CN107154641A - Vsc‑hvdc输电系统的稳定控制方法 - Google Patents

Vsc‑hvdc输电系统的稳定控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种VSC‑HVDC输电系统的稳定控制方法，主要包括虚拟阻感性阻抗稳定控制、输出电流前馈控制和电压电流双环控制三个部分。其中，虚拟阻感性阻抗稳定控制能校正整流站变换器的等效输出阻抗为正电阻，增强系统阻尼，可有效改善系统的稳定性，抑制VSC‑HVDC输电系统直流侧振荡；输出电流前馈控制可减小受端负荷功率突变对直流母线电压的影响，提升系统的暂态响应性能；直流电压外环采用比例积分控制，能无静差跟踪直流电压指令，并网电流内环采用同步旋转坐标系下的前馈解耦控制，能保证较低的并网电流畸变率。本发明可应用于VSC‑HVDC输电系统中整流站变换器的控制，能有效抑制VSC‑HVDC输电系统的直流侧振荡，并且不会影响逆变站变换器的动态性能。

Description

VSC-HVDC输电系统的稳定控制方法
技术领域
本发明涉及VSC-HVDC输电系统的控制领域，特别是VSC-HVDC输电系统中整流站变换器的稳定控制方法。
背景技术
VSC-HVDC输电系统具有可向无源网络供电、有功与无功功率可独立控制和无换相失败风险等优点，被广泛应用于离岸风电场并网、交流电网的异步互联和向无源网络供电等场合。然而，VSC-HVDC输电系统是换流站变换器间通过直流输电电缆构成的级联系统，并且逆变站变换器会表现为恒功率负载，恒功率负载具有的负增量阻抗特性会导致系统动态特性变差，甚至发生振荡失稳现象，这严重制约着VSC-HVDC输电技术的推广和应用。
学者们针对分布式直流供电系统和直流微电网等级联系统的稳定性问题提出了多种解决方法，它们大致可分为无源方法和有源方法。无源方法是在负载变换器的LC输入滤波器上加入无源阻尼支路，阻尼LC输入滤波器的谐振峰，保证了系统的稳定，但是该方法会带来额外的功率损耗，降低系统效率。有源方法主要是通过电压或电流反馈控制，等效地在系统中增加阻尼支路，从而调节负载变换器的输入阻抗或者源变换器的输出阻抗，使得级联系统的等效环路增益满足Nyquist稳定性判据，该方法不会引入额外的功率损耗。VSC-HVDC输电系统相比于分布式直流供电系统和直流微电网，具有电压等级高、线路较为复杂、功率等级大和变换器控制带宽低的特点。低压、小功率级联系统的稳定控制方法难以直接适用于VSC-HVDC输电系统。目前，VSC-HVDC输电系统直流侧的阻抗稳定性控制的研究较少。整流站变换器采用传统虚拟电阻稳定控制在抑制VSC-HVDC输电系统直流侧振荡会出现失效，原因是：整流站变换器的等效输出阻抗在电压控制带宽外恶化为负电阻，从而减小了系统阻尼。因此传统的虚拟电阻稳定控制不适用于VSC-HVDC输电系统这种变换器电压控制带宽较低的场合。
发明内容
本发明旨在提供一种VSC-HVDC输电系统的稳定控制方法，校正整流站变换器的等效输出阻抗为正电阻，从而提高系统阻尼，有效改善VSC-HVDC输电系统的稳定性，并且不会影响逆变站变换器向负荷供电的动态性能。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种VSC-HVDC输电系统的稳定控制方法，适用于VSC-HVDC输电系统中整流站变换器的控制，包括以下步骤：
1)在每个采样周期的起始点，控制器启动A/D转换器，对整流站变换器的直流输出电流idcr、直流侧输出电压vdcr、三相并网电流ia、ib、ic和三相电网电压va、vb、vc分别进行采样，所有采样数据经A/D转换器转换后，通过并行接口送给控制器进行处理；
2)控制器将步骤1)所采集得到的三相电网电压va、vb、vc送入锁相环，得到三相电网电压的相位角结合相位角对三相电网电压va、vb、vc和三相并网电流ia、ib、ic进行abc/dq坐标旋转变换，得到dq坐标系下三相电网电压的d轴和q轴分量vd、vq和三相并网电流的d轴和q轴分量id、iq；
3)直流输出电流idcr经虚拟阻感性阻抗稳定控制，得到直流侧电压外环的参考指令
