎo)MMC換流站的小信號阻抗解析模型。現(xiàn)有研究針對MMC換流站阻抗模型建立尚不完備，表現(xiàn)為當(dāng)前主流的建模思路僅建立了采用傳統(tǒng)定交流電壓控制下MMC正序阻抗、負(fù)序阻抗模型，并認(rèn)為正序阻抗、負(fù)序阻抗相互解耦；實(shí)際上由于MMC的內(nèi)部諧波動態(tài)過程，正序與負(fù)序阻抗存在頻率耦合效應(yīng)，因此已建立的MMC阻抗模型并不準(zhǔn)確。此外當(dāng)前主流的建模思路沒有針對采用模型預(yù)測定交流電壓控制下的MMC進(jìn)行阻抗建模，無法對基于模型預(yù)測定交流電壓控制下MMC系統(tǒng)面臨的不穩(wěn)定和諧振問題進(jìn)行分析。

MMC阻抗模型建立包含電路方程建模和控制環(huán)路建模，將控制環(huán)路建模結(jié)果代入電路方程中可求解MMC阻抗模型，因此考慮頻率耦合效應(yīng)的模型預(yù)測定交流電壓控制下MMC阻抗模型建立的難點(diǎn)主要表現(xiàn)為：

①穩(wěn)態(tài)和小信號下，MMC的子模塊電容電壓、橋臂電流上均存在復(fù)雜的諧波動態(tài)特性，并引起MMC正序阻抗與負(fù)序阻抗的相互耦合，建模過程需要充分考慮MMC諧波動態(tài)特性，從而獲得考慮頻率耦合的MMC精確阻抗模型。

②阻抗模型為頻域小信號數(shù)學(xué)模型，而模型預(yù)測定交流電壓控制為時域非線性算法，在建模過程中首先需要對模型預(yù)測定交流電壓控制算法從時域轉(zhuǎn)變?yōu)轭l域形式，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行小信號線性化推導(dǎo)，從而推導(dǎo)MMC小信號阻抗。

發(fā)明內(nèi)容