MMC-HVDC输电系统控制策略研究_刘远.pdf
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1、2023年4月|49Application Research|应用研究MMC-HVDC 输电系统控制策略研究MMC-HVDC输电系统控制策略研究刘远,何凯,罗磊(国网湖南省超高压变电公司,湖南 长沙 410000)摘要:模块化多电平换流器(MMC)在柔性直流输电领域具有广阔的发展前景,对模块化多电平换流器输电系统控制策略进行研究,提出了一种 MMC-HVDC 系统模型预测控制策略,为了实现柔性直流系统多个不同目标的有效控制,建立了相应的目标函数,并求其最优解,提出的控制策略控制效果很好,计算量小,并且不需要考虑权重因子的影响,控制系统结果较简单。在仿真平台上建立了双端柔直系统仿真模型,验证了提
2、出的控制策略的优越性能。关键词:模块化多电平换流器;模型预测控制;子模块电容电压平衡;环流抑制;目标函数Study on control strategy of MMC-HVDC transmission systemLIU Yuan,HE Kai,LUO Lei(State Grid Hunan Extra High Voltage Substation Company,Changsha 410000,China)Abstract:Modular multilevel converter(MMC)has a broad development prospect in the field of
3、 flexible DC transmission.This paper studies the control strategy of the modular multilevel converter transmission system and proposes a predictive control strategy for the MMC HVDC system model.In order to achieve effective control of flexible and straight systems with multiple different objectives
4、,the corresponding objective function is established and its optimal solution is obtained.The control effect of the proposed control strategy is very good,and the calculation amount is small,And the influence of weight factor need not be considered,and the control system results are simple.The simul
5、ation model of double ended flexible and straight system is established on the simulation platform,which verifies the superior performance of the proposed control strategy.Key words:modular multilevel converter;model predictive control;sub module capacitor voltage balance;circulating current suppres
6、sion;objective function0 引言柔性直流输电是基于现代大功率电力电子器件的一种灵活输电方式,模块化多电平换流器(MMC)在柔性直流输电技术领域的发展前景十分广阔1-3,相较于传统的三电平拓扑结构的电压源换流器,MMC具有较高的波形治理、高电压等级、良好的故障穿越能力和结构简单方便扩展等优点,因而,基于MMC的柔性直流输电受到越来越多的关注4-7。模型预测控制策略能够实现多个变量的协同控制,具有鲁棒性强、动态响应迅速等特点,对于系统中存在的不确定及非线性参数可以有效适应8-9,在各类换流器的控制中得到广泛应用。文献10-12构建了MMC交流侧电流、环流及子模块电容电压的带有
7、权重因子的目标函数,但需要对一定的开关状态进行遍历寻优,计算量庞大。文献13-14提出了一种子模块分组排序算法,使得控制系统的计算量大大降低,但该方法50|2023年第42卷第4期应用研究|Application Research仅适用于子模块数较少的场合。传统模型预测控制策略一般采用间接控制,存在控制系统计算量大、权重因子整定困难等问题,加大了柔性直流输电系统控制设计的难度,且目前很少有文章对权重因子的选取做出进一步的研究,因而通常依赖于工作人员的经验对其进行参数调整,使得其控制效果与实用性受到较大影响。为了解决这一问题,本文所提的模型预测控制策略采用分层控制方法,将上下桥臂插入子模块数目作
