基于MMC的分布式潮流控制器的控制系統及建模方法技術方案

本發明專利技術公開了一種基于MMC的分布式潮流控制器的電磁暫態數學模型、控制系統及建模方法，分布式潮流控制器包括由并聯側基于MMC的三相變流器與并聯側單相變流器組成的并聯側變流器，以及由多組串聯側單相變流器構成的串聯側變流器；電磁暫態數學模型主要包括并聯側變流器模型和串聯側變流器模型；控制系統包括并聯側控制模型和串聯側控制模型，并聯側控制模型包括并聯側基于MMC的三相變流器控制模塊和并聯側單相變流器控制模塊，串聯側控制模型包括串聯側三次諧波控制模塊和串聯變流器有功功率無功功率控制模塊。本發明專利技術電磁暫態數學模型采用模塊化設計，降低子模塊開關頻率，降低損耗；控制系統適應不同電壓等級，適用于柔性交流輸電場合。

【技術實現步驟摘要】
基于MMC的分布式潮流控制器的電磁暫態數學模型、控制系統及建模方法
本專利技術涉及拓撲結構優化后的分布式潮流控制器(DPFC)仿真建模領域，具體涉及一種基于MMC的分布式潮流控制器的電磁暫態數學模型、控制系統及建模方法。
技術介紹
隨著電力系統朝著堅強智能化大電網的方向發展，以電力電子變換器為基礎的柔性交流輸電技術(FlexibleACTransmissionSystem，FACTS)受到了研究人員越來越多的關注。分布式潮流控制器(distributedpowerflowcontroller,DPFC)作為一種功能強大，調節系統潮流最為靈活的FACTS裝備，得到了廣泛的研究。傳統的DPFC采用兩電平或者三電平電壓源型換流器拓撲，不能滿足不同電壓等級的需要，這一方面增加了交流輸電的成本，另一方面也增加了損耗，占地面積大，控制不靈活。模塊化多電平換流器(modular-multilevel-converter，MMC)的出現，其級聯多電平特性適合高壓大功率的發展方向，為交流輸電系統的高壓、大容量應用帶來新的契機。因此，進行基于MMC的分布式潮流控制器電磁暫態建模，對推進DPFC工程化應用和系統穩定運行具有十分重要的意義。
技術實現思路
本專利技術要解決的技術問題是，針對傳統DPFC采用兩電平或者三電平電壓源型換流器拓撲存在的上述不足，提供一種基于MMC的分布式潮流控制器的電磁暫態數學模型、控制系統及建模方法，電磁暫態數學模型采用模塊化設計，降低了子模塊的開關頻率，降低損耗，減小占地面積；控制系統根據串聯子模塊個數來調整輸出電平數，以適應不同電壓等級的要求，適用于柔性交流輸電場合；提高輸電效率，大大增加輸電系統的經濟效益。本專利技術為解決上述技術問題所采用的技術方案是：基于MMC的分布式潮流控制器的電磁暫態數學模型，該分布式潮流控制器包括由并聯側基于MMC的三相變流器與并聯側單相變流器組成的并聯側變流器，以及由多組結構相同的串聯側單相變流器構成的串聯側變流器；所述電磁暫態數學模型主要包括并聯側變流器模型和串聯側變流器模型：串聯側變流器模型中，多組串聯側單相變流器分布化布置于輸電線路中(串聯耦合于A、B、C三相線路上)，吸收并聯側輸出的三次諧波有功功率維持自身電容電壓恒定，串聯側單相變流器的直流側電容電流Idcse與直流側電容電壓Vdcse以及串聯側電容Cse關系表示如下：CsedVdcse/dt＝Idcse(1)串聯側單相變流器的交流側基波電流電壓與三次諧波電流電壓共存(平均周期內)，并共同作用于直流電容電流，因此又有Idcse＝(1/mse,1+1/mse,3)(I1+I3)(2)式(2)中，mse,1是基波電壓的調制比，mse,3是三次諧波電壓的調制比，I1是交流側基波電流，I3是三次諧波電流；將(2)式代入式(1)，得CsedVdcse/dt＝(1/mse,1+1/mse,3)(I1+I3)(3)經abc→dq派克變換，得直流側電容電壓Vdcse如下式式(4)中θ為輸電線路送電端電壓的相角θs與串聯側變流器觸發相角的差，mse1d是串聯側基波電壓d軸分量調制比，mse1q是串聯側基波電壓q軸分量調制比，mse3d是串聯側三