CN105703381A - 一种适用于vsc-hvdc联接极弱交流电网的功率阻尼同步控制方法 - Google Patents

一种适用于vsc-hvdc联接极弱交流电网的功率阻尼同步控制方法 Download PDF

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刘炜
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Abstract

本发明公开了输配电领域的一种适用于VSC-HVDC联接极弱交流电网的功率阻尼同步控制方法。其技术方案是：保留锁相环（Phase Locked Loop， PLL），其输出相角<i>θ</i>仅作为系统DQ变换的输入参考相角；在此基础上常规电流矢量控制的外环电压控制器保持不变，其输出<i>i</i>dref和<i>i</i>qref作为内环电流控制器的参考值，同时保留了限制VSC换流器过流的能力；对内环<i>i</i>d电流控制器进行重新设计，将功率同步环节（Power Synchronization Loop, PSL）和功率阻尼环节（Power Damping Loop, PDL）嵌入电流内环控制器以产生VSC环流输出电压所需的相角信号<i>δ</i>，内环<i>i</i>q电流控制器通过调节<i>i</i>q分量产生VSC换流器输出电压的幅值信号<i>E</i>m。通过在内环引入PSL和PDL有效协调了功率同步控制（Power Synchronization control, PSC）与PLL之间的矛盾，抑制了PLL在弱系统下对VSC-HVDC系统稳定性的负面影响，改善了VSC-HVDC在连接受端极弱交流电网工况下的系统控制性能。

