CN107171355B - 一种基于Clark变换的VSC-HVDC系统控制器设计方法 - Google Patents

一种基于Clark变换的VSC-HVDC系统控制器设计方法 Download PDF

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    • Y02E60/60—Arrangements for transfer of electric power between AC networks or generators via a high voltage DC link [HVCD]

Abstract

本发明是一种基于Clark变换的VSC‑HVDC系统控制器设计方法，其特点是，包括：根据基尔霍夫定律得出在abc坐标系下的相微分模型，根据在abc坐标系下的相微分模型得出abc坐标系下的均值模型，根据abc坐标系下的均值模型经过clark变换得到αβ坐标系下的均值模型，根据αβ坐标系下的均值模型得到αβ坐标系下的小信号模型，根据αβ坐标系下的小信号模型设计出VSC‑HVDC系统内环控制器、外环有功功率控制器和外环直流电压控制器。具有科学合理，运行稳定，精度高，控制效果佳，适用性强等优点。

Description

一种基于Clark变换的VSC-HVDC系统控制器设计方法
技术领域
本发明属于VSC-HVDC系统控制器设计领域，特别涉及一种基于Clark变换的VSC-HVDC系统控制器设计方法。
背景技术
基于电压源换流器的高压直流输电技术(VSC-HVDC)称为柔性直流输电技术，又叫轻型直流输电技术(HVDC Light)。它具有可以工作在无源逆变方式下，实现了有功和无功的独立控制和功率的四象限运行。柔性直流输电技术作为新一代直流输电技术，已经得到了广泛的发展和应用。
由柔性直流输电技术实际工程和技术特点的运行来看，该技术很适合应用于可再生能源并网、孤岛供电、城市电网供电、分布式发电并网、异步交流电网互联等领域，符合我国现阶段发展方向的国情。柔性直流输电的研究应用对于我国电网的发展起到至关重要的作用。
VSC-HVDC是一个复杂的系统，其实际运行性能极大的依赖于其控制系统。合理的控制能提高工程的可用性及可靠性。故而合理正确的控制器设计及其PI参数的整定，对VSC-HVDC系统尤为重要。
对VSC-HVDC系统的控制策略目前分为两类，一类是间接电流控制，也被称为直接控制，实质上就是所谓的电压幅值相位控制。另一类是直接电流控制，也被称为矢量控制，这种控制方式目前占据主导地位，通常由外环电压和内环电流两个环节构成。
现有控制器设计是利用park变换，基于dq坐标系下通过解耦的方法建立数学模型，并利用经典控制理论对PI参数进行整定。但现有控制器的dq轴间存在交叉耦合现象，理论上可以通过电压前馈的方法消除耦合，但在实际运行过程中，这种交叉耦合不能完全被消除，这就影响了控制器的控制效果。
发明内容
本发明的目的是，克服现有技术的不足，提供一种科学合理，运行稳定，精度高，控制效果佳，适用性强的基于Clark变换的VSC-HVDC系统控制器设计方法。
本发明所采用的技术方案是，一种基于Clark变换的VSC-HVDC系统控制器设计方法，其特征是，它包括以下内容：
1)根据基尔霍夫定律得出在abc坐标系下的相微分模型
Figure BDA0001337570750000021
Figure BDA0001337570750000022
由式(1)得
Figure BDA0001337570750000023
由式(1)和式(2)得，在abc坐标系下的相微分模型，即
Figure BDA0001337570750000024
2)根据在abc坐标系下的相微分模型得出abc坐标系下的均值模型
由式(4)得abc坐标系下的均值模型
Figure BDA0001337570750000025
3)根据abc坐标系下的均值模型经过clark变换得到αβ坐标系下的均值模型
将式(5)经过clark变换得到αβ坐标系下的均值模型，即
Figure BDA0001337570750000026
4)根据αβ坐标系下的均值模型得到αβ坐标系下的小信号模型
经过线性化得到αβ坐标系下的小信号模型，即
Figure BDA0001337570750000027
式中：L为系统等效电感；ia、ib、ic分别为交流三相电流；iph＝[iaphibphicph]T；sa、sb、sc分别为换流器开关量；UN为中性点电压，Cdc为直流电容，Rdc为直流电阻，Udc为直流电压；
5)根据αβ坐标系下的小信号模型设计出VSC-HVDC系统内环控制器，以α轴内环控制器结构为例，α轴电流测量值iα与α轴电流参考值iαdref进行比较通过PI控制器Hiα得到误差量dα；
6)根据αβ坐标系下的小信号模型设计出VSC-HVDC系统外环有功功率控制器，将有功测量值P与有功参考值Pref进行比较，其误差通过外环有功功率控制器Hp给出系统α轴分量，然后将电流测量值iα与电流参考值iαdref进行比较通过内环PI控制器得到误差量dα；
7)根据αβ坐标系下的小信号模型设计出VSC-HVDC系统外环直流电压控制器，直流电压测量值Udc与有功参考值Udc_ref进行比较，其误差通过外环直流电压PI控制器给出系统α轴分量，然后将电流测量值iα与电流参考值iαdref进行比较通过内环PI控制器得到误差量dα。
本发明与现有技术相比的有益效果是，基于Clark变换的VSC-HVDC系统控制器是在完全非耦合的αβ坐标系下建立的数学模型，消除了现有控制器利用park变换在dq坐标系通过解耦方法导致的其dq轴间存在交叉耦合现象。从而提高了系统的经济性、稳定性、跟随性。具有科学合理，运行稳定，精度高，控制效果佳，适用性强等优点。
附图说明
图1为基于αβ域内内环电流控制系统结构示意图；
图2为外环有功功率控制结构示意图；
图3为外环直流电压控制结构示意图；
图4为两端供电柔性直流输电系统仿真电路示意图；
