储能单元、MMC、直流输电系统及短路电流控制方法

技术领域

本发明涉及电力系统稳定分析技术领域，更具体地说，它涉及储能单元、MMC、直流输电系统及短路电流控制方法。

背景技术

随着新型电力系统的形成及快速发展，电力系统的稳定问题将发生深刻变化。其中，弱电网条件下系统短路容量支撑能力不足是首要解决问题。基于MMC的直流输电凭借可关断电力电子器件可实现异步互联、故障隔离、有功无功快速可控和无换相失败等功能，有效应对了当前大容量、远距离、高效率输电的困境，并成为业界焦点。并且，其在弱电网中可以馈入一定的短路电流，有效提升对于交流电网的支撑能力。

发明内容

本发明的目的是提供储能单元、MMC、直流输电系统及短路电流控制方法，在交流系统正常运行，未发生三相短路故障时，直流输电系统中的储能单元持续充电，在交流系统发生三相短路故障时，储能单元的绝缘栅双极型晶体管触发导通，以此增加直流输电系统中MMC桥臂上的电流，同时，迅速优化控制策略，包括增大MMC外环功率控制器无功参考值，增大MMC内环电流控制器无功限幅，将MMC内环电流控制器的限流方式修改为无功优先方式，增加短路电流。达到提升柔性直流馈入交流系统中短路电流的目的。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种储能单元，用于与MMC桥臂上的子模块连接，包括：储能电池，所述储能电池的正极连接有电感Les；绝缘栅双极型晶体管T3和绝缘栅双极型晶体管T4；所述绝缘栅双极型晶体管T3的源极、绝缘栅双极型晶体管T4的漏极与电感Les远离储能电池的一端均连接；所述绝缘栅双极型晶体管T3的漏极用于与MMC桥臂子模块的绝缘栅双极型晶体管T1漏极连接；所述绝缘栅双极型晶体管T4的源极、储能电池的负极均用于与MMC桥臂子模块绝缘栅双极型晶体管T2的源极连接。

一种MMC，所述MMC各桥臂上的子模块，均连接有所述的储能单元。

一种直流输电系统，所述直流输电系统的整流侧电压源换流器和逆变侧电压源换流器，均采用所述的MMC。

一种短路电流控制方法，作用于所述的直流输电系统，包括以下操作：设定直流输电系统中MMC的控制方式、限流方式和功率参考值；启动直流输电系统；在交流系统正常运行时，对直流输电系统中MMC的储能单元进行充电；当检测到交流系统发生三相短路故障时，迅速优化控制策略，并触发导通储能单元的绝缘栅双极型晶体管，使储能单元放电，直至故障恢复或储能单元放电结束。

进一步的，直流输电系统中MMC控制方式的设定过程，包括：设定MMC中外环功率控制器有功模式为定有功功率，无功模式为定无功功率。

进一步的，直流输电系统中MMC限流方式的设定过程，包括：设定MMC内环电流控制器有功限幅1.1pu，无功限幅0.5pu，设定MMC内环电流控制器的限流方式为有功优先方式。

进一步的，直流输电系统中MMC功率控制参考值的设定过程，包括：设定MMC中外环功率控制器的有功参考值为额定值1pu，即对外输送额定有功功率；设定MMC中外环功率控制器的无功参考值为0，即不送出也不吸收无功功率，其中，pu为标幺值。

进一步的，直流输电系统的启动过程，包括：解锁MMC，并将外环功率控制器的有功功率和务工功率提升至对应的参考值运行。

进一步的，所述储能单元充电结束后，储能单元的绝缘栅双极型晶体管处于关闭状态。

进一步的，当检测到交流系统发生三相短路故障时，迅速优化控制策略，包括：将MMC外环功率控制器无功参考值从0修改为1pu，将MMC内环电流控制器无功限幅从0.5pu修改为1pu，将MMC内环电流控制器的限流方式修改为无功优先方式。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

