MMC柔性直流輸電系統(tǒng)的基本控制策略

MMC柔性直流輸電系統(tǒng)的基本控制策略2017年6月ZJU1 柔性直流輸電系統(tǒng)控制策略簡介2 同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下MMC的數(shù)學(xué)模型3 交流電網(wǎng)平衡時(shí)的MMC控制器設(shè)計(jì)4 向無源網(wǎng)絡(luò)供電時(shí)的MMC控制器設(shè)計(jì)內(nèi)容提要第1章柔性直流輸電系統(tǒng)控制策略簡介間接電流控制ZJU早期的電壓源換流器（VSC）采用間接電流控制策略，即根據(jù)abc坐標(biāo)系下VSC的數(shù)學(xué)模型和當(dāng)前的有功、無功功

率指令值，計(jì)算需要VSC輸出的交流電壓的幅值和相角。間接電流控制策略通過控制VSC輸出交流電壓的幅值和相位，間接控制交流電流；其優(yōu)點(diǎn)在于控制簡單，無需電流反饋控制。但是其缺點(diǎn)是電流動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢，受系統(tǒng)參數(shù)影響大，容易造成VSC閥的過電流。直接電流控制（矢量控制）策略ZJU以快速電流反饋為特征，能夠獲得高品質(zhì)的電流響應(yīng)，目前來看這種控制策略已成為主流。直接電流控制可以在三種不同的坐標(biāo)系及對應(yīng)的控制算法下實(shí)現(xiàn)。（1）同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(dq坐標(biāo)系)與比例-積分（PI）控制算法；（2）坐標(biāo)系與比例諧振（PR）控制算法；（3）abc坐標(biāo)系與無差拍（Dead

Beat）控制算法或滯環(huán)（Hysteresis）控制算法。我們今天只講（1）的實(shí)現(xiàn)方法。ZJU第2章同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下MMC的數(shù)學(xué)模型ZJU符號和變量定義-逆變器慣例SM2SMNupaunaupbunbupcuncIdc相單元+-++-

- +- +

- +- Udc

o2dcU2UdcipcipbipaincinbinaivavbiivcvauvbuuvcSM10LL00LL0L0

SM2SMNSM1SM2SMNSM1SM2SMNSM1SM2SMNSM1SM2SMNSM1v+-vbvcR0R0R0R0R0L0R0pvjqvusausbuscacLLacLacEpaEpbEpcEnaEnbEncva

uEpno

'psjqs假定從換流站交流母線看出去的交流等值系統(tǒng)為無窮大

系統(tǒng)，因而圖

中的Lac可以

認(rèn)為是聯(lián)接變

壓器的漏電感。ZJU描述MMC行為的基本方程ZJU差模電壓與輸出電流的關(guān)系（1）ZJU差模電壓與輸出電流的關(guān)系（2）ZJU三種坐標(biāo)系之間的關(guān)系usdqabtcPARK變換的2步法實(shí)現(xiàn)兩軸dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。ZJU為了方便后面的討論，我們將從abc三相靜止坐標(biāo)系變換到兩軸dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換過程分兩步來實(shí)現(xiàn)。第1步采用Clarke變換，從三相abc靜止坐標(biāo)系變換到兩相靜止坐標(biāo)系；

第2步采用Park變換，從兩相靜止坐標(biāo)系變換到PARK變換的2步法實(shí)現(xiàn)（1）兩軸dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。ZJU為了方便后面的討論，我們將從abc三相靜止坐標(biāo)系變換到兩軸dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換過程分兩步來實(shí)現(xiàn)。第1步采用Clarke變換，從三相abc靜止坐標(biāo)系變換到兩相靜止坐標(biāo)系；

第2步采用Park變換，從兩相靜止坐標(biāo)系變換到ZJUPARK變換的2步法實(shí)現(xiàn)（2）從abc靜止坐標(biāo)系到靜止坐標(biāo)系的變換關(guān)系式從靜止坐標(biāo)系到dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換關(guān)系式sαsmusa

usa

uU cos(t)u2u

3s-2s

sb

sb

1

1

2

1

23 2 Usmsin(t)

usβ

3

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3 2u

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sc

T

sduus

cos()sin

us

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cos(t

)u

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u

Usin(t

)

sin

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smsq

ss

Tcos(t)usa

usb

Usm

cos(t

2

3)usc

cos(t

2

3)對于三相平衡電力系統(tǒng)ZJU基于單同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換的鎖相環(huán)（SRF-PLL）的原理SynchronousReference

