CN105576690A - 一种直流电流反馈的柔性直流输电系统交流电压控制方法 - Google Patents

Abstract

一种直流电流反馈的柔性直流输电系统交流电压控制方法，所述控制方法是将电压源换流站直流侧电流<i>I_d</i>引入交流电压控制器中，通过将所述直流侧电流<i>I_d</i>的反馈增益<i>K_d</i>和<i>K_q</i>分别叠加到PWM调制信号的<i>d</i>轴分量和<i>q</i>轴分量中，对所述电压源换流站交流电压进行控制，以提高交流电压控制器对直流系统扰动的响应速度及抗干扰能力。本发明仅需增加流入电压源换流站直流电流的测量及正反馈，即可有效抑制直流系统扰动对电压源换流站交流侧以及无源网络电压产生的影响，大大提高无源网络电压稳定性及抗直流系统干扰的能力，保证无源网络负荷的正常运行。

Description

一种直流电流反馈的柔性直流输电系统交流电压控制方法

技术领域

本发明属于向无源网络供电的柔性直流输电控制技术领域，特别涉及一种直流电流反馈的柔性直流输电系统交流电压控制方法。

背景技术

柔性直流输电技术凭借可无源逆变、电能质量好、无需无功支撑等技术优势，成为解决远方孤岛及城市中心配网等无源网络供电的重要技术手段之一。为保证无源网络的正常运行，电压源换流器必须采用交流电压控制，为其提供稳定的交流电压及功率支撑。由于电压源换流器是直流系统与无源网络之间的媒介，功率来源于直流系统，因此直流系统的稳定对无源网络的运行至关重要。作为直流系统的重要特征量之一，所有直流系统扰动均会伴随直流电流的波动。而一旦直流系统发生扰动引起直流电流变化，如故障、潮流变化等，该扰动均会经电压源换流器对无源网络电压稳定产生影响。该问题的存在不利于无源网络的稳定运行。目前广泛采用的柔性直流输电系统交流电压控制器均存在该问题，为解决这一瓶颈，必须研究相应的控制策略，抑制直流系统扰动对无源网络交流电压的影响，而这方面的研究，在国内外公开文献及报告中均未见报道。

发明内容

本发明的目的是解决柔性直流输电系统交流电压控制器存在直流系统扰动对无源网络电压稳定产生影响的问题，提高交流电压控制器对直流系统扰动的响应速度及抗干扰能力。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种直流电流反馈的柔性直流输电系统交流电压控制方法，所述控制方法是将流入电压源换流站直流侧电流I_d引入交流电压控制器中，通过将所述直流侧电流I_d的反馈分别叠加到PWM调制信号的d轴分量和q轴分量中，对所述电压源换流站交流电压进行控制。

优选的，所述直流侧电流I_d的反馈增益为K_d和K_q，所述K_d和K_q的整定公式为 $\left\{\begin{array}{c}{K}_d=\frac{2{\mathrm{Su}}_{cd0}/P_{ac0}}{U_{d0}^{2}Cs/P_{ac0}+1}(1\%~200\%)\\ K_q=\frac{2{\mathrm{Su}}_{cq0}/P_{ac0}}{U_{d0}^{2}Cs/P_{ac0}+1}(1\%~200\%)\end{array}\right.---\left(1\right),$ 式中S为载波幅值，u_cd0和u_cq0分别为所述电压源换流站交流侧电压u_c的d轴分量稳态值和q轴分量稳态值，P_ac0为所述电压源换流站吸收的有功功率稳态值，U_d0为所述电压源换流站直流侧电压的稳态值，C为直流侧电容值，s为复频域变量。

进一步优选的，对所述电压源换流站交流电压进行控制包括以下具体步骤：

①采用电压互感器和电流互感器测量无源网络接入点的三相电压u_s和三相电流i_s，并基于锁相环得到电网同步相位；

②基于步骤①所得到的电网同步相位进行派克变换得到电压u_s的d轴分量u_sd和q轴分量u_sq以及电流i_s的d分量i_sd和q分量i_sq。

③将所述交流电压d分量u_sd与交流电压指令值d轴分量u_sd*进行比较并经比例积分控制器消除其静态误差，然后将所述比例积分控制器输出量与所述交流电流q轴分量i_sq和所述直流电流I_d的反馈叠加，其中所述i_sq的负反馈增益为工频角速度ω与联结电抗器电感L之积ωL，所述直流电流I_d的反馈增益K_d由所述反馈增益整定公式计算，从而得到PWM调制信号的d轴分量。

④将所述交流电压q分量u_sq与交流电压指令值q轴分量u_sq*进行比较并经比例积分控制器消除其静态误差，然后将所述比例积分控制器输出量与所述交流电流d轴分量i_sd和所述直流电流I_d的反馈叠加，其中所述i_sd的正反馈增益为工频角速度ω与联结电抗器电感L之积ωL，所述直流电流I_d的反馈增益K_q由所述反馈增益整定公式计算，从而得到PWM调制信号的q轴分量。

