HVDC系统数学模型及其控制策略
本文关键词:MMC-HVDC系统数学模型及其控制策略,由笔耕文化传播整理发布。
第24卷第4期
2012年8月
电力系统及其自动化学报
ProceedingsoftheCSU—Et’SA
V01.24Aug.
No.42012
MMC-HVDC系统数学模型及其控制策略
曹春刚,赵成勇,陈晓芳
(华北电力大学(保定)电气与电子工程学院,保定071003)
摘要:模块化多电平换流器MMC(modularmuhilevelconverter)是电压源换流器型直流输电领域的一种新型
拓扑.与传统的两电平存在一定的不同.因而对其建模及控制策略进行研究,有重要的意义。论文介绍了MMC的拓扑结构及工作原理。在考虑桥臂电抗的基础上,推导出模块化多电平换流器型直流输电MMC_
HVDC(modularmultilevelconverter.highvoltagedirect
current)的数学模型.进一步得到MMC—HVDC的简
化电路图。在PSCAD/EMTDC下搭建了21电平MMC—HVDC系统.在dq同步旋转坐标系下,采用前馈解耦控制策略进行仿真研究,仿真结果验证了该数学模型的正确性和控制策略的有效性。关键词:模块化多电平换流器;桥臂电抗;数学模型;简化电路图,控制策略中图分类号:TM721.1
文献标志码:A
4
文章编号:1003—8930(2012)04—0013—06
MathematicalModelandControlStrategyofMMC—HVDC
CAOChun—gang,ZHAOCheng—yong,CHENXiao—fang
(CollegeofElectricalandElectronicEngineering,NorthChinaElectricPowerUniversity,
Baoding071003,China)
Abstract:Modularmultilevelconverter(MMC)is
conventionaltWOlevelVSC.Therefore,itis
a
newtopologyinVSC—HVDC,whichisdifferentfromthe
tO
significant
studythemodelingand
controlstrategyofMMC—
reactance
HVDC.ThetopologyandworkingprincipleofMMC
are
introducedinthispaper.Consideringthe
of
thebridge,themathematicmodeloftheMMC—HVDCwasdeveloped。andthesimplifiedcircuitdiagramof
MMC—HVDCwasobtained.The2l—IeveIMMC—HVDCsystemwasconstructed
in
PSCAD/EMTDCenviron—
ment.Inthesynchronousdqreferenceframe.thefeedforwardcompensationcontrolstrategyisapplied。andthesimulationresultsverifythatthemathematicalmodeliscorrectandthecontrolstrategyiseffective.Keywords:modularmultilevelconverter(MMC);reactanceofthebridge;mathematicmodeldiagram;controlstrategy
I
simplifiedcircuit
电压源换流器型直流输电VSC—HVDC(voltage
source
过子模块电压叠加达到较高的电压输出.输出电压谐波含量少。另外,模块化的结构使其可扩展性增强.为子模块的投入、退出运行提供了冗余.而且通过改变投入的子模块的数鼍.可实现电压及功率等级的灵活变化.并可扩展到更多的电平输出,因而MMC—HVDC更适合灵活的输电方式[7 ̄1…。
MMC—HVDC作为应用于柔性直流输电领域的一种新兴技术,有其独特的优势。但围内外对于MMC—HVDC的研究时间还较短.实际工程的应用
converter-highvoltagedirectcurrent),具有有功
无功灵活可调、占地面积小、环境污染小、具备黑启动能力等显著优点,在可再生清洁能源(如风能和太阳能)的大力开发和利用,城市配电网转入地下改造等领域得到越来越广泛的应用[1 ̄5]。
目前的VSC—HVDC工程大多采用两电平或三电平的VSC,开关器件的串联会导致器件的动态均压问题,影响系统运行的稳定性【6]。MMC通
收稿fI期;2011。08‘22I修网F{期t
2011?09一08
基金项目l“十一五”团,采科技支撑计划重大项目(2010BAAolB01)I高等学校学科创新引智计划(B08013)
万方数据
?