Frame（SRF-PLL）ZJU基于單同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換的鎖相環(huán)（SRF-PLL）的原理1s++-

dqsbusauuscusdsqu+

0squ*0pkskiususabcZJUPark變換的定義（1）ZJUPark變換的定義（2）ZJUPark變換的定義（3）ZJUPark變換的定義（4）ZJUdq坐標(biāo)系下MMC交流側(cè)基本方程vdvdsddiffdi (t)i (t)u (t)u (t)

dL

R

Ldtivq

(t)ivq

(t)Livd

(t)ivq

(t)usq

(t)udiffq

(t)usqivd

ps3

usd

qs

2

usqusdivq

2ssdvdsm

vdp

3

u

i

=

3U

i2q 3

u i 3U is 2 sd

vq 2 sm

vq根據(jù)瞬時(shí)功率理論得到ZJUMMC交流側(cè)在dq坐標(biāo)系下的輸入輸出傳遞函數(shù)此

圖

描

述

了MMC控制變量與受控變量之間的關(guān)系，是控制器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。R

Lsivd

susd

sudiffd

sLivq

sR

Lsivq

susq

sudiffq

sLivd

s+

-

1 RsLLLRsL

1 diffdu (s)diffqu (s)--+

+usd

(s)usq

(s)ivd

(s)ivq

(s)ZJU內(nèi)部環(huán)流的基本特性103cirjr

2miIdcI cos(2t

t

)

Q3cirar

2miIdcI cos(2tt

)3333cirbr

2mr

2mtiIdcI cos

2(t

2)

t

IdcI cos(2t

2)3333circr

2mr

2mtiIdcI cos

2(t

2)

t

IdcI cos(2t

2)Q10表

示3

次

及

以上的諧波分量，已

非常小，

可以忽略不計(jì)?？梢钥闯?，

MMC內(nèi)部環(huán)

流的

2

次諧

波相序是負(fù)序的共模電壓與內(nèi)部環(huán)流的關(guān)系內(nèi)部環(huán)流的關(guān)系式為020

cirjcomjdicirjLdtR

i Udcu0ciraciracomacirbLdtUdc

2 i (t)i (t)u (t)

d

it (t)

R it Udcu

0cirb(

)comb(

)

2 U icirc

(t)icirc

(t)ucomc

(t)

dc

2 由于MMC內(nèi)部環(huán)流是2次諧波，且相序是負(fù)序的，

因此需要采用對應(yīng)于負(fù)序和2次的dq變換式。ZJU根據(jù)描述MMC行為的基本方程得到共模電壓與ZJU的關(guān)系33ciracira32323sdqcos

2i (t)(t)cos(22)cos(22)ii(t)(2)

i (t)2

3

i(t)cirbcirbcirqsin

2sin(2) sin(2i (t))

i (t)

circ

circ icird

(t)T3 3comacomacombcombcomq32323sdqcos

2u

(t)(t)cos(22)cos(22)uu(t)(2)

u (t)2

3

u(t)sin

2sin(2) sin(2u

(t))

u

(t)

comc

comc

ucomd

(t)T0comqL

dicird(t)Ricird(t)2L0

icird(t)ucomd(t)u(t)0dt

i(t)0

i(t)(t)2Licirqcirqcirqd

2q2坐標(biāo)系下共模電壓與內(nèi)部環(huán)流ZJUMMC內(nèi)部環(huán)流與共模電壓的傳遞函數(shù)關(guān)系此圖同樣描述了MMC控制變量與受控變量之間的關(guān)系，是控制器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

-ucomd(s)

-comqu (s)-

+0 0 1 RsL0 0 1 RsL02L02Licird

(s)icirq

(s)R0

L0sicird

sucomd

s2L0icirq

sR0L0sicirq

sucomq

s2L0icird

sZJU第3章交流電網(wǎng)平衡時(shí)的MMC控制器設(shè)計(jì)ZJUMMC的基本控制邏輯ZJUMMC內(nèi)外環(huán)控制器結(jié)構(gòu)框圖UdcIdcsvusabcivabc

瞬時(shí)功率計(jì)算ps

,

qs

,Usmusd外環(huán)功

率控制*

Ps

*sQ*dc

U

*smU內(nèi)環(huán)電流控制器*vdicirdqi*0dq*comdqu3s

()dq3sT (2)jcomju*脈沖生成pju*nju*** ** * *nj comj diffjpj comj diffjuu uuu uicirabc

T3sdq

()T3sdq

()usd

usqivdivqusqvqiivd*vqiivqusd

usqT3sdq

(2)icirdqu*diff

Tdqu*diffivdZJU內(nèi)環(huán)電流控制器之輸出電流跟蹤控制R

Lsivd

susd

sudiffd

sLivq

sR

Lsivq

susq

sudiffq

sLivd

sZJU輸出電流跟蹤的控制器設(shè)計(jì)（1）Vd

(s)

usd

sudiffd

sLivq

sVq

(s)

usq

sudiffq

sLivd

s則R

Lsivd

susd

sudiffd

sLivq

sR

Lsivq

susq

sudiffq

sLivd

s變?yōu)镽

Lsivd

sVd

(s)R

Lsivq

sVq

(s)ZJU輸出電流跟蹤的控制器設(shè)計(jì)（2）divd

(s)

