CN103050975B - 一种用于高压大容量电压源变流器的参数设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于高压大容量电压源变流器的参数设计方法，所述电压源变流器通过LCL滤波器与电网连接；所述LCL滤波器包括电网侧电抗器、阀侧电抗器和所述阀侧电抗器及电网侧电抗器之间并联的滤波电容器；本发明通过设置电压源变流器的控制器和LCL滤波器的参数，用于滤除电压源变流器注入电网的谐波和抑制LCL滤波器引入的变流器主回路谐振问题。与现有LCL滤波器的繁琐计算方法及简单经验算法相比，本方法根据VSC的运行特性及LCL滤波器的频域特性设计滤波器的参数，简单易行，可工程化，理论依据充分，对电网的谐波污染较小，可满足国标对电压源变流器并网电能质量的要求。

Description

一种用于高压大容量电压源变流器的参数设计方法

技术领域

本发明属于电力系统领域，具体涉及一种用于高压大容量电压源变流器的参数设计方法。

背景技术

随着电力电子控制技术及全控器件的发展，采用柔性控制方式的电压源换流器(Voltage source converter，VSC)由于诸多优点，在电力系统中如柔性直流输电、新能源并网等领域得到较广的应用。在电力工程及科研领域中，电压源换流器的额定运行功率及额定电压不断提高，已形成成熟的高压大容量换流器的市场。

引入PWM调制技术的高压大容量电压源换流器会产生开关频率倍数次的特征谐波电流，这些谐波分量通过换流变压器注入配电网后会影响网侧的电能质量并增大变压器的损耗。为满足电压源变流器的并网电能质量的要求，电压源变流器常需安装滤波器，如图1所示。近年来，复用VSC换流电抗器及换流变压器漏抗组成的LCL滤波器已成为电压源变流器输出滤波器的一种高效易行的解决方案。

业内针对电压源变流器的LCL滤波器设计方法有建立求解以电流谐波衰减比例及谐振频率为变量的方程，其参数设计复杂，不易应用于工程，也有根据简单工程经验利用LC截止频率设计LCL滤波器参数，但理论依据不充分，工程指导意义较弱。图1中，LCL滤波器包括换流电抗器、电网侧电抗及滤波电容器三部分，由于电感和电容成π型结构，则电压源变流器主电路中必然存在谐振问题，若滤波器的参数设计不当，谐振问题严重时变流器的运行稳定性将受到极大影响。

电压源变流器的电流内环控制器一般采用dq前馈解耦直接电流控制，业内分析LCL滤波器对电压源变流器控制器设计的影响时一般采用网侧电流作为电压源变流器的电流控制内环的反馈控制量，但实际工程中电压源变流器常采用基于阀侧电流反馈控制的dq前馈解耦直接电流控制策略。电压源变流器的阀侧电流与网侧电流的基波含量与谐波含量不尽相同，利用网侧电流控制阀侧电流容易造成变流器的控制目标难以准确实现。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种用于高压大容量电压源变流器的参数设计方法，以提升LCL滤波器的性能并抑制变流器对电网的谐波污染程度。相比于常规LCL滤波器设计中难以应用于工程的复杂算法，以及以工程经验为基础的只考虑LC滤波环节的滤波器参数设计方法，本设计方法根据LCL结构下电压源变流器的频域特性及变流器的功率运行范围得出变流器主回路参数设计方法，该设计方法简单易行、易于工程化，可缩短高压大容量电压源变流器主电路拓扑的研发周期。

本发明提供的一种用于高压大容量电压源变流器的参数设计方法，所述电压源变流器通过LCL滤波器与电网连接；所述LCL滤波器包括电网侧电抗器、阀侧电抗器和所述阀侧电抗器及电网侧电抗器之间并联的滤波电容器；其改进之处在于，通过设置电压源变流器的控制器和LCL滤波器的参数，用于滤除电压源变流器注入电网的谐波和抑制LCL滤波器引入的变流器主回路谐振问题。

