CN103904676B - 一种vsc-hvdc的下垂控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种VSC-HVDC的下垂控制方法，该方法利用VSC模拟同步发电机的外特性，同步发电机既可联网发电也能向无源孤岛直接供电，因此可借鉴同步发电机的控制特性来设计无需切换控制器结构的VSC-HVDC控制策略。故采用本发明方法可使得VSC能够主动控制交流电压调制波形的频率、相位和幅值，以保证向无源网络供电时能提供稳定的电压波形；此外，本发明方法可使VSC具备频率有差调节特性以适应联网运行时交流电网的负荷波动。因此，本发明采用下垂控制方法适用于VSC-HVDC联网和孤岛两种运行方式，且能够保证VSC-HVDC在两种运行方式间平滑且稳定地切换。

Description

一种VSC-HVDC的下垂控制方法

技术领域

本发明属于电力系统技术领域，具体涉及一种VSC-HVDC的下垂控制方法。

背景技术

VSC-HVDC(voltagesourceconverterbasedhighvoltagedirectcurrent，电压源换流器型直流输电系统)采用可关断电力电子器件，无需借助外部电源便可实现换相，因此具备向无源网络供电的能力。此外，VSC-HVDC技术与传统直流输电技术相比，还具有不需要无功补偿、无换相失败问题、谐波水平低、适合构成多端直流输电系统、占地面积小等技术优势，因此VSC-HVDC具有广阔的工程应用前景。

电网运行中，为增强重要负荷的供电可靠性，可采用VSC-HVDC和交流线路为重要负荷双路供电，正常情况下双路供电，特殊情况下由VSC-HVDC或交流线路单路供电。以我国正在建设的舟山多端柔性直流输电工程为例，该工程在正常运行时，五个VSC(voltagesourceconverter，电压源换流器)与交流电网均有交流线路联系(该运行方式称为联网运行方式)，但在故障或检修情况下，舟山电网中将出现无源孤岛，因此需要某个或某几个VSC向无源孤岛供电(该运行方式称为孤岛运行方式)，但VSC孤岛方式只是临时运行方式，当交流联络线故障清除或检修完成后，为增强系统供电可靠性，无源孤岛仍需通过交流线路重合闸与交流电网的恢复连接，VSC随之转入联网运行方式。在上述情境下，VSC需要具备在联网运行方式和孤岛运行方式间稳定转换的能力。

VSC-HVDC连接有源系统的控制策略主要有定直流电压控制、定有功功率控制、定交流电压控制、定无功功率控制、定频率控制等方式。VSC-HVDC向无源网络供电的控制策略主要包括幅相控制、直接电压控制、直接电流控制和非线性控制等方式。ZhangL、HarneforsL、NeeHP在标题为ModelingandcontrolofVSC-HVDClinksconnectedtoislandsystems(IEEETransactionsonPowerSystems，2011，26(2)：783-793)的文献中指出VSC采用定功率控制方式与弱交流系统连接时存在控制系统稳定性和动态性能较差的问题，并为此提出了一种VSC-HVDC功率同步控制器，该控制器既可用于VSC与强交流系统相连也适用于VSC与弱交流系统相连的情景。王珂、骆健、杨胜春等在标题为向无源网络供电的VSC-HVDC启动控制研究(中国电机工程学报，2011，第31卷，277-281)的文献中设计了向无源网络供电的级联比例积分式双闭环控制器，该控制器的电流响应速度快且能控制交流故障电流。

但是，上述研究主要集中于VSC-HVDC处于联网或向无源孤岛供电某单一运行方式下的控制器设计，采用这些控制方法的VSC-HVDC无法在联网运行方式和无源孤岛运行方式间稳定地相互转换。

发明内容

针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种VSC-HVDC的下垂控制方法，可以保证VSC-HVDC在联网运行方式和孤岛运行方式间稳定地转换。

一种VSC-HVDC的下垂控制方法，包括如下步骤：

(1)对于VSC-HVDC中的受端VSC，检测其网侧交流有功功率P_s和交流无功功率Q_s，进而计算其控制系统所需的参考相位θ；

(2)根据参考相位θ对受端VSC网侧三相交流电压进行dq变换(同步旋转坐标变换)，得到受端VSC网侧三相交流电压的d轴分量u_sd和q轴分量u_sq；

(3)根据d轴分量u_sd和q轴分量u_sq，采用基于下垂特性的外环控制器计算出受端VSC网侧三相交流电流的d轴参考量i_sdref和q轴参考量i_sqref；

(4)根据d轴参考量i_sdref和q轴参考量i_sqref采用内环电流控制算法，计算生成调制电压信号v_dref和v_qref；

(5)根据参考相位θ对调制电压信号v_dref和v_qref进行dq反变换得到三相调制电压信号v_aref～v_cref，进而通过调制技术生成一组触发信号以控制受端VSC中桥臂电力电子器件的通断。