Description

一种适用于VSC-HVDC联接极弱交流电网的功率阻尼同步控制方法
技术领域
本发明属于输配电技术领域，尤其涉及一种适用于VSC-HVDC联接极弱交流电网的功率阻尼同步控制方法。
背景技术
电压源换流器型高压直流输电系统（VoltageSourceConverterBasedHVDC，VSC-HVDC）由于采用全控器件，理论上可运行在极弱交流系统的特殊工况下。电流矢量控制策略通过控制同步旋转坐标系下的d轴和q轴电流实现对有功与无功功率的独立解耦控制，同时具备电流限制功能，成为目前实际工程中应用最为广泛的控制技术。而近年来的研究成果表明，基于常规电流矢量控制的VSC-HVDC系统在弱交流系统工况下，例如交流系统短路比（ShortCircuitRatios，SCR）SCR=1.0的特殊工况下，VSC-HVDC系统对锁相环（PhaseLockedLoop，PLL）的增益变化十分敏感，系统控制性能随着增益的增加会严重恶化，同时VSC-HVDC系统可传输的最大有功功率也受到了明显的限制。
根据同步发电机的外部机械特性和VSC-HVDC系统的数学模型，本发明设计了一种适用于VSC-HVDC联接极弱交流电网的功率阻尼同步控制方法，即保留传统电流矢量控制的外环控制器结构，PLL输出信号仅作为获取VSC-HVDC系统交流电压、电流dq分量所需的参考相角信号，而不作为VSC输出电压的同步信号；依据同步发电机的外部机械特性和VSC-HVDC输出有功功率的数学表达式设计了功率同步环节（PowerSynchronizationLoop,PSL）和功率阻尼环节（PowerDampingLoop，PDL），将其内嵌入id电流内环控制器以产生VSC-HVDC输出参考电压所需的相角信号θVSC，iq电流内环控制器通过调节VSC-HVDC系统iq电流分量生成VSC-HVDC输出参考电压所需的幅值参考信号Em。所设计的功率阻尼同步控制方法在保留常规电流矢量控制限制VSC换流器过流能力的基础上，通过内环设计的PSL和PDL可有效抑制在极弱交流系统工况下PLL对VSC-HVDC系统稳定性所带来的负面影响，使VSC-HVDC可以运行在极弱交流系统工况下。
发明内容
本发明针对VSC-HVDC联接极弱受端交流电网的工况，提出了一种适用于VSC-HVDC联接极弱交流电网的功率阻尼同步控制方法。其特征在于，保留锁相环（PhaseLockedLoop，PLL）功能，其输出相角θPLL仅作为获取VSC-HVDC系统电压、电流dq分量所需派克变换的输入参考相角，而不作为VSC输出电压的同步信号；外环控制器采用常规电流矢量控制的外环控制结构，使功率阻尼同步控制器具有限制VSC换流器过流的能力，其输出idref和iqref作为内环电流控制器的参考值；在此基础上将功率同步环节PSL和功率阻尼环节PDL嵌入到id电流内环控制器,以产生VSC换流器输出电压所需的瞬时相角信号δVSC，iq电流内环控制器通过调节VSC-HVDC系统的iq分量产生VSC换流器输出电压的幅值参考信号Em。
PSL和PDL的具体设计过程如下：
同步发电机的外部机械特性可表示为：
(1)
其中Tm为同步发电机的输入机械转矩，Te为同步发电机的输出电磁转矩，Pm为同步发电机输入机械有功功率，Pe为同步发电机输出电磁有功功率，ω为转子机械角速度，Δω=ω-ω0为同步发电机转子实际电角速度ω与同步发电机额定电角速度ω0之差，θ为同步发电机的实际电角度，D为系统阻尼系数，J为同步发电机的转动惯量。
保持交流母线电压Vt与dq坐标系的d轴一致，VSC-HVDC系统输出有功功率P可表示为：
(2)
其中vtd和id分别为VSC-HVDC交流母线处的电压、电流的d轴分量。
令VSC-HVDC输入有功功率参考值Pref=Pm，VSC-HVDC系统输出有功功率P=Pe，VSC-HVDC输出电压的相角θVSC为θ，并设,其中idref为id电流内环的输入参考值，将式（2）代入式（1）得到：(3)
其中定义为功率阻尼系数，定义为功率同步系数，由此可得到功率同步分量Psynch和功率阻尼分量Pdamp的表达式（4）作为PSL和PDL设计的原理。
(4)
本发明的效果是，当VSC-HVDC连接极弱交流电网时，可有效抑制PLL对VSC-HVDC系统稳定性所带来的负面影响，有效增强VSC-HVDC在极弱交流电网工况（SCR=1.0）下的稳定性，提高VSC-HVDC系统可传输的最大有功功率，发挥VSC-HVDC在弱交流系统甚至极弱交流系统场合中应用的技术优势。
附图说明
图1是本发明提供的功率阻尼同步控制器系统结构框图；
图2是本发明提供的VSC-HVDC系统在受端交流系统SCR=1.0工况下，传输额定有功功率P=1.0pu时，PLL比例增益KpPLL（积分增益KiPLL=5KpPLL）在1.5s时由5阶跃至50，并在2.5s时由50阶跃至500，最后在3.5s时由500阶跃至5000的有功功率PSCAD/EMTDC仿真波形。
具体实施方式
下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
）外环控制器