14
?
电力系统及其自动化学报
第24卷
经验也较少,因而对于MMC~HVDC进行系统建模和控制策略方面的研究就有很重要的意义。文献[11]建立了MMC—HVDC系统的数学模型,并提出了适于MMC的控制策略,但建模过程中未考虑桥臂电抗的作用。文献[12]研究发现MMC每相上下两个交流输出端电位非常接近,进而认为是等电位的,通过等电位点虚拟短接,对MMC—HVDC进行了建模和控制策略的研究,,其不足是对等电位点的认定是近似的。
本文分析了MMC拓扑结构和T作原理,在考虑桥臂电抗基础上,推导出MMC—HVDC系统的数学模型,并得到其等效的精确电路模型,根据该
电路模型,把传统VSC的幽前馈解耦控制策略引
入MMC—HVDC系统,最后在PSCAD/EMTDC环境下对数学模型和控制策略进行了仿真验证。
l
模块化多电平换流器的拓扑结构及工作
原理
图1为MMC—HVDC一侧系统的拓扑结构。
至模块rI+l子模块
圈1
MMC-HVDC一侧系统拓扑结构图
Fig.1
TopologyofMMC-HVDCMMC每相由上下两个桥臂共2九个子模块SM(submodule)构成,每个桥臂由玎个子模块和一个桥臂电抗L串联而成。其子模块由一个IGBT半桥和一个直流储能电容构成,“sM为子模块的端口输出电压,i。M为该子模块所在桥臂的电流,Uc为子模块的电容电压。通过T。和Tz的通断.可以使
子模块处于投入、切除和闭锁三种状态.从而实现子模块的投入与切除。
对于模块化多电平换流器.每个桥臂的子模块可独立控制,从而每个桥臂可等效为一个可控的电压源。MMC一侧系统的等效电路图如图2所示。
图中,“。、M幽、H,分别为交流系统三相母线电压的基波相量;i。、i。。、i。分别为交流系统三相母线
万方数据
电流的基波相量;R、L。分别为换流电抗器的等效
图2模块化多电平换流器一侧系统等效电路图
Fig.2
Equivalentcircuit
diagramofMMC
电阻和等效电感;L为MMC换流器一相一个桥臂的桥臂电抗;“。、‰、“。分别为换流器三相输出电压
的基波相量;“。。、鼬分别为a相上下桥臂的电压;
‰1、“。2、‰1、“b2、“。l、“c2分别为三相上下桥臂除桥臂电抗器的电压。
以a相为例,由图2可得MMC系统的直流电压、交流电压和上下桥臂电压之间的关系为
1
“。p一寺“d。一“。
(1)
厶1
M。d一÷“d。+“。
(2)
厶
由式(1)和式(2)可得
“。+“|d=Ud。
(3)
1
“。一÷(“。d一“。p)
(4)
厶
由式(3)和式(4)可得,MMC正常运行原理
如下:
(1)直流电压是由换流器上桥臂和下桥臂的电压相加而得到的,为了保持直流电压的稳定,就必须保证每个相单元投入的子模块个数相等。
(2)通过调整上桥臂和下桥臂电压的幅值和相角,就可得到所期望的多电平电压输出。
2
考虑桥臂电抗的MMC-HVDC的数学模型与控制策略
2.1
考虑桥臂电抗的MMC—HVDC的数学模型MMC与传统的两电平VSC的一个显著区别
是:MMC系统每个桥臂由若干个结构相同的子模块与一个桥臂电抗器L串联构成。因而在系统建模时.桥臂电抗也应考虑在内。
考虑桥臂电抗时.MMC系统直流侧与交流侧电压、电流之间的关系如下
第4期曹春刚等:MMC—HVDC系统数学模型及其控制策略
?