所述的步骤(1)中基于以下算式计算受端VSC控制系统所需的参考相位θ：

θ＝2πf_st+K∫(P_sref-P_s)dt

其中：f_s为受端交流电网的基准频率，P_sref为受端VSC联网运行时期望的网侧交流有功功率，K为预设的积分系数，t为时间。

所述的步骤(3)中采用基于下垂特性的外环控制器计算受端VSC网侧三相交流电流的d轴参考量i_sdref的具体控制算法如下：

A1.使预设的受端VSC网侧三相交流电压的d轴参考量u_sdref减去d轴分量u_sd，进而对相减结果进行比例调节得到受端VSC网侧三相交流电压的d轴误差量Δu_sd；

A2.使受端VSC联网运行时期望的网侧交流无功功率Q_sref减去交流无功功率Q_s，进而对相减结果进行比例调节得到受端VSC网侧交流无功功率的误差量ΔQ_s；

A3.使d轴误差量Δu_sd与误差量ΔQ_s相累加，进而对累加结果进行比例调节或比例积分调节得到受端VSC网侧三相交流电流的d轴参考量i_sdref。

所述的步骤(3)中采用基于下垂特性的外环控制器计算受端VSC网侧三相交流电流的q轴参考量i_sqref的具体控制算法为：使预设的受端VSC网侧三相交流电压的q轴参考量u_sqref减去q轴分量u_sq，进而对相减结果进行比例调节或比例积分调节得到受端VSC网侧三相交流电流的q轴参考量i_sqref。

所述的受端VSC网侧三相交流电压的q轴参考量u_sqref设定为0。

所述的步骤(5)中采用脉宽调制技术或最近电平逼近调制技术生成所述的触发信号。

本发明的方法利用VSC模拟同步发电机的外特性。同步发电机既可联网发电也能向无源孤岛直接供电，因此可借鉴同步发电机的控制特性来设计无需切换控制器结构的VSC-HVDC控制策略。当同步发电机转速偏离额定值时，同步发电机调速系统会调整发电机机械功率来调节转速，且调速系统的有差调节特性可以使各机组合理分担负荷。参考同步发电机的频率有差调节特性，可设计VSC的频率有差调节特性。

VSC调制三相电压波形的幅值需由外环控制器控制，VSC在联网运行方式和孤岛运行方式下一般均可采用定网侧交流电压控制，但当VSC与同步发电机等具有无功调节能力的设备的电气距离很近时(如两者端口母线直接并联)，可对VSC设置合适的电压-无功下垂特性以使无功功率在各无功电源间稳定分配。

故采用本发明方法可使得VSC能够主动控制交流电压调制波形的频率、相位和幅值，以保证向无源网络供电时能提供稳定的电压波形；此外，本发明方法可使VSC具备频率有差调节特性以适应联网运行时交流电网的负荷波动。因此，本发明采用下垂控制方法适用于VSC-HVDC联网和孤岛两种运行方式，且能够保证VSC-HVDC在两种运行方式间平滑且稳定地切换。

