一种MMC型轻型直流输电系统的并网方法

摘要

本发明公开了一种MMC型轻型直流输电系统的并网方法，通过将虚拟同步控制方法与MMC相结合对MMC型轻型直流输电的运行模式进行切换，无需专门的同步控制电路，并网前可与电网自动同步，预同步时间很短，并网后能准确跟随电网频率，实现友好并网。

权利要求

1.一种MMC型轻型直流输电系统的并网方法，在该系统中，MMC通过断路器连接到交流电网，该系统的控制环节包括虚拟同步控制单元和基于移相载波调制的电容均压分级控制单元，其特征在于，该并网方法包括如下步骤：检测电网三相电压、MMC三相输出电流以及MMC三相输出电压；

将MMC三相输出电压与检测到的电网三相电压进行比较，结合实际阻抗设定MMC与电网之间的虚拟阻抗，在虚拟同步控制单元中计算得到用于并网控制的虚拟电流；

将MMC模型等同为同步发电机的模型，计算得到用于控制MMC的参考电压信号；

将参考电压信号、电容均压分级控制单元得到的信号相结合与已知的移相的三角载波相比较得到MMC中每个子模块的开关的驱动信号，对MMC输出电压进行控制；

MMC输出电压逐渐接近电网电压，使虚拟电流逐渐减小，当虚拟电流为零时，即MMC输出电压与电网电压基本相同，闭合断路器，实现MMC与电网并网；

当MMC并网之后，将检测到的MMC输出电流代替虚拟电流进入虚拟同步控制单元，并设定MMC输出的有功、无功的参考值，改变虚拟同步控制单元的开关的开关状态，使MMC具有类似同步发电机的下垂特性。

说明书

一种MMC型轻型直流输电系统的并网方法

技术领域

[0001] 本发明涉及电力电子领域，尤其涉及一种MMC（模块化多电平换流器）型轻型直流输电系统（HVDC-Light）的并网方法。

背景技术

[0002] 近年来，随着能源和环境问题的加剧，太阳能和风能等可再生能源在电力系统的渗透率不断提升。随着分布式电源容量、电压等级的提高，尤其是海上风电的发展，轻型直流输电应运而生。MMC作为轻型直流输电系统的主电路，可有效减小输出电压谐波含量，实现高压大功率运行。分布式电源有分散、近靠负载的特点，如能在并网和孤岛两种运行模式实现平滑切换，不仅有助于提高分布式发电的供能质量，还可以发挥分布式发电的潜能，提高电力系统的供电可靠性。因此，开展MMC型轻型直流输电运行模式的无缝切换技术研究尤为重要。然而一般的运行模式切换控制器存在以下不足：

[0003] 1、运行模式切换控制采用双模式控制技术，并网运行时采用PQ电流控制方法，孤岛运行采用V/f控制方法，双模式控制技术符合微网运行的需要，但电压控制与电流控制之间切换难度大，存在切换失败的风险，而且还要检测孤岛信息来确定是否需要切换控制策略。

[0004] 2、采用一般的下垂控制，在并网运行及孤岛运行模式下其控制策略保持不变，符合即插即用的特点，但未考虑下垂控制对并网运行的适应性，在并网瞬间可能存在较大的冲击电流。

发明内容

[0005] 为了使MMC型轻型直流输电系统在无同步单元下快速与电网同步，实现MMC快速、平滑并入电网，不间断地为关键负载可靠供电，本发明提出了一种MMC型轻型直流输电系统的并网方法，在该系统中，MMC通过断路器连接到交流电网，该系统的控制环节包括一个虚拟同步控制单元和一个电容均压分级控制单元，该并网方法包括如下步骤：

[0006] 检测电网三相电压、MMC三相输出电流以及MMC三相输出电压；

[0007] 将MMC三相输出电压与检测到的电网三相电压进行比较，结合实际阻抗设定MMC与电网之间的虚拟阻抗，在虚拟同步控制单元中计算得到用于并网控制的虚拟电流；