其中，所述LCL滤波器涉及的参数包括阀侧电抗器电抗值、电网侧电抗器电抗值、短路谐振频率、开路谐振频率和滤波电容器电容值。

其中，设置所述阀侧电抗器时，利用电压源变流器的功率运行范围及电压源变流器主电路额定参数得出阀侧电抗器的电感值。

其中，所述额定参数包括额定直流电压、额定直流电压利用率和额定调制度。

其中，所述阀侧电抗器电感量的表达式为：

$L_c=\frac{\mathrm{\μM}{U}_{\mathrm{dc}}^{*}-\sqrt{2}}{\sqrt{2}\·Q_s^{*}}\·\frac{{U_N}^2}{2\mathrm{\πf}\·S_N};$

式中，μ为直流电压利用率，M为额定调制度，为直流电压标幺值，为额定无功功率，f为工频50Hz，U_N为基准电压，S_N为基准容量。

其中，所述电网侧电抗器电抗值为换流变压器等效感抗及电网短路感抗之和。

其中，求取所述电网侧电抗器电抗值时，计算所述换流变压器折算至二次侧的等效感抗和电网的短路感抗；

并网处电网的短路阻抗为：

$L_s=\frac{c{U_{2N}}^2}{S_c};$

式中，c为短路计算系数；S_c为实际短路容量；U_2N为变压器二次侧额定电压换流变压器等效电感为：

$L_T=\frac{U_k\·{U_{2N}}^2}{100\·S_T};$

式中，U_k为换流变压器的阻抗电压百分比，单位为%；U_2N为变压器二次侧额定电压；S_T为换流变压器额定容量。

其中，设置所述短路谐振频率时，其表达式为：

$f_n=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\·\sqrt{\frac{\frac{L_{\mathrm{sys}}+L_T}{L_c}+1}{(L_{\mathrm{sys}}+L_T)\·C_{\mathrm{filter}}}}.$

其中，设置所述开路谐振频率时，其表达式为：

$f_1=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\·\frac{1}{\sqrt{(L_{\mathrm{sys}}+L_T)\·C_{\mathrm{filter}}}};$

式中，C_filter为LCL滤波器中滤波电容器电容值。

其中，设置所述滤波电容器时，根据下述条件确定：

a、使阀侧电抗器和滤波电容器组成LC滤波器的截止频率为开关频率的1/4-2/5，得出滤波电容器值范围；

b、使短路谐振频率fn的范围为550Hz至开关频率的1/2，得出滤波电容参数；

c、根据频域特性验算电压源变流器控制系统的传递函数在短路谐振频率fn处频域响应小于-20dB。

其中，设置电压源变流器的控制器时，通过调整阀侧电流的反馈采样环节参数确定所述电压源变压器的电流内环控制器控制系统。

与现有技术比，本发明的有益效果为：

本发明的滤波器可以有效滤除电压源变流器产生的特征谐波、满足电压源变流器的并网电能质量要求，同时从控制系统设计环节抑制了LCL滤波器引入的谐振现象、避免了常规利用阻尼电阻抑制谐振造成的功率损耗问题。

现有技术中，采用低压低容量电压源变流器应用场合利用在滤波电容支路串联阻尼电阻以抑制LCL滤波器的谐振程度，但这种方法在高压电压源变流器应用场合造成较大功率损耗。本设计方法基于阀侧电流反馈控制得出电压源变流器电流内环的开环传递函数及闭环传递函数，基于频域分析方法得出变流器电流内环控制环节中反馈采样环节的设计原则，从而从控制系统设计层面实现谐振抑制、提高运行稳定性，同时避免了功率损耗问题。

常规针对VSC的LC滤波器设计中往往忽略网侧电抗，即只分析LC滤波器的滤波效果及其对电压源变流器运行特性的影响，系统谐振频率、频域特性等分析结果与实际不符，在此理论基础上的滤波器参数设计方法不尽合理。本发明考虑了完整涉及电压源变流器主电路各装置的LCL滤波器的等效阻抗表达式及电压源变流器系统电压传递函数，数学模型准确可靠，在此理论分析的基础上分析LCL滤波器的阻抗-频域特性、电压源变流器传递函数的频域特性以及LCL滤波器的开路及短路谐振频率，并根据变流器的特征谐波分布进行LCL滤波器的参数设计，其效果更精确。

