一种构网型MMC-HVDC系统的高频振荡抑制方法及应用

技术领域

本发明属于柔性直流输电技术领域，更具体地，涉及一种构网型MMC-HVDC系统的高频振荡抑制方法及应用。

背景技术

基于模块化多电平换流器(MMC)的高压直流输电技术(MMC-HVDC)凭借其技术优势广泛应用于远海风电汇集、长距离直流输电、交流异步联网等场合。目前国内外已有多个MMC-HVDC工程建成并投运，然而实际工程中MMC-HVDC高频振荡问题突出，如德国北海Borwin1风电场的290Hz左右振荡、渝鄂直流输电工程的700Hz和1800Hz振荡、鲁西背靠背柔直工程的1270Hz振荡等。探究MMC-HVDC系统的高频振荡的机理，对MMC-HVDC系统的高频振荡进行抑制，对于保障系统安全稳定运行具有重要意义。

但是现有的MMC-HVDC高频振荡抑制方法多是针对跟网型MMC-HVDC系统，通过在其端电压的前馈控制中加入低通滤波器来抑制高频振荡；然而，构网型MMC-HVDC系统与跟网型MMC-HVDC系统的区别较大，跟网型MMC基于锁相同步的方式，跟踪并网点的电压和频率，实现与系统的同步；而构网型MMC基于电压-频率控制，直接生成并网点电压和频率，为系统交流侧其他装备提供电压和频率支撑，控制结构的不同直接导致两者动态响应特性不同。若是将针对跟网型MMC-HVDC系统进行高频振荡的方法用于构网型MMC-HVDC系统可能会进一步增加构网型MMC-HVDC系统高频振荡的风险。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种构网型MMC-HVDC系统的高频振荡抑制方法及应用，用以解决现有的MMC-HVDC高频振荡抑制方法无法针对构网型MMC-HVDC系统进行高频振荡抑制的技术问题。

为了实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种构网型MMC-HVDC系统的高频振荡抑制方法，包括以下步骤：

S1、在构网型MMC-HVDC系统MMC外环电压-频率控制的比例支路上加入低通滤波器，以抑制MMC-HVDC系统的高频振荡；

S2、判断当前构网型MMC-HVDC系统是否存在高频振荡，若是，则调整低通滤波器的带宽，直至构网型MMC-HVDC系统不存在高频振荡。

进一步优选地，构网型MMC-HVDC系统中的MMC外环电压-频率控制的比例支路包括：MMC外环电压-频率控制的D轴比例支路和Q轴比例支路；

D轴比例支路用于对D轴电压差值信号进行比例调节；

Q轴比例支路用于对Q轴电压差值信号进行比例调节；

其中，D轴电压差值信号为构网型MMC-HVDC系统的MMC交流电压的D轴信号与其参考电压信号相减后的差值信号；Q轴电压差值信号为构网型MMC-HVDC系统的MMC交流电压的Q轴信号与其参考电压信号相减后的差值信号。

进一步优选地，上述高频振荡的抑制方法还包括在步骤S1之前执行的步骤S0；

步骤S0包括：判断当前构网型MMC-HVDC系统是否存在高频振荡，当存在高频振荡时，转至步骤S1。

进一步优选地，判断当前构网型MMC-HVDC系统是否存在高频振荡的方法，包括：

A1、采集构网型MMC-HVDC系统MMC交流侧输出的电压信号和电流信号，并对其进行FFT分析，以判断电压信号和电流信号中是否包含高频成分，若是，则转至步骤A2；否则，判定当前构网型MMC-HVDC系统不存在高频振荡；

A2、判断MMC交流侧的电压幅值和电流幅值是否均未超过对应的安全值，若是，则判定当前构网型MMC-HVDC系统不存在高频振荡；否则，判定当前构网型MMC-HVDC系统存在高频振荡。

第二方面，本发明还提供了一种构网型MMC-HVDC系统的高频振荡抑制系统，包括：存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时执行本发明第一方面所提供的高频振荡抑制方法。

第三方面，本发明还提供了一种构网型MMC-HVDC系统，包括：高频振荡抑制模块，用于当构网型MMC-HVDC系统存在高频振荡时，执行本发明第一方面所提供的高频振荡抑制方法。

第四方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质包括存储的计算机程序，其中，在所述计算机程序被处理器运行时控制所述存储介质所在设备执行本发明第一方面所提供的高频振荡抑制方法。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

1、本发明提供了一种构网型MMC-HVDC系统的高频振荡抑制方法，通过对构网型MMC-HVDC系统出现高频振荡的原因进行了研究，发现与跟网型MMC-HVDC系统不同，构网型MMC-HVDC系统的外环对于其高频振荡的产生影响很大，具体地，构网型MMC输入输出频率特性受其内部控制影响表现出的负阻尼是引起构网型MMC-HVDC系统高频振荡的根本原因，而构网型MMC的电压-频率控制可影响其输入输出频率特性，改变构网型MMC输入输出频率特性中的负阻尼范围，进而影响系统高频振荡；基于此，本发明在构网型MMC-HVDC系统MMC外环电压-频率控制的比例支路上加入低通滤波器，针对构网型MMC的输入输出频率特性进行修正，以消除由于构网型MMC的控制引入的负阻尼，能够有效地抑制构网型MMC-HVDC系统的高频振荡。