[0008] 将MMC模型等同为同步发电机的模型，计算得到用于控制MMC的参考电压信号；

[0009] 将参考电压信号、电压均压分级控制单元得到的信号相结合与已知的移相的三角载波相比较得到MMC中每个子模块的开关的驱动信号，对MMC输出电压进行控制；

[0010] MMC输出电压逐渐接近电网电压，使虚拟电流逐渐减小，当虚拟电流为零时，即MMC输出电压与电网电压基本相同，闭合断路器，实现MMC与电网并网。

[0011] 本发明的效果在于：

[0012] （1）MMC型轻型直流输电系统并网无需复杂的、专门的同步控制电路，利用电网电压与MMC输出电压比较生成虚拟电流，实现MMC输出与电网同步，且预同步时间很短。

[0013] （2）虚拟同步控制具有类似同步发电机的下垂特性，在并网时能结合外部网络的频率、幅值来调节自身功率的输出，在稳定电压频率、幅值在额定值附近的同时，保证对负载的可靠供电。

[0014] （3）因为虚拟同步控制MMC型轻型直流输电系统均能在并网、孤岛模式下运行，当运行模式变化时，无需检测外部网络变化的信息，无需对控制策略进行切换，避免切换过程中过电流、过电压的产生。

附图说明

[0015] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0016] 图1是根据本发明的一个实施例的系统控制框图；

[0017] 图2是根据本发明的一个实施例的运算控制算法框图；

[0018] 图3是根据本发明的一个实施例的MMC基本结构；

[0019] 图4是根据本发明的一个实施例的并网的单相MMC模型；

[0020] 图5是根据本发明的一个实施例的MMC输出电压频率和幅值的下垂调节特性。

具体实施方式

[0021] 下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例仅用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

[0022] 参见图1和图2，分别示出了根据本发明的一个实施例的MMC型轻型直流输电系统的结构框图及其运行模式控制方法中的运算控制算法框图。该MMC型轻型直流输电系统主要包括MMC、LC滤波器和断路器，LC滤波器并联在MMC和电网之间，断路器用来实现MMC的并网与脱网。该系统的控制环节主要包括一个虚拟同步控制单元和一个电容均压分级控制单元。实时检测电网三相电压uga、ugb、ugc（下面用ug表示），MMC三相输出电流iga、igb、igc（下面用ig表示）以及MMC三相输出电压ua、ub、uc（下面用u表示）。在进行并网操作时，将检测到的电网电压与MMC输出电压（近似为系统级调制信号e）进行比较，通过虚拟同步控制单元中的运算控制算法，生成并网控制用的虚拟电流，进入虚拟同步控制单元，生成参考电压信号，对MMC进行控制，当虚拟电流is逐渐减小至0时，此时可闭合断路器，实现MMC并网运行。当MMC并网之后，将检测到的MMC输出电流ig代替虚拟电流is进入控制器，并设定MMC输出的有功、无功的参考值，改变控制器的开关状态，使MMC具有下垂特性，完成MMC并网，且在并网条件下稳定运行，输出功率基本与参考值吻合。对于MMC脱网运行，当电网需要检测或出现故障时，要求MMC能在孤岛模式运行，可断开断路器，使MMC脱网运行，因为虚拟同步控制单元中引入了下垂控制，使得MMC具有下垂特性，在孤岛模式下，能将输出电压频率、幅值稳定在额定值附近，并使输出功率匹配负载功率，实现MMC孤岛运行，对关键负载的连续可靠供电。

[0023] 下面将结合图2来详细说明本发明的虚拟同步控制单元中的运算控制算法。本发明的运算控制算法将MMC模型等同为同步发电机的模型，依据同步发电机与电网的功率交换来实现MMC的并网。