1G(s)V (s) RLs1ivq(s)

G(s)RLsVq

(s)即Vd

(s))Vq

(s)ivq

(s)G(s)G(s)ivd

(sZJU輸出電流跟蹤的控制器設(shè)計(jì)（3）則Vd

(s))Vq

(s)ivq

(s)G(s)ivd

(s)*vdi (s)ivq

(s)*vqi (s)G(s)ivd

(sGC1

(s)Vd

(s)

G(s)Vq

(s)GC

2

(s)G(s)ZJU輸出電流跟蹤的控制器設(shè)計(jì)（4）ZJU輸出電流跟蹤的控制器設(shè)計(jì)（5）sdvqsdvqsqvdsqvddiffdddiffqqvqusu sLisV

(s)

usLisi*si skki1

s

vdvd

p1u(s)u sLisV(s)usLisi*

si skki2

s

vq

p

2ZJU輸出電流跟蹤的控制器設(shè)計(jì)（6）-

L1R

sLdiffd(s)diffqu*(s)+ u*---*vdi (s)ivd

(s)usd

(s)ivq

(s)usq

(s)vq

+i*

(vdi (s)s)p1kp

2kki

2s++

ki1

+s+

+ +usq

(s)usd

(s)+

控制器框圖輸出電流響應(yīng)框圖+LL-Ls) -

1 R

sLivq

(內(nèi)環(huán)電流控制器之內(nèi)部環(huán)流抑制控制波分量，交流輸出電流的主要成分是基波分量和5次、7次及以上諧波分量。容易理解，內(nèi)部環(huán)流中的直流分量通過直流線路構(gòu)成回路，

是直流輸電的工作電流；而內(nèi)部環(huán)流中的2次諧波分量既不流入交流電網(wǎng)，也不流入直流線路，完全在三相橋臂間流動(dòng)。因此可以認(rèn)為，內(nèi)部環(huán)流中的2次諧波分量不是工作電流，它對MMC的正常工作不起作用；但它會(huì)占用橋臂元件的容量，

同時(shí)造成損耗。因此，從保證MMC可靠和高效工作的角度來看，將內(nèi)部環(huán)流中的2次諧波分量抑制到零是所期望的。ZJU由前面的分析可知，內(nèi)部環(huán)流的主要成分是直流分量和2次諧ZJU內(nèi)部環(huán)流抑制控制器設(shè)計(jì)（1）則R0

L0sicird

sucomd

s2L0icirq

sR0

L0sicirq

sucomq

s2L0icird

s令dcomd0

cirqqcomq0

cirdssV'(s)us2L

iV

'

(s)

us2L

i

'00 0 cirdd'cirqqR L

sis

V

(s)R L

sis V

(s)

0ZJU內(nèi)部環(huán)流抑制控制器設(shè)計(jì)（2）即'1dqV

(s)icird

(s)

1G'

(s)V

'

(s)R0L0sicirq(s)

G'

(s)R0L0sdV

'

(s)cirdi (s)G'

(s)qV

'

(s)

*cirdi (s)0cirqi*(s)

0

G'

(s)icirq

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3

(s)V

'

(s)d

G'

(s)icird

(s)GC

4

(s)V

'

(s)qG'

(s)icirq

(s)ZJU內(nèi)部環(huán)流抑制控制器設(shè)計(jì)（3）C

3p

3C

4p

4ssG(s)kki

3G(s)kki

4i

3dcirdqcirqk

sV'(s)i*sik s cird

p3V'(s)i*si skki4

s cirq

p

4

'0

cirq 0

cirqcomddcirdcomqcirqusks V(s)2L

i s2L

isi*siki4

s cird

p3u(s)

V

'

(s)

2L

i s2L

iq 0

cird 0

cirdsi*si skki4

s cirq

p

4ZJU內(nèi)部環(huán)流抑制控制器設(shè)計(jì)（4）+-- +-+-

+1R0sL0comdu*(s)comqu*(s)--2L0cirdi*(s)0icicirq

(s)cirqi*(s)0cirdi (s)cirqi (s)p3kski

3

-i

4p

4ksk 0 0 1 RsL2L02L0控制器框圖內(nèi)部環(huán)流響應(yīng)框圖(s)-ird2L0ZJU內(nèi)環(huán)電流控制器之最終控制量計(jì)算***pjcomjdiffjuuu***njcomjdiffjuuuZJU外環(huán)功率控制器的基本邏輯（1）ZJU外環(huán)功率控制器的基本邏輯（2）ZJU有功類控制回路+-