本发明说明了一种在三相电压源变流器控制系统设计上实现LCL谐振抑制的方法，并基于阀侧电流反馈控制得出考虑LCL环节的电压源变流器的电流内环控制框图，同时通过对采用LCL滤波结构的电压源变流器的开环传递函数和闭环传递函数的频域分析，得出反馈采样环节截止频率的设计原则，以实现谐振频率处谐振抑制及变流器系统运行稳定性的提高。

与现有LCL滤波器的繁琐计算方法及简单经验算法相比，本方法根据VSC的运行特性及LCL滤波器的频域特性设计滤波器的参数，简单易行，可工程化，理论依据充分，滤波效果较好，可满足国标对电压源变流器并网电能质量的要求。

与现有采用网侧电流反馈控制的dq前馈解耦直接控制系统不同，本方法在分析基于LCL的电压源变流器的控制系统时采用实际工程中常用的阀侧电流反馈控制，经理论推导得出电压源变流器的电流内环控制器的控制系统框图，该控制框图更接近工程实际，而且可据此分析LCL滤波器及其对VSC的控制特性的影响。

本发明基于电压源变流器电流内环控制器开环传递函数和闭环传递函数的频域特性，经分析变流器谐振问题与电流内环控制系统的关系得出反馈采样环节H(s)截止频率的选取原则，在保证对控制系统控制量有效提取的同时，从控制系统层面抑制LCL滤波器造成的系统固有谐振问题。

附图说明

图1为本发明提供的电压源变流器接入系统的主电路结构图。

图2为本发明提供的电压源变流器的控制器的电流内环控制器控制框图。

图3为本发明提供的基于LCL结构的开环传递函数频域特性。

图4为本发明提供的基于LCL结构的闭环传递函数频域特性。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

采用LCL滤波器的三相电压源变流器（VSC）主电路拓扑如图1所示，其中LCL滤波器包括电网侧电抗器、阀侧电抗器和所述阀侧电抗器及电网侧电抗器之间并联的滤波电容器。

用于高压大容量变流器的LCL滤波器涉及的参数包括阀侧电抗器电抗值、电网侧电抗器电抗值、短路谐振频率、开路谐振频率和滤波电容器电容值。其设计方法为：

（1）、计算阀侧电抗器电抗值参数。利用电压源变流器的功率运行范围及电压源变流器主电路额定参数（额定直流电压、额定直流电压利用率、额定调制度等）得出阀侧电抗器的电感量： $L_c=\frac{\mathrm{\μM}{U}_{\mathrm{dc}}^{*}-\sqrt{2}}{\sqrt{2}\·Q_s^{*}}\·\frac{{U_N}^2}{2\mathrm{\πf}\·S_N},$ 式中μ为直流电压利用率，M为额定调制度，为直流电压标幺值，为额定无功功率，f为工频50Hz，U_N为基准电压，S_N为基准容量。

（2）、电网侧电抗器，即为换流变压器。其为并网处电网的短路阻抗及换流变压器的等效阻抗之和，考虑LCL滤波器对阀侧电流即变压器二次侧电流进行滤除，因此计算变压器等效阻抗以折算值变压器二次侧考虑。并网处电网的短路阻抗为：式中c为短路计算系数，高压场合为1.05，S_c为实际短路容量，U_2N为变压器二次侧额定电压，变压器等效电感为U_k为换流变压器的阻抗电压百分比（单位为%），U_2N为变压器二次侧额定电压，S_T为换流变压器额定容量。

（3）、基于LCL滤波器的阻频特性及VSC系统电压传递函数的频域特性计算得到LCL滤波器的短路谐振频率 $f_n=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\·\sqrt{\frac{\frac{L_{\mathrm{sys}}+L_T}{L_c}+1}{(L_{\mathrm{sys}}+L_T)\·C_{\mathrm{filter}}}},$ 以及开路谐振频率 $f_1=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\·\frac{1}{\sqrt{(L_{\mathrm{sys}}+L_T)\·C_{\mathrm{filter}}}}.$ LCL滤波器可有效滤除频率大于短路谐振频率f_n的谐波分量，而在谐振频率f_n处则由于LC谐振引入谐波的谐振放大问题。同时，采用正弦脉宽调制（SPWM）或空间矢量脉宽调制（SVPWM）的电压源变流器所产生的特征谐波频率主要为ω_c±2ω_r，2ω_c±ω_r，3ω_c±2ω_r，3ω_c±4ω_r。其中ω_c为载波频率，ωr为基波频率。

