MMC柔性直流輸電系統(tǒng)的基本控制策略課件

MMC柔性直流輸電系統(tǒng)的基本控制策略2017年6月MMC柔性直流輸電系統(tǒng)的基本控制策略2017年6月1ZJU1 柔性直流輸電系統(tǒng)控制策略簡介2 同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下MMC的數(shù)學(xué)模型3 交流電網(wǎng)平衡時的MMC控制器設(shè)計4 向無源網(wǎng)絡(luò)供電時的MMC控制器設(shè)計內(nèi)容提要ZJU1 柔性直流輸電系統(tǒng)控制策略簡介內(nèi)容提要2第1章柔性直流輸電系統(tǒng)控制策略簡介第1章3間接電流控制ZJU早期的電壓源換流器（VSC）采用間接電流控制策略，即根據(jù)abc坐標(biāo)系下VSC的數(shù)學(xué)模型和當(dāng)前的有功、無功功

率指令值，計算需要VSC輸出的交流電壓的幅值和相角。間接電流控制策略通過控制VSC輸出交流電壓的幅值和相位，間接控制交流電流；其優(yōu)點在于控制簡單，無需電流反饋控制。但是其缺點是電流動態(tài)響應(yīng)慢，受系統(tǒng)參數(shù)影響大，容易造成VSC閥的過電流。間接電流控制ZJU4直接電流控制（矢量控制）策略ZJU以快速電流反饋為特征，能夠獲得高品質(zhì)的電流響應(yīng)，目前來看這種控制策略已成為主流。直接電流控制可以在三種不同的坐標(biāo)系及對應(yīng)的控制算法下實現(xiàn)。（1）同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(dq坐標(biāo)系)與比例-積分（PI）控制算法；（2）坐標(biāo)系與比例諧振（PR）控制算法；（3）abc坐標(biāo)系與無差拍（Dead

Beat）控制算法或滯環(huán)（Hysteresis）控制算法。我們今天只講（1）的實現(xiàn)方法。直接電流控制（矢量控制）策略ZJU5ZJU第2章同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下MMC的數(shù)學(xué)模型ZJU第2章6ZJU符號和變量定義-逆變器慣例SM2SMNupaunaupbunbupcuncIdc相單元+-++-

- +- +

- +- Udc

o2dcU2UdcipcipbipaincinbinaivavbiivcvauvbuuvcSM10LL00LL0L0

SM2SMNSM1SM2SMNSM1SM2SMNSM1SM2SMNSM1SM2SMNSM1v+-vbvcR0R0R0R0R0L0R0pvjqvusausbuscacLLacLacEpaEpbEpcEnaEnbEncva

uEpno

'psjqs假定從換流站交流母線看出去的交流等值系統(tǒng)為無窮大

系統(tǒng)，因而圖

中的Lac可以

認為是聯(lián)接變

壓器的漏電感。ZJU符號和變量定義-逆變器慣例SM2SMNupaunaup7ZJU描述MMC行為的基本方程ZJU描述MMC行為的基本方程8ZJU差模電壓與輸出電流的關(guān)系（1）ZJU差模電壓與輸出電流的關(guān)系（1）9ZJU差模電壓與輸出電流的關(guān)系（2）ZJU差模電壓與輸出電流的關(guān)系（2）10ZJU三種坐標(biāo)系之間的關(guān)系usdqabtcZJU三種坐標(biāo)系之間的關(guān)系usdqabc11PARK變換的2步法實現(xiàn)兩軸dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。ZJU為了方便后面的討論，我們將從abc三相靜止坐標(biāo)系變換到兩軸dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換過程分兩步來實現(xiàn)。第1步采用Clarke變換，從三相abc靜止坐標(biāo)系變換到兩相靜止坐標(biāo)系；

第2步采用Park變換，從兩相靜止坐標(biāo)系變換到PARK變換的2步法實現(xiàn)兩軸dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。ZJU12PARK變換的2步法實現(xiàn)（1）兩軸dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。ZJU為了方便后面的討論，我們將從abc三相靜止坐標(biāo)系變換到兩軸dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換過程分兩步來實現(xiàn)。第1步采用Clarke變換，從三相abc靜止坐標(biāo)系變換到兩相靜止坐標(biāo)系；

