CN102405575A - 控制高压直流(hvdc)链路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种带电压电源变换器VSC(3)和互连的两个电力系统(1)的高压直流HVDC链路。具有降低的水平线策略的模型预测控制用于控制双环或双层控制方案的外环或HVDC链路的设置。双环控制方案利用了HVDC链路和互连的电力系统的不同的系统变量的动态变化速度的差异。代表互连的电力系统的行为的基于模型的预测允许在考虑任何物理的、安全性和运行约束条件时比较用在控制方案中的不同控制输入的将来效果。它对于整个运行范围是有效的，即它避免了在离开HVDC链路的控制方案的标称运行点时的性能降低。

Description

控制高压直流(HVDC)链路
技术领域
本发明涉及电力传输网络领域，并且具体而言涉及通过带电压电源变换器(VSC)的高压直流(HVDC)链路互连的电力系统的控制或运行。
背景技术
用于高压直流(HVDC)系统的电压电源变换器(VSC)为电网中或电网之间的互连提供了节省成本的解决方案，从而允许在预防故障蔓延以及全面增加低频和电压稳定性的同时在两个方向上的有功功率控制和无功功率控制。VSC-HVDC系统运行的主要控制任务是在宽范围的运行条件和系统参数上实现稳定和可靠的运行。此外，对于系统的运行，抑制暂态过电压和过电流是至关重要的。HVDC应用中VSC的现有控制解决方案是基于采用局部线性化和/或平均化的系统模型的控制器的设计，该系统模型仅仅能预测或分析本地电力系统不稳定的出现，这是因为引起后者的动态变化未在控制器设计中适当解决。
Xiaoyan Wen等在IEEE International Conference on Power SystemTechnology 2006(XP031053573)的论文“Dynamic Model and PredictiveCurrent Control of Voltage Source Converter Based HVDC”提出了一种具有慢“外”和快“内”控制环的VSC-HVDC的控制方法。外控制环或外部控制环通过在旋转参考系内确定两个变换器电流分量参考(i，i)作为内控制环或内部控制环的输入来控制DC链路电压和/或有功功率流和无功功率流。后者计算跟踪请求的电流所需要的电压，即确定调制电压u，u并最终馈送到脉冲宽度调制器(PWM)单元中。内环被指定为“预测电流控制”并假定用简单的单步向前预测获得期望的电流参考。外环的特色是转换(到旋转参考系中)和分离状态变量从而能够正确地运行所采用的PI(比例-积分)控制方案的锁相环(PLL)。
发明内容
因此本发明的目的是允许通过带电压电源变换器(VSC)的高压直流(HVDC)链路互连的电力系统稳定和可靠运行。通过根据独立权利要求的控制方法和计算机程序达到该目的。从从属的专利权利要求中，进一步的优选实施例是明显的，其中权利要求从属关系不应解释为排除另外的有意义的权利要求组合。
根据本发明，HVDC链路和互连的电力系统的初始状态在扩展采样周期的起点确定。包括HVDC链路和互连的电力系统的离散时间预测模型被用于预测变换器电流值的特定序列的效果，作为包括进入将来的多个时间步的期望预测水平线之上的示范控制输入或判决变量。变换器电流值的最佳序列被确定为通过优化目标函数最佳地接近选择的受控变量的目的行为或期望行为。在该最佳序列中，仅第一变换器电流值被保留和提供给用于HVDC链路的控制方案的内环，该序列的所有随后控制输入被丢弃。对于其余的扩展采样周期和基于第一被优化的变换器电流值，内环重复地确定被优化的脉冲宽度调制电压参考值。这些电压参考然后被转发并施加给HVDC链路的VSC中的脉冲宽度调制器(PWM)单元。在随后的扩展采样周期的起点，获得HVDC链路和互连的电力系统的更新状态，并且随后的第一变换器电流值被确定并提供给内环。
最佳将来控制输入的序列通过评估、尤其是最小化目标、目的或成本函数来获得。目标函数不利于(penalize)受控变量与受控变量的参考或控制目标的偏差。受控变量包括在HVDC链路上传送的有功功率或无功功率Pin，Qin、HVDC链路的DC链路电压Vdc、或在HVDC链路的VSC处的AC滤波器电压幅值Vac中的至少一个。目标函数又取决于由HVDC链路和互连的电力系统的预测模型结合将来控制输入所预测的预期行为或将来状态，并同时满足预定的约束条件。后者包括电力系统的物理(VSC的电压参考限制)、安全性(在故障情况下的电流限制)和运行约束条件。
