【《MMC-HVDC系统的基本控制策略综述》6800字（论文）】

MMC-HVDC系统的基本控制策略综述目录TOC\o"1-3"\h\u19965MMC-HVDC系统的基本控制策略综述 1307341.1MMC-HVDC系统的矢量控制 123031.1.1同步旋转坐标系下的MMC的数学模型 2292331.1.2矢量控制策略 3179791.2双闭环控制器设计 6123311.2.1内环控制器设计 8167361.2.2外环控制器的设计 9238441.3MMC子模块电容电压控制策略 1198221.3.1电容电压波动分析 1153881.3.2排序法电容电压控制策略 14189781.4MMC环流抑制策略的研究 14181561.4.1环流形成及特性分析 15240891.4.2MMC相间环流抑制方法 1627871.5MMC-HVDC系统的调制技术 18MMC-HVDC系统的矢量控制图3-1双端MMC-HVDC系统结构图图3-1是双端MMC-HVDC系统的结构图，图中所展示的为双MMC-HVDC系统稳态运行主要结构，交流系统输出电压通过变压器变压再经过MMC1整流，将交流电压转化为直流电压输送到MMC2为逆变器，将直流电压转化为交流电压，通过变压器变压输送到交流系统。MMC需要PWM控制信号进行控制，由于PI控制器不能识别三相坐标系下电压电流，所以需要采用同步旋转坐标系进行矢量控制，将三相坐标系电压电流通过dq转换得到同步旋转坐标系下进行PI控制，本章详细阐述MMC的控制策略，通过双闭环控制器以及电容电压控制、环流抑制等策略进行对MMC整流侧和逆变侧的控制REF_Ref23209\w\h[18]。同步旋转坐标系下的MMC的数学模型在2.2节中忽略了MMC数学模型的漏抗。如图3-2加上换流器漏抗进行分析,就能够得到MMC系统结构图。图3-2模块化多电平换流器图令MMC交流侧动态方程可以重写如下： (3-1)在静态的三相坐标系中MMC的交流端在式子(3-1)体现，由于电流电压都是以正弦的输入和输出，这样不利于对其控制。又因为PI控制器不能对三相坐标系下的电压电流进行控制，对其进行dq坐标变换，将三相坐标系改变为矢量控制。本文的dq坐标变换就是经典的Park变换 (3-2)其中坐标变换矩阵为 (3-3)将式(3-4)代入式(4-2)然后dq坐标变换,可以得到式(3-5)： (3-4) (3-5)式(3-5)可以看出当的取值与a相的相角不等的时候,电压在d坐标系下在空间上矢量相同。对式(3-1)变换式(3-2)进行dq坐标变换能够表示为 (3-6)其中为交流系统额定角频率。式(3-6)中的d轴和q轴电流分量和是显示状态可变的物理量。其中和是作为干扰出现在式子中。通过对前面的公式以及运用功率计算得到该系统在中性点瞬时有功功率和无功功率如下 (3-7)稳态下,网侧电压的q轴分量等于零,式(3-5)与式(3-7)相减计算： (3-8) (3-9)得出MMC在输入端的有功功率P和桥臂电流在d轴方向有一定的正向比例关系,MMC在输入端无功功率Q与桥臂电流在q轴方向有一定的反向比例关系。矢量控制策略矢量控制策略是在dq坐标系统的基础上控制，该系统可拆分为内部环流控制系统和外部环控制系统。内部环电流控制装置通过调节换流器电压的输出，直接控制d轴和q轴的电流部分，使换流器能够快速跟踪其参考值;依据工作功率和非工作功率等指示性值，以及连续电压等指示性值，计算内部环电流控制的d和q轴向电流成分的指示值。分析式(3-16),能够得出内环输入电压： (3-17) (3-18)在公式中“*”是指令值的意思。式(3-17)与式(3-18)中前面的两个项其实是为了消除耦合加上的；然而第三个项是PI调节进行反馈的,分别用k和来PI控制中比例积分系数。把式(3-17)与式(3-18)放到式(3-16)中可以得电流在d轴和q轴下的表示方式： (3-19) (3-20)图3-3可以看出电流分量在d轴和q轴分布情况，对式(3-19)与式(3-20)变换后可以得到。图3-3电流内环方框图电流分量在d轴和q轴的分布相似，开环传递函数为 (3-21)令比例系数、和积分系数取值分别为 (3-22) (3-23)式(3-22)、式(3-23)放入式(3-21)中,为方便计算，开环传函可得： (3-24)闭环传递函数： (3-25)简化过后的传递函数变得及其简单而且方便理解和计算,其中时间常数通常取值在1ms到5ms之间。