CN104348179A - 一种用于轻型直流输电系统的控制方法 - Google Patents

Abstract

一种用于轻型直流输电系统的控制方法，其特征在于，在常规的PWM整流控制方式的基础上，经过仿真分析进行改进，整流侧采用定直流电压控制方式，逆变侧采用控制有功功率和无功功率的方式；为了保证逆变侧功率单元之间的电压平衡，将逆变侧功率单元的平均电压作为平衡控制环的电压参考值，其PI输出与有功给定相加作为电流环的有功参考值，平衡各功率单元直流电压，减小功率单元因过压或欠压引起的故障，提高系统整体的可靠性、稳定性。

Description

一种用于轻型直流输电系统的控制方法

技术领域

本发明涉及一种用于功率单元串联多电平型轻型直流输电系统的控制方法。

背景技术

随着国民经济的高速增长，我国电力工业得到快速发展，根据国家能源局发布的数据显示，2013年，全社会用电量累计53223亿千瓦时，同比增长7.5％，全国发电设备累计平均利用小时为4511小时，分别居于世界第一位和第二位。与此同时，我国电网发展速度更快，截止2013年年底，全国电网220kV及以上输电线路回路长度为52.75万公里，公用变电设备容量为23.87亿千伏安，位居世界第一。由于我国能源与负荷呈逆向分布，能源远距离输送现象突出，而直流输电具有送电距离远、送电容量大、控制灵活等特点，符合电力系统之间的网络互联及巨型水电、火电基地电力外送等，因而是目前我国电网发展中所迫切需要的技术。

柔性直流输电(也就是轻型直流输电，HVDC-Light)是在绝缘栅双极晶闸管和电压源换流器基础上发展起来的一种新型直流输电技术。自1999年连接瑞典大陆与哥特兰岛之间的第一条商业化轻型直流输电线路投入运行以来，柔性直流输电技术以其自身的优点得到工程界的高度重视和快速发展。传统的换流器中晶闸管触发后，只能在电流过零点才能自然关闭，而且两端交流系统必须是有源的，而新型的电压源换流器使用大功率门极关断晶闸管，可自由地控制电流的导通或关断，从而使换流器具有更大的控制自由度。

功率单元串联多电平型轻型直流输电系统的结构不同于传统系统的拓扑结构，功率单元串联多电平型轻型直流输电系统的整流侧、逆变侧均为多个单元串联组成，每个单元的直流侧也串联组成一个整体直流侧。系统的拓朴结构如图1所示，整流侧与逆变侧采用相同的结构，控制方式上均采用PWM整流控制。但若都采用图2所示的正常的PWM整流控制方式，则整流站与逆变站都将对直流侧电压进行控制，而整流侧与逆变侧并联在同一母线，容易导致系统失控。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于轻型直流输电系统的控制方法，采用整流侧采用定直流电压控制方式，逆变侧采用控制有功功率和无功功率的方式；减小功率单元因过压或欠压引起的故障，提高系统整体的可靠性、稳定性。

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种用于轻型直流输电系统的控制方法，其特征在于，在常规的PWM整流控制方式的基础上，经过仿真分析进行改进，整流侧采用定直流电压控制方式，逆变侧采用控制有功功率和无功功率的方式；为了保证逆变侧功率单元之间的电压平衡，将逆变侧功率单元的平均电压作为平衡控制环的电压参考值，其PI输出与有功给定相加作为电流环的有功参考值，平衡各功率单元直流电压，减小功率单元因过压或欠压引起的故障；具体控制过程如下所述：

整流侧控制步骤如下：

1)直流母线电压参考值Udref与测量值Ud的差值经PI调节后作为有功分量参考值Idref；

2)电网负载的无功分量作为无功参考值Iqref，换流器功率单元电流经PARK变换后得到有功分量Id和无功分量Iq做为电流反馈；

3)所述步骤1)的有功分量参考值Idref与有功分量Id的差值经PT调节后输出；

4)所述步骤2)的电网负载的无功参考值Iqref经换相处理后与无功分量Iq的差值经PI调节后输出；

5)得到输出电压d轴和q轴分量Ucd，Ucq，再转化为abc坐标，得到SPWM控制所需的调制波信号；

逆变侧控制步骤如下：

1)逆变侧CPU采集系统电流与网侧电流，两者做差计算出负载电流Ia_fbk，通过Park变换计算负载电流所含的有功电流分量Id和无功电流分量Iq；CPU通过光纤将有功电流分量、无功电流分量发送给各功率单元；

2)各个功率单元把收到的有功电流分量、无功电流分量做为功率单元电流给定，电网负载的无功分量作为无功给定值Iqref，与所述无功电流分量Iq的差值经PI调节后输出无功分量；

3)为了保证从站功率单元之间电压的平衡，在控制中加入了单元直流侧电压平衡控制，将多个功率单元的平均电压，作为平衡控制环的电压参考值，与每个功率单元测得的电压值相比较，其PI输出与有功给定值Idref相加作为电流环的有功参考值，再与有功电流分量Id的差值经PI调节后输出有功分量；

