CN104300561A - 一种用于vsc-hvdc系统的三相四桥臂换流器的控制方法 - Google Patents

Abstract

一种用于VSC-HVDC系统的三相四桥臂换流器的控制方法。首先，通过分析三相四桥臂VSC-HVDC系统的数学模型，推导得到了参考电压的控制方程，根据参考电压的控制方程发明了三相四桥臂VSC-HVDC系统的上层解耦控制算法。然后，通过空间电压矢量控制算法(3D-SVPWM)，得到了四桥臂VSC-HVDC系统的触发脉冲，从而实现了用于VSC-HVDC系统的三相四桥臂换流器的下层控制。上述控制算法，成功解决了三相四桥臂VSC-HVDC系统供电不平衡负荷的问题，保证了VSC-HVDC系统在供电不平衡负荷时，仍然能输出平衡对称的交流电压。

Description

一种用于VSC-HVDC系统的三相四桥臂换流器的控制方法

技术领域

本发明解决了配电网中VSC-HVDC系统不能向不平衡负载供电的问题，属于输配电技术领域。 

背景技术

随着社会经济的不断发展、城市化进程的不断深入，城市负荷快速增长，对城市电网的供电能力和供电质量提出了新的要求。新形势下交流配电系统存在许多缺陷，如输电能力不足、供电电压不稳等，这些因素严重制约了交流配电网的进一步发展。直流配电网技术凭借其自身的优势，成为解决现阶段交流电网缺陷的有效手段之一。其中基于电压源型换流器的高压直流输电技术(VSC-HVDC技术)凭借其灵活的有功无功控制、容易构成多端直流输电以及能够向无源网络供电等优点，成为城市配电网改造的理想工具。 

但是由于配电网中存在大量的不平衡负荷，传统的三相三桥臂VSC-HVDC系统在向不平衡负荷供电时，直流侧会产生两倍频的波动，一般通过对负序分量进行抑制，达到输出较为理想的电压波形。但是由于三相三桥臂换流器的结构限制，传统控制策略只能起到抑制的作用，无法从根本上消除不平衡负荷造成的影响，不能达到理想的控制效果。本发明通过采用三相四桥臂换流器结构，设计了一种用于VSC-HVDC系统的三相四桥臂换流器的控制方法，成功地解决了VSC-HVDC系统供电不平衡负荷的问题。 

发明内容

本发明的目的在于解决VSC-HVDC系统无法有效地供电不平衡负荷的问题。针对传统三相三桥臂VSC-HVDC系统不能有效供电不平衡负荷的问题，提出了一种三相四桥臂换流器的VSC-HVDC系统结构，并设计了相应的控制系统，从而保证了VSC-HVDC系统在供电不平衡负荷时，仍然能输出平衡对称的交流电压。 

本发明所述问题是以下述技术方案实现的： 

一种用于VSC-HVDC系统的三相四桥臂换流器的控制方法，首先通过分析三相四桥臂 VSC-HVDC系统的数学模型，推导得到了参考电压的控制方程，根据参考电压的控制方程发明了四桥臂VSC-HVDC系统的上层解耦控制算法；然后通过空间电压矢量控制算法(SVPWM)，得到了四桥臂VSC-HVDC系统的触发脉冲，实现了四桥臂VSC-HVDC系统的下层控制；最后通过对系统的仿真分析，验证了所提控制方法的有效性。 

附图说明

图1四桥臂VSC系统结构图 

图2交流电压解耦控制 

图3三相四桥臂VSC-HVDC系统供电不平衡负载时电压、电流波形图 

图4A相负载突变时电压、电流波形图 

文中各符号意义为：u_a、u_b、u_c为交流侧输出的电压；i_la、i_lb、i_lc为交流侧负载电流；i_lm为中性点流过的电流；D_an、D_bn、D_cn为各个基本电压矢量的占空比；L_m、C_m分别为滤波电感和滤波电容；L_n为中性线电感；R为开关管等效电阻；U_dc为直流侧电压。 