附图说明

图1为VSC及其控制系统的结构示意图。

图2为本发明下垂控制算法的流程框图。

图3为VSC-HVDC和交流线路为无源孤岛双路供电的单线图。

图4(a)为交流线路AC12跳开后系统的交流电压波形图。

图4(b)为交流线路AC12跳开后系统的频率波形图。

图4(c)为交流线路AC12跳开后系统的有功功率波形图。

图4(d)为交流线路AC12跳开后系统的无功功率波形图。

图4(e)为交流线路AC12跳开后VSC2的桥臂电流波形图。

图4(f)为交流线路AC12跳开后VSC2的部分子模块电容电压波形图。

图5(a)为交流线路AC12重合闸后系统的交流电压波形图。

图5(b)为交流线路AC12重合闸后系统的频率波形图。

图5(c)为交流线路AC12重合闸后系统的有功功率波形图。

图5(d)为交流线路AC12重合闸后系统的无功功率波形图。

图5(e)为交流线路AC12重合闸后VSC2的桥臂电流波形图。

图5(f)为交流线路AC12重合闸后VSC2的部分子模块电容电压波形图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示的VSC基本结构示意图中，U_s为VSC网侧母线交流电压有效值，u_sj分别为VSC网侧母线三相交流电压，u_sd和u_sq分别为VSC网侧母线三相交流电压的d轴分量和q轴分量，i_sj分别为VSC网侧出口处三相交流电流，i_sd和i_sq分别为VSC网侧出口处三相交流电流的d轴分量和q轴分量，R和L分别为VSC交流侧等效电阻和电感，V为VSC阀侧交流电压有效值，v_jref分别为VSC阀侧输出三相电压参考值，v_dref和v_qref分别为VSC阀侧输出三相交流电压参考值的d轴分量和q轴分量。i_sdref、i_sqref和为按图2所示的方法和过程生成的控制信号，其中是VSC控制系统所用到的坐标变换矩阵T_abc/dq和T_dq/abc的参考相位。

abc/dq变换模块表达式如下：

$T_{abc/dq}=\frac{2}{3}\·\left[\begin{array}{ccc}\cos \widehat{\mathrm{\θ}}& \cos (\widehat{\mathrm{\θ}}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})& \cos (\widehat{\mathrm{\θ}}+\frac{2\mathrm{\π}}{3})\\ -\sin \widehat{\mathrm{\θ}}& -\sin (\widehat{\mathrm{\θ}}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})& -\sin (\widehat{\mathrm{\θ}}+\frac{2\mathrm{\π}}{3})\end{array}\right]$

dq/abc变换模块表达式如下：

$T_{dq/abc}=\left[\begin{array}{cc}\cos \widehat{\mathrm{\θ}}& -\sin \widehat{\mathrm{\θ}}\\ \cos (\widehat{\mathrm{\θ}}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})& -\sin (\widehat{\mathrm{\θ}}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})\\ \cos (\widehat{\mathrm{\θ}}+\frac{2\mathrm{\π}}{3})& -\sin (\widehat{\mathrm{\θ}}+\frac{2\mathrm{\π}}{3})\end{array}\right]$

如图1～2所示的VSC-HVDC下垂控制方法，具体步骤如下：

(1)计算VSC控制系统所需的变换矩阵T_abc/dq的参考相位 的计算公式如下：

$\widehat{\mathrm{\θ}}=2{\mathrm{\πf}}_{nom}t+K_i\∫(P_{snom}-P_s)dt$

其中：f_nom为交流电网基准频率，t为时间，P_s为VSC网侧交流有功功率，P_snom为VSC联网运行时期望的网侧交流有功功率，K_i为Pf下垂控制器的积分系数。

变换矩阵T_abc/dq的形式为：

$T_{abc/dq}=\frac{2}{3}\·\left[\begin{array}{ccc}cos\widehat{\mathrm{\θ}}& cos(\widehat{\mathrm{\θ}}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})& cos(\widehat{\mathrm{\θ}}+\frac{2\mathrm{\π}}{3})\\ -\sin \widehat{\mathrm{\θ}}& -sin(\widehat{\mathrm{\θ}}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})& -sin(\widehat{\mathrm{\θ}}+\frac{2\mathrm{\π}}{3})\end{array}\right]$

(2)计算VSC网侧交流电压的dq轴分量u_sd和u_sq，测量可得VSC网侧三相交流电压u_sa、u_sb、u_sc，则u_sd和u_sq通过下式得到：

$\left[\begin{array}{c}{u}_{sd}\\ u_{sq}\end{array}\right]=T_{abc/dq}\left[\begin{array}{c}{u}_{sa}\\ u_{sb}\\ u_{sc}\end{array}\right]$

(3)将预设的VSC网侧交流电压d轴分量参考值u_sdref减去VSC网侧交流电压d轴分量u_sd后得到VSC网侧交流电压d轴误差值，将预设的VSC网侧无功功率参考值Q_sref减去VSC网侧无功功率Q_s后得到VSC网侧无功功率误差值，将VSC网侧交流电压d轴误差值和比例系数K_u的乘积加上VSC网侧无功功率误差值和比例系数K_Q的乘积，得到Δi_sd，对Δi_sd进行信号处理，经过处理的信号通过一个限幅环节得到VSC网侧交流电流d轴参考值i_sdref。