次諧波電壓d軸分量調制比，mse3q是串聯側三次諧波電壓q軸分量調制比，I1,d是基波電流d軸分量，I1,q是基波電流q軸分量，I3,d是三次諧波電流d軸分量，I3,q是三次諧波電流q軸分量；由傅立葉原理，不同頻次諧波乘積為零，式(4)寫為Vdcse＝(1/2)∫((1/mse1dI1,d+1/mse1qI1,q)+(1/mse3dI3,d+1/mse3qI3,q))dt(5)并聯側變流器模型中，并聯側基于MMC的三相變流器交流側經變壓器Tsh與交流母線相連接，并聯側基于MMC的三相變流器的三相各橋臂電路均由N個子模塊串接而成，其中子模塊均采用半橋結構；并聯側單相變流器采用傳統DC/AC電路拓撲，并聯側單相變流器的直流側與并聯側基于MMC的三相變流器耦合，并聯側單相變流器的交流側與交流電網中Y-△變壓器Ts的Y側中性點接地線路串聯耦合，并聯側單相變流器輸出(注入Y-△變壓器Ts的Y側中性點)的三次諧波電流為式(6)中，是并聯側單相變流器輸出的三次諧波電流，Lsh3是等效電感，是并聯側單相變流器輸出的三次諧波電壓；且有Vsh3＝msh3Vdcsh(7)Vdcsh是并聯側基于MMC的三相變流器的直流側電壓，msh3是并聯側單相變流器交直流兩側電壓調制比；對于并聯側基于MMC的三相變流器，令i＝a、b、c，則abc坐標系下并聯側基于MMC的三相變流器的交流側電流表示為：式中，表示并聯側基于MMC的三相變流器單相的下橋臂電流，表示并聯側基于MMC的三相變流器單相的上橋臂電流；又根據電容電流電壓之間的關系，得出：式中Csh,sm表示子模塊電容值；Vsh,sm,up表示上橋臂投入的子模塊的電容電壓；Vsh,sm,down表示下橋臂投入的子模塊的電容電壓；將式(9)、式(10)代入式(8)中，得：對于N+1電平(交流側生成的階梯波)，有：式中，Ki為上橋臂第i個子模塊的運行狀態，Ki＝0時子模塊旁路，Ki＝1時子模塊投入；Kj為下橋臂第j個子模塊的運行狀態，Kj＝0時子模塊旁路，Kj＝1時子模塊投入；Vsh,sm,i表示上橋臂的電容電壓，i＝1，2…N/2；Vsh,sm,j表示下橋臂的電容電壓，j＝1，2…N/2；式(12)也表示成：本專利技術還提供了一種基于上述電磁暫態數學模型的控制系統，包括并聯側控制模型和串聯側控制模型，所述并聯側控制模型包括并聯側基于MMC的三相變流器控制模塊和并聯側單相變流器控制模塊，并聯側基于MMC的三相變流器控制模塊用于控制并聯側基于MMC的三相變流器，所述并聯側單相變流器控制模塊用于控制并聯側單相變流器；所述串聯側控制模型包括串聯側三次諧波控制模塊和串聯變流器有功功率無功功率控制模塊，串聯側三次諧波控制模塊用于吸收并聯側發出的三次諧波來維持其自身直流電容電壓穩定，串聯變流器有功功率無功功率控制模塊用于根據系統對基頻有功功率需求的響應，產生相應的基頻電壓注入有功功率來控制線路有功功率。按上述方案，所述并聯側基于MMC的三相變流器控制模塊主要包括調制波生成模塊、環流抑制模塊、子模塊導通個數計算以及導通個數改變后的觸發模塊和子模塊充放電控制模塊：調制波生成模塊，包括電壓外環控制模塊、電流內環前饋解耦模塊，電壓外環控制模塊用于將輸入的直流側電壓給定指令值Vdcshref和系統無功潮流給定指令值Qref分別與實際值作差后，生成系統線路電流d軸有功參考分量Idref與q軸無功參考分量Iqref；電流內環前饋解耦模塊用于將系統線路電流d軸有功參考分量Idref、q軸無功參考分量Iqref分別與采集到的實際電壓電流經過dq變換后的量作差并經過PI調節器處理后，再通過兩相旋轉到三相靜止坐標系變換，得到三相電壓調制波參考值環流抑制模塊用于分別采集基于MMC的三相變流器中的上橋臂電流值下橋臂電流值求矢量和并乘以1/2后，分別得到三相環流實際值，經過三相靜止到兩相旋轉坐標系變換得到dq分量Icird、Icirq，再將其Icird、Icirq與電流dq分量目標值Icirdref、Icirqref作本文檔來自技高網...

