CN107968425A - 提高vsc与弱交流电网交换功率稳定性的控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种提高VSC(电压源换流器)与弱交流电网交换功率稳定性的控制方法，包括：双闭环控制中外环控制的非线性控制律；用于消除非线性控制律中存在的静态误差增加的积分控制律；通过上述非线性控制律和积分控制律构成双闭环控制的外环控制。本发明提供的技术方案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弱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
技术领域
本发明涉及一种弱交流电网和电压源换流器连接系统的控制方法，具体涉及一种提高VSC与弱交流电网交换功率稳定性的控制方法。
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、可以向弱交流电网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。电压源换流器(Voltage SourceConverter，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、可以接入弱交流电网，但是交流电网强度越低，电压源换流器与交流电网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。当交流电网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，交流电网可以被视为弱交流电网。该弱交流电网经柔性直流送出(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.，无法达到上述稳态极限，造成电压源换流器无法输送额定功率，使用效率降低。
经典双闭环控制的外环控制包括一个有功类控制环(定直流电压控制或定有功功率控制)、一个无功类控制环(定交流电压控制或定无功功率控制)，分别通过一个比例积分环节来实现。如图1所示为经典双闭环控制的外环控制，其控制规律为：
其中，为内环电流控制的d、q轴参考电流，P*、P分别为从换流器流入交流电网的有功功率参考值、实际值，U*、U分别为公共连接点(PointofCommon Coupling,PCC)点电压参考值和实际值，kp1、ki1、kp2、ki2分别为外环有功类控制、无功类控制的比例、积分控制系数。
采用上述控制结构实现有功、无功解耦控制是有前提条件的，分析如下：
以流出换流器为参考方向，用式(3)对PCC点电压usabc和流出换流器的电流icabc进行Park变换，利用Park变换后的量表示的电压源换流器流入交流电网的有功功率和无功功率的表达式如式(4)所示。
其中，Usd、Usq是PCC点电压usabc经Park变换后得到的d、q轴分量，icd、icq是流出换流器的电流icabc经Park变换后得到的d、q轴分量。
在锁相环正常工作情况下，稳态时有Usq＝0，式(4)简化为：
由式(5)可知，电压源换流器流入交流电网的有功功率P是Usd、icd的函数，电压源换流器流入交流电网的无功功率Q是Usd、icq的函数，P、Q都受变量Usd的影响。
当交流电网为强系统时，PCC点电压的变化通常可以忽略不计，ΔUs≈0，则
其中，Usd0、Usq0为Usd、Usq的稳态值。在上述条件下，电压源换流器与交流电网交换的有功功率P只与icd有关，无功功率Q只与icq有关，P和Q是解耦合的，从而可以利用式(1)、(2)表示的VCC外环控制实现P、Q独立控制。
当交流电网为弱交流电网时，PCC点电压的变化不可以忽略不计，式(5)成立，但式(6)不再成立，因此采用经典双闭环控制的电压源换流器连接弱交流电网时输送功率无法达到稳态极限，若将经典双闭环控制的外环替换为复杂非线性解耦控制时，电压源换流器与弱交流电网交换的功率可以达到上述稳态极限，但是控制结构复杂，参数设计困难。
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控制方法，解决经典双闭环控制的电压源换流器连接弱交流电网时输送功率无法达到稳态极限的问题，将经典双闭环控制的外环替换为复杂非线性解耦控制时，电压源换流器与弱交流电网交换的功率可以达到上述稳态极限，且控制结构简单，参数设计简化。