基于谐振抑制及谐波滤除，根据LCL滤波器频域特性合理设计滤波电容C的参数，如下：

a、使阀侧电抗器和滤波电容器组成LC滤波器的截止频率为开关频率的1/4-2/5，得出滤波电容器值范围；

b、为防止开关死区造成谐波的谐振问题，使fn略大于550Hz（11th），可取550Hz~开关频率/2，从而确定滤波电容参数；

c、根据频域特性验算电压源变流器控制系统的传递函数在短路谐振频率fn处频域响应小于-20dB。

（4）、从电压源变流器的控制系统层面分析LCL滤波器造成的谐振问题，考虑反馈采样环节H（s）参数对控制器控制特性及谐振抑制的影响。常规用于电压源变流器的LCL滤波器通常采用网侧电流反馈得出其电流内环控制系统，但实际工程中基本采用阀侧电流反馈控制，本方法基于阀侧电流反馈控制分析基于LCL滤波环节的电压源变流器的电流控制内环，得出其控制框图如图2所示。其电流内环控制器传递函数突破了常规采用网测电流反馈控制的控制系统设计，采用了工程中一般采用的阀侧电流反馈控制，用于设计LCL滤波结构的电压源变流器的控制系统；且其基于小信号线性分析方法，综合考虑电网电压及电压源变流器阀侧电压的对控制电流的影响。

图2中，L₂Cs²+1及 $\frac{1}{L_1{L}_2{\mathrm{Cs}}^3+(L_1+L_1)s}$ 为只考虑阀侧电源U_c对变流器阀侧电流I₂作用的传递函数，即只考虑在U_c作用下LCL主回路结构的负载传递函数； $\frac{1}{L_1{L}_2{\mathrm{Cs}}^3+(L_1+L_1)s}$ 为只考虑阀侧电源U_s对变流器阀侧电流I₂作用的传递函数，即只考虑在U_c作用下LCL主回路结构的负载传递函数；为电压源变流器主回路考虑桥路增益及开关时延的传递函数；为电流内环的控制器方式，即常规的PI控制；为对阀侧电流进行采样的反馈滤波环节传递函数，为常规的低通低通滤波器传递函数。在该控制框图中，实际测量的阀侧电流I₂经反馈滤波环节滤除大部分谐波分量后，与阀侧电流的控制目标即I_ref进行比较求差，其差值进入PI控制器进而得到对变流器开关桥进行反馈控制的控制信号，即考虑电压源变流器桥路控制环节的阀侧电压U_c。利用阀侧电压和系统电压对阀侧电流作用的传递函数得到阀侧电流的实际值，从而形成闭环反馈控制。

可以利用对电流内环控制器传递函数的频域分析得到PI控制器的PI控制参数。分析考虑桥路增益的LCL负载传递函数的频域特性，以及PI控制器的频域特性：

①利用PI控制器的零点与负载传递函数的极点对消以提高系统稳定性；

②基于兼顾内环控制系统的快速跟随性及系统的稳定性，合理控制PI穿越频率（PI控制器在频域增益为零时的频率）为LCL负载传递函数的谐振频率的1/10。

图3为电压源变流器的电流控制内环的开环传递函数频域特性，可看出若反馈滤波环节H(s)的截止频率f_H高于系统谐振频率f_n，开路频率f₁及谐振频率f_n之间频段的控制响应特性为正反馈，在该频段中的谐波分量将被放大；若反馈滤波环节H(s)的截止频率f_H低于系统谐振频率f_n，开路频率f₁及谐振频率f_n之间的频段的控制响应特性为负反馈，在该频段中的谐波分量将被抑制。因此，根据电流控制内环的开环传递函数的频域特性，使反馈滤波环节H(s)的截止频率f_H低于系统谐振频率f_n，以使开路频率f1及谐振频率fn之间的频段为内环控制器响应的负反馈频段，以抑制该频段中谐波分量。