在优选的实施例中电力系统的预测模型是分段仿射(PWA)。这提供了更多的建模能力，而且预测模型可以描述运行的不同模式以及包含用于对逻辑组件建模的离散值状态和输入。
在本发明的一个有利变型中，内环优化问题对于整个运行范围是线性的并是离线预先求解的(pre-solved)，从而产生PWM控制规则或最佳脉冲宽度调制电压参考值的查找表。后者可以稍后在扩展采样周期的起点给出变换器电流参考值以及在扩展采样周期期间在系统控制频率下重复地采样更新系统量值的情况下被不断地评估。预先解(pre-solution)在执行内环的数字信号处理器(DSP)或现场可编程序门阵列(FPGA)的计算能力受限的情况下是特别有用的。
本发明最有利地应用于包括具有超过0.5的电网阻抗Lg的脆弱网络的电力系统。在这种情况下，在HVDC链路的VSC处的AC滤波器电压幅值Vac是产生最好的优化结果的优选受控变量。
总而言之，具有降低的水平线策略(receding horizon policy)的模型预测控制用于控制双环或双层控制方案的外环或HVDC链路的设置。双环控制方案利用了HVDC链路和互连的电力系统的不同的系统变量的动态变化速度的差异。表示互连的电力系统的行为的基于模型的预测允许在考虑任何物理的、安全性和运行约束条件时比较应用在控制方案中的不同控制输入的将来效果。它对于整个运行范围是有效的，即它避免了在离开HVDC链路的控制方案的标称运行点时的性能降低。
本发明还涉及一种包括计算机程序代码部件的计算机程序产品，用于控制带VSC的HVDC链路的控制器的一个或多个处理器，特别地，计算机程序产品包括其中包含计算机程序代码部件的计算机可读介质。
附图说明
在下文中参考在附图中图解的优选的示范实施例将更详细地解释本发明的主题，其中：
图1示意地示出了互连两个电力系统的HVDC链路；
图2阐明了模型预测控制方案的主要原理；和
图3到5分别描述了受控变量Pin，VDC和VAC的演变。
具体实施方式
图1示出了连接两个电力系统或电力网或(子)网的高压直流(HVDC)链路。两个电力系统(1)通过电压电源和电网阻抗Lg的串联连接示意地表示，并通过LC滤波器(2)连接到HVDC链路。HVDC链路包括两个电压电源变换器(VSC)(3)和DC线(4)。电力系统(1)表示初级设备(包括发电机、变压器、滤波器和AC传输线等)的部件的任何数量和布置。
图2描述了模型预测控制(MPC)方案的主要原理。系统状态或特殊物理系统量随着时间的演变由一维或多维轨迹表示。考虑其动态变化的模型被用于基于在时间t0时的电流状态以及对于多个不同的潜在候选输入序列(Δu i)预测输出轨迹(x i)。然后基于在称为预测间隔(tp)的时间窗口上每一个预测的轨迹与期望参考轨迹(x ref)的偏差来定义目标或成本函数。评估各种潜在输入序列的效果，并且选择其目标函数被优化的序列。
为了调节受控变量，即在DC链路上的有功功率传输或无功功率传输(Pin，Qin)、在变换器站和连接的电力网之间的接口处的AC滤波器电压幅值(Vac)和DC链路电压(Vdc)(参见图1)，HVDC控制最后在VSC中设置脉冲宽度调制(PWM)单元的调制电压参考。前述的受控变量的参考用作外部控制环或外控制环的输入，该外部控制环或外控制环常规地借助PLL运行。PLL用于使d-q轴的参考系与滤波器电压同步，从而分别分离控制目标和变量，即有功功率传输/d轴变量和滤波器电压幅值/q轴变量。外控制环确定了进入或离开VSC(参见图1)的AC电流的变换器电流参考(idref，iqref)，该变换器电流参考(idref，iqref)被馈送到内部控制环中。PLL的调谐可能是要求高的并且是闭环系统的不稳定行为的源，并且产生的性能能够显著地依赖于系统参数。
另一方面，MPC本质上是具有在时域上阐述的预测模型的多目标/多变量方法。它不需要任何附加技巧，例如通过特别选择的参考系转换的变量分离，从而将控制系统与电网的网频同步。换句话说，提出的MPC解决方案包括本质上独立于d-q参考系的选择角并因此不需要采用锁相环PLL的控制结构。可以单独地保留PLL来确定网频中的变化，但是因为这是一种慢变化的量，所以它未显著地影响HVDC控制方案的动态变化。