第2步采用Park變換，從兩相靜止坐標(biāo)系變換到PARK變換的2步法實現(xiàn)（1）兩軸dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。ZJU13ZJUPARK變換的2步法實現(xiàn)（2）從abc靜止坐標(biāo)系到靜止坐標(biāo)系的變換關(guān)系式從靜止坐標(biāo)系到dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換關(guān)系式sαsmusa

usa

uU cos(t)u2u

3s-2s

sb

sb

1

1

2

1

23 2 Usmsin(t)

usβ

3

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3 2u

sc

sc

T

sduus

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us

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)u

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u

Usin(t

)

sin

cosu

smsq

ss

Tcos(t)usa

usb

Usm

cos(t

2

3)usc

cos(t

2

3)對于三相平衡電力系統(tǒng)ZJUPARK變換的2步法實現(xiàn)（2）從abc靜止坐標(biāo)系到14ZJU基于單同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換的鎖相環(huán)（SRF-PLL）的原理SynchronousReference

Frame（SRF-PLL）ZJU基于單同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換的鎖相環(huán)（SRF-PLL）的原理15ZJU基于單同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換的鎖相環(huán)（SRF-PLL）的原理1s++-

dqsbusauuscusdsqu+

0squ*0pkskiususabcZJU基于單同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換的鎖相環(huán)（SRF-PLL）的原理16ZJUPark變換的定義（1）ZJUPark變換的定義（1）17ZJUPark變換的定義（2）ZJUPark變換的定義（2）18ZJUPark變換的定義（3）ZJUPark變換的定義（3）19ZJUPark變換的定義（4）ZJUPark變換的定義（4）20ZJUdq坐標(biāo)系下MMC交流側(cè)基本方程vdvdsddiffdi (t)i (t)u (t)u (t)

dL

R

Ldtivq

(t)ivq

(t)Livd

(t)ivq

(t)usq

(t)udiffq

(t)usqivd

ps3

usd

qs

2

usqusdivq

2ssdvdsm

vdp

3

u

i

=

3U

i2q 3

u i 3U is 2 sd

vq 2 sm

vq根據(jù)瞬時功率理論得到ZJUdq坐標(biāo)系下MMC交流側(cè)基本方程vdvdsddiffd21ZJUMMC交流側(cè)在dq坐標(biāo)系下的輸入輸出傳遞函數(shù)此

圖

描

述

了MMC控制變量與受控變量之間的關(guān)系，是控制器設(shè)計的基礎(chǔ)。R

Lsivd

susd

sudiffd

sLivq

sR

Lsivq

susq

sudiffq

sLivd

s+

-

1 RsLLLRsL

1 diffdu (s)diffqu (s)--+

+usd

(s)usq

(s)ivd

(s)ivq

(s)ZJUMMC交流側(cè)在dq坐標(biāo)系下的輸入輸出傳遞函數(shù)此圖描22ZJU內(nèi)部環(huán)流的基本特性103cirjr

2miIdcI cos(2t

t

)

Q3cirar

2miIdcI cos(2tt

)3333cirbr

2mr

2mtiIdcI cos

2(t

2)

t

IdcI cos(2t

2)3333circr

2mr

2mtiIdcI cos

2(t

2)

t

IdcI cos(2t

2)Q10表

示3

次

及

以上的諧波分量，已

非常小，

可以忽略不計?？梢钥闯?，

MMC內(nèi)部環(huán)

流的

2

次諧

波相序是負序的ZJU內(nèi)部環(huán)流的基本特性103cirjr2miIdcI23共模電壓與內(nèi)部環(huán)流的關(guān)系內(nèi)部環(huán)流的關(guān)系式為020

cirjcomjdicirjLdtR

i Udcu0ciraciracomacirbLdtUdc

2 i (t)i (t)u (t)

d

it (t)

R it Udcu

0cirb(

)comb(

)

2 U icirc

(t)icirc

(t)ucomc

(t)

dc

2 由于MMC內(nèi)部環(huán)流是2次諧波，且相序是負序的，

因此需要采用對應(yīng)于負序和2次的dq變換式。ZJU根據(jù)描述MMC行為的基本方程得到共模電壓與共模電壓與內(nèi)部環(huán)流的關(guān)系內(nèi)部環(huán)流的關(guān)系式為020cirjc24ZJU的關(guān)系33ciracira32323sdqcos

2i (t)(t)cos(22)cos(22)ii(t)(2)

i (t)2

3

i(t)cirbcirbcirqsin

2sin(2) sin(2i (t))

i (t)

circ

circ icird

(t)T3 3comacomacombcombcomq32323sdqcos

2u

(t)(t)cos(22)cos(22)uu(t)(2)

u (t)2

3

u(t)sin

2sin(2) sin(2u

(t))

u

(t)

comc

comc

ucomd

(t)T0comqL

dicird(t)Ricird(t)2L0

icird(t)ucomd(t)u(t)0dt

i(t)0

i(t)(t)2Licirqcirqcirqd

2q2坐標(biāo)系下共模電壓與內(nèi)部環(huán)流ZJU的關(guān)系33ciracira333sdqcos225ZJUMMC內(nèi)部環(huán)流與共模電壓的傳遞函數(shù)關(guān)系此圖同樣描述了MMC控制變量與受控變量之間的關(guān)系，是控制器設(shè)計的基礎(chǔ)。

