CN106329549A - 一种vsc‑hvdc系统类同步机控制器设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力系统稳定与控制技术领域，尤其涉及一种考虑暂态稳定性的VSC‑HVDC系统类同步机控制器设计方法，包括建立VSC‑HVDC系统的双机等值模型，双机等值模型包括逆变端以及整流端；设计类同步控制器。本发明将同步逆变器的思想运用到含电压源换流器的高压直流输电中，建立了VSC‑HVDC系统的双机等值模型；在双机等值模型的基础上设计了一种具有下垂特性的类同步机控制器，代替传统的外环电压内环电流控制器以改善系统的暂态稳定性；具有下垂特性的类同步机控制器可很好地应用在VSC‑HVDC系统中，且该类同步机控制器的加入可有效增加系统阻尼，抑制振荡，提高交直流系统遭受扰动后的暂态稳定性。

Description

一种VSC-HVDC系统类同步机控制器设计方法

技术领域

本发明属于电力系统稳定与控制技术领域，尤其涉及一种考虑暂态稳定性的VSC-HVDC系统类同步机控制器设计方法。

背景技术

随着电力电子器件和控制技术的发展，直流输电技术得到了广泛应用。基于电压源换流器的高压直流输电技术和基于全控型绝缘栅双极晶体管和脉宽调制控制技术的新一代高压直流输电技术，具有可向弱交流电网甚至无源网络供电、换流站间无需通信、换流站有功与无功可独立快速控制、易于构建多端直流输电网等众多优点。这使得VSC-HVDC已广泛应用于电网互联、大规模风电并网、城市配网增容及电能质量提高等领域。经过大量研究，学术界在VSC-HVDC控制器设计方面已取得诸多成果。直接电流控制是VSC-HVDC系统广泛采用的控制器设计方式，它包括内环电流控制和外环电压控制两部分，其实质是基于线性PI控制的内外环d-q矢量控制方式。

目前现有控制器存在以下问题：1)需面对内环电流难以完全解耦的问题；2)当交流系统遭遇大干扰而可能引起系统暂态失稳时，现有VSC-HVDC控制器对暂态稳定的改善作用仍有待提高。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种能够提高交直流系统遭受扰动后的暂态稳定性的VSC-HVDC系统类同步机控制器设计方法，包括：

建模步骤，建立VSC-HVDC系统的双机等值模型，双机等值模型包括逆变端以及整流端；

设计步骤，设计类同步机控制器。

所述建模步骤中双机等值模型为将VSC-HVDC系统的逆变端的特性用同步发电机模拟，VSC-HVDC系统的整流端的特性用同步电动机模拟。

所述类同步机控制器包括逆变侧控制器以及整流侧控制器。

所述逆变端的特性为模拟同步发电机的一次调频特性以及一次调压特性；整流端的特性为模拟同步电动机的一次调频特性以及一次调压特性。

所述VSC-HVDC系统的双机等值模型为：

$\left\{\begin{array}{c}{L}_s{\mathrm{di}}_{m-abc}/dt=V_{m-abc}-R_s{i}_{m-abc}-M_m{\mathrm{\&omega;}}_m\tilde{\sin }{\mathrm{\&theta;}}_m\\ {\mathrm{d\&theta;}}_m/dt={\mathrm{\&omega;}}_m\\ J_m{\mathrm{d\&omega;}}_m/dt=M_m<i_{m-abc},\tilde{\sin }{\mathrm{\&theta;}}_m>-T_{mm}-D_{mp}{\mathrm{\&omega;}}_m\\ L_s{\mathrm{di}}_{g-abc}/dt=-V_{g-abc}-R_s{i}_{g-abc}+M_g{\mathrm{\&omega;}}_g\tilde{\sin }{\mathrm{\&theta;}}_g\\ {\mathrm{d\&theta;}}_g/dt={\mathrm{\&omega;}}_g\\ J_g{\mathrm{d\&omega;}}_g/dt=T_{gm}-M_g<i_{g-abc},\tilde{\sin }{\mathrm{\&theta;}}_g>-D_{gp}{\mathrm{\&omega;}}_g\\ C_{dc}{V}_{dc1}{\mathrm{dV}}_{dc1}/dt=M_m{\mathrm{\&omega;}}_m<i_{m-abc},\tilde{\sin }{\mathrm{\&theta;}}_m>-V_{dc1}{i}_{cc}\\ C_{dc}{V}_{dc2}{\mathrm{dV}}_{dc2}/dt=M_g{\mathrm{\&omega;}}_g<i_{g-abc},\tilde{\sin }{\mathrm{\&theta;}}_g>-V_{dc1}{i}_{cc}\\ L_d{\mathrm{di}}_{cc}/dt=V_{dc1}-V_{dc2}-R_d{i}_{cc}\end{array}\right.$