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控制方法(有直流输电接入时，交流电网的相对强弱可以用交流电网短路容量和直流输电额定功率的比值(短路比，Short CircuitRatio,SCR)来表示，通常认为SCR<2的交流电网即为弱交流电网，电压源换流器(Voltage SourceConverter,VSC))，其改进之处在于，所述控制方法包括下述步骤：
(1)双闭环控制中外环控制的非线性控制律；
(2)用于消除非线性控制律中存在的静态误差增加的积分控制律；
(3)通过上述非线性控制律和积分控制律构成双闭环控制的外环控制。
进一步地，所述步骤(1)包括：非线性控制律模拟弱交流电网条件下，在电压源换流器有功功率参考值变化时，实现定交流电压控制的无功类控制目标，无功功率参考值和有功功率参考值之前满足的非线性关系。
进一步地，确定非线性控制律的计算式包括：在电压源换流器与弱交流电网相连接的系统(这个系统指由电压源换流器与弱交流电网(交流系统)组成的系统，强调整体。弱交流电网是交流电网(交流系统)的一种特例，“弱”是交流电网本身的一种属性。)中，根据功率守恒对母线B2列写如下潮流方程：
UEcosθ＝PR+QX+U2 (7)
UEsinθ＝QR-PX (8)
其中，U、E分别为PCC点电压和弱交流电网等效电势，θ为PCC点电压相位，R、X分别为弱交流电网等效电阻和等效电抗，P、Q分别为从电压源换流器流入弱交流电网的有功功率实际值和无功功率实际值；利用三角函数关系sin2θ+cos2θ＝1得如下方程：
(U2)2+(2PR+2QX-E2)U2+(P2+Q2)(X2+R2)＝0 (9)
式(9)是关于U2的一元二次方程，对于任意给定的(P,Q)组合，式(9)有解的条件是：希腊字母戴尔塔Δ＝b2-4ac≥0，其中：a＝1，b＝2PR+2QX-E2，c＝(P2+Q2)(X2+R2)，则Δ＝E4+8PQRX-4E2(PR+QX)-4(P2X2+Q2R2)；
当希腊字母戴尔塔Δ≥0时，对应的两个解分别为：
其中，Us为PCC点电压稳定解的实际值，Uns为PCC点电压不稳定解，舍去；a为二次项系数，b为一次项系数，c为常数项；
根据短路比的定义，若以电压源换流器VSC的额定容量SN为基准容量，母线B2额定电压UN为基准电压，则弱交流电网的短路比SCR为：
其中，Sc为弱交流电网短路容量，Zc、ZN、|Z|分别为弱交流电网短路阻抗有名值(有名值，用实际有名单位表示物理量的方法，又称为有名单位制)、基准值、标幺值；SN为电压源换流器VSC的额定容量，UN为母线B2额定电压；将式(11)带入式(10)且考虑得：
其中，为弱交流电网短路阻抗的功率因数；将式(11)带入Δ＝E4+8PQRX-4E2(PR+QX)-4(P2X2+Q2R2)中，得：
从(12)式看出，PCC点电压Us是P、Q、E、SCR、φ五个变量的函数，PCC点电压稳定解Us的表达式表示为：
对于给定的弱交流电网，其等效电势E、短路比SCR、短路阻抗的功率因数φ是确定的，PCC点电压稳定解Us的表达式简化为：
Us＝f2(P,Q) (14)
当电压源换流器无功类控制选择定交流电压控制时，为了实现定交流电压控制的无功类控制目标，电压源换流器需要向交流电网提供的无功功率量为Q＝f(P,Us)，当PCC点电压稳定解Us给定时简化为：
Q＝f(P) (15)
式(15)即为用于双闭环控制中外环控制的非线性控制律，为了得到内环控制需要的有功、无功参考电流，设计非线性控制律的输入为P*，输出为完整的非线性控制律公式为：
其中，分别为根据非线性控制律得到的内环d、q轴参考电流值，式(15)所示非线性控制通过将计算得到的(P*，Q*)存储于表格中，通过查表进行控制，或直接在电压源换流器与弱交流电网相连接成交流系统的控制系统中根据式(15)搭建控制框图实现；P*、Q*分别为从电压源换流器流入弱交流电网的有功功率参考值、无功功率参考值，ud是PCC点电压U经过park变换后的d轴电压分量。
进一步地，所述步骤(2)中，消除非线性控制律存在的静态误差而增加的积分控制律为：
其中，P＝1.5Usdicd， 为根据积分控制律得到的内环d、q轴参考电流值；Us、Us *分别为PCC点电压稳定解的实际值和参考值，Usd、Usq分别是PCC点电压usabc经Park变换后得到的d、q轴分量，ki2为外环控制的积分控制律系数，P*、P分别为从电压源换流器流入弱交流电网的有功功率参考值、实际值，s是拉普拉斯变换算子。
进一步地，所述步骤(3)中，非线性控制律和积分控制律构成双闭环控制的外环控制通过下式实现：