⑤将所述PWM调制信号d轴分量和q轴分量经派克反变换并与所述三角载波进行比较，得到所述电压源换流站换流阀的开关控制信号。

本发明工作原理：与交流系统的电压频率类似，直流电流是直流系统潮流及运行状态的重要特征量，直流系统的任何扰动都会通过直流电压的波动来体现，将电压源换流站直流侧电流引入交流电压控制器中，抑制直流系统扰动对无源网络电压稳定性的影响；一旦直流系统发生扰动，交流电压控制器可通过直流电流的变化对其进行判断；通过配置合理的直流电流反馈增益，控制器便可针对扰动对PWM调制信号进行调节，从而避免直流系统扰动对无源网络的影响，保证无源网络负荷的正常运行。

本发明的有益效果：本发明应用于向无源网络供电的电压源换流站，相比现有技术的柔性直流输电系统交流电压控制器，本发明结构简单易行，仅需增加流入电压源换流站直流电流的测量及正反馈，即可提高交流电压控制器对直流系统扰动的响应速度及抗干扰能力；有效抑制直流系统扰动对电压源换流站交流侧以及无源网络电压产生的影响，大大提高无源网络电压稳定性及抗直流系统干扰的能力，保证无源网络负荷的正常运行。

附图说明

图1为向无源网络供电的两电平电压源换流站拓扑图；

其中，1-无源网络负载，2-换流变压器，u_s-无源网络接入点交流电压，3-滤波器，4-联结电抗器，i_s-换流站交流电流，u_c-换流站交流侧电压，5-电压源换流阀，6-换流站直流侧电容，U_d-换流站直流侧电压，I_d为流入换流站的直流侧电流；

图2为直流电流反馈的柔性直流输电系统交流电压控制器框图；

图3(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)分别为电压源换流站采用本实施例的控制方式前后，对应K_d和K_q不同取值，直流系统发生扰动时试验结果对比曲线。

具体实施方式

通过以下详细说明结合附图可以进一步理解本发明的特点和优点。所提供的实施例仅是对本发明方法的说明，而不以任何方式限制本发明揭示的其余内容。

本实施方式提供的技术方案是：一种直流电流反馈的柔性直流输电系统交流电压控制方法，所述控制方法是将流入电压源换流站直流侧电流I_d引入交流电压控制器中，通过将所述直流侧电流I_d的反馈分别叠加到PWM调制信号的d轴分量和q轴分量中，对所述电压源换流站交流电压进行控制。

所述直流侧电流I_d的反馈增益为K_d和K_q，所述K_d和K_q的整定公式为 $\left\{\begin{array}{c}{K}_d=\frac{2{\mathrm{Su}}_{cd0}/P_{ac0}}{U_{d0}^{2}Cs/P_{ac0}+1}(1\%~200\%)\\ K_q=\frac{2{\mathrm{Su}}_{cq0}/P_{ac0}}{U_{d0}^{2}Cs/P_{ac0}+1}(1\%~200\%)\end{array}\right.---\left(1\right),$ 式中S为载波幅值，u_cd0和u_cq0分别为所述电压源换流站交流侧电压u_c的d轴分量稳态值和q轴分量稳态值，P_ac0为所述电压源换流站吸收的有功功率稳态值，U_d0为所述电压源换流站直流侧电压的稳态值，C为直流侧电容值，s为复频域变量。

对所述电压源换流站交流电压进行控制包括以下具体步骤：

①采用电压互感器和电流互感器测量无源网络接入点的三相电压u_s和三相电流i_s，并基于锁相环得到电网同步相位；

②基于步骤①所得到的电网同步相位进行派克变换得到电压u_s的d轴分量u_sd和q轴分量u_sq以及电流i_s的d分量i_sd和q分量i_sq。

③将所述交流电压d分量u_sd与交流电压指令值d轴分量u_sd*进行比较并经比例积分控制器消除其静态误差，然后将所述比例积分控制器输出量与所述交流电流q轴分量i_sq和所述直流电流I_d的反馈叠加，其中所述i_sq的负反馈增益为工频角速度ω与联结电抗器电感L之积ωL，所述直流电流I_d的反馈增益K_d由所述反馈增益整定公式计算，从而得到PWM调制信号的d轴分量。

④将所述交流电压q分量u_sq与交流电压指令值q轴分量u_sq*进行比较并经比例积分控制器消除其静态误差，然后将所述比例积分控制器输出量与所述交流电流d轴分量i_sd和所述直流电流I_d的反馈叠加，其中所述i_sd的正反馈增益为工频角速度ω与联结电抗器电感L之积ωL，所述直流电流I_d的反馈增益K_q由所述反馈增益整定公式计算，从而得到PWM调制信号的q轴分量。