8、为控制变量,不用引入权重因子,降低计算量且控制系统结构不复杂,最后在仿真平台上建立了双端柔性直流系统仿真模型,验证了提出的控制策略的优越性能。1 MMC数学模型MMC等效电路如图1所示,其结构是三相对称的,直流电流Idc平均分配于三相桥臂上,三相桥臂等效阻抗在每个工频周期内几乎相等,且三相总串联阻抗也几乎相同。由此可知,交流电流ij在每一相上下桥臂之间均分,表达式为(1)(2)式中,idiffj为MMC上下桥臂之间内部电流,即为j相环流,表达式为 (3)由式(3)可知,izj(j=a,b,c)代表MMC内部环流交流分量。udiff、usum代表上下桥臂电压差模分量和共模分量,即(4)(5)由基
9、尔霍夫定律求得MMC换流器j相动态数学表达式为 (6)(7)MMC内外部动态特性方程可由式(6)、式(7)分别相减和相加得到,即(8)(9)由此得到MMC交流电流与内部环流的离散化状态方程为(10)式中,Ts为控制周期;ij(t+Ts)与idiffj(t+Ts)代表MMC交流电流与内部j相环流的预测值;ij(t)、idiffj(t)代表MMC交流电流与内部j相环流在t时刻的采样值。图 1MMC 等效电路Fig.1 MMC equivalent circuit2 MMC输电系统控制策略设计由式(4)、式(5)和式(10)可得MMC交流电流与内部环流的控制,通过对每相上下桥臂电压的控制实现。系统正
10、常运行状态下,MMC每相上下桥臂2023年4月|51Application Research|应用研究MMC-HVDC 输电系统控制策略研究电压值可表示为子模块电容电压之和,即(11)式中,Ucpj、Uclj表示某一相上下桥臂子模块电容电压之和;ucpj、uclj表示某一相上下桥臂开通的子模块电容电压之和;npj、nlj分别为某一相上下桥臂开通的子模块个数。通常,某一相上下桥臂投入的子模块个数有如下关系 (12)由此可知,MMC每相桥臂都存在N+1种上下桥臂子模块投入数量的组合,即 (13)2.1 交流侧控制策略MMC通过使交流电流对其参考值进行跟踪实现对于交流测的控制,Ts为控制周期,通过式
11、(10)求得交流电流的预测值,得到如下目标函数 (14)交流侧相电流参考值由i*j(t+Ts)表示,MMC某一相上下桥臂在每个控制周期内投入子模块数量组合如式(13)所示,因此交流侧预测模型需要计算的次数为N+1次,而传统模型预测控制开关投入数目组合为CN2N次,其中的计算量大为减少。然后计算所得到的目标函数,当式(14)所示目标函数值最小时,对应的子模块投入数量组合为npj,nlj,即为t+Ts时刻子模块投入数量最优解,随后将其用于环流控制阶段,记为n*pj,n*lj。2.2 环流控制策略由式(9)可得,MMC的桥臂电压共模分量的值决定了各相桥臂电流的大小,对式(8)进行分析,每相投入子模块
12、组合数npj,nlj进行等量加减,不会影响交流侧相电流的控制,对于MMC内部环流idiffj的控制可由对每相桥臂电压之和的控制实现。为了避免对直流电压稳定性造成较大影响,应使得各相增加或减少投入的子模块数目尽量少些,使每相上下投入的子模块数总和围绕在N周围波动。由此可知,在交流侧控制得到最优解n*pj,n*lj基础上,在每相上下桥臂投入电平补偿数nk,(k1),1,0,1,k1,k,k的值与MMC总电平数相关,当其电平数较多时可适当增大,进而实现对于MMC内部环流的有效控制,即 (15)通过式(10)得到MMC内部环流的离散化状态方程。由式(3)可知MMC内部环流包含直流分量与环流分量,理想状
13、态下为了实现环流的有效抑制,须使环流越小越好,可以有效降低子模块电容电压纹波与逆变器的损耗,即此时环流只剩下直流分量,从而得到MMC内部环流的目标函数为 (16)式中,i*diffj(t+Ts)表示环流直流分量,其值是直流电流的1/3。当系统运行损耗可忽略时,MMC内部环流参考值通过交流侧吸收有功功率P*与直流电压的比值得到,随后计算式(16)所示目标函数的值,通常情况下此步骤需要计算次数为23次,求得目标函数最小时所对应的上下桥臂投入子模块数组合npj,nlj,即为t+Ts时刻最优解,记为npjref,nljref。2.3 交流侧控制误差分析与补偿模型预测控制策略与传统控制方法相比,省去了很
14、多参数控制器,缺少直接校正部分用于受控量的误差反馈,因而建模的准确度和采样周期T的大小决定了系统控制策略的准确度。模型预测控制策略是将上一个采样周期内得出的参考值应用到下一个采样周期中,因而稳态情况下测量的实际相电流值与相电流的参考值存在Ts的时间延迟,为了提升控制准确度,可从数学建模这方面进行改进,从而对MMC交流侧相电流进行误差分析和补偿。52|2023年第42卷第4期应用研究|Application Research假设MMC交流侧在t+Ts时刻相电流的参考值为(17)式中,=(t+Ts),为usj的相位角,为基波频率;为换流器交流侧相电压和电流的相位差;I为相电流的幅值。假设在t+Ts
15、时刻j相电流可以对参考电流值进行有效跟踪,根据式(8)得到(18)由式(10)和式(18)求得交流电流预测值为 (19)式中,Ts的值远小于正弦基波周期,由此可得i*j(t+Ts)ij(t),所以即使MMC输出了足够多的电平数,由式(14)计算得到的Jj值也不等于0,即 (20)因而会使得交流侧相电流实际值和参考值存在误差,即(21)将式(21)从abc坐标系下变换到dq坐标系 (22)下,得到如下表达式根据式(22)得知,若系统阻抗与系统采样时间为确定值,MMC相电流的稳态误差与其电流参考值i*d、i*q为线性关系。若补偿矫正后的电流参考值是id、iq,可求得稳态下dq轴电流为 (23)(2
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