外环控制矢量控制外环控制依据导值如有功功率、无功功率以及直流电压等，将电流输入电流环控制元件，系统中的指令值以及q轴指令值进行调整,在侧面对有功型功率、无功型功率以及电压进行全方面控制。依据式(3-8),利用系统有功功率指令值p*完全能够得出d轴电流分量得到指令值。在系统中加入PI控制器系统进行调节，以便强力清除误差。由此能获得到系统内环d轴上有电流其分量上的指令值为： (3-26)假设变频器利用直流电压进行控制，那么电流引导指令值根据直流电压的反馈PI控制来确定： (3-27)在能量平衡关系下，直流电压可以保持稳定，当电源运行时，开关的输入和输出是相等的。如果直流电压低于其指示值，则直流电压的负反馈电平控制轴d线的电流线指示值增加，以增加输入功率转换开关的功率，最终转换开关因充电电压增加而增加功率;如果直流电压高于其指示值，则直流控制PI的负压反馈可使d轴流线指示值下降，从而降低输入功率转换开关的功率，最终转换开关因放电和电压下降而积聚能量。式(3-9)利用无功功率指令值Q*可以计算q轴电流分量指令值。为了消除稳态误差。再加上无功功率的负反馈PI调节项。这样可以得到内环q轴电流分量指令值： (3-28)将内环和外环的控制器进行联合控制,能够得到矢量控制总体结构图如图3-4所示。因为流量开关的操作能力有限，控制矢量能够利用向当前元件d轴和q轴控制环提供指示值来限制流量开关。同步旋转坐标系下输出量和完成dq变换,轻松获得正弦交流的调制波传输控制信号。图3-4矢量控制结构图双闭环控制器设计开环控制是一个简单的控制模式，控制系统的输入和输出之间没有反馈通道。当一条重要的输电线路因故障或维护而停止运行时，所选的异常运行信号触发控制器，根据控制逻辑定量地增加或减少直流线路上的传输功率。常用的策略是直流升压和回退控制，这是非常简单，易于实现。然而，控制策略的系统参数需要离线调整。另外，运行方式的改变会影响控制策略的效果，提高系统的暂态稳定性。本文分析了实施紧急情况下控制应急力量增长战略对南部电网稳定的影响。在三大直联电网中，有三条线路宽带化，价格昂贵。研究了混合电力运输系统的应急能力保障问题，提出了一种利用应急能力保障因子评价应急直接能力提升控制策略有效性的方法。基于扩展的空间基础，从理论上分析了应急能力控制策略对异常高压流动系统临时稳定性的影响，分析了启动时间、能量增加、恢复率、临时稳定支持率等参数对系统临时稳定性的影响。闭环控制在输入和输出之间有反馈。对维护和运营非常重要的输电线路在作物和出口反馈系统投入运行时，以控制走廊的方式，根据首次入侵的原因，提高运输能力或降低线路的机动性，选择可操作信号以反映安全组织。控制逻辑方法主要包括线性控制、控制结构变化、控制自调整等。线性控制方法是将演示系统在工作点的方程线性化并在此基础上设计控制器的方法。该方法的有效控制依赖于系统的固定工作点。在大多数情况下，稳定性会在此基础上大大提高，但在极少数情况下，临时系统的稳定性可能会因经营状况的变化而恶化。为了避免静态工作点对控制器功能的影响，将直流系统和变转速系统之间的方程分别在垂直方向和反向进行变换，将方程组中的差分方程和差分方程转化为线性公式，然后采用综合线性变换法设计控制器。首先采用基于状态反馈模式的非线性线性模型方程，然后根据线性最优控制理论，对直流系统设计多个控制器。自适应控制法是一种非常高级的控制方法，可通过因特网修改控制器的参数，并且具有抗扰动的性能。已为惯性中心系统的电流流系统开发了数学模型，并设计了控制区域间能量振动的非线性自适应控制控制器。同步旋转坐标系下的MMC系统控制器包括外环控制器以及内环电流控制器，如图3-5是它的系统结构框架图。外环控制器是用系统的一些参数作为控制的可变化物理量，内环控制器中的参考物理量就是由外环控制器计算得出利用对参考值的参照调节MMC输出电压然后进行非常快的跟踪dq的参考值，最终需要对电容电压进行均压控制获得PWM的输出REF_Ref23424\w\h[19]。图3-5双闭环控制结构图内环控制器设计由式3-25可知，、不仅受到系统电压、和控制量、的影响，而且耦合量、也对电流在d轴有一定的影响，解决方式把式3-25变换为： (3-30)令 (3-31) (3-32)公式中，、与、有着一定的微分，所以通过PI进行控制，而且在系统中把耦合的补偿项、以及交流电网的电压前馈项、加进来，结果就可以把d轴和q轴的分量进行解耦操作得到： (3-33)利用数学模型理论方法和此进行系统分析，就可以得出图3-6，MMC内环控制的结构图。