4)逆变侧根据负载系统的特性选择不同的控制方式，如果负载系统是无源系统，逆变侧采用定交流电压控制方式输出有功功率和无功功率，输出的有功功率和无功功率由负载特性来确定；如果负载系统是有源系统，逆变侧应采用定直流电流控制方式输出的有功功率和无功功率。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)整流侧采用定直流电压控制方式，逆变侧采用控制有功功率和无功功率的方式；避免了整流侧、逆变侧整流站与逆变站都采用直流侧电压进行控制，容易导致系统失控的现象。

2)为了保证逆变侧功率单元之间电压的平衡，在控制中加入了功率单元直流侧电压平衡控制，减小功率单元因过压或欠压引起的故障，提高系统整体的可靠性、稳定性。

附图说明

图1是轻型直流输电系统整体拓扑图。

图2是PWM调制原理及输出波形图。

图3是PWM整流的各种状态图。

图3-1是单位功率因数整流器的波形图。

图3-2是单位功率因数整流器的相量图。

图3-3是单位功率因数逆变器的波形图。

图3-4是单位功率因数逆变器的相量图。

图3-5是纯电容特性运行的波形图。

图3-6是纯电容特性运行的相量图。

图3-7是纯电感特性运行的波形图。

图3-8是纯电感特性运行的相量图。

图4是控制系统通讯结构图。

图5是整流侧功率单元控制框图。

图6是逆变侧功率单元控制框图。

图7是逆变侧未加平衡控制单元的电流、电压波形图。

图8是逆变侧加平衡控制单元的电流、电压波形图。

图9是采样系统与控制系统的结构图。

具体实施方式

下面结合附图详细叙述本发明控制方式的具体实施方式。

一种用于轻型直流输电系统的控制方法，在常规的PWM整流控制方式的基础上，经过仿真分析进行改进，整流侧采用定直流电压控制方式，逆变侧采用控制有功功率和无功功率的方式；为了保证逆变侧功率单元之间的电压平衡，将逆变侧功率单元的平均电压作为平衡控制环的电压参考值，其PI输出与有功给定相加作为电流环的有功参考值，平衡各功率单元直流电压，减小功率单元因过压或欠压引起的故障。

整流侧采用用定直流电压控制方式，逆变侧采用控制有功功率和无功功率的方式；具体控制过程如下所述。

见图5，整流侧控制步骤如下：

1)直流母线电压参考值Udref与测量值Ud(单元板卡DSPIC33EP256MU806内部AD采集)的差值经PI调节后作为有功分量参考值Idref；

2)电网负载的无功分量作为无功参考值Iqref，换流器功率单元电流经PARK变换后得到有功分量Id和无功分量Iq做为电流反馈；

3)所述步骤1)的有功分量参考值Idref与有功分量Id的差值经PT调节后输出；

4)所述步骤2)的电网负载的无功参考值Iqref经换相处理后与无功分量Iq的差值经PI调节后输出；

5)得到输出电压d轴和q轴分量Ucd，Ucq，再转化为abc坐标，得到SPWM控制所需的调制波信号。

见图6，逆变侧控制步骤如下：

1)逆变侧CPU采集系统电流与网侧电流，两者做差计算出负载电流Ia_fbk，通过Park变换计算负载电流所含的有功电流分量Id和无功电流分量Iq；CPU通过光纤将有功电流分量、无功电流分量发送给各功率单元；

2)各个功率单元把收到的有功电流分量、无功电流分量做为功率单元电流给定，即所有单元发出的有功功率、无功功率相同，从而实现对从站电网的有功、无功功率的补偿。电网负载的无功分量作为无功给定值Iqref，与所述无功电流分量Iq的差值经PI调节后输出；

3)由于系统直流侧采用的是串联结构且单元之间的参数有所差异，为了保证从站功率单元之间电压的平衡，在控制中加入了单元直流侧电压平衡控制，保证了各单元之间电压的平衡。图中Udcave为多个功率单元的平均电压，作为平衡控制环的电压参考值，与每个功率单元测得的电压值相比较，其PI输出与有功给定值Idref相加作为电流环的有功参考值，再与有功电流分量Id的差值经PI调节后输出；

4)逆变侧根据负载系统的特性选择不同的控制方式，如果负载系统是无源系统，逆变侧采用定交流电压控制方式输出有功功率和无功功率，输出的有功功率和无功功率由负载特性来确定；如果负载系统是有源系统，逆变侧应采用定直流电流控制方式输出的有功功率和无功功率。

见图9，本发明的整流侧、逆变侧的每个功率单元都采用各自独立的控制器，控制器CPU采用单片机MCS-80C196，单元板卡DSPIC33EP256MU806、A/D转换器组成的采样系统，系统所有的输入，输出端口都采取了完善的隔离措施，确保系统安全和工作可靠。

系统选用Altera公司的EP2C20F256低功耗型FPGA作为A/D转换的控制器，它具有18K个逻辑单元，240KB的嵌入式RAM，26个18*18的嵌入式乘法器，4个系统时钟管理锁相环，最大可以拥有315个I/O端口，模拟量数据采集由14bit的A/D与D/A组成。