具体实施方式

一种用于VSC-HVDC系统的三相四桥臂换流器的控制方法，主要包括上层控制和下层控制： 

a.上层控制的控制目标是保证换流器输出abc三相电压为平衡对称的工频电压； 

b.下层控制的控制目标是生成三相四桥臂VSC换流器各个桥臂所需的触发脉冲。 

一种用于VSC-HVDC系统的三相四桥臂换流器的控制方法，其上层控制的具体实现过程如下： 

①分析图1所示的三相四桥臂VSC-HVDC系统结构，可以得到三相四桥臂VSC-HVDC系统的数学模型，具体过程如下： 

由图1和基尔霍夫定律可得式(1)和式(2) 

$L_m\frac{d}{\mathrm{dt}}\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{la}}\\ i_{\mathrm{lb}}\\ i_{\mathrm{lc}}\end{array}\right]=L_n\frac{d}{\mathrm{dt}}\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{lm}}\\ i_{\mathrm{lm}}\\ i_{\mathrm{lm}}\end{array}\right]+R\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{la}}\\ i_{\mathrm{lb}}\\ i_{\mathrm{lc}}\end{array}\right]-R\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{lm}}\\ i_{\mathrm{lm}}\\ i_{\mathrm{lm}}\end{array}\right]+U_{\mathrm{dc}}\left[\begin{array}{c}{D}_{\mathrm{an}}\\ D_{\mathrm{bn}}\\ D_{\mathrm{cn}}\end{array}\right]-\left[\begin{array}{c}{u}_a\\ u_b\\ u_c\end{array}\right]---\left(1\right)$

i_la+i_lb+i_lc-i_lm＝0   (2) 

用dq0变换矩阵T_dq0左乘式(1)和式(2)便可以得到三相四桥臂VSC-HVDC系统在dq0坐标系下的数学模型： 

$\frac{d}{\mathrm{dt}}\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\\ i_0\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccccc}-\frac{1}{L_m}& 0& 0& -\frac{R}{L_m}& -\mathrm{\ω}& 0\\ 0& -\frac{1}{L_m}& 0& \mathrm{\ω}& -\frac{R}{L_m}& 0\\ 0& 0& -\frac{1}{4L_m}& 0& 0& -\frac{R}{L_m}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{V}_d\\ V_q\\ V_0\\ i_d\\ i_q\\ i_0\end{array}\right]+\left[\begin{array}{ccc}\frac{U_{\mathrm{dc}}}{L_m}& 0& 0\\ 0& \frac{U_{\mathrm{dc}}}{L_m}& 0\\ 0& 0& \frac{U_{\mathrm{dc}}}{4L_m}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{D}_d\\ D_q\\ D_0\end{array}\right]---\left(3\right)$

式中V_d、V_q、V₀，i_d、i_q、i₀和D_d、D_q、D₀分别为u_a、u_b、u_c，i_la、i_lb、i_lc和D_an、D_bn、D_cn经过abc/dq0变换后的量。 

②然后根据公式(3)所给的VSC-HVDC数学模型，通过数学推导得到参考电压的控制方程： 

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{dref}}=U_{\mathrm{dc}}{D}_d=V_d+\mathrm{\ω}{L}_m{i}_q+L_m\frac{d(V_d+\mathrm{\ω}{V}_q)}{\mathrm{dt}}\\ V_{\mathrm{qref}}=U_{\mathrm{dc}}{D}_q=V_q-\mathrm{\ω}{L}_m{i}_d+L_m\frac{d(V_q+\mathrm{\ω}{V}_d)}{\mathrm{dt}}\\ V_{0\mathrm{rer}}=U_{\mathrm{dc}}{D}_0=V_0+L_m\frac{d{V}_0}{\mathrm{dt}}\end{array}\right.---\left(4\right)$

根据参考电压控制方程，本发明设计了图2所示的控制系统框图。如图所示，该控制系统是一个双环控制系统，外环电压控制采用传统的PI控制器调节系统电压；考虑到内环电流是不对称的，在dq0坐标系下会有2倍频的脉动，所以内环采用比例谐振控制器实现了内环电流的跟踪控制。由于d轴和q轴通道存在着耦合，为了达到更好的控制效果，该控制系统通过电压电流前馈的方式对d、q通道之间的耦合关系进行了解耦。系统最终的控制结果是得到控制四桥臂系统所需的参考电压矢量V_am、V_bm和V_cm。 