设定直流输电系统中MMC的控制方式、限流方式和功率参考值；启动直流输电系统；在交流系统正常运行时，对直流输电系统中MMC的储能单元进行充电；当检测到交流系统发生三相短路故障时，迅速优化控制策略，并触发导通储能单元的绝缘栅双极型晶体管，使储能单元放电，直至故障恢复或储能单元放电结束。通过在交流系统正常运行，未发生三相短路故障时，直流输电系统中的储能单元持续充电，在交流系统发生三相短路故障时，储能单元的绝缘栅双极型晶体管触发导通，以此增加直流输电系统中MMC桥臂上的电流，同时，改变外环功率控制器对应的无功功率参考值、内环电流控制器无功限幅以及限流方式，增加短路电流。达到提升柔性直流馈入交流系统中短路电流的目的。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为实施例中一种连接在MMC上的储能单元系统结构示意图；

图2为实施例中一种直流输电系统结构示意图；

图3为实施例中一种短路电流控制方法流程示意图；

图4为示例中短路电流标幺值仿真结果；

图5为实施例中典型的柔性直流控制系统结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

需说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接在另一个部件上或者间接在该另一个部件上。当一个部件被称为是“连接于”另一个部件，它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。

文献(一种考虑母线短路容量的电压稳定解析方法)研究了短路容量和电压稳定性的关系。而针对柔性直流对交流侧故障电流的研究，国内外学者开展了大量的研究。文献(柔性直流贡献短路电流影响因素及工程算法误差分析-郭明星)研究了交流系统短路时柔性直流贡献短路电流的暂态特性，分析了短路电流分量间的矢量关系。文献(柔性直流输电系统贡献交流短路电流的特性分析及计算方法-易扬)分析了柔性直流输电系统贡献短路电流的特性和机理，提出了含柔性直流输电系统的交直流混联系统短路电流分析和计算的方法，但是并没有指出柔直提供的短路电流于出口电压相位相关；文献(MMC对交流系统三相短路故障短路电流影响的机理研究-卜广全)分析得到柔性直流电网换流站近区发生三相短路故障后，换流站提供短路电流的特征，但对柔性直流馈入交流系统故障电流影响因素分析得不够全面。

典型的柔性直流控制系统如图5所示，其中外环功率控制器通过矢量控制将控制量解耦并转换成内环电流参考值，内环电流控制器通过调节模块化多电压换流器(modularmultilevel converter,MMC)上下桥臂的差模电压从而保证交流侧电流能快速追踪参考电流，并最终与参考电流一致，实现对换流站功率或电压等电气量的控制。

当换流器控制方式、有功或无功类参数的参考值以及柔性直流出口电压相位一定时，柔性直流对外提供的电流一定。因此相对于交流系统而言，当发生三相短路故障后，柔性直流可视为大小可控的电流源。柔性直流对交流电网短路电流的影响在于发生短路故障后，柔性直流提供的短路电流将叠加至交流系统短路电流。

以定有功功率控制/定无功功率控制模式为例，换流器控制环节的数学模型如式(1)和式(2)所示。

其中，i

系统正常运行时，换流器输出电流为额定值，相当于幅值为1pu的电流源。当柔性直流出口(point of common coupling,PCC)处发生三相金属性接地短路故障后，其外送功率P受阻瞬间下降到0，但此时其有功参考值P

基于上述技术，提供储能单元、MMC、直流输电系统及短路电流控制方法。

实施例1

本实施例提供一种储能单元，如图1所示，该储能单元用于与MMC桥臂上的子模块连接，包括：储能电池、绝缘栅双极型晶体管T3和绝缘栅双极型晶体管T4，所述储能电池的正极连接有电感Les，所述绝缘栅双极型晶体管T3的源极、绝缘栅双极型晶体管T4的漏极与电感Les远离储能电池的一端均连接；所述绝缘栅双极型晶体管T3的漏极用于与MMC桥臂子模块的绝缘栅双极型晶体管T1漏极连接；所述绝缘栅双极型晶体管T4的源极、储能电池的负极均用于与MMC桥臂子模块绝缘栅双极型晶体管T2的源极连接。

实施例2

本实施例提供一种MMC，如图1所示，所述MMC各桥臂上的子模块，均连接有实施例1中提供的储能单元。

实施例3

本实施例提供一种直流输电系统，如图2所示，所述直流输电系统的整流侧电压源换流器和逆变侧电压源换流器，均采用实施例2中提供的MMC。

实施例4

本实施例提供一种短路电流控制方法，如图3所示，作用于实施例4中的直流输电系统，包括以下操作：

S1.设定直流输电系统中MMC的控制方式、限流方式和功率参考值；

本实施例中，步骤S1，包括：

S11.直流输电系统中MMC控制方式的设定过程，包括：设定MMC中外环功率控制器有功模式为定有功功率，无功模式为定无功功率。

S12.直流输电系统中MMC限流方式的设定过程，包括：设定MMC内环电流控制器有功限幅1.1pu，无功限幅0.5pu，设定MMC内环电流控制器的限流方式为有功优先方式。

