一种柔性直流换流器等效阻抗的优化控制方法和装置

技术领域

本发明涉及电力输电技术领域，尤其涉及一种柔性直流换流器等效阻抗的优化控制方法和装置。

背景技术

基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的柔性直流输电技术具有控制灵活、输出波形质量高、可向无源系统供电等优点，目前在大规模远距离高压直流输电、新能源并网、海上风电直流送出、异步电网互联等领域得到了广泛应用。然而，随着多个柔性直流工程的投入运行，电网产生了新的稳定性问题。柔性直流换流器在运行的过程中，由于控制系统的响应作用，可能导致其等效阻抗特性恶化、在某些频段下呈现出负阻尼作用，当电网阻抗与柔性直流系统等效阻抗匹配不当时，易引发谐波谐振现象。

在实际工程中通常通过改善柔直换流器等效阻抗特性以达到抑制柔直系统发生谐波谐振的目的。改善柔直换流器等效阻抗的思路主要是通过改变控制系统结构或参数，使得换流器等效阻抗在各频段内呈现出正阻尼特性，即相角频率特性曲线在各频段下满足在-90°至+90°范围内的要求。由于柔直换流器等效阻抗产生负阻尼的原因主要是控制链路延时和电压前馈环节或电流内环控制环节的相互作用，因此现有技术提出了在电压前馈中加入低通滤波器、减小控制链路延时、减小电流内环PI控制器比例参数等阻抗改善措施。

然而，实际工程中电流内环控制环节通常采用正负序电流独立控制，且正负序电流独立控制通过与dq轴解耦控制环节的相互作用，对换流器等效阻抗存在较大的负面影响。现有技术在分析柔直换流器等效阻抗特性的过程中大多忽略了dq轴解耦控制和正负序电流独立控制的影响，缺乏基于优化解耦控制环节的柔性直流换流器等效阻抗改善方法。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种柔性直流换流器等效阻抗的优化控制方法和装置，能有效削弱换流器的等效阻抗负阻尼特性，从而减小柔性直流系统发生谐波谐振的风险。

为实现上述目的，本发明实施例提供了一种柔性直流换流器等效阻抗的优化控制方法，包括：

获取柔性直流换流器控制系统中每一电流分量的实际值；其中，所述电流分量包括正序电流d轴分量、正序电流q轴分量、负序电流d轴分量和负序电流q轴分量；

判断所述柔性直流换流器控制系统中每一所述电流分量的运行状态；其中，所述运行状态包括暂态和稳态；

针对任一电流分量，当所述电流分量的运行状态为暂态时，将该电流分量的实际值作为解耦控制环节的输入值；当所述电流分量的运行状态为稳态时，将该电流分量的实际值输入低通滤波器，得到经过所述低通滤波器调节后的电流分量，并将所述经过所述低通滤波器调节后的电流分量作为解耦控制环节的输入值，以改善柔性直流换流器的等效阻抗。

作为上述方案的改进，经过所述低通滤波器调节后的正序电流d轴分量满足：i

经过所述低通滤波器调节后的正序电流q轴分量满足：i

经过所述低通滤波器调节后的负序电流d轴分量满足：i

经过所述低通滤波器调节后的负序电流q轴分量满足：i

其中，G

作为上述方案的改进，所述判断所述柔性直流换流器控制系统中每一所述电流分量的运行状态，具体包括：

当所述电流分量的实际值与该电流分量的预设参考值之差的绝对值小于等于对应的预设电流阈值时，判定对应的所述电流分量的运行状态为稳态；

当所述电流分量的实际值与该电流分量的预设参考值之差的绝对值大于对应的预设电流阈值时，判定对应的所述电流分量的运行状态为暂态。

作为上述方案的改进，所述柔性直流换流器的正序阻抗表达式满足：

其中，L为柔性直流换流器交流侧等效阻抗，L＝L

作为上述方案的改进，所述判断所述柔性直流换流器控制系统中每一所述电流分量的运行状态，具体包括：

获取交流电网电压的有效值；

当所述交流电网电压的有效值与预设电压参考值之差的绝对值小于等于预设电压阈值时，判定交流电网处于稳定状态，以判定所有所述电流分量的运行状态为稳态；

当所述交流电网电压的有效值与预设电压参考值之差的绝对值大于预设电压阈值时，判定交流电网处于故障状态，以判定所有所述电流分量的运行状态为暂态。

本发明实施例还提供了一种柔性直流换流器等效阻抗的优化控制装置，包括：

电流分量获取模块，用于获取柔性直流换流器控制系统中每一电流分量的实际值；其中，所述电流分量包括正序电流d轴分量、正序电流q轴分量、负序电流d轴分量和负序电流q轴分量；