-ucomd(s)

-comqu (s)-

+0 0 1 RsL0 0 1 RsL02L02Licird

(s)icirq

(s)R0

L0sicird

sucomd

s2L0icirq

sR0L0sicirq

sucomq

s2L0icird

sZJUMMC內(nèi)部環(huán)流與共模電壓的傳遞函數(shù)關(guān)系此圖同樣描述-26ZJU第3章交流電網(wǎng)平衡時的MMC控制器設(shè)計ZJU第3章27ZJUMMC的基本控制邏輯ZJUMMC的基本控制邏輯28ZJUMMC內(nèi)外環(huán)控制器結(jié)構(gòu)框圖UdcIdcsvusabcivabc

瞬時功率計算ps

,

qs

,Usmusd外環(huán)功

率控制*

Ps

*sQ*dc

U

*smU內(nèi)環(huán)電流控制器*vdicirdqi*0dq*comdqu3s

()dq3sT (2)jcomju*脈沖生成pju*nju*** ** * *nj comj diffjpj comj diffjuu uuu uicirabc

T3sdq

()T3sdq

()usd

usqivdivqusqvqiivd*vqiivqusd

usqT3sdq

(2)icirdqu*diff

Tdqu*diffivdZJUMMC內(nèi)外環(huán)控制器結(jié)構(gòu)框圖UdcIdcsvusabc29ZJU內(nèi)環(huán)電流控制器之輸出電流跟蹤控制R

Lsivd

susd

sudiffd

sLivq

sR

Lsivq

susq

sudiffq

sLivd

sZJU內(nèi)環(huán)電流控制器之輸出電流跟蹤控制RLs30ZJU輸出電流跟蹤的控制器設(shè)計（1）Vd

(s)

usd

sudiffd

sLivq

sVq

(s)

usq

sudiffq

sLivd

s則R

Lsivd

susd

sudiffd

sLivq

sR

Lsivq

susq

sudiffq

sLivd

s變?yōu)镽

Lsivd

sVd

(s)R

Lsivq

sVq

(s)ZJU輸出電流跟蹤的控制器設(shè)計（1）Vd(s)31ZJU輸出電流跟蹤的控制器設(shè)計（2）divd

(s)

1G(s)V (s) RLs1ivq(s)

G(s)RLsVq

(s)即Vd

(s))Vq

(s)ivq

(s)G(s)G(s)ivd

(sZJU輸出電流跟蹤的控制器設(shè)計（2）divd(s) 32ZJU輸出電流跟蹤的控制器設(shè)計（3）則Vd

(s))Vq

(s)ivq

(s)G(s)ivd

(s)*vdi (s)ivq

(s)*vqi (s)G(s)ivd

(sGC1

(s)Vd

(s)

G(s)Vq

(s)GC

2

(s)G(s)ZJU輸出電流跟蹤的控制器設(shè)計（3）Vd(s))Vq(s33ZJU輸出電流跟蹤的控制器設(shè)計（4）ZJU輸出電流跟蹤的控制器設(shè)計（4）34ZJU輸出電流跟蹤的控制器設(shè)計（5）sdvqsdvqsqvdsqvddiffdddiffqqvqusu sLisV

(s)

usLisi*si skki1

s

vdvd

p1u(s)u sLisV(s)usLisi*

si skki2

s

vq

p

2ZJU輸出電流跟蹤的控制器設(shè)計（5）sdvqsdvqsqvd35ZJU輸出電流跟蹤的控制器設(shè)計（6）-

L1R

sLdiffd(s)diffqu*(s)+ u*---*vdi (s)ivd

(s)usd

(s)ivq

(s)usq

(s)vq

+i*

(vdi (s)s)p1kp

2kki

2s++

ki1

+s+

+ +usq

(s)usd

(s)+

控制器框圖輸出電流響應(yīng)框圖+LL-Ls) -

1 R

sLivq

(ZJU輸出電流跟蹤的控制器設(shè)計（6）- L1RsL36內(nèi)環(huán)電流控制器之內(nèi)部環(huán)流抑制控制波分量，交流輸出電流的主要成分是基波分量和5次、7次及以上諧波分量。容易理解，內(nèi)部環(huán)流中的直流分量通過直流線路構(gòu)成回路，