图3-6MMC电压前馈的内环控制图外环控制器的设计对于外环控制器的分析，核心部分是对有功和无功俩物理量进行控制，之后进行分析怎么算，获取有功电流的参考值与无功电流参考值。（1）定有功、无功功率控制MMC的有功功率P及其无功功率Q与、有着一定比例关系，关于控制、，P和Q就可以单独的被进行PI控制，具体的控制方法见图3-7。然后需要消除系统在稳态运行时产生的一些不必要的误差得到与。图3-7定有功、无功控制器定直流电压控制在系统中不考虑损耗并且能够稳态运行时就有： (3-34)MMC系统为了确保直接电压的稳定性和系统能力的平衡，必须通过固定直接电压控制转站一侧的直接电压。直流电压参考值和稳态误差后的实际值之间的差异可以通过控制PI控制获得，如图3-8所示。图3-8定直流电压控制器（3）定交流电压控制在系统需要对交流系统的电压惊醒控制考虑到母线上的交流电压，由于无功功率与交流电压有非常紧密的联系，那么对无功功率的控制也可以从交流电压控制的方式侧面对其控制。图3-9所展示的内容，去除系统稳态中的误差可得。图3-9定交流电压控制（4）定频率控制其实柔性输电系统的频率在整个控制系统中也是非常重要的，频率需要稳定，那么就需要对其进行控制，如图3-10所示。图3-10定频率控制MMC子模块电容电压控制策略在第二章节MMC系统的结构能够分析得出，MM系统在正常稳态运行时，由于上、下桥臂的电容的存在上、下桥臂电流在流过的时候，电容进行充电各桥臂电压在工作时会出现波动，影响MMC系统的稳态运行，所以保证各个桥臂电压的稳定，就成为了该系统能否正常工作的重要前提。电容电压波动分析对上一章节MMC系统结构及数学模型研究，将每个桥臂都进行变换，得到MMC三相等效电路图见下方图3-11。图3-11MMC三相等效电路图MMC系统结构是对称的，只需研究其中一项即可，A相： (3-29) (3-30)峰值相电压在公式里是输出值；峰值线电流是输出值；功率因数角。出于考虑研究简单MMC电压调制比： (3-31)MMC系统电流调制比： (3-32)如果对系统的研究理想化，不研究其内部的能量消耗即： (3-33)结合式（3-31）、式（3-32）、式（3-33）可得： (3-34)MMC系统内部电压上下桥臂分别为： (3-35)子模块桥臂中电流： (3-36)在公式里是基波角。MMC系统加入运行的子模块个数： (3-37)开关函数： (3-38)由式（3-36）、式（3-37）、式（3-38）可得： (3-39)其中，和是子模块在桥臂当中的电容电压： (3-40)为在公式中子模块额定电容电压值；、就是二倍频波动还有基频波动幅值；、是最开始的相角。对式（3-40）两侧分别求导，得： (3-41)将式（3-40）和式（3-41）进行对比，其中波的幅值相等，可得： (3-42)其中，表示求取模值当忽略MMC的冗余条件时，，式（3-42）经过计算推出： (3-43)其中，S为MMC视在容量。所以得到结论，MMC系统子模块数N与基础频率波动分量拥有着正向比例关系。在系统的传统结构下，当功率因素达到下限时最大波动幅度。基频波动分量在二倍频率下MMC的视在功率S与桥臂当中子模块N拥有正向比例关系，还与电流的二次方有反向比例关系。排序法电容电压控制策略排序法就是传统最简单的控制方法来控制电容电压，其控制方式和思想，子模块个数从调制波计算中产生，各自模块的电容电压分别别检测，通过排序后在桥臂电流中检测极性，当产生为正的桥臂电流时，处于充电状态的子模块致使产出较高的电容电压值，再将N个子模块之中电压值最低的子模块投入使用中REF_Ref23669\w\h[20]。如图3-6为其流程图。图3-12电压排序流程图MMC环流抑制策略的研究MMC系统在稳态运行的时候，其系统结构有三个相单元，每个相单元又由上下桥臂构成。在运行时，由于各相中的电流不只是有直流量、电子器件的原因以及相间存在微妙的不同，会产生相间环流。这会使系统存在一些不必要的损耗而且影响系统正常稳态运行。环流形成及特性分析因为MMC系统使对称的，所以研究任意一相就可以，只需研究A相，根据式（3-12）、式（3-13）可得出瞬时功率： (3-44) (3-45)把上式子进行变换，不考虑直流就可得交流量： (3-46) (3-47)为求相单元交流量把式（3-46）和式（3-47）相加： (3-48)其中，为换流器视在功率，。