图4为电压源变流器的电流控制内环的闭环传递函数的频域特性，可看出随着H(s)截止频率f_H的不断下降，闭环传递函数的频域峰值带向低频方向移动，闭环传递函数振荡频率f_x处频域幅值也不断下降，闭环传递函数的正反馈频段也不断向低频方向移动，位于谐振频率f_n附近的电流内环的闭环控制增益不断增大，且正反馈频段不断缩小。当H(s)的截止频率f_H低于一定程度后，经闭环反馈控制后，f_H越小，f_n处的控制增益越大，从而造成频率为谐振频率f_n处谐波的幅值增益较大。因此，根据电流内环闭环传递函数的频域特性，使H(s)的截止频率f_H低于但接近系统谐振频率f_n，使闭环传递函数的频域特性在谐振频率处的增益幅值小于10dB，以抑制谐振频率附近谐振的放大程度。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种用于高压大容量电压源变流器的参数设计方法，所述电压源变流器通过LCL滤波器与电网连接；所述LCL滤波器包括电网侧电抗器、阀侧电抗器和所述阀侧电抗器及电网侧电抗器之间并联的滤波电容器；其特征在于，通过设置电压源变流器的控制器和LCL滤波器的参数，用于滤除电压源变流器注入电网的谐波和抑制LCL滤波器引入的变流器主回路谐振问题；

所述LCL滤波器涉及的参数包括阀侧电抗器电抗值、电网侧电抗器电抗值、短路谐振频率、开路谐振频率和滤波电容器电容值；

设置所述阀侧电抗器时，利用电压源变流器的功率运行范围及电压源变流器主电路额定参数得出阀侧电抗器的电感值；

所述额定参数包括额定直流电压、额定直流电压利用率和额定调制度。

2.如权利要求1所述的参数设计方法，其特征在于，所述阀侧电抗器电感量的表达式为：

式中，μ为直流电压利用率，M为额定调制度，为直流电压标幺值，为额定无功功率，f为工频50Hz，U_N为基准电压，S_N为基准容量。

3.如权利要求1所述的参数设计方法，其特征在于，所述电网侧电抗器电抗值为换流变压器等效感抗及电网短路感抗之和。

4.如权利要求3所述的参数设计方法，其特征在于，求取所述电网侧电抗器电抗值时，计算所述换流变压器折算至二次侧的等效感抗和电网的短路感抗；

并网处电网的短路阻抗为：

式中，c为短路计算系数；S_c为实际短路容量；U_2N为变压器二次侧额定电压

换流变压器等效电感为：

式中，U_k为换流变压器的阻抗电压百分比，单位为％；U_2N为变压器二次侧额定电压；S_T为换流变压器额定容量。

5.如权利要求1所述的参数设计方法，其特征在于，设置所述短路谐振频率时，其表达式为：

L_sys为系统电网的内部阻抗；

L_T为换流变压器等效电压；

L_C为滤波器支路的电感；

C_filter为滤波器支路的电容。

6.如权利要求1所述的参数设计方法，其特征在于，设置所述开路谐振频率时，其表达式为：

式中，C_filter为LCL滤波器中滤波电容器电容值；

L_sys为系统电网的内部阻抗；

L_T为换流变压器等效电压；

L_C为滤波器支路的电感；

C_filter为滤波器支路的电容

。

7.如权利要求1所述的参数设计方法，其特征在于，设置所述滤波电容器时，根据下述条件确定：

a、使阀侧电抗器和滤波电容器组成LC滤波器的截止频率为开关频率的1/4-2/5，得出滤波电容器值范围；

b、使短路谐振频率fn的范围为550Hz至开关频率的1/2，得出滤波电容参数；

c、根据频域特性验算电压源变流器控制系统的传递函数在短路谐振频率fn处频域响应小于-20dB。

8.如权利要求1所述的参数设计方法，其特征在于，设置电压源变流器的控制器时，通过调整阀侧电流的反馈采样环节参数确定电压源变压器的电流内环控制器。

9.如权利要求8所述的参数设计方法，其特征在于，所述电流内环控制器的控制环节的控制方法包括：实际测量的阀侧电流I₂经反馈滤波环节滤除谐波分量后，与阀侧电流的控制目标I_ref进行比较求差，其差值进入PI控制器，进而得到对所述电压源变流器开关桥进行反馈控制的控制信号，利用阀侧电压U_c和系统电压对阀侧电流作用的传递函数得到阀侧电流的实际值，形成闭环反馈控制。