运行状态判断模块，用于判断所述柔性直流换流器控制系统中每一所述电流分量的运行状态；其中，所述运行状态包括暂态和稳态；

电流分量输入控制模块，用于针对任一电流分量，当所述电流分量的运行状态为暂态时，将该电流分量的实际值作为解耦控制环节的输入值；当所述电流分量的运行状态为稳态时，将该电流分量的实际值输入低通滤波器，得到经过所述低通滤波器调节后的电流分量，并将所述经过所述低通滤波器调节后的电流分量作为解耦控制环节的输入值，以改善柔性直流换流器的等效阻抗。

作为上述方案的改进，经过所述低通滤波器调节后的正序电流d轴分量满足：i

经过所述低通滤波器调节后的正序电流q轴分量满足：i

经过所述低通滤波器调节后的负序电流d轴分量满足：i

经过所述低通滤波器调节后的负序电流q轴分量满足：i

其中，G

作为上述方案的改进，所述运行状态判断模块具体用于：

当所述电流分量的实际值与该电流分量的预设参考值之差的绝对值小于等于对应的预设电流阈值时，判定对应的所述电流分量的运行状态为稳态；

当所述电流分量的实际值与该电流分量的预设参考值之差的绝对值大于对应的预设电流阈值时，判定对应的所述电流分量的运行状态为暂态。

作为上述方案的改进，所述运行状态判断模块具体用于：

获取交流电网电压的有效值；

当所述交流电网电压的有效值与预设电压参考值之差的绝对值小于等于预设电压阈值时，判定交流电网处于稳定状态，以判定所有所述电流分量的运行状态为稳态；

当所述交流电网电压的有效值与预设电压参考值之差的绝对值大于预设电压阈值时，判定交流电网处于故障状态，以判定所有所述电流分量的运行状态为暂态。

本发明实施例还提供了一种柔性直流换流器等效阻抗的优化控制装置，其特征在于，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中且被配置为由所述处理器执行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述任意一项所述的柔性直流换流器等效阻抗的优化控制方法。

与现有技术相比，本发明公开的一种柔性直流换流器等效阻抗的优化控制方法和装置，通过判断柔性直流换流器控制系统中正序电流d轴分量、正序电流q轴分量、负序电流d轴分量和负序电流q轴分量的运行状态；针对任一电流分量，当所述电流分量的运行状态为暂态时，将该电流分量的实际值作为解耦控制环节的输入值，能够保证柔性直流换流器的动态性能不受影响；当所述电流分量的运行状态为稳态时，将电流分量的实际值经过低通滤波器调节后作为解耦控制环节的输入值，从而在柔直换流器正序阻抗表达式中引入低通滤波器传递函数。由于低通滤波器传递函数在中高频段的增益接近为0，解耦控制和正负序电流独立控制的影响能够被消除，能够有效避免统一采用电流分量的瞬时值导致引入扰动项的情况，从而有效削弱换流器的等效阻抗负阻尼特性，减小柔性直流系统发生谐波谐振的风险。

