CN105391045A - 基于电压源换流器的直流输电系统的控制方法 - Google Patents

基于电压源换流器的直流输电系统的控制方法 Download PDF

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杨佳俊
陈红
雷宇
韩涛
魏延彬
苏健
王宁
孙立军
王涛
段美琪
黄兴
渠吉鑫
刘涛
徐娟
蔺凯
李季
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Abstract

本发明公开了基于电压源换流器的直流输电系统的控制方法；包括电流解耦控制器和VSC数字模型，电流解耦控制器包括外环控制器生成的直轴电流指令值和交轴电流指令值、换流站交流侧电流的直轴分量和交轴分量、内模解耦控制器、等效反馈控制器的比例积分与解耦交叉环节、换流站交流侧电压的直轴分量和交轴分量。VSC数字模型包括电流解耦控制器生成的直轴电压指令值和交轴电压指令值、换流站交流侧电压的直轴分量和交轴分量、VSC数字模型的前馈控制器和交叉环节、换流站交流侧电流的直轴分量和交轴分量。本发明能够使得基于电压源换流器的直流输电系统中内模解耦完全，鲁棒性好，抗干扰性好。

Description

基于电压源换流器的直流输电系统的控制方法
技术领域
本发明涉及电压源型换流器的控制技术领域，尤其涉及一种基于电压源换流器的直流输电系统的控制方法。
背景技术
近年来，随着电力电子技术和可再生能源的快速发展，高压直流输电技术得到了越来越多的重视，已经成为保障输电安全性与可靠性的最优选择之一，高压直流输电通常用于可再生能源发电并网、城市供电、交流系统的非同步互联与电力市场交易等领域，具有输电容量大、可控性好、具备动态无功补偿和改善电能质量能力以及环境友好等优点，是目前世界上公认的、具有巨大优越性的风电并网方式。此外，多端直流输电技术(VSC-MTDC)还具有多电源供电和多落点受电等优点，运行方式更加灵活，广泛应用于新能源并网、海岛供电等领域，但其控制也变得更为复杂。
电压源换流器(VSC)是基于全控型功率半导体器件的电力电子变换方法，是电压源换相的直流输电系统的核心部件，通常采用可关断器件如IGBT、IGCT等与反并联二极管构成其基本单元，广泛应用于两端高压直流输电系统和多端直流输电系统中，是影响整个换流系统性能、运行方式、设备成本及运行损耗等的关键部分，对基于电压源换流器的直流输电系统进行控制策略研究始终是一个十分重要的环节，因为这直接影响到电能质量和经济性等。
目前，柔性直流输电系统的控制策略广泛采用直接电流控制，包括内环电流控制和外环电压控制两部分。其中，常用的外环控制器形式有定直流电压控制、定有功功率控制、定无功功率控制、定交流电压控制和定频率控制等，外环控制器跟踪系统级控制器给定的参考信号。内环电流控制器采用PI环节和解耦算法进行控制，用于实现换流器交流侧电流波形和相位的直接控制，以快速跟踪参考电流。为解决VSC控制中电流内环解耦的问题，普遍采用了一自由度和二自由度的控制方式。一自由度控制方法虽可实现解耦效果，但存在解耦不完全的情况，并且系统鲁棒性和跟随性受到了一定程度的影响。二自由度控制方法中，前馈控制器和反馈滤波器的调节并不是独立的而是相互具有一定的影响，而且反馈控制器需要再抗干扰性和鲁棒性之间折中，这使得二自由度内模控制方法对系统性能的改善受到了限制。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种基于电压源换流器的直流输电系统的控制方法，直流输电系统解耦完全，抗干扰性强，保证直流供电系统良好的电能质量。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
基于电压源换流器的直流输电系统的控制方法，包括：
直轴分量和交轴分量分别输入各自的三自由度内模解耦控制器，生成的控制量再对应的分别经过等效反馈控制器的比例积分环节得到直轴控制量和交轴控制量；
所述直轴控制量与交轴控制量经等效反馈控制器的解耦交叉项、换流站交流侧电压的直轴分量进行交叉解耦运算，从而得到直轴电压指令值；该直轴电压指令值与换流站交流侧电流的交轴分量经VSC数字模型的交叉项、换流站交流侧电压的直轴分量进行偏差调节后，经VSC数字模型的前馈控制器生成换流站交流侧电流的直轴分量；