一种用于VSC-HVDC系统的三相四桥臂换流器的控制方法，其下层控制的具体实现过程如下： 

①首先根据上层控制提供的参考电压V_am、V_bm和V_cm确定合成参考电压所需要基本电压矢量： 

定义开关函数S_ij(i＝a，b，c，m；j＝p，n)其中i代表四个桥臂；j代表上下管，当S_ij取1时表示功率管导通，取0表示功率管关断。根据S_ij的取值情况可以得到16种开关状态，每一种开关状态都代表了一个基本电压矢量，表1给出了16个开关状态所对应的基本电压矢量，表1给出了16个开关状态所对应的基本电压矢量。 

表1各开关状态对应的基本电压矢量 

	0000	0001	0010	0011	0100	0101	0110	0111	1000	1001	1010	1011	1100	1101	1110	1111
																	Vam	0	0	0	0	Udc	Udc	Udc	Udc	-Udc	0	-Udc	0	-Udc	0	-Udc	0
Vbm	0	0	Udc	Udc	0	0	Udc	Udc	-Udc	-Udc	0	0	-Udc	-Udc	0	0
																	Vcm	0	Udc	0	Udc	0	Udc	0	Udc	-Udc	-Udc	-Udc	-Udc	0	0	0	0

为了确定合成参考电压矢量所需的空间基本电压矢量，需要定义参数C_i(i＝1，2，…6)： 

$\left\{\begin{array}{c}{C}_1=\mathrm{flag}\left(\mathrm{INT}(V_{\mathrm{am}}+1)\right)\\ C_2=\mathrm{flag}\left(\mathrm{INT}(V_{\mathrm{bm}}+1)\right)\\ C_3=\mathrm{flag}\left(\mathrm{INT}\left(V_{\mathrm{cm}+1}\right)\right)\\ C_4=\mathrm{flag}\left(\mathrm{INT}(V_{\mathrm{am}}-V_{\mathrm{bm}}+1)\right)\\ C_5=\mathrm{falg}\left(\mathrm{INT}(V_{\mathrm{bm}}-V_{\mathrm{cm}}+1)\right)\\ C_6=\mathrm{flag}\left(\mathrm{INT}(V_{\mathrm{am}}-V_{\mathrm{cm}}+1)\right)\end{array}\right.---\left(5\right)$

将电压参考矢量电压V_am、V_bm和V_cm带入式(5)，然后计算下列指针函数的数值： 

$\mathrm{RP}=1+\underset{i=1}{\overset{6}{\mathrm{\Σ}}}{C}_i\·2^{(i-1)}---\left(6\right)$

根据指针函数的数值，参考表2可得合成参考电压所需的基本空间电压矢量。 

表2RP指针、非零电压矢量及其占空比 

RP

Vd1

Vd2

Vd3

d1

d2

d3

1

V9

V10

V12

-Vcm

-Vbm+Vcm

-Vam+Vbm

5

V2

V10

V12

Vcm

-Vbm

-Vam+Vbm

7

V2

V4

V12

-Vbm+Vcm

Vbm

-Vam

8

V2

V4

V8

-Vbm+Vcm

-Vam+Vbm

Vam

9

V9

V10

V14

-Vcm

-Vam+Vcm

-Vbm+Vam

13

V2

V10

V14

Vcm

-Vam

-Vbm+Vam

14

V2

V6

V14

-Vam+Vcm

Vam

-Vbm

16

V2

V6

V8

-Vam+Vcm

-Vbm+Vam

Vbm

 