2、本发明所提供的构网型MMC-HVDC系统的高频振荡抑制方法，在控制侧投入滤波器，仅改变控制器的部分结构，不需要增加额外的滤波装置，节省成本。

3、本发明所提供的构网型MMC-HVDC的高频振荡抑制方法，针对构网型MMC的输入输出频率特性进行修正，消除由于构网型MMC的控制引入的负阻尼，进而抑制系统高频振荡，可适用于系统网络结构和参数发生变化的情况。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的构网型MMC-HVDC系统的高频振荡抑制方法的流程图；

图2为本发明实施例1提供的构网型MMC电压-频率器的积分时间常数和带宽对构网型MMC输入输出频率特性的影响；其中，(a)为构网型MMC电压-频率器的积分时间常数对构网型MMC输入输出频率特性的影响；(b)为构网型MMC电压-频率器的带宽对构网型MMC输入输出频率特性的影响；

图3为本发明实施例1中的一种具体实施方式所提供的构网型MMC-HVDC系统的高频振荡抑制方法的流程图；

图4为本发明实施例1提供的采用本发明所提供的构网型MMC-HVDC系统的高频振荡抑制方法时的构网型MMC-HVDC系统的控制流程图

图5为本发明实施例1提供的当构网型MMC-HVDC系统发生高频振荡后，采用本发明所提供的高频振荡抑制方法前、后MMC交流输出电压的波形变化示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例1、

一种构网型MMC-HVDC系统的高频振荡抑制方法，如图1所示，包括：当构网型MMC-HVDC系统存在高频振荡时，执行以下操作：

S1、在构网型MMC-HVDC系统MMC外环电压-频率控制的比例支路上加入低通滤波器，以抑制MMC-HVDC系统的高频振荡；其中，构网型MMC-HVDC系统中的MMC外环电压-频率控制的比例支路包括：MMC外环电压-频率控制的D轴比例支路和Q轴比例支路；D轴比例支路用于对D轴电压差值信号进行比例调节；Q轴比例支路用于对Q轴电压差值信号进行比例调节；其中，对D轴电压差值信号和Q轴电压差值信号进行调节的比例相同；D轴电压差值信号为构网型MMC-HVDC系统的MMC交流电压的D轴信号与其参考电压信号相减后的差值信号；Q轴电压差值信号为构网型MMC-HVDC系统的MMC交流电压的Q轴信号与其参考电压信号相减后的差值信号。

S2、判断当前构网型MMC-HVDC系统是否存在高频振荡，若是，则调整低通滤波器的带宽，直至构网型MMC-HVDC系统不存在高频振荡。

需要说明的是，本发明对构网型MMC-HVDC系统高频振荡的机理进行研究后发现，构网型MMC输入输出频率特性受其内部控制影响表现出的负阻尼是引起构网型MMC-HVDC系统高频振荡的根本原因，而构网型MMC的电压-频率控制可影响其输入输出频率特性，改变构网型MMC输入输出频率特性中的负阻尼范围，进而影响系统高频振荡；具体地，如图2所示为构网型MMC电压-频率器的积分时间常数和带宽对构网型MMC输入输出频率特性的影响；其中，图(a)为构网型MMC电压-频率器的积分时间常数对构网型MMC输入输出频率特性的影响；图(b)为构网型MMC电压-频率器的带宽对构网型MMC输入输出频率特性的影响；从图中可以看出，构网型MMC的电压-频率控制可影响其输入输出频率特性。而构网型MMC的电压-频率控制分别包含积分和比例两支路，其中积分支路对于高频信号起阻断作用，对高频特性的影响较小，因此本发明通过在比例支路加入低通滤波器，调整构网型MMC的输入输出频率特性，减小起负阻尼范围，即可起到抑制系统高频振荡的作用。

优选地，上述高频振荡的抑制方法还包括在步骤S1之前执行的步骤S0；具体地，步骤S0包括：判断当前构网型MMC-HVDC系统是否存在高频振荡，当存在高频振荡时，转至步骤S1。

需要说明的是，判断当前构网型MMC-HVDC系统是否存在高频振荡的方法有多种，如FFT分析、Prony分析等。本实施例中优选采用以下方法来判断当前构网型MMC-HVDC系统是否存在高频振荡，具体包括：

A1、采集构网型MMC-HVDC系统MMC交流侧输出的电压信号和电流信号，并对其进行FFT分析，以判断电压信号和电流信号中是否包含高频成分，若是，则转至步骤A2；否则，判定当前构网型MMC-HVDC系统不存在高频振荡；

