一種模塊化多電平換流器功率運(yùn)行區(qū)間的獲取方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)輸配電技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種模塊化多電平換流器功率 運(yùn)行區(qū)間的獲取方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 由于柔性直流輸電具有輸電走廊窄、有功無功可解耦控制、不需要交流系統(tǒng)提供 換相電流、不存在換相失敗問題、可連接無源或弱交流系統(tǒng)等優(yōu)勢(shì)，柔性直流輸電工程在世 界范圍內(nèi)得到了廣泛的實(shí)踐，是解決能源環(huán)境危機(jī)的有效手段。模塊化多電平換流器 (Modular Multilevel Converter，MMC)自2001年提出以來，因其低損耗、模塊化等優(yōu)點(diǎn)，獲 得了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界廣泛的關(guān)注，2010年以后投運(yùn)及規(guī)劃的柔性直流輸電工程大多采用 MMC或者M(jìn)MC的同型技術(shù)。根據(jù)工程實(shí)際運(yùn)行約束條件，準(zhǔn)確計(jì)算MMC的功率運(yùn)行區(qū)間是實(shí)際 柔性直流輸電工程中亟待解決的難題之一。分析MMC參數(shù)，如子模塊電容值、橋臂電感值等 對(duì)功率運(yùn)行區(qū)間的影響也是實(shí)際柔性直流輸電工程中參數(shù)設(shè)計(jì)部分亟待解決的難題之一。 [0003]目前工程中，計(jì)算MMC功率運(yùn)行區(qū)間的一種常用手段是通過離線仿真過繪制MMC若 干離散的運(yùn)行點(diǎn)，近似出MMC的功率運(yùn)行區(qū)間邊界。為了得到較為準(zhǔn)確的結(jié)果，常常需要取 較多測(cè)試工況，耗費(fèi)大量人力物力，且一旦參數(shù)改變，需要重新建立仿真模型，工作可復(fù)制 性太差。另外一種常用手段是通過MMC數(shù)學(xué)解析模型，計(jì)算出運(yùn)行約束條件下的功率運(yùn)行區(qū) 間。但是目前MMC較為精確的數(shù)學(xué)解析模型大多基于三相靜止坐標(biāo)系，模型變量均為交流 量，模型的表達(dá)式具有強(qiáng)非線性時(shí)變性特點(diǎn)，無法便捷地根據(jù)運(yùn)行約束條件求解出功率運(yùn) 行區(qū)間。若采用簡(jiǎn)化后的MMC數(shù)學(xué)解析模型，該類模型一般僅考慮麗C的外特性，無法反映 MMC的橋臂電流、子模塊電容電壓等內(nèi)部特性，無法根據(jù)橋臂電流或者子模塊電容電壓波動(dòng) 等約束條件求解功率運(yùn)行區(qū)間。因此，構(gòu)造能夠方便求解的MMC精確數(shù)學(xué)模型，結(jié)合工程實(shí) 際運(yùn)行約束條件計(jì)算MMC功率運(yùn)行區(qū)間是工程中亟待解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是克服上述【背景技術(shù)】的不足，提供一種模塊化多電平換流器功率運(yùn) 行區(qū)間的獲取方法，基于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下MMC穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)解析模型，該模型精確且容易計(jì)算求 解，考慮了工程實(shí)際運(yùn)行中諸如調(diào)制比最大允許值和最小允許值、交流電流最大允許值、直 流電流最大允許值、子模塊電容電壓波動(dòng)最大允許值、橋臂電流最大允許值等約束條件，通 過計(jì)算每一種約束條件下MMC功率運(yùn)行區(qū)間，選取各約束條件下功率運(yùn)行區(qū)間的交集，從而 確定考慮多重運(yùn)行約束條件下MMC功率運(yùn)行區(qū)間，并可分析MMC的基本參數(shù)對(duì)功率運(yùn)行區(qū)間 的影響，為確定及優(yōu)化MMC基本參數(shù)提供指導(dǎo)，具有較強(qiáng)的工程實(shí)際意義。
[0005] 本發(fā)明提供了一種多電平換流器的功率運(yùn)行區(qū)間計(jì)算方法，包括以下步驟：
[0006] (1)根據(jù)已知MMC基本參數(shù)，建立旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下MMC的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)解析模型；
[0007] (2)確定要考慮的運(yùn)行約束條件；
[0008] (3)計(jì)算各約束條件下功率運(yùn)行區(qū)間；