+

+Ps*sP23usdivd

maxvdi*PIvd

maxi+-

Udc*dcU

PIivd

max*vdiivd

maxZJU無功類控制回路+

+

+Qs-*sQ23usdvq

maxi*vqiPIivq

max-+smU*smU

PIivq

max*vqiivq

maxZJU總結(jié)-MMC內(nèi)外環(huán)控制器結(jié)構(gòu)框圖UdcIdcsvusabcivabc

瞬時(shí)功率計(jì)算ps

,

qs

,Usmusd外環(huán)功

率控制*

Ps

*sQ*dc

U

*smU內(nèi)環(huán)電流控制器*vdicirdqi*0dq*comdqu3s

()dq3sT (2)jcomju*脈沖生成pju*nju*** ** * *nj comj diffjpj comj diffjuu uuu uicirabc

T3sdq

()T3sdq

()usd

usqivdivqusqvqiivd*vqiivqusd

usqT3sdq

(2)icirdqu*diff

Tdqu*diffivdZJU仿真算例-邊界條件采用400

kV、400

MW

MMC構(gòu)成測試系統(tǒng)。

整流側(cè)為直流電壓和無功功率控制，直流電壓指令值設(shè)為400 kV，無功功率指令值設(shè)為0。逆變側(cè)為有功功率和無功功率控制，初始有功功率為200

MW，初始無功功率為100

Mvar。1.0s時(shí)有功功率指令值由200MW更改為300

MW；1.2s時(shí)無功功率指令值由100Mvar更改為0

Mvar。+

MMC1架空線路

~交流系統(tǒng)1MMC2US1ps1jqs1~交流系統(tǒng)2US

2ps2jqs

2Uv1 Idc Uv

2_dcUZJU仿真算例-逆變側(cè)主回路電氣量2002503000501000200400-1010.91.01.11.21.3-101qsps功率(MW)(a)Ps*Qs*功率(Mvar)(b)電壓(kV)(c)電流(kA)(d)1.4t

(s)電流(kA)(e)逆變側(cè)主回路主要電氣量：(a)

交流有功功率；

(b)

交流無功功率；

(c)閥側(cè)交流電壓；

(d)閥側(cè)交流電流；（e）三相內(nèi)部環(huán)流ZJU仿真算例-逆變側(cè)內(nèi)外環(huán)控制器中主要變量的變化波形(a)

輸出電流d軸分量指令

值與實(shí)際值；(b) 輸出電流q軸分量指令值與實(shí)際值；(c)

內(nèi)部環(huán)流d軸分量和q軸分量實(shí)際值；(d)

橋臂差模電壓d軸分量

和q軸分量指令值；(e)

橋臂共模電壓d軸分量和q軸分量指令值。-0.8-0.6-0.40.000.150.30-0.50.00.50.00.61.20.91.01.11.21.3-0.50.00.5ivd電流(pu)(a)ivd*ivqivq*電流(pu)(b)icirqicird電流(kA)(c)udiffq*udiffd*電壓(pu)(d)ucomq*ucomd*1.4t

(s)電壓(pu)(e)ZJU第4章向無源網(wǎng)絡(luò)供電時(shí)的MMC控制器設(shè)計(jì)向無源網(wǎng)絡(luò)供電的2個(gè)應(yīng)用場景因而可以向無源網(wǎng)絡(luò)供電。實(shí)際上，MMC向無源網(wǎng)絡(luò)

供電至少包含有2個(gè)重要應(yīng)用場景。（1）純粹向無源網(wǎng)絡(luò)供電，比如通過柔性直流輸電向城

市中心區(qū)供電，或者通過柔性直流輸電向無源海島供電等。（2）風(fēng)電場通過柔性直流輸電接入電網(wǎng)，這種情況下風(fēng)

電場側(cè)等同于無源網(wǎng)絡(luò)，需要MMC為風(fēng)電場建立同步電源，否則風(fēng)電場本身就無法運(yùn)行。ZJU柔性直流輸電的一個(gè)突出優(yōu)勢就是可以無源逆變，受電端為無源網(wǎng)絡(luò)時(shí)的應(yīng)用場景MMC1MMC2svIdcUdcZLZJU這里我們重點(diǎn)討論受電端為無源網(wǎng)絡(luò)時(shí)MMC的控制器

設(shè)計(jì)問題，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下所示。向無源網(wǎng)絡(luò)供電時(shí)的MMC控制器設(shè)計(jì)的根本特點(diǎn)ZJU根據(jù)柔性直流輸電系統(tǒng)的控制原理，受端換流器MMC2需要控制受端電網(wǎng)的電壓幅值和頻率，兩個(gè)控

制自由度已用完，因此直流側(cè)電壓控制的任務(wù)必須由送端換流器MMC1來完成，MMC1的另外一個(gè)控制自

由度可以用來控制與送端交流電網(wǎng)之間的