CN107968422B - 提高vsc与弱交流电网交换功率稳定性的锁相方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种提高电压源换流器与弱交流电网交换功率稳定性的锁相方法，其中包括2个部分：弱电网条件下无穷大母线电压的估计、利用锁相环锁相。利用本发明所提出的提高电压源换流器与弱交流电网交换功率时的稳定性的锁相方法，可以提高利用电压源换流器向弱交流电网输送功率，或弱交流电网利用电压源换流器向外输出功率时电压源换流器和若交流电网组成的整个系统的稳定性，降低潜在不稳定故障发生的可能性，提高电压源换流器的利用效率，从而节约成本。

Description

提高VSC与弱交流电网交换功率稳定性的锁相方法
技术领域
本发明涉及一种交流系统的锁相方法，具体涉及一种提高VSC与弱交流电网交换功率稳定性的锁相方法。
背景技术
电压源换流器型直流输电(Voltage Source Converter based High VoltageDirect Current Transmission,VSC-HVDC)与常规的线电压换相换流器型直流输电(LineCommuted Converter based High Voltage Direct CurrentTransmission,LCC-HVDC)相比具有控制灵活、无换相失败、可以向弱交流系统和无源网络供电等优点，尤其适用于风力发电等新能源并网的应用场景，因此得到了广泛应用。电压源型换流器(VoltageSourceConverter，VSC)主要有两电平、三电平、模块化多电平(Modular Multilevel Converter,MMC)三种典型拓扑。
电压源换流器虽然没有换相失败、可以接入弱交流系统，但是交流系统强度越低，电压源换流器与交流系统交换功率的极限值越小，输送功率接近极限输送功率时系统的小信号稳定性变差。当交流系统短路容量与电压源型柔性直流输电额定容量的比值(ShortCircuit Ratio,SCR)为1时，交流系统可以被视为弱交流系统。该弱交流系统经柔性直流送出(整流状态)的稳态最大功率为0.86p.u.，经柔性直流送入该弱交流电网(逆变状态)的稳态最大功率为1p.u.。采用经典双闭环控制时，电压源换流器实际与弱交流电网交换的功率逆变状态下最大约为0.8p.u.，整流状态下最大约为0.45p.u.，无达到上述稳态极限，造成电压源换流器无法输送额定功率，使用效率降低。
图1所示为电压源换流器与弱交流电网相连接时的主电路拓扑与控制系统框图。控制系统的核心部分主要包括锁相环(Phase Lock Loop,PLL)、外环控制、内环控制、电压调制，其中PLL的作用是为电压源型换流器的控制系统提供一个参考相位，以使VSC交流侧产生的等效可控电压源能够与交流电网同步运行。一个稳定的参考相位是VSC与交流电网组成的系统稳定的同步运行的前提。
一般选择公共连接点(PointofCommon Coupling,PCC)作为电压相位参考点，将测量得到的PCC点电压输入PLL，PLL的输出即为PCC点电压的相位。当交流电网为强电网时，从VSC在注入交流电网的有功P、无功Q变化时，PCC点电压的变化ΔUs≈0，PLL可以正常工作；当交流电网为弱电网时，从VSC在注入交流电网的有功P、无功Q变化时，PCC点电压的变化不能忽略不计，ΔUs≈0不再成立，PLL的工作性能变差。
当交流电网为弱电网时，现有的方法是通过减小ki-pll来降低锁相环的响应速度，来提高VSC和交流电网组成系统的整体稳定性，但是效果不显著，且参数ki-pll的选择方法复杂。另外一种思路是选择图1中的无穷大母线作为电压相位参考点，由于无穷大母线电压不受线路上有功、无功潮流变化的影响，所以用无穷大母线电压作为PLL的输入可以获得一个稳定的参考相位输出。无穷大母线电压是系统等效后得到的，实际电路中无法测量，但是可以根据其他测量量来估计，弱交流电网条件下利用无穷大母线电压的估计值去锁相，得到的参考相位输出远比利用PCC点电压作为PLL输入得到的参考相位稳定。
发明内容
为解决上述现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种提高电压源换流器与弱交流电网交换功率稳定性的锁相方法，本发明提出的锁相方法主要由工程常用的锁相方法改进而来，适用于强、弱电网条件下的锁相，简单易行，经济性好。
本发明的目的是采用下述技术方案实现的：
本发明提供一种提高VSC与弱交流电网交换功率稳定性的锁相方法，其改进之处在于，所述锁相方法包括下述步骤：
(1)弱电网条件下无穷大母线电压Eabc的估计；
(2)利用锁相环锁相。
进一步地，所述步骤(1)包括：无穷大母线电压Eabc表示为：
Eabc＝Usabc-icabcZ (1)
Figure BDA0001134491280000021
式(3)得到的无穷大母线电压经过滤波，去掉高次谐波后用作锁相环PLL的输入电压，滤波器选择二阶低通滤波器，表达式如下：