【技術保護點】
基于MMC的分布式潮流控制器的電磁暫態數學模型，該分布式潮流控制器包括由并聯側基于MMC的三相變流器與并聯側單相變流器組成的并聯側變流器，以及由多組結構相同的串聯側單相變流器構成的串聯側變流器，其特征在于，所述電磁暫態數學模型主要包括并聯側變流器模型和串聯側變流器模型：串聯側變流器模型中，多組串聯側單相變流器分布化布置于輸電線路中，吸收并聯側輸出的三次諧波有功功率維持自身電容電壓恒定，串聯側單相變流器的直流側電容電流I

【技術特征摘要】
1.基于MMC的分布式潮流控制器的電磁暫態數學模型，該分布式潮流控制器包括由并聯側基于MMC的三相變流器與并聯側單相變流器組成的并聯側變流器，以及由多組結構相同的串聯側單相變流器構成的串聯側變流器，其特征在于，所述電磁暫態數學模型主要包括并聯側變流器模型和串聯側變流器模型：串聯側變流器模型中，多組串聯側單相變流器分布化布置于輸電線路中，吸收并聯側輸出的三次諧波有功功率維持自身電容電壓恒定，串聯側單相變流器的直流側電容電流Idcse與直流側電容電壓Vdcse以及串聯側電容Cse關系表示如下：CsedVdcse/dt＝Idcse(1)串聯側單相變流器的交流側基波電流電壓與三次諧波電流電壓共存，并共同作用于直流電容電流，因此又有Idcse＝(1/mse,1+1/mse,3)(I1+I3)(2)式(2)中，mse,1是基波電壓的調制比，mse,3是三次諧波電壓的調制比，I1是交流側基波電流，I3是三次諧波電流；將(2)式代入式(1)，得CsedVdcse/dt＝(1/mse,1+1/mse,3)(I1+I3)(3)經abc→dq派克變換，得直流側電容電壓Vdcse如下式式(4)中θ為輸電線路送電端電壓的相角θs與串聯側變流器觸發相角的差，mse1d是串聯側基波電壓d軸分量調制比，mse1q是串聯側基波電壓q軸分量調制比，mse3d是串聯側三次諧波電壓d軸分量調制比，mse3q是串聯側三次諧波電壓q軸分量調制比，I1,d是基波電流d軸分量，I1,q是基波電流q軸分量，I3,d是三次諧波電流d軸分量，I3,q是三次諧波電流q軸分量；由傅立葉原理，不同頻次諧波乘積為零，式(4)寫為Vdcse＝(1/2)∫((1/mse1dI1,d+1/mse1qI1,q)+(1/mse3dI3,d+1/mse3qI3,q))dt(5)并聯側變流器模型中，并聯側基于MMC的三相變流器交流側經變壓器Tsh與交流母線相連接，并聯側基于MMC的三相變流器的三相各橋臂電路均由N個子模塊串接而成，其中子模塊均采用半橋結構；并聯側單相變流器采用傳統DC/AC電路拓撲，并聯側單相變流器的直流側與并聯側基于MMC的三相變流器耦合，并聯側單相變流器的交流側與交流電網中Y-△變壓器Ts的Y側中性點接地線路串聯耦合，并聯側單相變流器輸出的三次諧波電流為式(6)中，是并聯側單相變流器輸出的三次諧波電流，Lsh3是等效電感，是并聯側單相變流