⑤将所述PWM调制信号d轴分量和q轴分量经派克反变换并与所述三角载波进行比较，得到所述电压源换流站换流阀的开关控制信号。

实施例1

如图1所示，为向无源网络供电的两电平电压源换流站等效结构图，图中1为无源网络负载，2为换流变压器，u_s为无源网络接入点交流电压，3为滤波器，4为联结电抗器，i_s为换流站交流电流，u_c为换流站交流侧电压，5为电压源换流阀，6为换流站直流侧电容，U_d为换流站直流侧电压，I_d为流入换流站的直流侧电流。

如图2所示，为本实施例提出的交流电压控制器，在交流电压控制器中引入流进换流站的直流侧电流I_d正反馈，将直流电流通过一定的反馈增益K_d和K_q分别叠加到PWM调制信号的d轴分量和q轴分量中，以提高交流电压控制器对直流系统扰动的响应速度及抗干扰能力。其K_d和K_q的整定公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{K}_d=\frac{2{\mathrm{Su}}_{cd0}/P_{ac0}}{U_{d0}^{2}Cs/P_{ac0}+1}(1\%~200\%)\\ K_q=\frac{2{\mathrm{Su}}_{cq0}/P_{ac0}}{U_{d0}^{2}Cs/P_{ac0}+1}(1\%~200\%)\end{array}\right.---\left(1\right),$

式中S为载波幅值，u_cd0和u_cq0分别为换流站交流侧电压u_c的d轴分量稳态值和q轴分量稳态值，U_d0为换流站直流侧电压的稳态值，C为直流侧电容值，s为复频域变量，P_ac0为换流站从直流系统吸收的有功功率稳态值。反馈增益K_d和K_q本质上为惯性环节，两者的惯性时间常数均为直流电压稳态值U_d0的平方与直流侧电容C之积除换流站吸收有功功率P_ac0，K_d的惯性环节增益为载波峰峰值2S与换流站交流侧电压d轴分量u_cd0之积除换流站吸收有功功率P_ac0，K_q的惯性环节增益为载波峰峰值与换流站交流侧电压q轴分量u_cq0之积除换流站吸收有功功率。

实施例2

本实施例向无源网络供电的电压源换流站如图1所示，相应的模型建立在电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC中，其基本参数如下：

换流站直流侧额定电压U_d0为60kV，直流侧电容为5000μF，换流站额定功率100MW，换流站联结电抗器等效电感0.053H，等效电阻0.8Ω，换流变压器采用Yn/△接法，漏抗为0.1pu，变比20kV/60kV，无源网络采用电感和电阻模拟，分别为0.01H和30Ω，额定电压20kV。

由于直流系统扰动最重要的表现特征之一是直流电流的波动，该波动会首先引起换流站交流侧电压波动，并进一步对无源网络接入点电压产生影响，因此为抑制直流系统扰动对无源网络的影响，本实施例将换流站直流侧电流引入到控制器中，提出了图2所示的基于直流电流反馈的柔性直流输电系统交流电压控制方法：

首先采用电压互感器和电流互感器测量无源网络接入点的三相电压u_s和三相电流i_s，并基于锁相环相位进行派克变换得到电压u_s的d轴分量u_sd和q轴分量u_sq以及电流i_s的d分量i_sd和q分量i_sq。

将u_sd与交流电压指令值d轴分量u_sd*进行比较并经比例积分控制器消除其静态误差，然后将比例积分控制器输出量与电流i_sq和直流电流I_d的正反馈叠加，i_sq的反馈增益为工频角速度ω与联结电抗器电感L之积ωL，I_d的反馈增益K_d为惯性环节，惯性时间常数为直流电压稳态值U_d0的平方与直流侧电容C之积除换流站吸收有功功率P_ac0，惯性环节增益为载波峰峰值2S与换流站交流侧电压d轴分量u_cd0之积除换流站吸收有功功率P_ac0，从而得到PWM调制信号的d轴分量。

将u_sq与交流电压指令值的q分量u_sq*进行比较并经比例积分控制器后，再与电流i_sd和直流电流I_d的正反馈叠加，其中i_sd的反馈增益为工频角速度ω与联结电抗器电感L之积ωL，I_d反馈增益K_q的惯性时间常数与K_d相同，惯性环节增益为载波峰峰值与换流站交流侧电压q轴分量u_cq0之积除换流站吸收有功功率，即可得到PWM调制信号的q分量。