各相中存储的稳态能量为： (3-49)以相单元为一个完整的个体来看，就可以简化分析其中包含直流分量和二倍频的电压，得出总电压： (3-50)其中，为直流电压分量；是系统相单元存在的环流的最大值，这个环流既有直流也包含二倍频，所以： (3-51)其中，为二倍频环流峰值。经过系统的分析研究，从式子(3-51)就能了解到各项的环流之和为0，并且环流在各个相之间是a-b-c这样进行流。其在系统中一定存在且根本不可能消除，由于它的存在会导致一些列问题，损耗增加、电压波动以及增加经济成本等，所以对其解决是需要重点研究的REF_Ref23731\w\h[21]。MMC相间环流抑制方法系统的了解环流产生原因就可以找到消除的办法，MMC的内部中产生环流包括二倍频分量以及直流分量，还有极小的高倍频分量，在计算过程中可以不用考虑，在消除环流的时候，就可以抑制核心部分二倍频的部分，二倍频部分在MMC系统的桥臂之间来回流动，所以又可以将二倍频经过dq转换在矢量控制下来抑制。设变换矩阵为： (3-52)其中，，变换矩阵相序为a-c-b。将三相环流引起的三相压降用矩阵的形式按a-c-b表示为： (3-53)把式（3-50）放入式（3-53），乘/得： (3-54)其中，、分别为内部不平衡压降在坐标系下的d轴电流与q轴流；、是d轴电流与q轴电流值。内环在系统中结构图3-13。图3-13MMC内部环流数学模型经过之前的一系列dq变换，只需要控制直流分量就可以解决问题，图3-14完整、的展示了解决方案：把三相桥臂电流和（j=a,b,c）求和，其二分之一得三相内部电流,通过坐标系转化后得到MMC内部环流的d轴分量和q轴分量，完成结束进行dq轴的参考值与对比，这里取，采用PI调节来消除耦合，又加上前馈分量、，接下来抑制系统中电压差值、经逆变阵就可以获得电压差的参考量REF_Ref23807\w\h[23]。图3-14环流抑制器机构框图其中，逆变阵矩阵为： (3-55)MMC-HVDC系统的调制技术在电力系统中对于调制技术基本都是靠调节相角达到控制整流器的输入输出端的直流电压和电流。MMC-HVDC系统的运行达到良好的输出调制技术是及其重要的，尤其是MMC中稳定运行的重点解决的任务。MMC-HVDC系统采用电力电子元件控制换流器选择各个桥臂子模块投入运行的个数，同时子模块还有三种不同的运行状态进行调制,为了获得良好的输出波形。传统调制策略对系统的调制比较快而且精确度高，缺点是存在换相失败等缺陷REF_Ref23209\w\h[18]。调制技术希望得到的优点：（1）完美的精确度，输出与调制一模一样；（2）能量损耗极低，谐波存在含量非常少；（3）尽可能减少工作量实现效率最大化；（4）运行的速率极高，反应时间极短；至今对于调制策略的研究多用于载波和阶梯波调制。根据载波分布的不同主要包括载波移相调制（Phase-shiftedCarrierPWM,CPS-PWM）和载波层叠调制（CarrierDispositionSPWM,CD-SPWM），经常用在N数量小的时候。后者又称直接调制法，主要包括空间矢量调制（SpaceVectorModulation,SVC）和最近电平逼近调制（NearestlevelModulation,NLM），在模块数量上多的时候运用更常见。针对MMC系统中优缺点进行分析选择调制策略例如CPS-PWM调制策略、CD-SPWM调制策略和NLM调制策略。载波移相调制策略文章认为载波移相调制策略是最适合MMC-HVDC系统的调制方式，其工作原理，首先将完全一模一样的三角波按照相位差2π/N放到子模块作为信号输入。然后把使用的几个三角波与调制的波形一起对比，如果比载波大就输出1，如果比载波小就输出0，就能够得出N个子模块的输入信号，最终会获得PWM波形。图3-15是N=4的MMC载波移相调制方法，C1、C2、C3、C4是三角波，移相角度依次为0、π/2、π、3π/2，是调制波。图3-15单桥臂载波移相调制工作时序选择载波移相调制策略，能够独立控制MMC系统结构的桥臂，其单个桥臂当中三角波相位差2π/N，则出现二种输出结果N+1电平和2N+1电平，系统常用简单N=4情况如下。图2-1展示清晰，如果N个子模块在MMC桥臂中，各相都是一样的