所述交轴控制量与直轴控制量经等效反馈控制器的解耦交叉项、换流站交流侧电压的交轴分量进行交叉解耦运算，从而得到交轴电压指令值，该交轴电压指令值与换流站交流侧电流的直轴分量经VSC数字模型的交叉项、换流站交流侧电压的交轴分量进行偏差调节后，经VSC数字模型的前馈控制器生成换流站交流侧电流的交轴分量。
所述直轴分量包括外环控制器生成的直轴电流分量和换流站交流侧电流的直轴分量；所述交轴分量包括外环控制器生成的交轴电流分量和换流站交流侧电流的交轴分量。
所述三自由度内模解耦控制器包括前馈控制器环节、反馈调节器环节和内模控制器环节，
所述外环控制器生成的直轴电流分量经由前馈控制器环节与所述换流站交流侧电流的直轴分量经由反馈调节器环节进行偏差调节后，进行内模控制器环节的控制，生成的控制量再进入等效反馈控制器的比例积分环节；
所述外环控制器生成的交轴电流分量经由前馈控制器环节与所述换流站交流侧电流的交轴分量经由反馈调节器环节进行偏差调节后，进行内模控制器环节的控制，生成的控制量再进入等效反馈控制器的比例积分环节。
所述前馈控制器环节对系统解耦的跟随性能进行调节，所述内模控制器环节对系统解耦的鲁棒性进行控制，所述反馈调节器环节主要对系统解耦偏差的鲁棒性进行控制。
所述前馈控制器环节的传递函数为(α1s+1)/(α2s+1)，反馈控制器环节的传递函数为(λ1s+1)/(λ2s+1)，内模控制器环节的传递函数为1/α1，其中，α1、α2分别为内模控制器和前馈控制器中滤波器的传递函数分母系数，λ1、λ2分别为反馈控制器中传递函数的分子和分母系数。
等效反馈控制器的比例积分环节的传递函数为(R+sL)/s，R表示各相的串联电阻和电压源型换流器等效到交流侧的电阻值，L表示每一相的串联电抗器、交流侧并联滤波器以及联结变压器的漏抗和损耗的综合等效值。
等效反馈控制器的解耦交叉项为ωL/s，L表示每一相的串联电抗器、交流侧并联滤波器以及联结变压器的漏抗和损耗的综合等效值。
VSC数字模型的前馈控制器的传递函数为1/(R+sL)，VSC数字模型的交叉项为ωL，R表示各相的串联电阻和电压源型换流器等效到交流侧的电阻值，L表示每一相的串联电抗器、交流侧并联滤波器以及联结变压器的漏抗和损耗的综合等效值。
电压源换流器的基本单元采用可关断器件与反并联二极管构成，可关断器件选择IGBT(绝缘栅双极型晶体管)、IGCT(集成门极换流晶闸管)、MOSFET(金属-氧化层-半导体-场效晶体管，简称金氧半场效晶体管)或GTO(门极可关断晶闸管)。
电压源型换流器的基本工作原理是基于系统级控制、换流站级控制和阀级控制的分层控制体系，具体到本发明中即是双环控制体系，其中外环控制器部分对有功类物理量和无功类物理量进行了abc/dq的坐标变换，所得的直轴和交轴电流量经由内环控制器的动态解耦环节进行了控制变换，得到的直轴和交轴电压值再经过dq/abc变换去驱动阀级控制。
本发明的有益效果：
本发明能够使得基于电压源换流器的直流输电系统中内模解耦完全，鲁棒性好，抗干扰性好。
在VSC数学模型中，引入了换流站交流侧电压的直轴分量和换流站交流侧电压的交轴分量，分别和直轴电压指令值、交叉反馈项进行了偏差控制，提高了反馈控制程度。
附图说明
图1为本发明的控制方法结构图。
其中，1为外环控制器生成的直轴电流分量，2为外环控制器生成的交轴电流分量，3为换流站交流侧电流的直轴分量，4为换流站交流侧电流的交轴分量，5为前馈控制器环节，6为反馈调节器环节，7为内模控制器环节，8为等效反馈控制器的比例积分环节，9为等效反馈控制器的解耦交叉项，10为换流站交流侧电压的直轴分量，11为换流站交流侧电压的交轴分量，14为直轴电压指令值，15为交轴电压指令值，16为VSC数字模型的前馈控制器，17为VSC数字模型的交叉项。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
本发明中所提到的控制方法是针对所有的VSC而言的，具有通用性。所谓的VSC即是VoltageSourceConverter(电压源型换流器)的简称，电压源型换流器的基本结构主要是由IGBT等可关断器件和反并联二极管为基本单元组成，无论是两电平还是多电平，无论是级联型结构还是二极管拑位型结构，本发明中的方法对于所有的VSC都适用。
如图1所示，基于电压源换流器的直流输电系统的控制方法，包括电流解耦控制器和VSC数字模型。