见图1、图4，所述的轻型直流输电系统，包括整流侧和逆变侧，整流侧与逆变侧采用相同的结构，均采用功率单元串联多电平的结构，由多个功率单元(Powre Unit)组成，功率单元采用IGBT、GTO、IGCT、或IEGT全控型开关器件。每个功率单元都有独立的控制系统，所述的控制系统包括CPU、采样回路和保护回路；每个功率单元桥臂侧通过电抗器连接到变压器二次侧的0.5kV绕组，功率单元直流侧首尾连接，每个功率单元通过接收光纤和发送光纤与上位机CPU进行通信，上位机CPU对每个功率单元发送启动、停止、复位、参数设置命令，同时上位机CPU接收所有功率单元的信息并对所有单元的信息进行综合处理；整流侧与逆变侧之间通过设置于10公里之外的集控中心进行数据交换，当整流侧发生故障后通过集控中心将故障信息传递给从站CPU，从站CPU给所有单元下发脉冲封锁命令。

整流侧、逆变侧的变压器的一次侧通过断路器KM2、KM1与电网相连接，且断路器KM2的每一相都并联有保护电阻；整流侧、逆变侧的直流侧与直流电缆的连接处设有熔断器FU、避雷器及电抗器L；整流侧、逆变侧的功率单元桥臂侧设有电流互感器CT。

下面将本发明与传统技术作比较，进行论述。

该控制方法适用于功率单元串联多电平型轻型直流输电系统，其系统结构与传统的直流输电系统不同。

如图2所示，传统的轻型直流输电系统，整流侧与逆变侧采用相同的结构，控制方式上均采用PWM整流控制。通过PWM整流，整流侧与逆变侧都可以运行在4种特殊工作状态(如图3所示)：单功率因数整流、单功率因数逆变、纯电感特性、纯电容特性。

实际运行中，整流侧与逆变侧运行在混合的状态，既控制有功也控制无功。直流侧不传导无功功率，只传导有功功率，系统级控制的目标是控制整流站与逆变站的去掉传输损耗后，有功功率一致。无功功率不会影响系统直流侧的电压，因此只需要控制有功功率就可以控制直流侧电压，整流站与逆变站必须有一侧采用定直流侧电压控制方式。

整流侧采用定直流电压控制方式，逆变侧因为要配合整流侧，所以不能也采用定直流电压控制方式，逆变侧的主控制方式采用定直流电流控制方式或定交流电压控制方式，逆变侧根据负载系统的特性选择不同的控制方式，如果负载系统是无源系统，逆变侧应该采用定交流电压控制方式，输出的有功功率和无功功率由负载特性来确定；如果负载系统是有源系统，逆变侧应采用定直流电流控制方式输出的有功功率和无功功率。

Claims (1)

1.一种用于轻型直流输电系统的控制方法，其特征在于，在常规的PWM整流控制方式的基础上，经过仿真分析进行改进，整流侧采用定直流电压控制方式，逆变侧采用控制有功功率和无功功率的方式；为了保证逆变侧功率单元之间的电压平衡，将逆变侧功率单元的平均电压作为平衡控制环的电压参考值，其PI输出与有功给定相加作为电流环的有功参考值，平衡各功率单元直流电压，减小功率单元因过压或欠压引起的故障；具体控制过程如下所述：

整流侧控制步骤如下：

1)直流母线电压参考值Udref与测量值Ud的差值经PI调节后作为有功分量参考值Idref；

2)电网负载的无功分量作为无功参考值Iqref，换流器功率单元电流经PARK变换后得到有功分量Id和无功分量Iq做为电流反馈；

3)所述步骤1)的有功分量参考值Idref与有功分量Id的差值经PT调节后输出；

4)所述步骤2)的电网负载的无功参考值Iqref经换相处理后与无功分量Iq的差值经PI调节后输出；

5)得到输出电压d轴和q轴分量Ucd，Ucq，再转化为abc坐标，得到SPWM控制所需的调制波信号；

逆变侧控制步骤如下：

1)逆变侧CPU采集系统电流与网侧电流，两者做差计算出负载电流Ia_fbk，通过Park变换计算负载电流所含的有功电流分量Id和无功电流分量Iq；CPU通过光纤将有功电流分量、无功电流分量发送给各功率单元；

2)各个功率单元把收到的有功电流分量、无功电流分量做为功率单元电流给定，电网负载的无功分量作为无功给定值Iqref，与所述无功电流分量Iq的差值经PI调节后输出无功分量；

3)为了保证从站功率单元之间电压的平衡，在控制中加入了单元直流侧电压平衡控制，将多个功率单元的平均电压，作为平衡控制环的电压参考值，与每个功率单元测得的电压值相比较，其PI输出与有功给定值Idref相加作为电流环的有功参考值，再与有功电流分量Id的差值经PI调节后输出有功分量；

4)逆变侧根据负载系统的特性选择不同的控制方式，如果负载系统是无源系统，逆变侧采用定交流电压控制方式输出有功功率和无功功率，输出的有功功率和无功功率由负载特性来确定；如果负载系统是有源系统，逆变侧应采用定直流电流控制方式输出的有功功率和无功功率。