提出的解决方案基于双环或双层结构，其中外环或外部环接收指定控制目标作为有功/无功功率(Pin，Qin)和dc/ac电压(Vdc，Vac)的参考值，并确定了变换器电流参考值的序列{idref，iqref}作为最佳输入序列。在后者中，第一值idref 1，iqref 1被传给下级电流控制环。外环包括基于包括HVDC链路、LC滤波器和如上限定的电力系统的非线性控制模型系统的优化，其中所述变换器电流作为判决变量而前述的有功/无功功率和dc/ac电压参考作为控制目标。典型地，MPC预测水平线是大约10ms的数量级，并跨越多个扩展采样周期，每个扩展采样周期典型的是1ms，其对应于外环采样周期或采样频率，系统状态、受控变量和约束条件可以该外环采用周期或采样频率被更新。内部环又仅基于HVDC链路和LC滤波器的线性控制模型，即排除了通过前者连接的电力系统，并根据外部环请求的变换器电流，确定用于VSC的PWM单元的实际调制电压参考。后者可以基于任何变换器拓扑(例如，级联半桥“M2LC”和级联全桥“链式连接(Chain-link)”)。内部环还考虑了HVDC链路和LC滤波器的线性控制模型的更新的系统量，以例如为10kHz的系统控制和/或采样频率提供该更新的系统量。对于内部环，MPC也可以典型地随毫秒的一小部分(即，0.1到0.3ms)的预测水平线使用。可选择地是，内部环可使用传统的、快速的和已证明的PI(比例-积分)控制。
提出的解决方案不需要在HVDC链路两端的两个变换器站之间进行任何信息交换，即两个VSC独立运行。这是重要的特征，因为控制系统的高采样率(典型地在数kHz的范围内)不允许在两个远离的变换器站之间进行可靠信息交换，特别是在面对通信通道可能断供(outage)时。
在下面提供一些仿真结果来演示在控制方案的外部环中的MPC控制器的闭环性能。提出的方案在处理“脆弱”网络时，即当系统的AC和DC功率之间的短路比率小(典型地低于2)时(其相当于范围从每单位值0.5到1的电网阻抗Lg)，是特别有效的。标准的控制方案在处理这种情况时具有相当大的困难。取当上述比率和电网阻抗Lg都等于1的极端情况，图3到5在每单位值中和作为时间(1时间单位＝0.1毫秒)的函数显示了受控变量，即VSC传送的有功功率(图3)、HVDC链路的DC电压(图4)和两个站的两个滤波器电压(图5)。传送的功率的参考值是+/-0.5，但是DC和滤波器电压应该是被操控为1。提出的MPC方案清楚地设法将受控变量操控为请求的值。

Claims (5)

1.控制带两个电压电源变换器VSC(3)和互连的两个电力系统(1)的高压直流HVDC链路的方法，包括
(a)在扩展采样周期的起点t*确定所述HVDC链路和所述电力系统(1)的当前状态，
(b)通过基于表示所述HVDC链路和所述电力系统(1)的预测模型在预测水平线tp上优化目标函数，导出最佳变换器电流参考值的序列{idref，iqref}，
(c)将所述序列的第一最佳值idref 1，iqref 1传给内部控制环，
(d)通过所述内部控制环和基于所述接收的第一最佳值idref 1，iqref 1，导出被优化的脉冲宽度调制电压参考值，
(e)将被优化的脉冲宽度调制电压参考值施加到VSC(3)的脉冲宽度调制器(PWM)单元，
(f)在所述扩展采样周期期间，重复步骤(d)和(e)，和
(g)通过在所述扩展采样周期的终点返回步骤(a)来闭合外部控制环。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于步骤(b)包括基于分段仿射预测模型来优化目标函数。
3.根据权利要求1的方法，其特征在于步骤(d)包括通过回到查找表来导出被优化的脉冲宽度调制电压参考值。
4.根据权利要求1的方法，其中由所述HVDC链路互连的电力系统(1)中的至少一个电力系统包括脆弱的网络，其特征在于步骤(b)包括优化目标函数，该目标函数不利于与所述HVDC链路的VSC处的AC滤波器电压幅值Vac的参考的偏差。
5.用于执行根据权利要求1到4中任一项所述方法的计算机程序。
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