电流解耦控制器包括外环控制器生成的直轴电流分量1、外环控制器生成的交轴电流分量2、换流站交流侧电流的直轴分量3、换流站交流侧电流的交轴分量4、三自由度内模解耦控制器、等效反馈控制器的比例积分环节8、等效反馈控制器的解耦交叉项9、换流站交流侧电压的直轴分量10、换流站交流侧电压的交轴分量11。
三自由度内模解耦控制器包括前馈控制器环节5、反馈调节器环节6和内模控制器环节7。
VSC数字模型包括电流解耦控制器生成的直轴电压指令值14、电流解耦控制器生成的交轴电压指令值15、换流站交流侧电压的直轴分量10、换流站交流侧电压的交轴分量11、VSC数字模型的前馈控制器16、VSC数字模型的交叉项17、换流站交流侧电流的直轴分量3、换流站交流侧电流的交轴分量4。
所述外环控制器生成的直轴电流分量1经由前馈控制器环节5与所述换流站交流侧电流的直轴分量3经由反馈调节器环节6进行偏差调节后，进行内模控制器环节7的控制；
所述外环控制器生成的交轴电流分量2经由前馈控制器环节5与所述换流站交流侧电流的交轴分量4经由反馈调节器环节6进行偏差调节后，进行内模控制器环节7的控制。
所述直轴内模控制器环节7的输出量经等效反馈控制器的比例积分环节8，与交轴内模控制器环节7的输出量经等效反馈控制器的解耦交叉项9、换流站交流侧电压的直轴分量10进行交叉解耦运算，得到电流解耦控制器生成的直轴电压指令值14；
所述交轴内模控制器环节7的输出量经等效反馈控制器的比例积分环节8，与直轴内模控制器环节7的输出量经等效反馈控制器的解耦交叉项9、换流站交流侧电压的交轴分量11进行交叉解耦运算，得到电流解耦控制器生成的交轴电压指令值15。
所述换流站交流侧电压的直轴分量10与电流解耦控制器生成的直轴电压指令值14、换流站交流侧电流的交轴分量4经VSC数字模型的交叉项17进行偏差调节后，经VSC数字模型的前馈控制器16生成换流站交流侧电流的直轴分量3；
所述换流站交流侧电压的交轴分量11与电流解耦控制器生成的交轴电压指令值15、换流站交流侧电流的直轴分量3经VSC数字模型的交叉项17进行偏差调节后，经VSC数字模型的前馈控制器16生成换流站交流侧电流的交轴分量4。
前馈控制器的传递函数为(α1s+1)与(α2s+1)的比值，反馈控制器的传递函数为(λ1s+1)与(λ2s+1)的比值，内模环节的传递函数为1/α1。其中，α1、α2分别为内模控制器和前馈控制器中滤波器的传递函数分母系数，λ1、λ2分别为反馈控制器中传递函数的分子和分母系数，通过对三自由度内模解耦控制系统中前馈控制器、内模控制器和反馈控制器的参数α1、α2、λ1、λ2等进行相互配合和调节，即可达到解耦的效果。
等效反馈控制器比例积分环节的传递函数为(R+sL)/s，等效反馈控制器的解耦交叉项为ωL/s，VSC数字模型的前馈控制器传递函数为1/(R+sL)，VSC数字模型的交叉项为ωL。R表示各相的串联电阻和电压源型换流器等效到交流侧的电阻值，L表示每一相的串联电抗器、交流侧并联滤波器以及联结变压器的漏抗和损耗的综合等效值。
参数的选择要综合考虑到多端柔性直流输电系统结构等的各方面因素，不仅要考虑到R和L的定值，还要考虑到变压器的变比和额定容量，交流侧滤波器的品质因数、容量和截止频率，电压源型换流器的开关频率和过调制比，所选择的直流侧电压等级等众多的结构参数和调节参数，所有这些参数综合考虑才决定了解耦控制结构图中的λ、α等系数数值的确定，这和同步电动机的三自由度内模解耦控制的考虑角度完全不同。
所述电压源换流器的基本单元采用可关断器件与反并联二极管构成，可关断器件选择IGBT(绝缘栅双极型晶体管)、IGCT(集成门极换流晶闸管)、MOSFET(金属-氧化层-半导体-场效晶体管，简称金氧半场效晶体管)或GTO(门极可关断晶闸管)。
本发明的工作原理：
下面对本发明的控制原理进行进一步说明。
对于直轴量而言，外环控制器生成的直轴电流分量1经由前馈控制器环节5与所述换流站交流侧电流的直轴分量3经由反馈调节器环节6进行偏差调节，然后经由内模控制器环节7的控制后，经过等效反馈控制器的比例积分环节8进行比例积分控制，然后与交轴内模控制器环节7的输出量经等效反馈控制器的解耦交叉项9、换流站交流侧电压的直轴分量10进行交叉解耦运算，从而得到电流解耦控制器生成的直轴电压指令值14，然后电流解耦控制器生成的直轴电压指令值14与换流站交流侧电压的直轴分量10、换流站交流侧电流的交轴分量4经VSC数字模型的交叉项17进行偏差调节后，经VSC数字模型的前馈控制器16生成换流站交流侧电流的直轴分量3。