附图说明

图1是现有技术中柔性直流换流器控制系统的控制框图；

图2是现有技术中柔性直流换流器的等效阻抗曲线图；

图3是本发明实施例一提供的一种柔性直流换流器等效阻抗的优化控制方法的步骤示意图；

图4是本发明实施例二提供的一种优选的柔性直流换流器等效阻抗的优化控制方法的步骤示意图；

图5是本发明实施例二中柔性直流换流器控制系统的控制框图；

图6是本发明实施例二中柔性直流换流器阻抗频率特性曲线对比图；

图7是本发明实施例二中柔性直流换流器的等效阻抗曲线图；

图8是本发明实施例三提供的另一种柔性直流换流器等效阻抗的优化控制方法的步骤示意图；

图9是本发明实施例四提供的一种柔性直流换流器等效阻抗的优化控制装置的结构示意图；

图10是本发明实施例五提供的一种柔性直流换流器等效阻抗的优化控制装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1-2，图1是现有技术中柔性直流换流器控制系统的控制框图；图2，是现有技术中柔性直流换流器的等效阻抗曲线图。在现有的柔性直流换流器控制系统中，主要由正序dq轴变换、负序dq轴变换、正序电流控制环节、负序电流控制环节、电压前馈、dq轴逆变换、调制环节以及链路延时等效环节组成，其中，解耦控制环节为正序电流控制环节、负序电流控制环节中的一部分。

正序dq轴变换中网侧三相电压u

负序dq轴变换中网侧三相电压u

正序电流控制环节中，正序dq轴电流参考值

电压前馈环节中，电网电压正、负序dq轴分量经过低通滤波器后分别加上正、负序电流环输出得到控制器输出dq轴参考电压，经过dq轴逆变换后得到控制器输出abc轴参考电压

在如图1所示的控制框图下，得到柔性直流换流器正序等效阻抗表达式为：

式中：L为柔性直流换流器交流侧等效阻抗，可由换流变压器等效电抗L

进一步化简得到换流器正序等效阻抗表达式为：

此时得到柔直换流器的等效阻抗曲线如图2所示，其中实线为换流器等效阻抗理论计算结果，“○”表示在电磁暂态仿真模型中的换流器等效阻抗扫描结果。可见，换流器等效阻抗在500～1500Hz范围内呈现出强负阻尼特性，在2750～3750Hz范围内呈现出弱负阻尼特性，并且等效阻抗相角特性曲线伴随着二倍频波动，该波动主要由正负序电流独立控制与解耦控制相互作用引入的K

为了抑制阻抗相角特性曲线的波动现象，以解决系统谐振不稳定的问题。参见3，是本发明实施例一提供的一种柔性直流换流器等效阻抗的优化控制方法的步骤示意图。本发明实施例提供了一种柔性直流换流器等效阻抗的优化控制方法，通过以下步骤S11至S13执行：

S11、获取柔性直流换流器控制系统中每一电流分量的实际值；其中，所述电流分量包括正序电流d轴分量、正序电流q轴分量、负序电流d轴分量和负序电流q轴分量；

S12、判断所述柔性直流换流器控制系统中每一所述电流分量的运行状态；其中，所述运行状态包括暂态和稳态；

S13、针对任一电流分量，当所述电流分量的运行状态为暂态时，将该电流分量的实际值作为解耦控制环节的输入值；当所述电流分量的运行状态为稳态时，将该电流分量的实际值输入低通滤波器，得到经过所述低通滤波器调节后的电流分量，并将所述经过所述低通滤波器调节后的电流分量作为解耦控制环节的输入值，以改善柔性直流换流器的等效阻抗。

具体地，经过所述低通滤波器调节后的正序电流d轴分量满足：i

经过所述低通滤波器调节后的正序电流q轴分量满足：i

经过所述低通滤波器调节后的负序电流d轴分量满足：i

经过所述低通滤波器调节后的负序电流q轴分量满足：i

其中，G

采用本发明实施例的技术手段，通过判断柔性直流换流器控制系统中每一电流分量的运行状态，并针对每一电流分量的运行状态，调节输入解耦控制环节的电流分量的值。在暂态情况下，采用电流分量的实际值输入解耦控制环节，能够保证柔性直流换流器的动态性能不受影响；在稳态情况下，将电流分量的实际值经过低通滤波器调节后作为解耦控制环节的输入值，从而在柔直换流器正序阻抗表达式中引入低通滤波器传递函数。由于低通滤波器传递函数在中高频段的增益接近为0，解耦控制和正负序电流独立控制的影响能够被消除，能够有效避免统一采用电流分量的瞬时值导致引入扰动项的情况，从而有效削弱换流器的等效阻抗负阻尼特性，减小柔性直流系统发生谐波谐振的风险。

作为优选的实施方式，参见图4-5，图4是本发明实施例二提供的一种优选的柔性直流换流器等效阻抗的优化控制方法的步骤示意图；图5是本发明实施例二中柔性直流换流器控制系统的控制框图。本发明实施例二在实施例一的基础上，提供了一种优选的柔性直流换流器等效阻抗的优化控制方法。其中，步骤S12具体通过步骤S21至S22执行：