Figure BDA0001134491280000022
其中，Usabc、icabc分别为PCC点电压瞬时值、从电压源换流器VSC流入弱交流电网的电流瞬时值，通过电压互感器和电流互感器测量得到；Z、|Z|、
Figure BDA0001134491280000031
R、X分别为交流电网等效阻抗、等效阻抗的模值、等效阻抗的相角、交流电网等效电阻和等效电抗；j为共轭复数，G、ξ、ω0分别为二阶低通滤波器的增益、阻尼比和特征频率，所述二阶低通滤波器的增益、阻尼比和特征频率分别选择1、0.707、6280kHz；F2nd为二阶低通滤波器；s是拉普拉斯算子。
进一步地，通过下述方式获得交流电网等效阻抗Z：
①通过建立数学模型，利用测量的量做离线或者在线的估计；
②当交流电网等效电抗X远远大于交流电网等效电阻R时，忽略R，而弱交流电网等效电抗X通过弱交流电网短路计算或短路实验得到。
进一步地，所述步骤(2)包括：在得到无穷大母线电压的估计值后利用公式(4)对其进行锁相，即可得到稳定的参考相位；利用锁相环锁相中，锁相环的数学模型如下：
Figure BDA0001134491280000032
其中，
Figure BDA0001134491280000033
θ、ω、ωn分别为锁相环PLL输出的相位、锁相环PLL输出的交流电压角速度、交流电网基准角速度，usq为公共连接点PCC点电压经Park变换后的q轴分量，ξ为期望的锁相环回路的阻尼因子，取0.707，usam为相电压峰值；kp-pll、ki-pll分别表示锁相环的比例参数和积分参数。
为了对披露的实施例的一些方面有一个基本的理解，下面给出了简单的概括。该概括部分不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围。其唯一目的是用简单的形式呈现一些概念，以此作为后面的详细说明的序言。
与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有的优异效果是：
1、利用本发明所提出的提高电压源换流器与弱交流电网交换功率时的稳定性的锁相方法，可以提高利用电压源换流器向弱交流电网输送功率，或弱交流电网利用电压源换流器向外输出功率时电压源换流器和若交流电网组成的整个系统的稳定性，降低潜在不稳定故障发生的可能性，提高电压源换流器的利用效率，从而节约成本。
2、本发明所提出的提高电压源换流器与弱交流电网交换功率时的稳定性的锁相方法，包括无穷大母线电压估计、利用锁相环锁相两部分，主要由工程常用的锁相方法改进而来，简单易行。
3、本发明提出的方法适用于在交流侧可等效为可控电压源的电压源型换流器，包括但不限于常见的两电平VSC换流器、三电平VSC换流器、模块化多电平(MMC)型VSC换流器等。
附图说明
图1是本发明提供的电压源换流器(VSC)与弱交流电网相连接的主电路拓扑与控制系统框图；
图2是本发明提供的锁相环结构图；
图3是本发明提供的无穷大母线电压的估计方法原理图；
图4是本发明提供的适用于弱交流电网条件下的锁相方法的原理图；
图5是本发明提供的最佳实施例的电压源换流器(VSC)与弱交流电网相连接的主电路拓扑与控制系统框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的组件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发明的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。在本文中，本发明的这些实施方案可以被单独地或总地用术语“发明”来表示，这仅仅是为了方便，并且如果事实上公开了超过一个的发明，不是要自动地限制该应用的范围为任何单个发明或发明构思。
为克服弱交流电网条件下传统PLL的工作性能变差的问题，本发明提出了一种提高电压源换流器与弱交流电网交换功率时的稳定性的锁相方法，改进了工程上常用的锁相方法，其中包括2个部分：弱电网条件下无穷大母线电压的估计、利用锁相环锁相。本发明提出的锁相方法主要由工程常用的锁相方法改进而来，适用于强、弱电网条件下的锁相，简单易行，经济性好。
本发明提供一种提高电压源换流器与弱交流电网交换功率稳定性的锁相方法，包括：
步骤1.穷大母线电压的估计：
如图1所示，无穷大母线电压Eabc可以表示为：
Eabc＝Usabc-icabcZ (1)
Figure BDA0001134491280000051
其中，Usabc、icabc分别为PCC点电压瞬时值、从VSC流入交流系统的电流瞬时值，可以通过电压互感器和电流互感器测量得到，Z、|Z|、
Figure BDA0001134491280000052
R、X分别为交流电网等效阻抗、等效阻抗的模值、等效阻抗的相角、交流电网等效电阻、等效电抗，获得Z的方法有两种，第一种是通过建立数学模型，利用可以测量的量做离线或者在线的估计，第二种是当X远大于R时，可以忽略R，而X可以通过交流系统短路计算或短路实验得到。第一种方法准确，但是计算过程复杂实现较困难，可以用于R不可以忽略的低压系统；第二种方法在R可以忽略的高压系统中不会损失太多精度，有较好的效果。