如图1所示，控制系统以采用定有功功率和定交流电压为例进行说明。其外环控制系统采用PI控制器，其输入的信号分别为VSC-HVDC系统的有功功率参考值Pref，有功功率实测值P，交流母线电压参考值Vacref，交流母线电压实测值Vt，经外环PI控制器调节输出内环电流参考值idref和iqref，并通过限幅环节以达到限制流过VSC换流器的电流目的，其中Imax、Imin为电流限幅环节的最大和最小限幅值。VSC-HVDC系统的id、iq分量由对VSC-HVDC系统的三相交流电流ij(j=a,b,c)经派克变换得到，派克变换锁相的相角θPLL由PLL对交流母线电压vtj(j=a,b,c)跟踪得到，id,iq经一阶惯性环节和得到内环控制器实际输入信号idm和iqm，其中Tmid和Tmiq为惯性时间常数。
）内环控制器
id电流内环控制器的PSL和PDL根据同步发电机的外部机械特性：
(1)
其中Tm为同步发电机的输入机械转矩，Te为同步发电机的输出电磁转矩，Pm为同步发电机输入机械有功功率，Pe为同步发电机输出电磁有功功率，ω为转子机械角速度，Δω=ω-ω0为同步发电机转子实际电角速度ω与同步发电机额定电角速度ω0之差，θ为同步发电机的实际电角度，D为系统阻尼系数，J为同步发电机的转动惯量。
保持交流母线电压Vt与dq坐标系的d轴一致，VSC-HVDC系统输出有功功率P可表示为：
(2)
其中vtdm和idm分别为VSC-HVDC交流母线处的电压、电流的d轴分量经一阶惯性环节后模拟的实测值。
令VSC-HVDC输入有功功率参考值Pref=Pm，VSC-HVDC系统输出有功功率P=Pe，VSC-HVDC输出电压的相角θVSC为θ，并设,其中idref为id电流内环的输入参考值，将式（2）代入式（1）得到：
(3)
其中定义为功率阻尼系数，定义为功率同步系数，由此可得到功率同步分量Psynch和功率阻尼分量Pdamp如表达式（4）所示
(4)
根据式（4）设计id电流内环控制器的PSL和PDL如图1所示。
iq电流内环控制器将外环定交流电压控制器输出iqref与VSC-HVDC的iqm实测值进行比较后，经PI控制器输出电压幅值信号E，并通过低通滤波器消除高次谐波分量最终得到VSC-HVDC输出参考电压的幅值信号Em，其中TmE为滤波器的惯性时间常数。内环id、iq电流控制器产生的相角信号和幅值信号最终合成VSC-HVDC输出三相交流电压参考值Varef、Vbref、Vcref。
以图2所示的仿真为例，当受端交流系统SCR=1.0时，VSC-HVDC在传输额定有功功率P=1.0pu的工况下，VSC-HVDC系统能够保持稳定运行，且几乎不受PLL增益变化的影响。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种适用于VSC-HVDC联接极弱交流电网的功率阻尼同步控制方法；其特征是：保留锁相环（PhaseLockedLoop，PLL），其输出相角θPLL仅作为获取VSC-HVDC系统交流电压和交流电流d轴和q轴分量所需派克变换的输入参考相角，而不作为VSC输出电压的同步信号；控制系统参考常规电流矢量控制的双闭环结构，外环电压控制器结构保持不变，使功率阻尼同步控制器具有限制VSC换流器过流的能力，其输出idref和iqref作为内环电流控制器的参考值；在此基础上将功率同步环节（PowerSynchronizationLoop,PSL）和功率阻尼环节（PowerDampingLoop,PDL）嵌入id电流内环控制器以产生VSC换流器输出电压所需的瞬时相角信号δVSC，iq电流内环控制器通过调节VSC-HVDC系统的iq分量产生VSC换流器输出电压的幅值参考信号Em；所提出的功率阻尼同步控制器，其优势在于不仅具备常规电流矢量控制的换流阀电流控制和限制功能，同时通过内环引入的PSL和PDL功能有效抑制了极弱交流系统下PLL对VSC-HVDC稳定性的负面影响，极大地改善了VSC-HVDC在极弱交流系统下运行的稳定性。
2.根据权利要求1所述设计PSL和PDL，其具体步骤是：
同步发电机的外部机械特性可表示为：
(1)
其中Tm为同步发电机的输入机械转矩，Te为同步发电机的输出电磁转矩，Pm为同步发电机输入机械有功功率，Pe为同步发电机输出电磁有功功率，ω为转子机械角速度，Δω=ω-ω0为同步发电机转子实际电角速度ω与同步发电机额定电角速度ω0之差，θ为同步发电机的实际电角度，D为系统阻尼系数，J为同步发电机的转动惯量；
保持交流母线电压Vt与dq坐标系的d轴一致，VSC-HVDC系统输出有功功率P可表示为：
(2)
其中vtd和id分别为VSC-HVDC交流母线处的电压、电流的d轴分量；
令VSC-HVDC输入有功功率参考值Pref=Pm，VSC-HVDC系统输出有功功率P=Pe，VSC-HVDC输出电压的相角θVSC为θ，并设,其中idref为id电流内环的输入参考值，将式（2）代入式（1）得到：
(3)
其中定义为功率阻尼系数，定义为功率同步系数，由此可得到功率同步分量Psynch和功率阻尼分量Pdamp的表达式（4）作为PSL和PDL设计的原理；
(4)。
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