S21、当所述电流分量的实际值与该电流分量的预设参考值之差的绝对值小于等于对应的预设电流阈值时，判定对应的所述电流分量的运行状态为稳态；

S22、当所述电流分量的实际值与该电流分量的预设参考值之差的绝对值大于对应的预设电流阈值时，判定对应的所述电流分量的运行状态为暂态。

在本发明实施例中，获取所述柔性直流换流器控制系统中的正序电流d轴分量的实际值i

当所述正序电流d轴分量的实际值i

当所述正序电流q轴分量的实际值i

当所述负序电流d轴分量的实际值i

当所述负序电流q轴分量的实际值i

需要说明的是，正序电流d轴分量、正序电流q轴分量、负序电流d轴分量和负序电流q轴分量的预设参考值是根据实际应用情况设定的固定数值，在一种实施方式下，将正序电流d轴分量的预设参考值设置为

上述电流分量对应的预设电流阈值可以根据实际应用情况进行设置和调整，在此亦不做具体限定。

本发明实施例中，所述柔性直流换流器的正序阻抗表达式满足：

其中，L为柔性直流换流器交流侧等效阻抗，L＝L

可见，原有的分子中K

需要说明的是，改变解耦控制环节结构后会对系统的动态性能产生影响，为保证系统的动态性能满足要求，需对其动态性能进行校验。以容量1000MW、直流电压±375kV的柔性直流换流器作为研究对象，分别针对四种工况，仿真分析了交流电网三相短路故障时系统的暂态性能。四种工况包括：解耦控制输入电流为瞬时值、解耦控制输入电流为恒定参考电流、解耦控制加入低通滤波器、解耦控制输入电流采用本发明所提供的柔性直流换流器等效阻抗的优化控制方法，其中用于判断正、负序电流dq轴分量是否为稳态值的阈值设定为0.05pu。得到交流电网三相短路时阀侧电流和桥臂电流最大值如表1所示。

表1交流电网三相短路时最大阀侧电流和桥臂电流

由表1可知，交流电网三相短路故障情况下，当解耦控制输入电流采用瞬时值时，阀侧最大电流为4.561kA、桥臂最大电流为2.992kA；当解耦控制输入电流为恒定参考电流时，阀侧最大电流为4.710kA、桥臂最大电流为3.110kA；当解耦控制加入低通滤波器时，阀侧最大电流为4.734kA、桥臂最大电流为3.107kA；当解耦控制输入电流采用本发明所提出的控制方法时，阀侧最大电流为4.568kA、桥臂最大电流为3.000kA。可见，若直接采取恒定电流参考值作为解耦控制输入电流或在解耦控制中加入低通滤波器，系统的动态性能将会恶化。而采取本发明所提出的控制方法，系统的动态特性不会受到明显影响。

作为一种可选的实施方式，参见图8，是本发明实施例三提供的另一种柔性直流换流器等效阻抗的优化控制方法的步骤示意图。本发明实施例三在实施例一的基础上实施，其中，步骤S12具体通过步骤S31至S33执行：

S31、获取交流电网电压的有效值；

S32、当所述交流电网电压的有效值与预设电压参考值之差的绝对值小于等于预设电压阈值时，判定交流电网处于稳定状态，以判定所有所述电流分量的运行状态为稳态；

S33、当所述交流电网电压的有效值与预设电压参考值之差的绝对值大于预设电压阈值时，判定交流电网处于故障状态，以判定所有所述电流分量的运行状态为暂态。

本发明实施例提供了一种粗略判断系统的运行状态的方法，采用交流电网电压有效值大小来判断系统是否处于交流侧故障状态，若是，表明系统运行于暂态，则此时每一所述电流分量，即正序电流d轴分量、正序电流q轴分量、负序电流d轴分量和负序电流q轴分量均运行于暂态，将每一所述电流分量的实际值作为解耦控制环节的输入值；若否，则粗略判定所述交流电网处于稳定状态，则此时每一所述电流分量均运行于稳态，将每一所述电流分量的实际值输入低通滤波器调节后，再作为解耦控制环节的输入值。