图5为两端供电柔性直流输电系统整流侧定有功功率控制器示意图；
图6为两端供电柔性直流输电系统逆变侧定直流电压控制器示意图；
图7为两端供电柔性直流输电系统直流电压Udc仿真波形图；
图8为两端供电柔性直流输电系统整流侧电压U1仿真波形图；
图9为两端供电柔性直流输电系统电流I1仿真波形图；
图10为两端供电柔性直流输电系统逆变侧电压U2仿真波形图；
图11为两端供电柔性直流输电系统电流I2的仿真波形图。
具体实施方式
下面利用附图和实施例对本发明作进一步说明。
本发明的一种基于Clark变换的VSC-HVDC系统控制器设计方法，包括以下内容：
1)根据基尔霍夫定律得出在abc坐标系下的相微分模型
Figure BDA0001337570750000041
Figure BDA0001337570750000042
由式(1)得
Figure BDA0001337570750000043
由式(1)和式(2)得，在abc坐标系下的相微分模型，即
Figure BDA0001337570750000044
2)根据在abc坐标系下的相微分模型得出abc坐标系下的均值模型
由式(4)得abc坐标系下的均值模型
Figure BDA0001337570750000045
3)根据abc坐标系下的均值模型经过clark变换得到αβ坐标系下的均值模型
将式(5)经过clark变换得到αβ坐标系下的均值模型，即
Figure BDA0001337570750000046
4)根据αβ坐标系下的均值模型得到αβ坐标系下的小信号模型
经过线性化得到αβ坐标系下的小信号模型，即
Figure BDA0001337570750000047
式中：L为系统等效电感；ia、ib、ic分别为交流三相电流；iph＝[iaphibphicph]T；Sa、Sb、Sc分别为换流器开关量；UN为中性点电压，Cdc为直流电容，Rdc为直流电阻，Udc为直流电压，
Figure BDA0001337570750000048
为αβ轴上源电压矩阵，
Figure BDA0001337570750000049
为αβ轴上电流均值矩阵，
Figure BDA00013375707500000410
为αβ轴上源电压矩阵，
Figure BDA0001337570750000051
分别为α轴、β轴上电流矢量值，
Figure BDA0001337570750000052
分别为α轴、β轴上电压矢量值，Iα、Iβ分别为α轴、β轴上电流稳态值，Uα、Uβ分别为α轴、β轴上电压稳态值，
Figure BDA0001337570750000053
为α轴上电流矢量均值，
Figure BDA0001337570750000054
为β轴上电流矢量均值，Da为α轴上电流稳态均值，Dβ为β轴上电流稳态均值；
5)根据αβ坐标系下的小信号模型设计出VSC-HVDC系统内环控制器，电流参考值iαdref进行比较通过PI控制器Hiα得到误差量dα；
6)根据αβ坐标系下的小信号模型设计出VSC-HVDC系统外环有功功率控制器，设计出外环有功功率控制器如图2所示，以有功功率外环控制器结构为例，有功测量值P与有功参考值Pref进行比较，其误差通过外环有功功率控制器Hp给出系统α轴分量，然后将电流测量值iα与电流参考值iαdref进行比较通过内环PI控制器得到误差量dα；
7)根据αβ坐标系下的小信号模型设计出VSC-HVDC系统外环直流电压控制器，设计出外环直流电压控制器如图3所示，直流电压测量值Udc与有功参考值Udc_ref进行比较，其误差通过外环直流电压PI控制器给出系统α轴分量，然后将电流测量值iα与电流参考值iαdref进行比较通过内环PI控制器得到误差量dα。
下面根据实施例详述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明显。
利用MatlabR2010a/Simulink仿真软件，建立简单的两端供电VSC-HVDC系统，该系统包括发电机，电抗器，整流器，逆变器及直流输电部分。该系统为230kV，200MVA系统，系统频率为50HZ，PWM开关频率为2kHZ，直流电容1.5×104μF，电抗器中电阻为13.79Ω，系统等效电感为0.241H(包括电源电感62.23mH，滤波器电感92.23mH和变压器等效电感63.14mH以及换流站等效电感23.87mH)，变压器变比为230：100kV，直流输电线路长75km，线路电阻，电感，电容分别为1.39×10-2Ω/km，1.59×10-4H/km，2.31×10-7F/km。
系统整流侧控制器采用定有功功率和定无功功率控制器，逆变侧采用定有功功率和定直流电压控制器。系统控制器均包括内环控制器，外环控制器，PLL和PWM发生器几部分，如图4、5、6所示。
经仿真运行可以得到直流电压波形以及交流电压、电流波形，如图7-图11所示：
(1)由仿真结果可以看出，系统在前0.1s时，直流电容处于充电阶段，系统波形运行并不稳定。0.1s后，系统基本处于稳定运行阶段。
(2)在系统开始投入运行时，与现有控制器相比达到稳定运行所用时间较长，跟随性相对较差。
(3)从控制器结构上看，与现有控制器相比，由于少了解耦环节，控制器所用原件较现有控制器少，结构清晰，运行容易，经济性高。
(4)从波形角度上看，与现有控制器相比，逆变侧(即受端)波形的谐波含量较少。
(5)从参数整定角度看，现有控制器，在利用经典控制理论整定出的PI参数，无法直接运用到所设计的控制器中，需要进行无规则调整后，系统方可正常运行。与现有控制器相比，本发明所设计的控制器，配合空间状态平均的PI参数整定方法，所整定出的PI参数，可直接运用到控制器中，可以保证系统稳定运行，其误差率不到0.1％。
本发明具体实施方式并非穷举，并不构成对权利要求保护范围的限定，本领域技术人员根据本发明实施例获得的启示，不经过创造性劳动就能够想到其它实质上等同的替代，均在本发明保护范围内。