Δi_sd＝K_u(u_sdref-u_sd)+K_Q(Q_sref-Q_s)

上述信号处理可以通过现有技术来实现，如：通过对Δi_sd进行比例调节或比例积分调节来实现，即，将相加之和输入比例调节器，经比例调节器处理后会产生一个误差放大信号输出；或者，将Δi_sd输入比例积分调节器，由于比例积分调节器的输出由两部分相加构成，第一部分是根据输入的误差值产生一个误差放大信号后得到，第二部分是将输入的误差值对时间积分后得到，因此经比例积分调节器处理后产生的信号输出为第一、二部分输出的相加。

(4)将预设的VSC网侧交流电压q轴分量参考值u_sqref减去VSC网侧交流电压q轴分量u_sq后得到VSC网侧交流电压q轴误差值，对VSC网侧交流电压q轴误差值进行信号处理，经过处理的信号通过一个限幅环节得到VSC网侧交流电流q轴参考值i_sqref；

上述信号处理可以通过现有技术来实现，如：通过对交流电压q轴误差值进行比例调节或比例积分调节来实现，即，将相加之和输入比例调节器，经比例调节器处理后会产生一个误差放大信号输出；或者，将交流电压q轴误差值输入比例积分调节器，由于比例积分调节器的输出由两部分相加构成，第一部分是根据输入的误差值产生一个误差放大信号后得到，第二部分是将输入的误差值对时间积分后得到，因此经比例积分调节器处理后产生的信号输出为第一、二部分输出的相加。

(5)通过已有应用的dq解耦型比例积分式内环电流控制方法生成VSC阀侧输出三相电压参考值v_jref，下标j＝a,b,c，分别表示a、b、c三相，具体内环电流控制算法如下式：

v_dref＝u_sd+ωLi_sq-K_p1(i_sdref-i_sd)-K_I1∫(i_sdref-i_sd)dt

v_qref＝u_sq-ωLi_sd-K_p2(i_sqref-i_sq)-K_I2∫(i_sqref-i_sq)dt

$\left[\begin{array}{c}{v}_{aref}\\ v_{bref}\\ v_{cref}\end{array}\right]=T_{dq/abc}\left[\begin{array}{c}{v}_{dref}\\ v_{qref}\end{array}\right]$

其中：K_p1和K_p2分别为d轴和q轴的比例积分型内环电流控制器的比例系数，K_I1和K_I2分别为d轴和q轴的比例积分型内环电流控制器的积分系数；v_jref是VSC阀侧输出三相电压参考值，用于控制VSC外部电压电流特性的信号。

(6)根据三相电压参考值v_jref，通过最近电平逼近调制方法生成触发脉冲来控制相应六个桥臂电力电子开关的开通与关断，使得VSC阀侧输出三相电压的实际值与VSC阀侧输出三相电压参考值相同，从而实现对VSC交流侧三相电压的稳定控制。

图3是VSC-HVDC和交流线路为无源孤岛双路供电的单线图，送端VSC1和受端VSC2均为模块化多电平换流器，子模块数量均为160个，额定直流电压为±200kV，两端换流器采用基于子模块电容电压排序的电压均衡策略，调制策略为最近电平逼近方法，均采用环流抑制策略。送端VSC1采用定直流电压和定无功功率控制，受端VSC2采用下垂控制方法，参数如下：f_nom＝50.0Hz，P_snom＝200MW，K_i＝18.760。Q_sref＝0Mvar，u_sdref＝1.00pu，u_sqref＝0.00pu，K_Q＝0.067，K_u＝1.000。图1中交流系统AC0和AC1均用阻抗后电势表示，两者线电压有效值均为112kV，基准频率为50.0Hz，阻抗为0.2+j1.0Ω。交流线路AC12的阻抗为2.0+j6.0Ω。直流线路DC12的电阻为5Ω。受端电网用纯负荷表示，负荷的有功功率和无功功率分别为300MW和120Mvar，负荷为恒阻抗特性。