4)将直流侧电压外环的参考指令和直直流侧输出电压vdcr相减得到误差值ev，将ev送入PI控制器，PI控制器的输出经限幅后，获得电压外环控制的电流幅值指令Iv *；
5)通过输出电流前馈控制，计算输出电流前馈控制的电流幅值指令
6)将电压外环控制的电流幅值指令Iv *和输出电流前馈控制的电流幅值指令Iff *相加合成并网电流q轴分量幅值指令并令并网电流d轴分量幅值指令为零；
7)将并网电流q轴分量幅值指令d轴分量幅值指令分别与并网电流iq、id相减得到差值eiq、eid，通过前馈解耦控制，得到dq坐标系下SPWM调制信号的d轴和q轴分量Dq、Dd；
8)对dq坐标系下的SPWM调制信号Dq、Dd进行dq/abc坐标旋转变换，得到abc坐标系下的SPWM调制波Da、Db、Dc；
9)对SPWM调制波Da、Db、Dc和三角载波进行双极性调制，得出整流站变换器开关管的占空比信号，经整流站变换器的驱动电路，控制整流站变换器开关管的开通与关断。
步骤3)中，虚拟阻感性阻抗稳定控制的控制方程为：其中，Vdcn为整流站变换器的直流侧空载电压值；Rv为虚拟电阻值；Lv为虚拟电感值。
Rv取值范围为0.05Ω≤Rv≤5Ω，Lv取值范围为0.1mH≤Lv≤20mH。
步骤4)中，PI控制器的传递函数Gv(s)表达式为：Gv(s)＝kvp+kvi/s；其中，kvp是PI控制器的比例系数，kvi是PI控制器的积分系数，s为复频率。
kvp取值范围为0.005≤kvp≤0.5，kvi取值范围为5≤kvi≤500。
步骤5)中，电流前馈控制的电流幅值指令Iff *表达式为：
步骤7)中，dq坐标系下SPWM调制信号的d轴和q轴分量Dq、Dd的表达式为：其中，Gi(s)为PI控制传递函数，Gi(s)＝kip+kii/s，kip是比例系数，kii是积分系数，ω为电网角频率，L为整流站变换器的滤波器电感值。
kip取值范围为0.00006≤kip≤0.006，kii取值范围为0.006≤kii≤0.6。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明的VSC-HVDC输电系统的稳定控制方法中虚拟阻感性阻抗稳定控制是得到一个相角超前的虚拟阻抗，能校正整流站变换器在电压控制带宽外的等效输出阻抗为正电阻，从而提高系统阻尼，可有效改善VSC-HVDC输电系统的稳定性；另外，输出电流前馈控制可减小受端负荷功率突变对直流母线电压的影响，提升系统的暂态响应性能；采用电压电流双闭环控制，能无静差地跟踪直流电压指令并保证较低的电网电流畸变率；可有效改善VSC-HVDC输电系统的稳定性，并且不会影响逆变站变换器向负荷供电的动态性能。
附图说明
图1为本发明一实施例向无源网络供电的VSC-HVDC输电系统结构图；
图2为本发明一实施例应用于整流站变换器的VSC-HVDC输电系统的稳定控制方法框图；
图3为本发明一实施例并网电流前馈解耦控制框图；
图4(a)为逆变站变换器的直流侧输入电压vdci的仿真波形，图4(b)为逆变站变换器的交流输出电压voa、vob和voc的仿真波形，图4(c)为逆变站变换器的交流输出电流ioa、iob和ioc的仿真波形；
图5(a)为逆变站变换器的直流侧输入电压vdci的仿真波形，图5(b)为逆变站变换器的交流输出电压voa、vob和voc的仿真波形，图5(c)为逆变站变换器的交流输出电流ioa、iob和ioc的仿真波形。
具体实施方式
图1为本发明一实施例向无源网络供电的VSC-HVDC输电系统结构图，包括交流电网、整流站变换器的滤波电感L、滤波电感L的等效串联电阻r、整流站变换器、整流站变换器的直流侧储能电容Cdcr、整流站变换器的采样调理电路、控制器、驱动电路、直流输电电缆、逆变站变换器的直流侧储能电容Cdci、逆变站变换器、逆变站变换器输出滤波电感Lf和滤波电容Cf、变换器控制电路系统和无源网络。所述控制器与驱动电路输入端、采样调理电路输出端连接；所述驱动电路驱动所述整流站变换器中的全控型功率器件；控制器进行算法及运算处理。