对于交轴量而言，外环控制器生成的交轴电流分量2经由前馈控制器环节5与所述换流站交流侧电流的交轴分量4经由反馈调节器环节6进行偏差调节，然后进行内模控制器环节7的控制后，经过等效反馈控制器的比例积分环节8进行比例积分控制，然后与交轴内模控制器环节7的输出量经等效反馈控制器的解耦交叉项9、换流站交流侧电压的直轴分量11进行交叉解耦运算，从而得到电流解耦控制器生成的交轴电压指令值15，然后电流解耦控制器生成的交轴电压指令值15与换流站交流侧电压的交轴分量11、换流站交流侧电流的直轴分量3经VSC数字模型的交叉项17进行偏差调节后，经VSC数字模型的前馈控制器16生成换流站交流侧电流的交轴分量4。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.基于电压源换流器的直流输电系统的控制方法，其特征是，包括：
直轴分量和交轴分量分别输入各自的三自由度内模解耦控制器，生成的控制量再对应的分别经过等效反馈控制器的比例积分环节得到直轴控制量和交轴控制量；
所述直轴控制量与交轴控制量经等效反馈控制器的解耦交叉项、换流站交流侧电压的直轴分量进行交叉解耦运算，从而得到直轴电压指令值；该直轴电压指令值与换流站交流侧电流的交轴分量经VSC数字模型的交叉项、换流站交流侧电压的直轴分量进行偏差调节后，经VSC数字模型的前馈控制器生成换流站交流侧电流的直轴分量；
所述交轴控制量与直轴控制量经等效反馈控制器的解耦交叉项、换流站交流侧电压的交轴分量进行交叉解耦运算，从而得到交轴电压指令值，该交轴电压指令值与换流站交流侧电流的直轴分量经VSC数字模型的交叉项、换流站交流侧电压的交轴分量进行偏差调节后，经VSC数字模型的前馈控制器生成换流站交流侧电流的交轴分量。
2.如权利要求1所述基于电压源换流器的直流输电系统的控制方法，其特征是，所述直轴分量包括外环控制器生成的直轴电流分量和换流站交流侧电流的直轴分量；所述交轴分量包括外环控制器生成的交轴电流分量和换流站交流侧电流的交轴分量。
3.如权利要求2所述基于电压源换流器的直流输电系统的控制方法，其特征是，所述三自由度内模解耦控制器包括前馈控制器环节、反馈调节器环节和内模控制器环节，
所述外环控制器生成的直轴电流分量经由前馈控制器环节与所述换流站交流侧电流的直轴分量经由反馈调节器环节进行偏差调节后，进行内模控制器环节的控制，生成的控制量再进入等效反馈控制器的比例积分环节；
所述外环控制器生成的交轴电流分量经由前馈控制器环节与所述换流站交流侧电流的交轴分量经由反馈调节器环节进行偏差调节后，进行内模控制器环节的控制，生成的控制量再进入等效反馈控制器的比例积分环节。
4.如权利要求3所述基于电压源换流器的直流输电系统的控制方法，其特征是，所述前馈控制器环节对系统解耦的跟随性能进行调节，所述内模控制器环节对系统解耦的鲁棒性进行控制，所述反馈调节器环节主要对系统解耦偏差的鲁棒性进行控制。
5.如权利要求3或4所述基于电压源换流器的直流输电系统的控制方法，其特征是，所述前馈控制器环节的传递函数为(α1s+1)/(α2s+1)，反馈控制器环节的传递函数为(λ1s+1)/(λ2s+1)，内模控制器环节的传递函数为1/α1，其中，α1、α2分别为内模控制器和前馈控制器中滤波器的传递函数分母系数，λ1、λ2分别为反馈控制器中传递函数的分子和分母系数。
6.如权利要求1所述基于电压源换流器的直流输电系统的控制方法，其特征是，等效反馈控制器的比例积分环节的传递函数为(R+sL)/s，R表示各相的串联电阻和电压源型换流器等效到交流侧的电阻值，L表示每一相的串联电抗器、交流侧并联滤波器以及联结变压器的漏抗和损耗的综合等效值。
7.如权利要求1所述基于电压源换流器的直流输电系统的控制方法，其特征是，等效反馈控制器的解耦交叉项为ωL/s，L表示每一相的串联电抗器、交流侧并联滤波器以及联结变压器的漏抗和损耗的综合等效值。
8.如权利要求1所述基于电压源换流器的直流输电系统的控制方法，其特征是，VSC数字模型的前馈控制器的传递函数为1/(R+sL)，VSC数字模型的交叉项为ωL，R表示各相的串联电阻和电压源型换流器等效到交流侧的电阻值，表示每一相的串联电抗器、交流侧并联滤波器以及联结变压器的漏抗和损耗的综合等效值。
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