[0024] 假设同步发电机的极对数为1，定子绕组自感为L，互感为-M，励磁阻感值为Rf、Lf，励磁绕组与定子绕组间的互感Mf随电角度θ的变化而变化，if为励磁电流，,为内积，Tm为机械转矩，Te为电磁转矩，Dp为阻尼系数。

[0025] 那么，同步发电机有功功率和无功功率的表达式为：

[0026] 公式(1)

[0027] 公式(2)

[0028] 其中，P为发出的有功功率，Q为发出的无功功率， 是MMC调制信号的角频率，θ为A相调制波的相位；Te为电磁转矩，Mf为同步发电机的励磁绕组与定子绕组之间的互感，if为励磁电流，<,>为内积运算，i为控制用电流。

[0029] 如图2所示，对于上述的控制用电流i，在并网前后分别选取不同的电流值。首先，将MMC三相输出电压与检测到的电网三相电压进行比较，引入MMC与电网之间的虚拟阻抗Ls+R，计算得到用于并网控制的虚拟电流 在并网之前的预同步阶段，控制用电流i选取该虚拟电流is，在并网之后，控制用电流i选取检测到的MMC三相输出电流ig。

[0030] 为了进行下垂控制，引入第一阻尼系数Dq和第二阻尼系数Dp。从附图2中，可以得到Mfif的计算公式如下：

[0031] 公式(3)

[0032] 其中Qset为设定的无功功率，Dq为第一阻尼系数，V为MMC输出线电压的幅值，在运行开始，Mfif和Q先初使化，均为0，在计算Mfif和Q时，各自取对方前一时刻的值，从而达到一个平衡的状态；Vg为电网线电压的幅值， 幅值调节时间常数τv、Dq选定之后即计算得到K。

[0033] 开关Sc打向位置2时，MMC进入并网后的工作状态。如开关Sp闭合，MMC进入设定有功控制，使得MMC逆变器的输出的有功功率与设定的有功功率Pset相等；若开关Sp断开，则MMC逆变器工作在下垂模式。当开关Sq闭合时，电压下垂控制起作用，此时输出的无功功率Q不等于设定的无功功率Qset。

[0034] 从图2中还可以得出以下公式：

[0035] 公式(4)

[0036] 对公式（4）中的 进行积分运算后即得到 对 进行积分运算后即得到θ，其中Pset为设定的有功功率， 是电网额定角频率， Dp为第二阻尼系数， 是参考角频率，是ΔT经过PI控制器之后得到的值与 之和，J为跟随同步发电机转子旋转的所有部件的转动惯量， 频率调节时间常数τf、Dp选定之后可计算得到J，

[0037] 公式(5)

[0038] 最后，根据以上公式（1）、公式（2）、公式（3）、公式（4）和公式（5），可以计算得到用于控制MMC的参考电压信号e。

[0039] 根据电容均压分级控制策略，采集MMC逆变器上的每个电容电压、上下桥臂的电流，结合参考电压信号e，可得到MMC的每个子模块的最终调制波，与移相的三角载波进行比较，即得到每个子模块中的电子开关的驱动信号，实现MMC输出功率的可控和电容电压的稳定。

[0040] 图3给出了MMC变换器的基本结构，MMC是一种新型的模块化多电平电压源型的换流器，MMC换流器采用模块化的结构，每相上、下桥臂由一个电抗器和n个子模块串联构成。每个子模块由两个IGBT、两个反并联二极管和一个电容构成。