器輸出的三次諧波電壓；且有Vsh3＝msh3Vdcsh(7)Vdcsh是并聯側基于MMC的三相變流器的直流側電壓，msh3是并聯側單相變流器交直流兩側電壓調制比；對于并聯側基于MMC的三相變流器，令i＝a、b、c，則abc坐標系下并聯側基于MMC的三相變流器的交流側電流表示為：式中，表示并聯側基于MMC的三相變流器單相的下橋臂電流，表示并聯側基于MMC的三相變流器單相的上橋臂電流；又根據電容電流電壓之間的關系，得出：式中Csh,sm表示子模塊電容值；Vsh,sm,up表示上橋臂投入的子模塊的電容電壓；Vsh,sm,down表示下橋臂投入的子模塊的電容電壓；將式(9)、式(10)代入式(8)中，得：對于N+1電平，有：式中，Ki為上橋臂第i個子模塊的運行狀態，Ki＝0時子模塊旁路，Ki＝1時子模塊投入；Kj為下橋臂第j個子模塊的運行狀態，Kj＝0時子模塊旁路，Kj＝1時子模塊投入；Vsh,sm,i表示上橋臂的電容電壓，i＝1，2…N/2；Vsh,sm,j表示下橋臂的電容電壓，j＝1，2…N/2；式(12)也表示成：2.一種上述權利要求1所述的基于MMC的分布式潮流控制器的電磁暫態數學模型的控制系統，其特征在于，包括并聯側控制模型和串聯側控制模型，所述并聯側控制模型包括并聯側基于MMC的三相變流器控制模塊和并聯側單相變流器控制模塊，并聯側基于MMC的三相變流器控制模塊用于控制并聯側基于MMC的三相變流器，所述并聯側單相變流器控制模塊用于控制并聯側單相變流器；所述串聯側控制模型包括串聯側三次諧波控制模塊和串聯變流器有功功率無功功率控制模塊，串聯側三次諧波控制模塊用于吸收并聯側發出的三次諧波來維持其自身直流電容電壓穩定，串聯變流器有功功率無功功率控制模塊用于根據系統對基頻有功功率需求的響應，產生相應的基頻電壓注入有功功率來控制線路有功功率。3.根據權利要求2所述的基于MMC的分布式潮流控制器的電磁暫態數學模型的控制系統，其特征在于，所述并聯側基于MMC的三相變流器控制模塊主要包括調制波生成模塊、環流抑制模塊、子模塊導通個數計算以及導通個數改變后的觸發模塊和子模塊充放電控制模塊：調制波生成模塊，包括電壓外環控制模塊、電流內環前饋解耦模塊，電壓外環控制模塊用于將輸入的直流側電壓給定指令值Vdcshref和系統無功潮流給定指令值Qref分別與實際值作差后，生成系統線路電流d軸有功參考分量Idref與q軸無功參考分量Iqref；電流內環前饋解耦模塊用于將系統線路電流d軸有功參考分量Idref、q軸無功參考分量Iqref分別與采集到的實際電壓電流經過dq變換后的量作差并經過PI調節器處理后，再通過兩相旋轉到三相靜止...

【專利技術屬性】
技術研發人員：唐愛紅，萬家樂，邵云露，舒欣，黃涌，鄭旭，趙紅生，徐秋實，王沖，高夢露，王少榮，劉滌塵，
申請(專利權)人：武漢理工大學，國網湖北省電力公司，華中科技大學，武漢大學，
類型：發明
國別省市：湖北,42