A2、判断MMC交流侧的电压幅值和电流幅值是否均未超过对应的安全值，若是，则判定当前构网型MMC-HVDC系统不存在高频振荡；否则，判定当前构网型MMC-HVDC系统存在高频振荡。

为了进一步说明本发明所提供的构网型MMC-HVDC系统的高频振荡抑制方法，下面结合一具体实施方式进行详述：

如图3所示为本实施方式所提供的基于电压-频率控制的构网型MMC-HVDC高频振荡抑制方法的流程图，具体实施过程包含以下几个步骤：

步骤1：对MMC交流侧输出电压、电流进行采样，获得相应的波形数据。

步骤2：对所得电压、电流波形数据进行FFT分析，判断其中是否包含高频成分，若不包含高频成分，则表明系统未出现高频振荡，跳转至步骤7，若包含高频成分则跳转至步骤3。

步骤3：判断电压、电流波形的幅值是否均未超过装备设定的对应安全值，若均未超过装备设定的安全值，则跳转至步骤7；否则，判定系统出现高频振荡，并记录系统高频振荡的频率，继续执行步骤4。

步骤4：在MMC外环电压-频率控制的比例支路上加入低通滤波器，继续执行步骤5；其中，低通滤波器初始带宽设置为500Hz；

步骤5：采集MMC交流侧输出电压、电流波形，并对所得波形数据进行FFT分析；判断电压、电流波形中是否包含高频成分，若不包含高频成分，则表明系统高频振荡得到抑制，跳转至步骤7；若电压、电流波形中包含高频成分，则继续判断电压、电流波形幅值是否均未超过装备设定的对应安全值，若均未超过，则跳转至步骤7；否则，跳转至步骤6.

步骤6：调整所加入低通滤波器的带宽，并跳转至步骤5。具体地，以50Hz为带宽调整间隔，增加低通滤波器的带宽；

步骤7：结束高频振荡抑制过程。

如图4所示为采用本发明所提供的构网型MMC-HVDC系统的高频振荡抑制方法时的构网型MMC-HVDC系统的控制流程，具体说明如下：

1)构网型MMC-HVDC系统的MMC电压-频率控制器利用PI控制器的无静差跟踪对电压信号进行控制，从而得到电流参考值，具体控制过程如下：

1.1)分别将MMC交流电压的D轴和Q轴信号(u

1.2)电压差值信号分别输入到MMC外环电压-频率控制的比例支路和MMC外环电压-频率控制的积分支路上：

D、Q轴电压差值信号经过低通滤波器进行滤波(Filter(u

与此同时，D、Q轴电压差值信号分别对应输入至MMC外环电压-频率控制的D、Q轴积分支路上，在PI控制器的积分环节的作用下乘以积分系数(k

1.3)分别在D、Q轴上，将其第一路电流信号和第二路电流信号相加，得到D、Q轴电流参考信号(i

2)构网型MMC-HVDC系统的MMC基频电流控制器利用PI控制器的无静差跟踪对电流信号进行控制，从而得到内电势参考值，具体控制过程如下：

2.1)分别将MMC交流电流的D、Q轴信号(i

2.2)电流差值信号分别输入到MMC基频电流控制的比例支路和MMC基频电流控制的积分支路上：

D、Q轴电流差值信号分别对应输入至MMC基频电流控制的D、Q轴比例支路上，在PI控制器比例环节的作用下乘以比例系数(k

与此同时，D、Q轴电流差值信号分别对应输入至MMC基频电流控制的D、Q轴积分支路上，在PI控制器的积分环节的作用下乘以积分系数(k

2.3)将MMC交流电流的D、Q轴信号(i

将所得D、Q轴内电势参考值通过反Park变换，变换到三相工频旋转坐标系下，并经过调制环节生成MMC桥臂各子模块开关器件的开关信号，作用于MMC桥臂各子模块的开关器件，这些开关器件通过控制MMC桥臂各子模块的投切生成MMC的内电势。

本发明基于电压-频率控制的构网型MMC高频振荡抑制方法的效果验证如图5所示，从图中可以看出，在0.1s时调整参数系统出现高频振荡，2.5s投入所提抑制方案后，系统高频振荡得到有效的抑制，验证了所提抑制方案的有效性。

实施例2、

一种构网型MMC-HVDC系统的高频振荡抑制系统，包括：存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时执行本发明实施例1所提供的高频振荡抑制方法。

相关技术方案同实施例1，这里不做赘述。

实施例3、

一种构网型MMC-HVDC系统，包括：高频振荡抑制模块、MMC电压-频率控制器、MMC基频电流控制器和环流控制器；

高频振荡抑制模块，用于当构网型MMC-HVDC系统存在高频振荡时，执行本发明实施例1所提供的高频振荡抑制方法。

相关技术方案同实施例1，这里不做赘述。

实施例4、

一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质包括存储的计算机程序，其中，在所述计算机程序被处理器运行时控制所述存储介质所在设备执行本发明实施例1所提供的高频振荡抑制方法。

相关技术方案同实施例1，这里不做赘述。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。