[0041] 下面再次结合图2说明MMC型HVDC-Light系统的并网控制。1）预同步状态：当开关Sc打向位置1，且Sp闭合、Sq断开，且Pset、Qset都置0，逆变器运行在预同步状态，检测电网三相电压，MMC输出电压、电流，根据采样的电网三相电压，与MMC输出的电压信号作比较，经过一个传递函数，生成虚拟电流is，进入控制器，因为MMC输出功率的设定值均为0，系统运行使MMC输出的功率逐渐接近其设定值，即is渐渐减小直至0。此时MMC输出的电压信号与电网电压ug已同步，即MMC输出的电压相位、幅值与电网的相同，可闭合断路器使MMC并网。在此过程中，还引入了PI调节器来调节ΔT，使得Dp下垂部分趋于0，即ΔT为0时，产生的参考频率 与电网频率相等。2）并网运行过程：MMC并网之后，MMC输出电流ig代替虚拟电流is进入控制器，设定MMC输出的有功、无功功率参考值Pset、Qset，使MMC输出指定的有功、无功功率。此时，使开关Sp断开、Sq闭合，使MMC具有频率、幅值与输出功率的下垂特性。在无复杂、专门的同步控制电路情况下，预同步时间很短，MMC平滑、小冲击并入电网，实现了友好并网。

[0042] 下面结合图4来说明应用本发明的控制方法是如何来实现脱网运行的。如前所述，将MMC模型等同为同步发电机的模型。可得到并网后的MMC模型，如图4所示。其产生的有功、无功功率如下：

[0043]

[0044]

[0045] 其中，Ug是交流母线的幅值，E是同步发电机的感应电动势幅值，通过励磁电流或电压来控制E，θ、θg分别为交流网侧、同步发电机的电压相角，Xs为同步发电机的同步阻抗。

[0046] 通过控制E来调节无功功率Q，当

[0047]

[0048] 时，电网侧与同步发电机之间没有有功、无功的交换。假如P、Q都为0，则满足上式，产生的电压e与电网侧电压ug相等，在这个时候，同步发电机并网或者脱网，不会引起较大的暂态过程，这可以用来在并网前MMC与电网的同步。

[0049] 当电网出现故障或者定期修护时，需要断开断路器使MMC单独对负载供电，这就要求MMC能在孤岛模式运行。当MMC稳定运行时，开关Sp断开、Sq闭合。此时MMC型HVDC-Light系统具有类似同步发电机的下垂特性，MMC由并网运行模式变换到孤岛运行模式时，无需检测运行模式的信息，也无需切换控制策略。

[0050] 当电网检修或意外故障时，电网侧的断路器断开，导致MMC运行在孤岛模式，需要维持电压频率与幅值的稳定。在这里，电网可被当作为一无穷大的电源，当负载功率与MMC输出功率的设定值不匹配时，则MMC配合电网来满足负载功率。当负载功率小于MMC输出功率时，在满足负载功率的前提下，多余的功率将输送给电网。反之，电网将给负载供电。

[0051] 参见图5，示出了根据本发明的一个实施例的MMC输出电压频率和幅值的下垂调节特性。开关Sp闭合、Sq断开时，MMC输出的功率与频率、电压具有同样类似的特性，即[0052]

[0053] f0、v0分别为输出电压额定频率和幅值，P0、Q0分别为额定有功、无功功率，kP、kQ分别为电压频率和幅值的下垂系统，皆小于0。当同步发电机输出的有功功率增大（减小）时，其输出电压的频率会相应的减小（增大）；当同步发电机输出的无功功率增大（减小）时，其输出电压的幅值会相应的减小（增大）。

[0054] 假设MMC系统开始工作在图5的位置1，输出的有功、无功分别为P1、Q1，当断路器断开时，MMC系统最终稳定后的状态为位置2，输出的有功、无功分别为P2、Q2。MMC输出功率与负载功率不匹配时，MMC将依据箭头方向进行调整，将不平衡功率在其间进行合理调整，运行状态从位置1沿着曲线逐渐过渡到位置2，最终使MMC输出功率与负载功率平衡，使MMC输出稳定在新的电压频率与幅值。因此，在这个过程中，因为输出电压频率和幅值调节特性，系统不会出现电压、电流的突变。

[0055] 根据本发明的MMC型轻型直流输电系统的并网方法，在无同步单元的情况下，预同步时间很短，实现平滑、小冲击并入电网，实现友好并网。