其中，R_s、L_s分别为三相主电路等效电阻和等效电抗，i_m-abc＝[i_ma,i_mb,i_mc]^T为交流系统三相电流，V_m-abc＝[V_ma,V_mb,V_mc]^T为交流系统三相电压，M_m、M_g分别为电动机和发电机的等效励磁场强，ω_m、ω_g分别为电动机和发电机的等效转子角速度，θ_m、θ_g分别为电动机和发电机的等效转子角加速度，J_m、J_g分别为电动机和发电机的转子的转动惯量，<.,.>表示两个向量之间的内积，T_mm、T_gm分别为电动机和发电机的机械转矩，D_mp、D_gp分别为电动机和发电机的电压下垂系数，V_g-abc为逆变端电压，C_dc为直流电容、V_d1、V_d2分别为整流侧和逆变侧直流电压，i_cc为直流电流，R_d为直流电阻，L_d为直流电感。

所述逆变端通过频率下垂控制和电压下垂控制得到逆变侧控制器，整流端通过频率下垂控制和电压下垂控制得到整流侧控制器；频率下垂控制为P/f下垂控制，电压下垂控制为Q/V下垂控制。

所述逆变端的负载转矩参考值由有功功率与有功功率参考值的偏差经PI调节产生。

所述整流端的负载转矩参考值由直流电压与直流电压参考值的偏差经PI调节产生。

所述频率下垂控制的表达式为：T_gm＝T_gm-ref+D_gp(ω_n-sθ_g)，T_gm、T_gm-ref分别为发电机的机械转矩和机械转矩参考值，D_gp为同步发电机的静态频率下垂系数，ω_n为自然振荡频率，s为转差率，θ_g为转子角，P_g为有功功率，P_g、P_g-ref分别为有功功率和有功功率参考值， 分别为PI控制器中的比例和积分系数。

所述电压下垂控制的表达式为：Q_gm＝Q_g-ref+D_gq(V_g-ref-V_g)，Q_gm、Q_g-ref分别为整流侧无功及无功参考值，D_gq为同步发电机电压下垂系数，V_g、V_g-ref分别为整流侧三相交流电压有效值及参考值，V_ga、V_gb以及V_gc分别为整流侧a，b，c的三相交流电压。

本发明的有益效果在于：本发明的一种考虑暂态稳定性的VSC-HVDC系统类同步机控制器设计方法，将同步逆变器的思想应用到VSC-HVDC中，以达到利用同步发电机的转动惯量以及调频调压控制特性，进一步改善系统暂态稳定性的目的。

附图说明

图1是本发明的双端VSC-HVDC输电系统三相电路拓扑图。

图2是本发明的等效同步电机示意图。

图3是本发明的类同步控制器控制框图。

图4是本发明的含VSC-HVDC的交直流系统。

图5a是本发明的不同控制器下VSC-HVDC系统发电机功角的暂态响应曲线。

图5b是本发明的不同控制器下VSC-HVDC系统VSC1侧有功功率的暂态响应曲线。

图5c是本发明的不同控制器下VSC-HVDC系统VSC2侧交流电压有效值的暂态响应曲线。

图5d是本发明的不同控制器下VSC-HVDC系统直流电流的暂态响应曲线。

具体实施方式

下面结合附图，对实施例作详细说明。

图1为双端VSC-HVDC输电系统的详细三相电路拓扑图。设图1中左侧换流站为送端站，工作在整流方式；右侧换流站为受端站，工作在逆变方式。为方便分析，两侧换流站都省略了联结变压器和交流滤波器，同时将联结变压器的漏抗和损耗统一等效到图示相电抗器上。假设三相主电路参数完全相同，等效电阻和电抗分别为R_s和L_S，直流电阻和电感分别用R_d和L_d表示。根据基尔霍夫电路定律，可得整流端交流系统微分方程如式(1)所示：