式(2)得到的无穷大母线电压需要经过滤波，去掉高次谐波后用作锁相环PLL的输入电压，滤波器一般选择二阶低通滤波器：
Figure BDA0001134491280000053
其中，G、ξ、ω0分别为二阶低通滤波器的增益、阻尼比、特征频率，一般分别选择1、0.707、6280(1000Hz)。F2nd为二阶低通滤波器。
图3所示为用于无穷大母线电压估计的框图实现。
2.利用锁相环PLL进行锁相：
在得到无穷大母线电压的估计值后可以直接利用工程常用的PLL对其进行锁相，即可得到较为稳定的参考相位。
图1所示为电压源换流器与弱交流电网相连接时的主电路拓扑与控制系统框图。控制系统的核心部分主要包括锁相环(Phase Lock Loop,PLL)、外环控制、内环控制、电压调制，其中PLL的作用是为电压源型换流器的控制系统提供一个参考相位，以使VSC交流侧产生的等效可控电压源能够与交流电网同步运行。一个稳定的参考相位是VSC与交流电网组成的系统稳定的同步运行的前提。
到目前为止，工程上经常采用的PLL结构如图2所示，锁相环的数学模型可以由公式(4)表示：
Figure BDA0001134491280000061
其中，
Figure BDA0001134491280000062
θ、ω、ωn分别为PLL输出的相位、PLL输出的交流电压角速度、交流电网基准角速度，usq为PCC点电压经Park变换后的q轴分量，ξ为期望的锁相环回路的阻尼因子，建议取0.707，usam为相电压峰值。kp-pll、ki-pll分别表示锁相环的比例参数和积分参数。
图4所示即为适合于弱交流电网条件下的锁相方法的框图。
实施例一
将图1所示电压源换流器与弱交流电网相连接的主电路拓扑与控制系统框图中的锁相环PLL控制框图部分替换为图4所示的本发明的锁相方法，即得到具体应用的最佳实施例如图5所示。与图1相比，图5中首先利用公式(2)和测量得到的电压Usabc、电流icabc对母线B2的电压Eabc进行计算，并对其进行滤波后作为PLL的输入。图5所示实施例与图1所示相比，控制系统的电压相位参考点从母线B2移到了母线B1，而母线B1理论上相当于无穷大母线，电压波动更小，更有利于整个系统的稳定运行。
本发明提出的方法适用于在交流侧可等效为可控电压源的电压源型换流器，包括但不限于常见的两电平VSC换流器、三电平VSC换流器、模块化多电平(MMC)型VSC换流器等。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (2)

1.一种提高VSC与弱交流电网交换功率稳定性的锁相方法，其特征在于，所述锁相方法包括下述步骤：
(1)弱电网条件下无穷大母线电压Eabc的估计；
其中，无穷大母线电压Eabc表示为：
Eabc＝Usabc-icabcZ (1)
Figure FDA0003979912580000011
式(1)得到的无穷大母线电压经过滤波，去掉高次谐波后用作锁相环PLL的输入电压，滤波器选择二阶低通滤波器，表达式如下：
Figure FDA0003979912580000012
其中，Usabc、icabc分别为PCC点电压瞬时值、从电压源换流器VSC流入弱交流电网的电流瞬时值，通过电压互感器和电流互感器测量得到；Z、|Z|、
Figure FDA0003979912580000015
R、X分别为交流电网等效阻抗、等效阻抗的模值、等效阻抗的相角、交流电网等效电阻和等效电抗；j为共轭复数，G、ξ、ω0分别为二阶低通滤波器的增益、阻尼比和特征频率，所述二阶低通滤波器的增益、阻尼比和特征频率分别选择1、0.707、6280kHz；F2nd为二阶低通滤波器的传递函数；s是拉普拉斯算子；
(2)利用锁相环锁相；
具体地，在得到无穷大母线电压的估计值后利用公式(4)对其进行锁相，即可得到稳定的参考相位；利用锁相环锁相中，锁相环的数学模型如下：
Figure FDA0003979912580000013
其中，
Figure FDA0003979912580000014
θ，ω，ωn分别为锁相环PLL输出的相位、锁相环PLL输出的交流电压角速度、交流电网基准角速度，usq为公共连接点PCC点电压经Park变换后的q轴分量，ξ为阻尼比，取0.707，usam为相电压峰值；kp-pll、ki-pll分别表示锁相环的比例参数和积分参数。
2.如权利要求1所述的锁相方法，其特征在于，
通过下述方式获得交流电网等效阻抗Z：
①通过建立数学模型，利用测量的量做离线或者在线的估计；
②当交流电网等效电抗X远远大于交流电网等效电阻R时，忽略R，而弱交流电网等效电抗X通过弱交流电网短路计算或短路实验得到。
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