15
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z。a2
z-1—t.1a2
LbJ
“。一“。=屯R+L,鲁(6)
“。=L鲁+警刈a?(7)
“。=L鲁一警+“。z
(8)
M。=虿1(“茈Ual)+导半
由式(5)~式(8)可得(9)
把式(9)代人式(7)整理可得(L。+虿L)-小g/-+i。R=“。一“。(10)
同理可得
(L,+导)百di,b+如R—M。。一‰
(11)
(L,+虿L)鲁+≮R—Use
u
Ue
(12)
式(10)~式(12)即为考虑换流电抗与桥臂电抗时,MMC-HVDC系统在三相静止坐标系下的数学榄珏!J.茸{井一弗简化等枯由略图如图3所示.
fd。
P
直流o
衡系
统
圈3
MMC?HVDc一侧系统简化等效电路图
Fig.3
SimplifiedequivalentcircuitdiagramofMMC
2.2
考虑桥臂电抗的MMC-HVDC的控制策略由式(10)~式(13)和图3可知.等效后的
MMC—HVDC系统,相当于上下桥臂电抗并联后再与换流电抗器串联。其结构与传统的VSC—HVDC类似,可采用传统的VSC—HVDC的控制策
略‘13~1引。
将式(10)~式(12)转换到砌坐标系可得
(L+导)警=“耐B
Vd
m
i。R+叫(L,+导)i。
(13)
(L,+导)韭dt=“。一‰一i曩一cu(L,+导)i一
(14)
式中:URd、“叼、i。、f。分别为交流母线基波电压和交
万方数据
换流器输出基波电压的d轴和q轴分量。幽坐标系
方向规定为:交流系统三相母线电压基波相量与d轴同相位,则U。=0。
T(口)="52-l一-sinsin0,fc。鲫cosca一和cosc一+扣]
l一
sin(0一≥。,一sin。。+挲。,l
一÷Ⅱ)一
(口+÷Ⅱ)|
在同步由旋转坐标系下的数学模型。其内环电流
控制器设计如下:
珊=“耐一iaR一(L,+导)警+甜(L,+导)i。=比d—K,(h。。一幻)--K,.f(‰。。一
id)d£+c£,(L+iL)i。
(16)
%=“叼一i挥一(L,+iL)面dia一∞(L。+
导)幻=“钾一K,(。。t一‘)--K。f(i。。r—
i。)dt--御(L,+虿L)幻
(17)
式中i州、Z‘qret从外环功率控制器的输出获得。
在本文所选同步由旋转坐标系下,稳态时交
流系统与换流器交换的功率可表示为
P=吾(““f。+“叼i。)=虿3M耐i一一号“。舀Q一虿3(“婶i一一“一i。)一一号““i。=一吾“^
(19)
式中U。为交流母线三相电压基波相量的有效值。
由式(18)、式(19)可得,id、i。的估算值分别为
b:擎(20)
幻一等
(21)
引入PI控制器。以消除稳态误差,结合式(20)
和式(21)可得ia。f、i州表达式为
珏。f一百2P
JU。
r,‘+KP(P一一P)+KI
J
f(P州一P)d£
(22)
。f.-等十KP(Q扩Q)+Kl,(Q扩Q)d£
(23)
当采用定直流电.压控制时
.
16
?