是直流輸電的工作電流；而內(nèi)部環(huán)流中的2次諧波分量既不流入交流電網(wǎng)，也不流入直流線路，完全在三相橋臂間流動。因此可以認為，內(nèi)部環(huán)流中的2次諧波分量不是工作電流，它對MMC的正常工作不起作用；但它會占用橋臂元件的容量，

同時造成損耗。因此，從保證MMC可靠和高效工作的角度來看，將內(nèi)部環(huán)流中的2次諧波分量抑制到零是所期望的。ZJU由前面的分析可知，內(nèi)部環(huán)流的主要成分是直流分量和2次諧內(nèi)環(huán)電流控制器之內(nèi)部環(huán)流抑制控制波分量，交流輸出電流的主要成37ZJU內(nèi)部環(huán)流抑制控制器設(shè)計（1）則R0

L0sicird

sucomd

s2L0icirq

sR0

L0sicirq

sucomq

s2L0icird

s令dcomd0

cirqqcomq0

cirdssV'(s)us2L

iV

'

(s)

us2L

i

'00 0 cirdd'cirqqR L

sis

V

(s)R L

sis V

(s)

0ZJU內(nèi)部環(huán)流抑制控制器設(shè)計（1）則R0L038ZJU內(nèi)部環(huán)流抑制控制器設(shè)計（2）即'1dqV

(s)icird

(s)

1G'

(s)V

'

(s)R0L0sicirq(s)

G'

(s)R0L0sdV

'

(s)cirdi (s)G'

(s)qV

'

(s)

*cirdi (s)0cirqi*(s)

0

G'

(s)icirq

(s)GC

3

(s)V

'

(s)d

G'

(s)icird

(s)GC

4

(s)V

'

(s)qG'

(s)icirq

(s)ZJU內(nèi)部環(huán)流抑制控制器設(shè)計（2）即'1dqV(s)ic39ZJU內(nèi)部環(huán)流抑制控制器設(shè)計（3）C

3p

3C

4p

4ssG(s)kki

3G(s)kki

4i

3dcirdqcirqk

sV'(s)i*sik s cird

p3V'(s)i*si skki4

s cirq

p

4

'0

cirq 0

cirqcomddcirdcomqcirqusks V(s)2L

i s2L

isi*siki4

s cird

p3u(s)

V

'

(s)

2L

i s2L

iq 0

cird 0

cirdsi*si skki4

s cirq

p

4ZJU內(nèi)部環(huán)流抑制控制器設(shè)計（3）C3p3C4p4s40ZJU內(nèi)部環(huán)流抑制控制器設(shè)計（4）+-- +-+-

+1R0sL0comdu*(s)comqu*(s)--2L0cirdi*(s)0icicirq

(s)cirqi*(s)0cirdi (s)cirqi (s)p3kski

3

-i

4p

4ksk 0 0 1 RsL2L02L0控制器框圖內(nèi)部環(huán)流響應(yīng)框圖(s)-ird2L0ZJU內(nèi)部環(huán)流抑制控制器設(shè)計（4）+-- +-+-1R041ZJU內(nèi)環(huán)電流控制器之最終控制量計算***pjcomjdiffjuuu***njcomjdiffjuuuZJU內(nèi)環(huán)電流控制器之最終控制量計算***comjdiffj42ZJU外環(huán)功率控制器的基本邏輯（1）ZJU外環(huán)功率控制器的基本邏輯（1）43ZJU外環(huán)功率控制器的基本邏輯（2）ZJU外環(huán)功率控制器的基本邏輯（2）44ZJU有功類控制回路+-

+

+Ps*sP23usdivd

maxvdi*PIvd

maxi+-

Udc*dcU

PIivd

max*vdiivd

maxZJU有功類控制回路+- ++Ps*P23usdiv45ZJU無功類控制回路+

+

+Qs-*sQ23usdvq

maxi*vqiPIivq

max-+smU*smU

PIivq

max*vqiivq

maxZJU無功類控制回路+ ++Qs-*sQ23usdv46ZJU總結(jié)-MMC內(nèi)外環(huán)控制器結(jié)構(gòu)框圖UdcIdcsvusabcivabc