图2为本发明一实施例应用于整流站变换器的VSC-HVDC输电系统的稳定控制方法框图，VSC-HVDC输电系统的稳定控制系统主要由虚拟阻感性阻抗稳定控制、电压电流双环控制模块、输出电流前馈控制模块、锁相环PLL模块、SPWM信号生成模块组成；所述电压电流双环控制模块由电压外环PI控制，并网电流前馈解耦控制组成；所述并网电流前馈解耦控制详细框图如图3所示。
本发明的一种VSC-HVDC输电系统的稳定控制方法如下：
1)在每个采样周期的起始点，DSP控制器启动A/D转换器，对整流站变换器的直流输出电流idcr、直流侧输出电压vdcr、三相并网电流ia、ib、ic和三相电网电压va、vb、vc分别进行采样，所有采样数据经A/D转换器转换后，通过并行接口送给DSP控制器进行处理；
2)控制器对步骤1)所采集得到的三相电网电压va、vb、vc送入锁相环，得到三相电网电压的相位角结合相位角对电网电压va、vb、vc和并网电流ia、ib、ic进行abc/dq坐标旋转变换，得到dq坐标系下电网电压的d轴和q轴分量vd、vq和并网电流的d轴和q轴分量id、iq，具体公式如下：
3)直流输出电流idcr经虚拟阻感性阻抗稳定控制，得到直流侧电压外环的参考指令虚拟阻感性阻抗稳定控制的控制方程为：
其中，Vdcn为整流站变换器的直流侧空载电压值；Rv为虚拟电阻值，作用是提高整流站变换器等效输出阻抗的阻性分量，Rv取值范围为0.05Ω≤Rv≤5Ω；Lv为虚拟电感值，作用是增大整流站变换器等效输出阻抗的相位，能校正整流站变换器在电压控制带宽外的等效输出阻抗为正电阻，Lv取值范围为0.1mH≤Lv≤20mH；
4)将直流侧电压外环的参考指令和直流母线电压vdcr相减得到误差值ev，将ev送入PI控制器，PI控制器的输出经限幅后，获得电压外环控制的电流幅值指令Iv *，PI控制的传递函数Gv(s)表达式为：
Gv(s)＝kvp+kvi/s
其中，kvp是PI控制器的比例系数，其取值范围为0.005≤kvp≤0.5，kvi是PI控制器的积分系数，其取值范围为5≤kvi≤500，s为复频率；
5)通过输出电流前馈控制，计算输出电流前馈控制的电流幅值指令为：
其中，vdcr为整流站变换器的直流侧电压，vq为电网电压的q轴分量。
6)将电压外环控制的电流幅值指令Iv *和输出电流前馈控制的电流幅值指令Iff *相加合成并网电流q轴分量幅值指令并令并网电流d轴分量幅值指令为零；
7)将并网电流q轴分量幅值指令d轴分量幅值指令分别与并网电流iq、id相减得到差值eiq、eid，通过前馈解耦控制，得到dq坐标系下SPWM调制信号的d轴和q轴分量Dq、Dd为：
其中，Gi(s)为PI控制传递函数，Gi(s)＝kip+kii/s，kip是比例系数，其取值范围为0.00006≤kip≤0.006，kii是积分系数，其取值范围为0.006≤kii≤0.6，ω为电网角频率，L为整流站变换器的滤波器电感值。
8)对dq坐标系下的SPWM调制信号Dq、Dd进行dq/abc坐标旋转变换，得到abc坐标系下的SPWM调制波Da、Db、Dc，具体计算公式如下：
式中，为锁相环PLL的输出相位角；
9)对SPWM调制波Da、Db、Dc和三角载波进行双极性调制，得出整流站变换器开关管的占空比信号，经整流站变换器的驱动电路，控制整流站变换器开关管的开通与关断。
图4(a)～图4(c)为本发明一实施例在0.4s输送功率由50MW增加到200MW，采用传统虚拟电阻稳定控制时的仿真波形图，图4(a)为逆变站变换器的直流侧输入电压vdci的仿真波形，图4(b)为逆变站变换器的交流输出电压voa、vob和voc的仿真波形，图4(c)为逆变站变换器的交流输出电流ioa、iob和ioc的仿真波形。在0.4S之前，VSC-HVDC输电系统的输电功率为50MW，此时整个系统很稳定。在0.4S之后，VSC-HVDC输电系统的输电功率增加到200MW，此时电压vdci出现振荡，出现不稳定，逆变站变换器的交流输出电压和电流也出现崩溃，无法继续向无源网络供电。因此采用传统虚拟电阻稳定控制，系统稳定性较差。