L_sdi_m-abc/dt＝V_m-abc-R_si_m-abc-e_m-abc (1)

式中：i_m-abc＝[i_ma,i_mb,i_mc]^T，V_m-abc＝[V_ma,V_mb,V_mc]^T和e_m-abc＝[e_ma,e_mb,e_mc]^T分别表示交流系统三相电流、交流系统三相电压及换流站出口端三相电压。

图2为等效同步电动机示意图，逆变端的各种特性可以用一台同步发电机来模拟；相应地，整流端的特性可以用一台同步电动机模拟。以整流端为例，系统电压V_m-abc可被看作施加于电枢绕组上的控制电压，作为控制输入；e_m-abc，i_m-abc可分别看作电枢绕组上的反电动势以及电枢电流；R_S,L_S分别为电枢回路上的等效电阻及等效电感。

由电机学知识可得：

$e_{m-abc}=M_m{\mathrm{\&omega;}}_m\tilde{\sin }{\mathrm{\&theta;}}_m---\left(2\right)$

$e_{qm-abc}=-M_m{\mathrm{\&omega;}}_m\tilde{\cos }{\mathrm{\&theta;}}_m---\left(3\right)$

P_m＝<i_m-abc,e_m-abc> (4)

Q_me＝<i_m-abc,e_qm-abc> (5)

其中：M_m为等效励磁场强；ω_m为等效转子角速度；

<.,.>表示两个向量之间的内积。

将式(2)～(3)带入式(4)～(5)可得：

$\begin{array}{c}{P}_m=M_m{\mathrm{\&omega;}}_m<i_{m-abc},\tilde{\sin }{\mathrm{\&theta;}}_m>\\ Q_{me}=-M_m{\mathrm{\&omega;}}_m<i_{m-abc},\tilde{\cos }{\mathrm{\&theta;}}_m>\end{array}---\left(6\right)$

又因交流侧注入换流器的功率P_m等于换流器注入直流侧的功率P_dc1：

P_m＝P_dc1＝V_dc1i_dc1 (7)

dV_dc1/dt＝(i_dc1-i_cc)/C_dc (8)

联立式(6)～(7)可得整流端功率平衡方程为：

$C_{dc}{V}_{dc1}{\mathrm{dV}}_{dc1}/dt=M_m{\mathrm{\&omega;}}_m<i_{m-abc},\tilde{\sin }{\mathrm{\&theta;}}_m>-V_{dc1}{i}_{cc}---\left(9\right)$

另由牛顿运动定律可得电动机机械方程为：

dθ_m/dt＝ω_m (10)

dω_m/dt＝(T_me-T_mm-D_mpω_m)/J_m (11)

$T_{me}=M_m<i_{m-abc},\widetilde{sin}{\mathrm{\&theta;}}_m>---\left(12\right)$

同理可得逆变端的电压平衡、功率平衡和转矩平衡方程分别为：

L_sdi_g-abc/dt＝-V_g-abc-R_si_g-abc+e_g-abc (13)

$e_{g-abc}=M_g{\mathrm{\&omega;}}_g\tilde{\sin }{\mathrm{\&theta;}}_g---\left(14\right)$

$C_{dc}{V}_{dc2}{\mathrm{dV}}_{dc2}/dt=M_g{\mathrm{\&omega;}}_g<i_{g-abc},\widetilde{sin}{\mathrm{\&theta;}}_g>-V_{dc1}{i}_{cc}---\left(15\right)$

dθ_g/dt＝ω_g (16)

dω_g/dt＝(T_gm-T_ge-D_gpω_g)/J_g (17)

