基于MMC的直流电网换流站控制策略
Control Strategy for Converter Station in DC Grid Based on MMC
编委: 蒋毅恒
收稿日期: 2019-12-11
基金资助: |
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Received: 2019-12-11
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作者简介 About authors
李 慧(1976—),女,博士,副教授,主要从事高压直流输电稳定与控制、新能源发电技术方面的研究,lhbxy@bistu.edu.cn; 。
范新桥(1982—),男,博士,讲师,研究方向为电网运行与控制技术、新能源运行性能评价等,fxq8226@bistu.edu.cn 。
关键词:
Keywords:
本文引用格式
李慧, 范新桥.
LI Hui, FAN Xinqiao.
0 引言
随着电力电子技术的迅速发展,模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)以其模块化设计、输出波形谐波含量低、结构灵活便于扩展等优点已成为柔性直流输电系统的首选换流器拓扑[3,4]。我国已投运的南澳岛三端柔性直流输电工程[5]、舟山五端柔性直流输电工程[6]及张北四端柔性直流电网示范工程[7]的换流阀均采用这种拓扑结构。基于MMC的多端柔性直流输电系统能够实现多电源供电、多落点受电,具有经济性、灵活性、可靠性等特点[8],将成为未来直流电网发展的重要方向[9]。此外,在提升电能传输容量方面,基于MMC的直流电网比交流电网更有优势,更适合于接纳分布式清洁能源构建能源互联网。
目前,国内外学者在基于MMC的多端柔性直流系统换流站级控制策略方面开展了一系列研究。文献[10]针对背靠背MMC-HVDC的应用需求,提出了一种新型控制策略,将调控有功功率(或直流电压)的任务由传统控制策略的一侧换流器单独承担变为由两侧换流器同时响应,提高了控制的灵活性和系统的响应速度,但该策略能否应用于多端柔性直流输电系统仍有待探究。文献[11]针对MMC常规控制策略抗干扰能力低、输出不稳定等缺点进行了改进,将外环控制由开环改为闭环,并加入暂态故障控制模块,有效改善了系统的暂稳特性,但系统的反应速度稍有降低。文献[12]针对多端柔性直流输电系统强非线性和不确定性的特点,提出了一种基于指数趋近律的滑模电流控制策略,并设计相应的滑模电流控制器替代原有的内环比例积分(proportional integral,PI)控制环节,但该策略增加了控制的复杂程度。
目前,现有多端系统换流站控制核心大多采用传统的双闭环控制,虽然在一定程度上缩短了反应时间,但其结构对于异常工况或扰动等仍然不能准确地控制,无法保证系统的可靠性以及抗干扰性。本文针对外环PI控制传递函数中闭环零点不在原点的缺陷,引入改进型的PI控制,同时为了进一步提高有功功率外环控制器的动态性能,还加入电压下垂控制环节,提出组合的控制策略,有效弥补了传统控制的缺点。利用PSCAD/EMTDC仿真平台搭建了基于MMC的四端直流电网仿真模型,算例结果表明了所提控制策略的正确性和有效性。
1 基于MMC的直流电网换流站控制策略
图1
1.1 传统的双闭环控制策略
图2
1.2 组合控制策略
1.2.1 改进型的外环PI控制
图3
在实际运行中,考虑到外环功率的响应速度远远低于内环电流的响应速度,可近似认为电流能够完全跟踪其参考值,即Gp(s)=1,于是得到改进PI控制策略下有功功率控制的传递函数为
式中:G(s)表示有功功率控制的传递函数;P(s)表示换流站有功功率的实际值;Pref(s)表示换流站有功功率的给定值;usd表示交流电源处电压的d轴分量;kp1和ki1分别表示有功功率外环PI控制的比例系数和积分系数。
式(
1.2.2 电压下垂控制
为了进一步提高有功功率外环控制器的动态性能,本文提出在改进的有功外环PI控制器中加入电压下垂控制环节,可以对有功功率的期望值按照直流电压下垂特性进行实时调整,快速有效地跟踪期望值,实现各换流站间有功功率的平衡,从而稳定直流侧电压[18]。比较udc与udcref得到直流电压不平衡量,再乘以下垂系数k即可得到有功功率期望值的修正量。于是,电压-有功下垂控制表达式为