电力系统及其自动化学报
第24卷
iar。f=K,(Udcref--Udc)+K。J.(Mdcref--Udc)df
(24)
由式(16)、式(17)及式(22)~式(24)可得其控制原理图如图4所示。
.2....P....—re—f
3u
s
Ⅱ甜
(a)有功功率控制原理图
—..2...Q...—re—f
Q"f
(b)无功功率控制原理图
(c)直流电压控制原理图
图4由前馈解耦控制原理图
Fig.4
Principle
diagram
ofdirectcurrentcontrol
3
系统仿真与分析
为了验证推导出的MMC—HVDC系统的数学模型的正确性,在PSCAD/EMTDC中搭建了MMC-HVDC两端系统,采用上文推导出的控制策略,进行了仿真验证。
文献[16]对主电路参数进行了合理设计,交流系统参数为:两侧交流电源线电压有效值为220kV,两侧换流变压器变比均为220/210kV,换流电抗取0.1P.U.,换流电感为5mH。等效损耗电阻为1Q。直流侧系统参数为:额定直流电压U。。=
400kV。
换流器由6个桥臂构成,每个桥臂有20个子模块。电平数为21。子模块电容值为3mF,桥臂电抗为40
mH。
MMCl侧采用定直流电压控制和定无功功率控制。MMC2侧采用定有功功率控制和定无功功率控制。
本文采用文献[17]的基于载波移相的电容电压平衡调制策略。
(1)无功功率阶跃情况下的仿真
直流电压不变,MMCl侧的无功功率定值在
2.5
S时由0Mvar阶跃到一40Mvar,3S时由一40
万方数据
Mvar阶跃到40Mvar。
MMC2侧的无功功率定值在2.5S时由0Mvar阶跃到一40Mvar,3S时由一40Mvar阶跃到
40
Mvar。仿真结果如图5所示。
430
>420
辩
【,dc,ef
瞧390删380
U血
370
1.50
2.00
2.503.003.50
4.004.505.00
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(a)MMCl侧直流电压
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…
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(b)
MMCl侧无功功率
≥芏
蒋
嚣罨蜒
tls
(c)MMC2侧有功功率
-1
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Qlnv他f
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1.50
2.00
2.50
3.003.504.004.50S.00
tls
(d)MMC2侧无功功率图5
无功功率阶跃时的仿真结果
Fig.5
Simulationresultswhenreactivepowerchanges
(2)有功功率阶跃情况下的仿真
直流电压不变,无功功率定值为0Mvar,MMC2侧有功功率定值在2.5S时由一400MW阶跃到一500MW,3.8S时由一500MW阶跃到~400Mw。仿真结果如图6所示。
(3)有功功率翻转情况下的仿真
直流电压不变,无功功率定值为0Mvar。有功功率定值在3S时由一400MW变为100Mw,即3S之前由MMCl侧向MMC2侧送400MW的有功,
3
S之后潮流翻转,由MMC2侧向MMCl侧送100MW的有功。
仿真结果如图7所示。
第4期
曹春刚等:MMC—HVDC系统数学模型及其控制策略
?
17
?
从图(5)、图(6)和图(7)可以看出:
1)当无功功率、有功功率指令值发生阶跃时,系统的无功、有功能够快速跟踪指令值的变化,有功与无功之间的影响较小,解耦性能较好。
2)有功功率阶跃时,直流电压波动较小,且能较快的恢复稳定值。
3)当有功功率发生翻转时,对直流电压影响较大,但波动仍在10%以内,整流侧的无功功率有短时的波动,并较快恢复额定值,对逆变侧无功功率的影响较小。
由仿真分析可知。所搭建系统对于有功阶跃及无功阶跃都具有较快的响应速度,能较快的恢复稳定运行,并可快速地实现潮流翻转。
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(a)MMCl侧直流电压
150
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(d)MMC2侧无功功率图7
有功功率翻转时的仿真结果
Fig.7
Simulationresultswhenrealpower
rever淞
4
结语
本文在考虑桥臂电抗的基础上,推导出了
MMC的数学模型,并得到其简化电路模型,该模型与传统VSC的拓扑结构类似。将传统VSC的控制策略应用到MMC系统中,通过对21电平
MMC—HVDC系统进行建模仿真。验证了该数学模
型的正确性以及由前馈解耦控制策略的有效性。参考文献:
r1]徐政.陈海荣(Xu
Zheng.Chen
Hairong).电压源换流
器型直流输电技术综述(Reviewandapplicationsof
VSC
HVDC)EJ].高电压技术(High
VoltageEngi—
neering).2007.33(1):1—10.
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本文编号:177103
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