$T_{ge}=M_g<i_{g-abc},\widetilde{sin}{\mathrm{\&theta;}}_g>---\left(18\right)$

同时根据直流线路上的电压约束可得:

L_ddi_cc/dt＝V_dc1-V_dc2-R_di_cc (19)

由式(1)，(9)～(19)可得含同步逆变器的VSC-HVDC系统双机等值数学模型。

图3是具有下垂特性的类同步机控制器的具体控制框图。图中同步逆变器由主电路和控制电路两部分构成，逆变端等效为一台同步发电机，因此可以模拟同步发电机的一次调频和一次调压特性以进行随后的控制器设计，即分别通过P/f下垂控制和Q/V下垂控制来获取稳定的频率和电压。

频率下垂控制表达式如式(21)～(22)所示：

T_gm＝T_gm-ref+D_gp(ω_n-sθ_g) (21)

$T_{gm-ref}=(K_{p-p_g}+K_{i-p_g}/s)(P_g-P_{g-ref})---\left(22\right)$

式中：D_gp为同步发电机的静态频率下垂系数；ω_n为自然振荡频率。原动机的机械转矩参考值由有功功率与有功功率参考值的偏差经PI调节产生，转化为常用的P/f下垂控制,再联立式(14)～(15)可得转子角θ_g。

电压下垂控制表达式如式(23)～(24)所示：

Q_gm＝Q_g-ref+D_gq(V_g-ref-V_g) (23)

$V_g=2\sqrt{3(V_{ga}{V}_{gb}+V_{ga}{V}_{gc}+V_{gb}{V}_{gc})}/3---\left(24\right)$

式中：D_gq为同步发电机电压下垂系数；V_g为逆变端交流电压幅值。再通过式(25)可得合成励磁场强M_g：

M_g＝(Q_gm-Q_ge)/k_gs (25)

得到θ_g，M_g后，根据式(14)可得e_g-abc，再经PWM调制即可得到触发换流器件IGBT的触发脉冲，由此即设计出具有下垂特性的逆变侧控制器。

整流端与逆变端唯一不同的是负载转矩参考值由直流电压与直流电压参考值的偏差经PI调节产生，再由式(2)得到e_m-abc，再经PWM调制得到触发换流器件IGBT的触发脉冲，由此即设计出具有下垂特性的整流侧控制器。

以图4所示的含VSC-HVDC的交直流混联系统进行仿真验证，传统内外环控制器采用整流端定有功功率和定无功功率，逆变端定直流电压和定无功功率控制，参数为：整流端有功控制K_p＝1.5,K_i＝0.1；整流端无功控制K_p＝1.0,K_i＝0.1；整流端内环电流控制K_p＝0.5,K_i＝5；逆变端直流电压控制K_p＝2,K_i＝0.01；逆变端无功控制K_p＝0.4,K_i＝0.1；逆变端内环电流控制K_p＝0.5,K_i＝5。类同步机控制器参数为：整流端D_mp＝15；D_mq＝10；K_p-vdc＝5；K_i-vdc＝2；逆变端D_gp＝10；D_gq＝8；K_p-pg＝5；K_i-pg＝3。发电机参数为：容量500Mva、输出电压13.8Kv、发电机惯性时间常数T_J＝8.393、同步d轴电抗x_d＝0.75、同步q轴电抗x_q＝0.61、d轴次暂态电抗x′_d＝0.306、d轴开路暂态时间常数T′_d0＝5.95。含VSC-HVDC交直流系统主要参数为：直流系统额定输送功率300MW、额定直流电压400(双极±200Kv)、交流系统额定电压220Kv、主变压器容量375Mva、变比13.8Kv/220Kv、换流变压器容量250Mva、变比220Kv/150Kv、换流电抗器L₁＝L₂＝0.07H、等效电阻R₁＝R₂＝0.75Ω、直流电阻R_d＝5Ω、直流电感L_d＝0.01H、直流侧电容C＝600μF、交流线路电阻R_ac＝1.25Ω、电抗X_ac＝0.5Ω。