式中:P′ref表示修正后的有功功率期望值;udcref和udc分别表示直流电压期望值和实际值;k表示下垂控制系数;Pref表示有功功率期望值。
综上,本文提出的基于MMC柔性直流电网换流站级的控制策略是:定直流电压控制和定无功功率控制均采用改进型PI控制策略,定有功功率控制则采用改进型PI与电压下垂的组合控制策略。改进后的MMC换流站控制结构如图4所示。
图4
2 仿真验证
表1 换流站控制器参数
Table 1
换流站编号 | 参数名称 | 数值 |
MMC1 | 下垂控制增益 | k1=0.26 |
有功功率控制增益 | kp11=1.8, ki11=0.01 | |
无功功率控制增益 | kp21=0.78, ki21=0.01 | |
MMC2 | 下垂控制增益 | k2=0.062 |
有功功率控制增益 | kp12=1.8, ki12=0.01 | |
无功功率控制增益 | kp22=0.5, ki22=0.06 | |
MMC3 | 下垂控制增益 | k3=0.74 |
有功功率控制增益 | kp13=1.2, ki13=0.05 | |
无功功率控制增益 | kp23=0.45, ki23=0.09 | |
MMC4 | 直流电压控制增益 | kpV4=0.069, kiV4=0.48 |
无功功率控制增益 | kp24=0.84, ki24=0.03 |
2.1 稳态仿真
所有换流站采用本文提出的控制策略,当系统运行在稳态时,各换流站有功功率及直流侧电压的仿真波形如图5所示。设置系统仿真总时长为5 s。
图5
2.2 主换流站因故障退出仿真
图6
2.3 控制策略对比仿真
为证明本文提出的控制策略比传统双闭环PI控制更有效,分别从有功功率波动、直流电压波动两种工况进行比较。方法1采用本文提出的策略,方法2采用传统双闭环PI控制策略。两种方法下对应的PI参数保持一致。
2.3.1 有功功率波动仿真
假设某时刻交流系统3的有功功率发生变化,由40 MW增大到60 MW,再减小到40 MW。设置从换流站MMC3有功功率期望值在t=2 s时由40 MW升至60 MW,并在1 s后恢复到初始状态,仿真总时长为5 s,各换流站有功功率及直流侧电压的仿真结果如图7所示,图中红色代表本文提出的策略,绿色代表传统双闭环PI策略。
图7
图7
交流系统3功率波动时两种策略的波形对比
Fig.7
Comparison of two strategies when the active power fluctuates in 3# wind farm
2.3.2 直流侧电压波动仿真
假设某时刻直流侧电压发生变化,由400 kV突变到450 kV,再减小到380 kV。设置换流站MMC4直流电压期望值在t=2 s时由400 kV升至450 kV,当t=3 s时又降为380 kV。仿真总时长为5 s,典型换流站的有功功率和直流侧电压的仿真结果如图8所示,图中红色代表本文提出的策略,绿色代表传统双闭环PI策略。
图8
图8
直流侧电压波动时两种策略的波形对比
Fig.8
Comparison of two strategies when DC voltage fluctuates
3 结论
本文提出一种适用于MMC的柔性直流电网换流站级控制策略,即有功功率外环控制器采用改进PI控制和电压下垂控制的组合方式,无功功率和直流电压的外环控制器均采用改进PI控制。电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC的仿真结果表明,所设计的控制策略简单,易于实现,且在稳态运行、主站因故障切除、从站有功功率波动、直流侧电压波动等各种工况下,控制效果显著,既减小了振荡幅度,又能够缩短扰动后恢复时间,具有良好的稳定性和抗干扰性。
未来电网的形态将变为柔性互联的交直流系统,分布式能源的接入会给柔性互联交直流系统稳定性带来影响,有必要进一步研究接入弱交流系统的直流电网系统级控制策略问题。
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