由于换流站额定直流电压U_d0为60kV，无源网络额定交流电压为20kV，根据潮流计算，换流站交流侧电压稳态值的d分量u_cd0为21.68kV，换流站交流侧电压稳态值的q分量u_cq0为-10.92kV，换流站吸收有功功率稳态值为20.308MW，三角载波峰峰值设定为100，因此根据整定公式(1)，直流电流反馈增益K_d的惯性环节增益可取值1.07～213.5，惯性时间常数为0.8864，直流电流反馈增益K_q的惯性环节增益可取值-0.54～-107.5，惯性时间常数为0.8864。

当K_d和K_q取值为时，如图3(a)、(b)所示，其中实线波形为无直流电流反馈交流电压控制，虚线波形为直流电流反馈交流电压控制；结果表明能有效抑制直流系统扰动对无源网络接入点电压稳定性的影响。

当K_d和K_q取值为时，如图3(c)、(d)所示，其中实线波形为无直流电流反馈交流电压控制，虚线波形为直流电流反馈交流电压；结果表明能抑制直流系统扰动对无源网络接入点电压稳定性的影响。

当K_d和K_q取值为时，如图3(e)、(f)所示，其中实线波形为无直流电流反馈交流电压控制，虚线波形为直流电流反馈交流电压；结果表明抑制直流系统扰动对无源网络接入点电压稳定性的影响效果不明显。

最后将PWM调制信号d分量和q分量经派克反变换并与三角载波进行比较，便可得到换流阀的开关控制信号。

上述PI控制器、潮流计算以及增益计算均可通过软件编程实现，并在数字信号处理器中执行。

本实施例结构简单易行，仅需增加电压源换流站直流侧电流的测量及反馈，即可大幅削弱直流系统扰动对电压源换流站交流侧及其所连无源网络交流电压的影响，提高无源网络电压稳定性及换流站抗直流系统干扰的能力，保证无源网络负荷的稳定运行。

Claims (3)

1.一种直流电流反馈的柔性直流输电系统交流电压控制方法，其特征在于：所述控制方法是将流入电压源换流站直流侧电流I_d引入交流电压控制器中，通过将所述直流侧电流I_d的反馈分别叠加到PWM调制信号的d轴分量和q轴分量中，对所述电压源换流站交流电压进行控制。

2.如权利要求1所述的直流电流反馈的柔性直流输电系统交流电压控制方法，其特征在于：所述直流侧电流I_d的反馈增益为K_d和K_q，所述K_d和K_q的整定公式为 $\{\begin{array}{c}{K}_d=\frac{2{\mathrm{Su}}_{cd0}/P_{ac0}}{U_{d0}^{2}Cs/P_{ac0}+1}(1\%~200\%)\\ K_q=\frac{2{\mathrm{Su}}_{cq0}/P_{ac0}}{U_{d0}^{2}Cs/P_{ac0}+1}(1\%~200\%)\end{array}---\left(1\right),$ 式中S为载波幅值，u_cd0和u_cq0分别为所述电压源换流站交流侧电压u_c的d轴分量稳态值和q轴分量稳态值，P_ac0为所述电压源换流站吸收的有功功率稳态值，U_d0为所述电压源换流站直流侧电压的稳态值，C为直流侧电容值，s为复频域变量。

3.如权利要求2所述的直流电流反馈的柔性直流输电系统交流电压控制方法，其特征在于：对所述电压源换流站交流电压进行控制包括以下具体步骤：

①采用电压互感器和电流互感器测量无源网络接入点的三相电压u_s和三相电流i_s，并基于锁相环得到电网同步相位；

②基于步骤①所得到的电网同步相位进行派克变换得到电压u_s的d轴分量u_sd和q轴分量u_sq以及电流i_s的d分量i_sd和q分量i_sq；

③将所述交流电压d分量u_sd与交流电压指令值d轴分量u_sd*进行比较并经比例积分控制器消除其静态误差，然后将所述比例积分控制器输出量与所述交流电流q轴分量i_sq和所述直流电流I_d的反馈叠加，其中所述i_sq的负反馈增益为工频角速度ω与联结电抗器电感L之积ωL，所述直流电流I_d的反馈增益K_d由所述反馈增益整定公式计算，从而得到PWM调制信号的d轴分量；

④将所述交流电压q分量u_sq与交流电压指令值q轴分量u_sq*进行比较并经比例积分控制器消除其静态误差，然后将所述比例积分控制器输出量与所述交流电流d轴分量i_sd和所述直流电流I_d的反馈叠加，其中所述i_sd的正反馈增益为工频角速度ω与联结电抗器电感L之积ωL，所述直流电流I_d的反馈增益K_q由所述反馈增益整定公式计算，从而得到PWM调制信号的q轴分量；

⑤将所述PWM调制信号d轴分量和q轴分量经派克反变换并与所述三角载波进行比较，得到所述电压源换流站换流阀的开关控制信号。