17

V9

V11

V12

-Vbm

-Vcm+Vbm

-Vam+Vcm

19

V3

V11

V12

Vbm

-Vcm

-Vcm+Vcm

23

V3

V4

V12

-Vcm+Vbm

Vcm

-Vam

24

V3

V4

V8

-Vcm+Vbm

-Vam+Vcm

Vam

41

V9

V13

V14

-Vam

-Vcm+Vam

-Vam+Vcm

42

V5

V13

V14

Vam

-Vcm

-Vbm+Vcm

46

V5

V6

V14

-Vcm+Vam

Vcm

-Vbm

48

V5

V6

V8

-Vcm+Vam

-Vbm+Vcm

Vbm

49

V9

V11

V15

-Vbm

-Vam+Vbm

-Vcm+Vam

51

V3

V11

V15

Vbm

-Vbm+Vam

-Vcm+Vam

52

V3

V7

V15

-Vam+Vbm

Vam

-Vcm

56

V3

V7

V8

-Vam+Vbm

-Vcm+Vam

Vcm

57

V9

V13

V15

-Vam

-Vbm+Vam

-Vcm+Vbm

58

V5

V13

V15

Vam

-Vbm

-Vcm+Vbm

60

V5

V7

V15

-Vbm+Vam

Vbm

-Vcm

64

V5

V7

V8

-Vbm+Vam

-Vcm+Vbm

Vcm

②确定每个基本空间电压矢量的作用时间： 

根据指针函数RP的值，参考表2可得各个非零基本空间电压矢量的占空比，带入下式可得每个基本电压矢量的作用时间： 

$\left\{\begin{array}{c}{t}_1=\frac{d_1}{U_{\mathrm{dc}}}T\\ t_2=\frac{d_2}{U_{\mathrm{dc}}}T\\ t_3=\frac{d_3}{U_{\mathrm{dc}}}T\\ t_0=1-t_1-t_2-t_3\end{array}\right.---\left(7\right)$

如果t₁+t₂+t₃＞1则出现过调制情况，此时便不需要零矢量，三个非零矢量的占空比可由下式计算： 

$\left\{\begin{array}{c}{t_1}^{\′}=\frac{t_1}{t_1+t_2+t_3}\\ {t_2}^{\′}=\frac{t_2}{t_1+t_2+t_3}\\ {t_3}^{\′}=\frac{t_3}{t_1+t_2+t_3}\end{array}\right.---\left(8\right)$

⑧最后确定每个矢量的切换顺序： 

根据每个电压矢量的作用时间可以得到各个基本电压矢量的切换点，参考这些切换点可以确定每个矢量的切换顺序。由此便可得到控制三相四桥臂系统中各个桥臂的触发脉冲，从而实现对三相四桥臂VSC-HVDC系统的控制。 

整个三相四桥臂VSC-HVDC系统的控制过程就是，上层控制控制交流电压稳定得到下层控制所需的参考电压指令，下层控制接收上层电压参考指令利用abc坐标系下3D-SVPWM算法计算出三相四桥臂系统中各个桥臂的脉冲指令，从而完成对系统的控制。 

本发明可以使VSC-HVDC系统在供电不平衡负荷时，输出对称平衡的交流电压波形。通过仿真分析VSC-HVDC系统供电不平衡负荷以及负荷突变两种工况，验证了所提控制算法的有效性。 

仿真分析 

为了验证本发明所提出的三相四桥臂VSC-HVDC系统控制算法的有效性，本文利用MATLAB/Simulink对系统进行了仿真。 

仿真1：三相四桥臂VSC-HVDC系统供电不平衡负载 

仿真参数：交流电压给定值为380V；A相、C相负载为4.5KW；B相负载为2.25KW。仿真结果如图3所示。 

从图3中可以看出此时B相电流为A、C相电流的一半，且交流侧的电压仍然能够保持对称，表明三相四桥臂VSC-HVDC系统能够很好的解决负载不对称的问题。 

仿真2：A相负载突变 

仿真参数：交流电压给定值为380V；A相负载初始为4.5KW，在0.07s变为0.9KW；B相负载为2.25KW；C相负载为4.5KW。仿真结果如图4所示。 

从图4中可知在，A相负载在0.07s跌落时，交流电压在经历很小的波动后，一个周期内恢复三相平衡，验证了本文所提控制系统的有效性。 

Claims (4)