S13.直流输电系统中MMC功率控制参考值的设定过程，包括：设定MMC中外环功率控制器的有功参考值为额定值1pu，即对外输送额定有功功率；设定MMC中外环功率控制器的无功参考值为0，即不送出也不吸收无功功率，其中，pu为标幺值。

S2.启动直流输电系统；

本实施例中，步骤S2，包括：

直流输电系统的启动过程，包括：解锁MMC，并将外环功率控制器的有功功率和无功功率提升至对应的参考值运行。

S3.在交流系统正常运行时，对直流输电系统中MMC的储能单元进行充电；

本实施例中，所述储能单元充电结束后，储能单元的绝缘栅双极型晶体管处于关闭状态。

S4.当检测到交流系统发生三相短路故障时，迅速优化控制策略，并触发导通储能单元的绝缘栅双极型晶体管，使储能单元放电，直至故障恢复或储能单元放电结束。

本实施例中，优化控制策略，包括：将MMC外环功率控制器无功参考值从0修改为1pu，将MMC内环电流控制器无功限幅从0.5pu修改为1pu，将MMC内环电流控制器的限流方式修改为无功优先方式。

示例

采用如图2所示的直流输电系统，并依次设定MMC中外环功率控制器有功模式为定有功功率，无功模式为定无功功率，MMC内环电流控制器有功限幅1.1pu，无功限幅0.5pu，MMC外环功率控制器的限流方式为有功优先方式。MMC中外环功率控制器的有功参考值为额定值1pu，即对外输送额定有功功率；设定MMC中外环功率控制器的无功参考值为0，即不送出也不吸收无功功率，其中，pu为标幺值。解锁MMC，并将外环功率控制器的有功功率和无功功率提升至对应的参考值运行，并启动交流系统。此时，直流输电系统中的储能单元开始充电，储能单元充电完毕后，关闭储能单元的绝缘栅双极型晶体管。

在如图2所示直流输电系统中子系统2处设置故障位置，并在时间t＝2s时，发生交流系统三相短路故障。分别进行以下三种情况的实验：

1)在检测交流系统三相到故障后，储能单元的绝缘栅双极型晶体管保持关闭，同时控制策略不变，使直流输电系统处于无储能单元，无控制优化的状态。此时，测量逆变侧电压源换流器与子系统2连接线路上的电流，得到如图4中无储能单元和无控制优化的短路电流标幺值仿真结果曲线。

2)在检测交流系统三相到故障后，储能单元的绝缘栅双极型晶体管保持关闭，并进行控制策略优化，将MMC外环功率控制器无功参考值从0修改为1pu，将MMC内环电流控制器无功限幅从0.5pu修改为1pu，将MMC内环电流控制器的限流方式修改为无功优先方式，使直流输电系统处于有控制优化的状态。此时，测量逆变侧电压源换流器与子系统2连接线路上的电流，得到如图4中有控制优化的短路电流标幺值仿真结果曲线。

3)在检测交流系统三相到故障后，对子模块储能单元的绝缘栅双极型晶体管触发导通，且进行控制策略优化，将MMC外环功率控制器无功参考值从0修改为1pu，MMC内环电流控制器无功限幅从0.5pu修改为1pu，MMC内环电流控制器的限流方式修改为无功优先方式，使直流输电系统处于有储能单元和控制优化的状态。此时，测量逆变侧电压源换流器与子系统2连接线路上的电流，得到如图4中有储能单元和控制优化的短路电流标幺值仿真结果曲线。

基于图4中的短路电流标幺值仿真结果曲线可知，采用本实施例中提供的直流输电系统和短路电流控制方法，柔性直流馈入交流系统的短路稳态电流得到了一定的提升。再加上储能单元放电，柔性直流馈入交流系统的短路稳态电流会得到进一步的提升。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。