[发明专利]模型预测定交流电压控制下MMC频率耦合阻抗建模方法

说明书

本发明公开了一种模型预测定交流电压控制下MMC频率耦合阻抗建模方法，以采用模型预测定交流电压控制下的MMC为建模对象，通过电路方程频域小信号建模、模型预测定交流电压控制环路频域小信号建模，推导得到MMC小信号阻抗模型，模型由MMC正序阻抗、负序阻抗以及由于MMC内部复杂谐波动态特性引起的正序阻抗、负序阻抗频率耦合项组成。仿真验证了本发明所建立的小信号阻抗模型的准确性，本发明可以为MMC小信号阻抗建模和基于MMC系统的稳定性分析提供方法和依据。

技术领域

本发明属于电力电子设备建模技术领域，具体涉及一种模型预测定交流电压控制下MMC(模块化多电平变流器)频率耦合阻抗建模方法。

背景技术

基于MMC的高压柔性直流输电(HVDC)具有输出谐波含量低、开关损耗小、无需无功补偿、具备黑启动能力、模块化程度高等一系列优点，是大规模、远距离电能传输的优选方案；已经投运的典型工程包括德国Borwin3柔性直流输电工程、中国张北四端柔性直流输电工程，产生了巨大的经济与环保效益。

MMC的基本结构如图1所示，其主要包含3相6个桥臂，每个桥臂都是由固定数量的子模块(Sub-Module，SM)和1个桥臂电抗器串联而成，MMC每个子模块均视为可控电压源，当处于投入状态时端电压为固定值，当处于切除状态时端电压为0；又由于每个桥臂的所有子模块为串联关系，所以通过控制每个桥臂子模块的投入数量，即可以控制MMC端口输出不同电平的电压；对于单个桥臂含有N个子模块的MMC，其可输出的电平数量为N+1。

当MMC接入孤岛电网、风电场等无源电网时，需要采用定交流电压控制，从而建立、维持无源电网母线电压，保障电能的正常传输。传统的定交流电压控制一般采用电压外环、电流内环的闭环矢量控制方式，其中PI控制器可以实现电网母线电压的无差调节，但是存在控制器参数设计复杂，电压外环响应速度较慢等缺点。模型预测定交流电压控制是较为先进的控制方式，这种控制基于MMC换流站的数学模型进行设计，通过当前时刻MMC相电压、相电流、下一时刻相电压控制目标等关键变量，预测出下一时刻的调制信号，从而控制电网相电压跟随给定值，因此模型预测定交流电压控制响应迅速，且无需PI控制器参数设计，用于连接无源电网时暂态、稳态性能显著优于基于闭环矢量控制方式，是MMC送端换流站连接无源电网理想的控制策略。

由于MMC换流站为复杂电力电子器件，MMC接入无源电网容易产生不稳定和谐振现象，成为制约电能送出水平的重要因素。阻抗稳定性分析方法是分析互联系统小信号稳定性的有效办法，为利用阻抗稳定性分析法分析MMC接入无源电网的稳定性，首先需要推导MMC换流站的小信号阻抗解析模型。现有研究针对MMC换流站阻抗模型建立尚不完备，表现为当前主流的建模思路仅建立了采用传统定交流电压控制下MMC正序阻抗、负序阻抗模型，并认为正序阻抗、负序阻抗相互解耦；实际上由于MMC的内部谐波动态过程，正序与负序阻抗存在频率耦合效应，因此已建立的MMC阻抗模型并不准确。此外当前主流的建模思路没有针对采用模型预测定交流电压控制下的MMC进行阻抗建模，无法对基于模型预测定交流电压控制下MMC系统面临的不稳定和谐振问题进行分析。

MMC阻抗模型建立包含电路方程建模和控制环路建模，将控制环路建模结果代入电路方程中可求解MMC阻抗模型，因此考虑频率耦合效应的模型预测定交流电压控制下MMC阻抗模型建立的难点主要表现为：

①稳态和小信号下，MMC的子模块电容电压、桥臂电流上均存在复杂的谐波动态特性，并引起MMC正序阻抗与负序阻抗的相互耦合，建模过程需要充分考虑MMC谐波动态特性，从而获得考虑频率耦合的MMC精确阻抗模型。

②阻抗模型为频域小信号数学模型，而模型预测定交流电压控制为时域非线性算法，在建模过程中首先需要对模型预测定交流电压控制算法从时域转变为频域形式，在此基础上进行小信号线性化推导，从而推导MMC小信号阻抗。

发明内容