1.一种用于VSC-HVDC系统的三相四桥臂换流器的控制方法，其特征是：首先通过分析三相四桥臂VSC-HVDC系统的数学模型，推导得到了参考电压的控制方程，根据参考电压的控制方程发明了三相四桥臂VSC-HVDC系统的上层解耦控制算法；然后通过空间电压矢量控制算法(SVPWM)，得到了三相四桥臂VSC-HVDC系统的触发脉冲，实现了三相四桥臂VSC-HVDC系统的下层控制。

2.根据权利要求1所述的一种用于VSC-HVDC系统的三相四桥臂换流器的控制方法，其特征是，控制系统分为双层控制：

a.上层控制的控制目标是保证换流器输出abc三相电压为平衡对称的工频电压；

b.下层控制的控制目标是生成三相四桥臂VSC换流器各个桥臂所需的触发脉冲。

3.根据权利要求2所述的一种用于VSC-HVDC系统的三相四桥臂换流器的控制方法，其特征是，其上层控制方法的具体实现过程如下：

①分析图1所示的三相四桥臂VSC-HVDC系统结构，得到三相四桥臂VSC-HVDC系统的数学模型，具体过程如下：

由图1和基尔霍夫定律可得式(1)和式(2)

$L_m\frac{d}{\mathrm{dt}}\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{la}}\\ i_{\mathrm{lb}}\\ i_{\mathrm{lc}}\end{array}\right]=L_n\frac{d}{\mathrm{dt}}\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{lm}}\\ i_{\mathrm{lm}}\\ i_{\mathrm{lm}}\end{array}\right]+R\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{la}}\\ i_{\mathrm{lb}}\\ i_{\mathrm{lc}}\end{array}\right]-R\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{lm}}\\ i_{\mathrm{lm}}\\ i_{\mathrm{lm}}\end{array}\right]+U_{\mathrm{dc}}\left[\begin{array}{c}{D}_{\mathrm{an}}\\ D_{\mathrm{bn}}\\ D_{\mathrm{cn}}\end{array}\right]-\left[\begin{array}{c}{u}_a\\ u_b\\ u_c\end{array}\right]---\left(1\right)$

i_la+i_lb+i_lc-i_lm＝0                 (2)

用dq0变换矩阵T_dq0左乘式(1)和式(2)便可以得到三相四桥臂VSC-HVDC系统在dq0坐标系下的数学模型：

$\frac{d}{\mathrm{dt}}\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\\ i_0\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccccc}-\frac{1}{L_m}& 0& 0& -\frac{R}{L_m}& -\mathrm{\ω}& 0\\ 0& -\frac{1}{L_m}& 0& \mathrm{\ω}& -\frac{R}{L_m}& 0\\ 0& 0& -\frac{1}{4L_m}& 0& 0& -\frac{R}{L_m}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{V}_d\\ V_q\\ V_0\\ i_d\\ i_q\\ i_0\end{array}\right]+\left[\begin{array}{ccc}\frac{U_{\mathrm{dc}}}{L_m}& 0& 0\\ 0& \frac{U_{\mathrm{dc}}}{L_m}& 0\\ 0& 0& \frac{U_{\mathrm{dc}}}{4L_m}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{D}_d\\ D_q\\ D_0\end{array}\right]---\left(3\right)$

式中V_d、V_q、V₀，i_d、i_q、i₀和D_d、D_q、D₀分别为u_a、u_b、u_c，i_la、i_lb、i_lc和D_an、D_bn、D_cn经过abc/dq0变换后的量。

②然后根据公式(3)所给的VSC-HVDC数学模型，通过数学推导得到参考电压的控制方程：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{dref}}=U_{\mathrm{dc}}{D}_d=V_d+\mathrm{\ω}{L}_m{i}_q+L_m\frac{d(V_d+\mathrm{\ω}{V}_q)}{\mathrm{dt}}\\ V_{\mathrm{qref}}=U_{\mathrm{dc}}{D}_q=V_q-\mathrm{\ω}{L}_m{i}_d+L_m\frac{d(V_q+\mathrm{\ω}{V}_d)}{\mathrm{dt}}\\ V_{0\mathrm{ref}}=U_{\mathrm{dc}}{D}_0=V_0+L_m\frac{{\mathrm{dV}}_0}{\mathrm{dt}}\end{array}\right.---\left(4\right)$