图5a至图5d为不同控制器对应的VSC-HVDC系统的不同变量遭受扰动后的动态变化，所有电气量均进行了标幺化处理，其中实线为应用传统内外环控制器系统故障后的响应，虚线为类同步机控制器系统故障后的响应。

从图5a至图5d可以看出，当系统发生三相金属性短路故障后，加入具有下垂特性的类同步机控制器的VSC-HVDC系统发电机功角、VSC1侧有功功率、VSC2侧交流电压有效值及直流侧的直流电流的振荡幅度明显变小、稳定时间明显变短。可见相较于传统控制器，由于具备同步发电机的转动惯量以及调频调压控制特性，类同步机控制器的加入可以有效改善VSC-HVDC系统的暂态稳定性。

由上述实施例，本发明提出的一种考虑暂态稳定性的VSC-HVDC系统类同步机控制器设计方法可很好地应用在VSC-HVDC系统中，且该控制器的加入可提高系统阻尼，抑制振荡，提高交直流系统遭受扰动后的暂态稳定性。

上述实施例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 (10)

1.一种能够提高交直流系统遭受扰动后的暂态稳定性的VSC-HVDC系统类同步机控制器设计方法，其特征在于，包括：

建模步骤，建立VSC-HVDC系统的双机等值模型，双机等值模型包括逆变端以及整流端；

设计步骤，设计类同步机控制器。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述建模步骤中双机等值模型为将VSC-HVDC系统的逆变端的特性用同步发电机模拟，VSC-HVDC系统的整流端的特性用同步电动机模拟。

3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述类同步机控制器包括逆变侧控制器以及整流侧控制器。

4.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述逆变端的特性为模拟同步发电机的一次调频特性以及一次调压特性；整流端的特性为模拟同步电动机的一次调频特性以及一次调压特性。

5.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述VSC-HVDC系统的双机等值模型为：

其中，R_s、L_s分别为三相主电路等效电阻和等效电抗，i_m-abc＝[i_ma,i_mb,i_mc]^T为交流系统三相电流，V_m-abc＝[V_ma,V_mb,V_mc]^T为交流系统三相电压，M_m、M_g分别为电动机和发电机的等效励磁场强，ω_m、ω_g分别为电动机和发电机的等效转子角速度，θm、θ_g分别为电动机和发电机的等效转子角加速度，J_m、J_g分别为电动机和发电机的转子的转动惯量，<.,.>表示两个向量之间的内积，T_mm、T_gm分别为电动机和发电机的机械转矩，D_mp、D_gp分别为电动机和发电机的电压下垂系数，V_g-abc为逆变端电压，C_dc为直流电容、V_d1、V_d2分别为整流侧和逆变侧直流电压，i_cc为直流电流，R_d为直流电阻，L_d为直流电感。

6.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述逆变端通过频率下垂控制和电压下垂控制得到逆变侧控制器，整流端通过频率下垂控制和电压下垂控制得到整流侧控制器；频率下垂控制为P/f下垂控制，电压下垂控制为Q/V下垂控制。

7.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述逆变端的机械转矩参考值由有功功率与有功功率参考值的偏差经PI调节产生。

8.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述整流端的机械转矩参考值由直流电压与直流电压参考值的偏差经PI调节产生。

9.根据权利要求6所述方法，其特征在于，所述频率下垂控制的表达式为：T_gm＝T_gm-ref+D_gp(ω_n-sθ_g)，T_gm、T_gm-ref分别为发电机的机械转矩和机械转矩参考值，D_gp为同步发电机的静态频率下垂系数，ω_n为自然振荡频率，s为转差率，θ_g为转子角，P_g为有功功率，P_g、P_g-ref分别为有功功率和有功功率参考值，分别为PI控制器中的比例和积分系数。

10.根据权利要求6所述方法，其特征在于，所述电压下垂控制的表达式为：Q_gm＝Q_g-ref+D_gq(V_g-ref-V_g)，Q_gm、Q_g-ref分别为整流侧无功及无功参考值，D_gq为同步发电机电压下垂系数，V_g、V_g-ref分别为整流侧三相交流电压有效值及参考值，V_ga、V_gb以及V_gc分别为整流侧a，b，c的三相交流电压。