图5(a)～图5(c)为本发明一实施例在0.4s输送功率由50MW增加到200MW，采用本发明控制时的仿真波形图，图5(a)为逆变站变换器的直流侧输入电压vdci的仿真波形，图5(b)为逆变站变换器的交流输出电压voa、vob和voc的仿真波形，图5(c)为逆变站变换器的交流输出电流ioa、iob和ioc的仿真波形。采用本发明控制方法下，当输送功率为50MW和200MW时，系统都能够稳定运行，只在传送功率增加的时候出现了小幅的直流侧电压动态波动，对无源网络的供电几乎没有影响。

Claims (8)

1.一种VSC-HVDC输电系统的稳定控制方法，适用于VSC-HVDC输电系统中整流站变换器的控制，其特征在于，包括以下步骤：
1)在每个采样周期的起始点，控制器启动A/D转换器，对整流站变换器的直流输出电流idcr、直流侧输出电压vdcr、三相并网电流ia、ib、ic和三相电网电压va、vb、vc分别进行采样，所有采样数据经A/D转换器转换后，通过并行接口送给控制器进行处理；
2)控制器将步骤1)所采集得到的三相电网电压va、vb、vc送入锁相环，得到三相电网电压的相位角结合相位角对三相电网电压va、vb、vc和三相并网电流ia、ib、ic进行abc/dq坐标旋转变换，得到dq坐标系下三相电网电压的d轴和q轴分量vd、vq和三相并网电流的d轴和q轴分量id、iq；
3)直流输出电流idcr经虚拟阻感性阻抗稳定控制，得到直流侧电压外环的参考指令
4)将直流侧电压外环的参考指令和直直流侧输出电压vdcr相减得到误差值ev，将ev送入PI控制器，PI控制器的输出经限幅后，获得电压外环控制的电流幅值指令Iv *；
5)通过输出电流前馈控制，计算输出电流前馈控制的电流幅值指令
6)将电压外环控制的电流幅值指令Iv *和输出电流前馈控制的电流幅值指令Iff *相加合成并网电流q轴分量幅值指令并令并网电流d轴分量幅值指令为零；
7)将并网电流q轴分量幅值指令d轴分量幅值指令分别与并网电流iq、id相减得到差值eiq、eid，通过前馈解耦控制，得到dq坐标系下SPWM调制信号的d轴和q轴分量Dq、Dd；
8)对dq坐标系下的SPWM调制信号Dq、Dd进行dq/abc坐标旋转变换，得到abc坐标系下的SPWM调制波Da、Db、Dc；
9)对SPWM调制波Da、Db、Dc和三角载波进行双极性调制，得出整流站变换器开关管的占空比信号，经整流站变换器的驱动电路，控制整流站变换器开关管的开通与关断。
2.根据权利要求1所述的VSC-HVDC输电系统的稳定控制方法，其特征在于，步骤3)中，虚拟阻感性阻抗稳定控制的控制方程为：其中，Vdcn为整流站变换器的直流侧空载电压值；Rv为虚拟电阻值；Lv为虚拟电感值。
3.根据权利要求2所述的VSC-HVDC输电系统的稳定控制方法，其特征在于，Rv取值范围为0.05Ω≤Rv≤5Ω，Lv取值范围为0.1mH≤Lv≤20mH。
4.根据权利要求1所述的VSC-HVDC输电系统的稳定控制方法，其特征在于，步骤4)中，PI控制器的传递函数Gv(s)表达式为：Gv(s)＝kvp+kvi/s；其中，kvp是PI控制器的比例系数，kvi是PI控制器的积分系数，s为复频率。
5.根据权利要求4所述的VSC-HVDC输电系统的稳定控制方法，其特征在于，kvp取值范围为0.005≤kvp≤0.5，kvi取值范围为5≤kvi≤500。
6.根据权利要求1所述的VSC-HVDC输电系统的稳定控制方法，其特征在于，步骤5)中，电流前馈控制的电流幅值指令Iff *表达式为：
7.根据权利要求1所述的VSC-HVDC输电系统的稳定控制方法，其特征在于，步骤7)中，dq坐标系下SPWM调制信号的d轴和q轴分量Dq、Dd的表达式为：其中，Gi(s)为PI控制传递函数，Gi(s)＝kip+kii/s，kip是比例系数，kii是积分系数，ω为电网角频率，L为整流站变换器的滤波器电感值。
8.根据权利要求7所述的VSC-HVDC输电系统的稳定控制方法，其特征在于，kip取值范围为0.00006≤kip≤0.006，kii取值范围为0.006≤kii≤0.6。
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