瞬時功率計算ps

,

qs

,Usmusd外環(huán)功

率控制*

Ps

*sQ*dc

U

*smU內(nèi)環(huán)電流控制器*vdicirdqi*0dq*comdqu3s

()dq3sT (2)jcomju*脈沖生成pju*nju*** ** * *nj comj diffjpj comj diffjuu uuu uicirabc

T3sdq

()T3sdq

()usd

usqivdivqusqvqiivd*vqiivqusd

usqT3sdq

(2)icirdqu*diff

Tdqu*diffivdZJU總結(jié)-MMC內(nèi)外環(huán)控制器結(jié)構(gòu)框圖UdcIdcsvus47ZJU仿真算例-邊界條件采用400

kV、400

MW

MMC構(gòu)成測試系統(tǒng)。

整流側(cè)為直流電壓和無功功率控制，直流電壓指令值設(shè)為400 kV，無功功率指令值設(shè)為0。逆變側(cè)為有功功率和無功功率控制，初始有功功率為200

MW，初始無功功率為100

Mvar。1.0s時有功功率指令值由200MW更改為300

MW；1.2s時無功功率指令值由100Mvar更改為0

Mvar。+

MMC1架空線路

~交流系統(tǒng)1MMC2US1ps1jqs1~交流系統(tǒng)2US

2ps2jqs

2Uv1 Idc Uv

2_dcUZJU仿真算例-邊界條件采用400kV、400MWMM48ZJU仿真算例-逆變側(cè)主回路電氣量2002503000501000200400-1010.91.01.11.21.3-101qsps功率(MW)(a)Ps*Qs*功率(Mvar)(b)電壓(kV)(c)電流(kA)(d)1.4t

(s)電流(kA)(e)逆變側(cè)主回路主要電氣量：(a)

交流有功功率；

(b)

交流無功功率；

(c)閥側(cè)交流電壓；

(d)閥側(cè)交流電流；（e）三相內(nèi)部環(huán)流ZJU仿真算例-逆變側(cè)主回路電氣量200250300050149ZJU仿真算例-逆變側(cè)內(nèi)外環(huán)控制器中主要變量的變化波形(a)

輸出電流d軸分量指令

值與實際值；(b) 輸出電流q軸分量指令值與實際值；(c)

內(nèi)部環(huán)流d軸分量和q軸分量實際值；(d)

橋臂差模電壓d軸分量

和q軸分量指令值；(e)

橋臂共模電壓d軸分量和q軸分量指令值。-0.8-0.6-0.40.000.150.30-0.50.00.50.00.61.20.91.01.11.21.3-0.50.00.5ivd電流(pu)(a)ivd*ivqivq*電流(pu)(b)icirqicird電流(kA)(c)udiffq*udiffd*電壓(pu)(d)ucomq*ucomd*1.4t

(s)電壓(pu)(e)ZJU仿真算例-逆變側(cè)內(nèi)外環(huán)控制器中主要變量的變化波形(a)50ZJU第4章向無源網(wǎng)絡(luò)供電時的MMC控制器設(shè)計ZJU第4章51向無源網(wǎng)絡(luò)供電的2個應(yīng)用場景因而可以向無源網(wǎng)絡(luò)供電。實際上，MMC向無源網(wǎng)絡(luò)

供電至少包含有2個重要應(yīng)用場景。（1）純粹向無源網(wǎng)絡(luò)供電，比如通過柔性直流輸電向城

市中心區(qū)供電，或者通過柔性直流輸電向無源海島供電等。（2）風(fēng)電場通過柔性直流輸電接入電網(wǎng)，這種情況下風(fēng)

電場側(cè)等同于無源網(wǎng)絡(luò)，需要MMC為風(fēng)電場建立同步電源，否則風(fēng)電場本身就無法運行。ZJU柔性直流輸電的一個突出優(yōu)勢就是可以無源逆變，向無源網(wǎng)絡(luò)供電的2個應(yīng)用場景因而可以向無源網(wǎng)絡(luò)供電。實際上，52受電端為無源網(wǎng)絡(luò)時的應(yīng)用場景MMC1MMC2svIdcUdcZLZJU這里我們重點討論受電端為無源網(wǎng)絡(luò)時MMC的控制器

設(shè)計問題，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下所示。受電端為無源網(wǎng)絡(luò)時的應(yīng)用場景MMC1MMC2svIdcUdc53向無源網(wǎng)絡(luò)供電時的MMC控制器設(shè)計的根本特點ZJU根據(jù)柔性直流輸電系統(tǒng)的控制原理，受端換流器MMC2需要控制受端電網(wǎng)的電壓幅值和頻率，兩個控

制自由度已用完，因此直流側(cè)電壓控制的任務(wù)必須由送端換流器MMC1來完成，MMC1的另外一個控制自

由度可以用來控制與送端交流電網(wǎng)之間的無功交換量。因此，MMC1的控制策略是定直流電壓控制和定送入

交流側(cè)的無功功率控制，這種控制器設(shè)計原理前面已有