需要说明的是，所述预设电压阈值可以根据实际应用情况进行设置和调整，在此亦不做具体限定。

本发明实施例提供了一种柔性直流换流器等效阻抗的优化控制方法，通过判断柔性直流换流器控制系统中正序电流d轴分量、正序电流q轴分量、负序电流d轴分量和负序电流q轴分量的运行状态；针对任一电流分量，当所述电流分量的运行状态为暂态时，将该电流分量的实际值作为解耦控制环节的输入值，能够保证柔性直流换流器的动态性能不受影响；当所述电流分量的运行状态为稳态时，将电流分量的实际值经过低通滤波器调节后作为解耦控制环节的输入值，从而在柔直换流器正序阻抗表达式中引入低通滤波器传递函数。由于低通滤波器传递函数在中高频段的增益接近为0，解耦控制和正负序电流独立控制的影响能够被消除，能够有效避免统一采用电流分量的瞬时值导致引入扰动项的情况，从而有效削弱换流器的等效阻抗负阻尼特性，减小柔性直流系统发生谐波谐振的风险。

参见图9，是本发明实施例四提供的一种柔性直流换流器等效阻抗的优化控制装置的结构示意图。本发明实施例四提供了一种柔性直流换流器等效阻抗的优化控制装置40，包括：电流分量获取模块41、运行状态判断模块42和电流分量输入控制模块43；其中，

所述电流分量获取模块41，用于获取柔性直流换流器控制系统中每一电流分量的实际值；其中，所述电流分量包括正序电流d轴分量、正序电流q轴分量、负序电流d轴分量和负序电流q轴分量；

所述运行状态判断模块42，用于判断所述柔性直流换流器控制系统中每一所述电流分量的运行状态；其中，所述运行状态包括暂态和稳态；

所述电流分量输入控制模块43，用于针对任一电流分量，当所述电流分量的运行状态为暂态时，将该电流分量的实际值作为解耦控制环节的输入值；当所述电流分量的运行状态为稳态时，将该电流分量的实际值输入低通滤波器，得到经过所述低通滤波器调节后的电流分量，并将所述经过所述低通滤波器调节后的电流分量作为解耦控制环节的输入值，以改善柔性直流换流器的等效阻抗。

进一步地，经过所述低通滤波器调节后的正序电流d轴分量满足：i

经过所述低通滤波器调节后的正序电流q轴分量满足：i

经过所述低通滤波器调节后的负序电流d轴分量满足：i

经过所述低通滤波器调节后的负序电流q轴分量满足：i

其中，G

作为一种优选的实施方式，所述运行状态判断模块42具体用于：

当所述电流分量的实际值与该电流分量的预设参考值之差的绝对值小于等于对应的预设电流阈值时，判定对应的所述电流分量的运行状态为稳态；

当所述电流分量的实际值与该电流分量的预设参考值之差的绝对值大于对应的预设电流阈值时，判定对应的所述电流分量的运行状态为暂态。

作为另一种优选的实施方式，所述运行状态判断模块42具体用于：

获取交流电网电压的有效值；

当所述交流电网电压的有效值与预设电压参考值之差的绝对值小于等于预设电压阈值时，判定交流电网处于稳定状态，以判定所有所述电流分量的运行状态为稳态；

当所述交流电网电压的有效值与预设电压参考值之差的绝对值大于预设电压阈值时，判定交流电网处于故障状态，以判定所有所述电流分量的运行状态为暂态。

需要说明的是，本发明实施例提供的一种柔性直流换流器等效阻抗的优化控制装置用于执行上述实施例的一种柔性直流换流器等效阻抗的优化控制方法的所有流程步骤，两者的工作原理和有益效果一一对应，因而不再赘述。

参见图10，是本发明实施例五提供的一种柔性直流换流器等效阻抗的优化控制装置的结构示意图。本发明实施例五提供了另一种柔性直流换流器等效阻抗的优化控制装置50，包括处理器51、存储器52以及存储在所述存储器中且被配置为由所述处理器执行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如实施例一至三任意一项所述的柔性直流换流器等效阻抗的优化控制方法。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-OnlyMemory，ROM)或随机存储记忆体(RandomAccessMemory，RAM)等。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。