[发明专利]一种模块化多电平风电变流器的直接功率控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及海上风电的变流技术领域，尤其涉及一种模块化多电平风电变流器的直接功率控制方法。

背景技术

海上风能等可再生能源的大规模并网已成为未来电力系统及智能电网应用的发展方向。基于电压源变流器的柔性直流输电(voltage source converter-high voltage direct current transmission，VSC-HVDC)技术，应用于海上风电场远距离传输已成为当前研究热点之一。VSC-HVDC系统对电压源变流器的容量和电压等级提出了极高要求。模块化多电平变流器(modular multilevel converter，MMC)具备级联式变流器的特点，容易实现较多电平数目和模块化设计，并能实现直流侧的背靠背连接，是一种适用于VSC-HVDC的多电平拓扑结构。

传统的MMC的有功、无功功率解耦控制方法主要有两种：一、基于VSC-HVDC系统线性模型的电压定向双闭环控制方法(voltage oriented control，VOC)。二、基于VSC-HVDC系统非线性模型的查询开关表直接功率控制方法(Look-up-table direct power control，LUT-DPC)。

在目前公开的文献中所提出的电压定向控制方法主要是通过同步转速旋转坐标变换将三相交流电流转换，分解为同步旋转坐标系中的有功、无功功率电流分量，然后经过比例-积分(PI)调节器实施对有功、无功功率电流的独立控制，从而实现对MMC瞬时有功、无功功率的解耦控制。但是，该方法存在以下不足：一、PI调节器设计参数过多，调整困难。采用工程整定法大都基于系统传递函数，但该类系统较为复杂，采用简化传递函数等效计算方式得到的PI参数大都偏差较大，需在现场依赖人工经验调整，系统性能无法得到保证。二、对系统参数有一定的依赖性，采用内环前馈结构要用到系统电感等参数，在实际系统中这些参数的准确性难以保证，有时偏差较大，且随着系统运行工况的不同，会有一定的变化，因此，往往造成按照标称系统参数设计的PI调节器的实际运行性能与期望性能存在偏差。三、轻型直流输电系统数学模型本身存在强耦合、非线性等特征，而PI调节器是按照系统稳态线性化模型设计的，因此，无法保证系统动态性能，调节效果不可能达到最优。

在目前公开的文献中所提出的查询开关表直接功率控制方法源于交流电机直接转矩控制的思想，并应用于采用MMC的柔性直流输电系统中。该控制方法的基本原理是：在一个采样周期内根据瞬时有功、无功的误差以及电网位置信号，在事先确定的电压矢量开关表中选取合适的变流器输出电压矢量，使得输出功率能够快速、精确地跟踪其给定值。相对于VOC，LUT-DPC的优点主要是动态响应快，具有较高的鲁棒性。然而，其明显不足是变流器开关频率不稳定，稳态特性不如VOC，同时，还因使用了较多的传感器，造成系统成本增加和体积庞大，且由于实际应用中丢失传感器信号，以及受到噪声干扰，造成系统性能降低。

发明内容

针对上述技术问题，本发明的目的在于提供一种模块化多电平风电变流器的直接功率控制方法，其通过虚拟磁链计算有功、无功功率，无需电网电压传感器，无需设计电流内环，不仅动态响应快，开关频率恒定，而且具有更好的稳态特性。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种模块化多电平风电变流器的直接功率控制方法，包括如下步骤：

A、根据VSC-HVDC系统结构，建立模块化多电平风电变流器的数学模型；

B、通过PI调节器处理直流电压给定值与模块化多电平风电变流器的直流电压检测值V_dc的误差，获得有功电流给定值并将该有功电流给定值与直流电压检测值V_dc的乘积作为有功功率给定值p^*，其中，无功功率给定值q^*在单位功率因数运行时为零；

C、将电流传感器获得的模块化多电平风电变流器交流侧的三相交流电流信号I_u，v，w以及其各子模块的输出电压v_ju，v，w、开关函数S_ju，v，w通过虚拟磁链计算模块进行处理，获得有功功率实际值p、无功功率实际值q以及磁链矢量的空间位置角γ_ψs；