Claims (1)

1.一种基于Clark变换的VSC-HVDC系统控制器设计方法，其特征是，它包括以下内容：
1)根据基尔霍夫定律得出在abc坐标系下的相微分模型
Figure FDA0002261113590000011
由式(1)得
Figure FDA0002261113590000012
Figure FDA0002261113590000013
由式(1)和式(2)得，在abc坐标系下的相微分模型，即
Figure FDA0002261113590000014
2)根据在abc坐标系下的相微分模型得出abc坐标系下的均值模型
由式(4)得abc坐标系下的均值模型
Figure FDA0002261113590000015
3)根据abc坐标系下的均值模型经过clark变换得到αβ坐标系下的均值模型
将式(5)经过clark变换得到αβ坐标系下的均值模型，即
Figure FDA0002261113590000016
4)根据αβ坐标系下的均值模型得到αβ坐标系下的小信号模型
经过线性化得到αβ坐标系下的小信号模型，即
Figure FDA0002261113590000017
式中：L为系统等效电感；ia、ib、ic分别为交流三相电流；iph＝[iaph ibph icph]T；Sa、Sb、Sc分别为换流器开关量；UN为中性点电压，Cdc为直流电容，Rdc为直流电阻，Udc为直流电压，
Figure FDA0002261113590000018
为αβ轴上源电压矩阵，
Figure FDA0002261113590000019
为αβ轴上电流均值矩阵，
Figure FDA00022611135900000110
为αβ轴上源电压矩阵，
Figure FDA0002261113590000021
分别为α轴、β轴上电流矢量值，
Figure FDA0002261113590000022
分别为α轴、β轴上电压矢量值，Iα、Iβ分别为α轴、β轴上电流稳态值，Uα、Uβ分别为α轴、β轴上电压稳态值，
Figure FDA0002261113590000023
为α轴上电流矢量均值，
Figure FDA0002261113590000024
为β轴上电流矢量均值，Da为α轴上电流稳态均值，Dβ为β轴上电流稳态均值；
5)根据αβ坐标系下的小信号模型设计出VSC-HVDC系统内环控制器，以α轴内环控制器结构为例，α轴电流测量值iα与α轴电流参考值iαdref进行比较通过PI控制器Hiα得到误差量dα；
6)根据αβ坐标系下的小信号模型设计出VSC-HVDC系统外环有功功率控制器，将有功测量值P与有功参考值Pref进行比较，其误差通过外环有功功率控制器Hp给出系统α轴分量，然后将电流测量值iα与电流参考值iαdref进行比较通过内环PI控制器得到误差量dα；
7)根据αβ坐标系下的小信号模型设计出VSC-HVDC系统外环直流电压控制器，直流电压测量值Udc与有功参考值Udc_ref进行比较，其误差通过外环直流电压PI控制器给出系统α轴分量，然后将电流测量值iα与电流参考值iαdref进行比较通过内环PI控制器得到误差量dα。
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