图4为采用本实施方式下垂控制方法后，交流线路AC12跳开后的系统暂态过程。图3所示的电力系统初始状态时，交流线路AC12处于连接状态，系统稳定运行至1.0s，交流线路AC12跳开，2.0s时交流母线B2三相金属性接地，故障持续0.2s后清除。VSC2联网稳态运行时，母线B2三相交流线电压有效值为108kV，受端电网频率为50.0Hz，VSC2有功功率和无功功率分别为200MW和88Mvar。1.0s时AC12跳开后，VSC2很快承担起受端电网全部的负荷功率，VSC2网侧交流有功功率和无功功率分别为285MW和114Mvar，对应的VSC网侧三相交流电压频率为49.9Hz，对应VSC2网侧三相交流交流线电压有效值为107kV；VSC2孤岛运行至2.0s时，母线B2发生三相金属性接地故障，2.2s故障清除后，系统很快恢复稳态。上述交流线路跳开和交流故障的两个过程中，VSC2的桥臂电流和子模块电容电压均保持在合理范围。

图5为采用本实施方式的下垂控制方法后，交流线路AC12重合闸后的系统暂态过程。图3所示的电力系统初始状态时，交流线路AC12处于断开状态，系统稳定运行至1.0s时，交流线路AC12检同期重合闸成功，合闸时断路器BRK2两侧电压相位差为5°。1.0s交流线路AC12重合闸后，VSC2网侧交流电压频率被交流系统AC1带入同步，很快稳定在50.0Hz，VSC2有功功率在下垂控制方法的作用下稳定在200MW，交流母线B2三相交流线电压有效值稳定在108kV，VSC2平滑地进入联网运行稳态。上述交流线路重合闸过程中，VSC2的桥臂电流和子模块电容电压均保持在合理范围。

故本发明的下垂控制方法能够保证VSC-HVDC在联网和孤岛两种运行方式间平滑且稳定地切换。

Claims (4)

1.一种VSC-HVDC的下垂控制方法，包括如下步骤：

（1）对于VSC-HVDC中的受端VSC，检测其网侧交流有功功率P_s和交流无功功率Q_s，进而计算其控制系统所需的参考相位θ；

（2）根据参考相位θ对受端VSC网侧三相交流电压进行dq变换，得到受端VSC网侧三相交流电压的d轴分量u_sd和q轴分量u_sq；

（3）根据d轴分量u_sd和q轴分量u_sq，采用基于下垂特性的外环控制器计算出受端VSC网侧三相交流电流的d轴参考量i_sdref和q轴参考量i_sqref；其中，计算受端VSC网侧三相交流电流的d轴参考量i_sdref的具体控制算法如下：

A1.使预设的受端VSC网侧三相交流电压的d轴参考量u_sdref减去d轴分量u_sd，进而对相减结果进行比例调节得到受端VSC网侧三相交流电压的d轴误差量Δu_sd；

A2.使受端VSC联网运行时期望的网侧交流无功功率Q_sref减去交流无功功率Q_s，进而对相减结果进行比例调节得到受端VSC网侧交流无功功率的误差量ΔQ_s；

A3.使d轴误差量Δu_sd与误差量ΔQ_s相累加，进而对累加结果进行比例调节或比例积分调节得到受端VSC网侧三相交流电流的d轴参考量i_sdref；

计算受端VSC网侧三相交流电流的q轴参考量i_sqref的具体控制算法为：使预设的受端VSC网侧三相交流电压的q轴参考量u_sqref减去q轴分量u_sq，进而对相减结果进行比例调节或比例积分调节得到受端VSC网侧三相交流电流的q轴参考量i_sqref；

（4）根据d轴参考量i_sdref和q轴参考量i_sqref采用内环电流控制算法，计算生成调制电压信号v_dref和v_qref；

（5）根据参考相位θ对调制电压信号v_dref和v_qref进行dq反变换得到三相调制电压信号v_aref～v_cref，进而通过调制技术生成一组触发信号以控制受端VSC中桥臂电力电子器件的通断。

2.根据权利要求1所述的下垂控制方法，其特征在于：所述的步骤（1）中基于以下算式计算受端VSC控制系统所需的参考相位θ：

θ＝2πf_st+K∫(P_sref-P_s)dt

其中：f_s为受端交流电网的基准频率，P_sref为受端VSC联网运行时期望的网侧交流有功功率，K为预设的积分系数，t为时间。

3.根据权利要求1所述的下垂控制方法，其特征在于：所述的受端VSC网侧三相交流电压的q轴参考量u_sqref设定为0。

4.根据权利要求1所述的下垂控制方法，其特征在于：所述的步骤（5）中采用脉宽调制技术或最近电平逼近调制技术生成所述的触发信号。