[0009] (4)將各約束條件下的功率運(yùn)行區(qū)間取交集，得到考慮多重運(yùn)行約束條件下MMC的 功率運(yùn)行區(qū)間；
[0010] (5)如果要分析基本參數(shù)的改變對(duì)功率運(yùn)行區(qū)間的影響，則更新基本參數(shù)，重復(fù)上 述步驟(1)至步驟(4)，得到參數(shù)改變后的功率運(yùn)行區(qū)間。
[0011] 在上述技術(shù)方案中，步驟（1)中的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下MMC穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)解析模型表達(dá)式如 下：
[0013]模型中各參數(shù)的物理含義為：《代表交流電網(wǎng)電壓角頻率;usQ代表MMC所連交流系 統(tǒng)相電壓幅值;Ud。。是麗C額定直流電壓;Carm=Csub/N，Csub是子模塊電容電壓值，N是每個(gè)橋 臂所含子模塊數(shù)目，數(shù)值上等于MMC電平數(shù)減l;L arm是橋臂電感值，Rarm是橋臂等效電阻;LT 是換流變壓器漏抗等效電感，Rt是換流變壓器損耗等效電阻，Kt是換流變壓器變比；R4PLs 分別是交流系統(tǒng)等效內(nèi)電阻和等效內(nèi)電感；足"7"/2+(i?r+足.)/H 衫，上述參數(shù)為MMC的已知基本參數(shù)。其他參數(shù)均為待求的未知參數(shù)， 其物理含義為:和分別是上橋臂子模塊電容總電壓的二倍頻成分的x軸和y軸分 量；和分別是上橋臂子模塊電容總電壓的基頻成分的x軸和y軸分量是上橋 臂子模塊電容總電壓的直流分量;idiffx2Q和idiffy2Q分別是橋臂環(huán)流的二倍頻成分的X軸和y 軸分量;idiffQQ是橋臂環(huán)流的直流分量;Mx2Q和My2Q分別是調(diào)制信號(hào)的二倍頻成分的X軸和y軸 分量;M xQ和MyQ分別是調(diào)制信號(hào)的基頻成分的x軸和y軸分量;ixQ和iyQ分別是閥側(cè)交流電流的 基頻成分的X軸和y軸分量。上述未知參數(shù)中，M X2Q，My2Q用于抑制橋臂環(huán)流的二倍頻分量 idiffx20, idiffy20為0，當(dāng)橋臂二倍頻環(huán)流抑制控制（以下簡(jiǎn)稱環(huán)流抑制)投入時(shí)，Mx20和My20不為 0，而idiffx2Q和idiffy2Q為0 ;當(dāng)環(huán)流抑制未投入時(shí)，Mx2Q，My2Q均為0，而橋臂環(huán)流的二倍頻分量 idiffx2Q，idiffy2Q不為0。因此麗C旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下數(shù)學(xué)解析模型的待求變量一共有12個(gè)，分別是 ? 1 dif f x20 ( Mx20 ) ? ldif fy20 (My20 ) ? ldiffOO ? 1x0? lyO ? MxO ? MyO 〇MMC|l[，\| _Ll 橋臂子模塊電容總電壓M^，下橋臂子模塊電容總電壓#_，橋臂環(huán)流idlffQ，上橋臂電流 iup0，下橋臂電流idnQ，閥側(cè)交流電流io與待求未知參數(shù)之間的關(guān)系為：
[0015] MMC傳輸?shù)挠泄β蔖o和無功功率Qo的計(jì)算表達(dá)式為：
(3'
[0017] 在上述技術(shù)方案中，所述步驟(2)中考慮的運(yùn)行約束條件包含以下約束:調(diào)制比最 大值與最小值約束，橋臂電流最大值約束，子模塊電容電壓波動(dòng)最大值約束，交流電流最大 值約束，直流電流最大值約束。其數(shù)學(xué)表達(dá)形式為：
[0018] 調(diào)制比最大值和最小值約束：
[0019] 橋臂電流最大值約束： iup0,max ^ I arm,max , idn0,max ^ Iarm,max
[0020] 子模塊電容電壓波動(dòng)最大值約束：| Aud),max| < AUc^ax (4)
[0021 ]交流電流最大值約束：
[0022]直流電流最大值約束 ：Idc ^ Idc,max
[0023] 式中，Mmin和Mmax分別表示調(diào)制比的最小允許值和最大允許值，+M；：。表示調(diào) 制比的計(jì)算值;iuPQ,max和idnQ,max分別表示上、下橋臂電流iupQ和idnQ的最大值，Iarm,max表示橋 臂電流的最大允許值；△&(),max表不子模塊電容電壓波動(dòng)最大值，△ Uc,max表不子模塊電容電 壓波動(dòng)的最大允許值;+€〇表示交流電流幅值，表示交流電流的最大允許值;Id。 表示直流電流，Id。,maX表示直流電流最大允許值。當(dāng)認(rèn)為子模塊電容均壓效果良好時(shí)子模塊 電容電壓波動(dòng)最大值△ Ud),mx也可以用橋臂電容總電壓表示：