根据参考电压控制方程，本发明设计了图2所示的控制系统框图。如图所示，该控制系统是一个双环控制系统，外环电压控制采用传统的PI控制器调节系统电压；考虑到内环电流是不对称的，在dq0坐标系下会有2倍频的脉动，所以内环采用比例谐振控制器实现了内环电流的跟踪控制。由于d轴和q轴通道存在着耦合，为了达到更好的控制效果，该控制系统通过电压电流前馈的方式对d、q通道之间的耦合关系进行了解耦。系统最终的控制结果是得到控制四桥臂系统所需的参考电压矢量V_am、V_bm和V_cm。

4.根据权利要求2所述的一种用于VSC-HVDC系统的三相四桥臂换流器的控制方法，其特征是，其下层控制方法的具体实现过程如下：

①首先根据上层控制提供的参考电压V_am、V_bm和V_cm确定合成参考电压所需要基本电压矢量：

定义开关函数S_ij(i＝a，b，c，m；j＝p，n)其中i代表四个桥臂；j代表上下管，当S_ij取1时表示功率管导通，取0表示功率管关断。根据S_ij的取值情况可以得到16种开关状态，每一种开关状态都代表了一个基本电压矢量，表1给出了16个开关状态所对应的基本电压矢量。

为了确定合成参考电压矢量所需的空间基本电压矢量，需要定义参数C_i(i＝1，2…6)：

$\left\{\begin{array}{c}{C}_1=\mathrm{flag}\left(\mathrm{INT}(V_{\mathrm{am}}+1)\right)\\ C_2=\mathrm{flag}\left(\mathrm{INT}(V_{\mathrm{bm}}+1)\right)\\ C_3=\mathrm{flag}\left(\mathrm{INT}(V_{\mathrm{cm}}+1)\right)\\ C_4=\mathrm{flag}\left(\mathrm{INT}(V_{\mathrm{am}}-V_{\mathrm{bm}}+1)\right)\\ C_5=\mathrm{flag}\left(\mathrm{INT}(V_{\mathrm{bm}}-V_{\mathrm{cm}}+1)\right)\\ C_6=\mathrm{flag}\left(\mathrm{INT}(V_{\mathrm{am}}-V_{\mathrm{cm}}+1)\right)\end{array}\right.---\left(5\right)$

将电压参考矢量电压V_am、V_bm和V_cm带入式(6)，然后计算下列指针函数的数值：

$\mathrm{RP}=1+\underset{i=1}{\overset{6}{\mathrm{\Σ}}}{C}_i\·2^{(i-1)}---\left(6\right)$

根据指针函数的数值，参考表2可得合成参考电压所需的基本空间电压矢量。

②确定每个基本空间电压矢量的作用时间：

根据指针函数RP的值，参考表2可得各个非零基本空间电压矢量的占空比，带入下式可得每个基本电压矢量的作用时间：

$\left\{\begin{array}{c}{t}_1=\frac{d_1}{U_{\mathrm{dc}}}T\\ t_2=\frac{d_2}{U_{\mathrm{dc}}}T\\ t_3=\frac{d_3}{U_{\mathrm{dc}}}T\\ t_0=1-t_1-t_2-t_3\end{array}\right.---\left(7\right)$

如果t₁+t₂+t₃＞1则出现过调制情况，此时便不需要零矢量，三个非零矢量的占空比可由下式计算：

$\left\{\begin{array}{c}{t_1}^{\′}=\frac{t_1}{t_1+t_2+t_3}\\ {t_2}^{\′}=\frac{t_2}{t_1+t_2+t_3}\\ {t_3}^{\′}=\frac{t_3}{t_1+t_2+t_3}\end{array}\right.---\left(8\right)$

③最后确定每个矢量的切换顺序：

根据每个电压矢量的作用时间可以得到各个基本电压矢量的切换点，参考这些切换点可以确定每个矢量的切换顺序。由此便可得到控制三相四桥臂系统中各个桥臂的触发脉冲，从而实现对三相四桥臂VSC-HVDC系统的控制。