[0025] 在上述技術(shù)方案中，所述步驟(3)中計(jì)算各運(yùn)行約束條件下功率運(yùn)行區(qū)間包含以 下子步驟：
[0026] 3.1確定調(diào)制比取最大允許值時(shí)的參數(shù)對(duì)〈1^,1<爲(wèi)(),1<>，其中〈1^,1<為(),1<>可以用極 坐標(biāo)形式表示為厘\。,1< = ]/[111￡?*(308 91{，]\^。,1{ = ]/[111￡?*8；[1191{，^￡[0,231)。已知2個(gè)待求變量〈]\^〇,1 {， My0,k>，根據(jù)公式（1)利用迭代計(jì)算求解該非線性方程組，即可求出MMC模型的全部待求變 量，當(dāng)?shù)玫浇涣麟娏鱥x〇與i yQ時(shí)，根據(jù)式(3)計(jì)算MMC的有功功率Po和無功功率Qo;
[0027] 3.2與3.1類似，可以確定調(diào)制比取最小允許值時(shí)的參數(shù)對(duì)<MxQ , k，MyQ, k>，其中，Mx0, k =Mmin*cos0k，MyQ,k=Mmin*sin0k，0ke [0,2jt)，以及交流電流取最大允許值時(shí)的參數(shù)對(duì)<ix0,k， 土乂0,1<>，其中，1\。,1<=13。,11^*(308知山。,1{=1 3。,11^*8；[11知，91^[0,231)，進(jìn)而根據(jù)公式（1)利用迭 代計(jì)算求解該非線性方程組，求出MMC模型的全部待求變量，當(dāng)?shù)玫浇涣麟娏鱥 xQ與iyQ時(shí)，根 據(jù)式(3)計(jì)算MMC的有功功率P0和無功功率Q0;
[0028] 3.3對(duì)于橋臂電流約束條件，由于無法直接根據(jù)約束條件得到2個(gè)待求變量的值， 可以首先利用交流電流約束條件確定參數(shù)搜索區(qū)域，即令交流電流參數(shù)〈ixQ,k，iy(),k>在平面 {(4.0P，:似)| '+ 上掃描，其中，令iXQ,k=Ik*cos9k，iyQ,k=Ik*s 13。#\]，知￡[0,231)，利用每一對(duì)〈1^,1<，1^,1{>計(jì)算該種工況下]^(：的全部待求參數(shù)，再根據(jù) 式(2 )中上、下橋臂電流的表達(dá)式計(jì)算出橋臂電流最大值iup,max和idn,max，記錄橋臂電流達(dá)到 其最大值I a?,max約束條件時(shí)的工況對(duì)應(yīng)的參數(shù)〈^0,1<，。(),1<>，再根據(jù)式(3)計(jì)算11(：的有功功 率Po和無功功率Qo;
[0029 ] 3.4對(duì)于子模塊電容電壓波動(dòng)約束，與3.3類似，聯(lián)合交流電流約束條件，利用參數(shù) 搜索區(qū)域內(nèi)的每一對(duì)<iXQ,k，iyo,k>計(jì)算該種工況下MMC的全部待求參數(shù)，再根據(jù)式(2)中上、 下橋臂子模塊電容總電壓表達(dá)式和式(5)計(jì)算出子模塊電容電壓波動(dòng)的最大值，記錄子模 塊電容電壓波動(dòng)達(dá)到其最大值約束條件時(shí)的工況對(duì)應(yīng)的參數(shù)對(duì)〈。(^，。(),1<>，根據(jù) 式(3)計(jì)算MMC的有功功率Po和無功功率Qo。
[0030]在上述技術(shù)方案中，所述步驟(4)中確定考慮多重運(yùn)行約束條件下MMC功率運(yùn)行區(qū) 間包含以下子步驟：
[0031 ] 4.1繪制各運(yùn)行約束條件下MMC功率運(yùn)行區(qū)間；
[0032] 4.2根據(jù)各運(yùn)行約束條件下的MMC功率運(yùn)行區(qū)間的交點(diǎn)，得到各運(yùn)行約束條件下功 率運(yùn)行區(qū)間的交集，即為考慮多重約束條件下MMC功率運(yùn)行區(qū)間。
[0033] 在上述技術(shù)方案中，所述步驟(5)中改變MMC基本參數(shù)并分析MMC功率運(yùn)行區(qū)間變 化情況包含以下子步驟：
[0034] 5.1確定待分析的MMC基本參數(shù)，例如子模塊電容值，橋臂電感值，換流變壓器漏 抗，換流變壓器變比等等；
[0035] 5.2改變基本參數(shù)，基于新的MMC基本參數(shù)，重復(fù)步驟(1)至步驟(4)，得到新參數(shù)下 MMC功率運(yùn)行區(qū)間。
[0036] 本發(fā)明考慮的運(yùn)行約束條件包括調(diào)制比最大允許值和最小允許值、交流電流最大 允許值、直流電流最大允許值、子模塊電容電壓波動(dòng)最大允許值和橋臂電流最大允許值，通 過建立一套旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下模塊化多電平換流器的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)解析模型，已知模塊化多電平換 流器的基本參數(shù)，包括:所連交流系統(tǒng)電壓、等效內(nèi)阻抗，直流電壓，換流變壓器