其中：分别为非线性控制律和积分控制律构成双闭环控制的外环控制得到的内环d、q轴参考电流值，分别为根据非线性控制律得到的内环d、q轴参考电流值；分别为根据积分控制律得到的内环d、q轴参考电流值。
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、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控制方法，改进了经典双闭环控制的外环控制，其中包括2个部分：非线性控制律和积分控制律。非线性控制律根据输入的有功指令输出为维持PCC点((公共连接点))电压为1p.u.而需要向PCC点提供的无功功率的量，该控制律通过查询存储了维持PCC点电压恒定(1p.u.)的有功、无功的非线性对应关系的表格来实现，相当于一种预测前馈控制，响应速度快；积分控制律的作用是消除静态误差。
2、利用本发明所提出的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控制方法，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弱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。
3、本发明所提出的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控制方法，其控制由改进电压源换流器经典双闭环控制的外环控制而得到，因此本发明提出的方法很容易实现。
为了上述以及相关的目的，一个或多个实施例包括后面将详细说明并在权利要求中特别指出的特征。下面的说明以及附图详细说明某些示例性方面，并且其指示的仅仅是各个实施例的原则可以利用的各种方式中的一些方式。其它的益处和新颖性特征将随着下面的详细说明结合附图考虑而变得明显，所公开的实施例是要包括所有这些方面以及它们的等同。
附图说明
图1是本发明提供的经典双闭环控制的外环控制原理图；
图2是本发明提供的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；
图3是本发明提供的非线性控制律的控制原理图；
图4是本发明提供的积分控制律的控制原理图；
图5是本发明提供的提高电压源换流器与弱交流电网交换功率稳定性的控制方法的控制原理图。
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。
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控制方法，改进了经典双闭环控制的外环控制，其中包括2个部分：非线性控制律和积分控制律。非线性控制律根据输入的有功指令输出为维持PCC点电压为1p.u.(p.u.表示标幺值)而需要向PCC点提供的无功功率的量，该控制律通过查询存储了维持PCC点电压恒定(1p.u.)的有功、无功的非线性对应关系的表格来实现，相当于一种预测前馈控制，响应速度快，积分控制律的作用是消除静态误差。
(1)双闭环控制中外环控制的非线性控制律；
具体的：非线性控制规律模拟了弱交流电网条件下，电压源换流器有功功率参考值变化时，为了实现定交流电压控制的无功类控制目标，无功功率参考值和有功功率参考值之前需要满足的非线性关系。
对图2所示电压源换流器与弱交流电网相连接的系统，根据功率守恒对母线B2列写潮流方程，可得如下方程：
UEcosθ＝PR+QX+U2 (7)
UEsinθ＝QR-PX (8)
其中，U、E分别为PCC点电压和弱交流电网等效电势，θ为PCC点电压相位，R、X分别为弱交流电网等效电阻和等效电抗，P、Q分别为从电压源换流器流入弱交流电网的有功功率实际值和无功功率实际值；利用三角函数关系sin2θ+cos2θ＝1得如下方程：
(U2)2+(2PR+2QX-E2)U2+(P2+Q2)(X2+R2)＝0 (9)
式(9)是关于U2的一元二次方程，对于任意给定的(P,Q)组合，式(9)有解的条件是：希腊字母戴尔塔Δ＝b2-4ac≥0，其中：a＝1，b＝2PR+2QX-E2，c＝(P2+Q2)(X2+R2)，则Δ＝E4+8PQRX-4E2(PR+QX)-4(P2X2+Q2R2)；
当希腊字母戴尔塔Δ≥0时，对应的两个解分别为：
其中，Us为PCC点电压稳定解的实际值，Uns为PCC点电压不稳定解，舍去；a为二次项系数，b为一次项系数，c为常数项；
根据短路比的定义，若以电压源换流器VSC的额定容量SN为基准容量，母线B2额定电压UN为基准电压，则弱交流电网的短路比SCR为：
其中，Sc为弱交流电网短路容量，Zc、ZN、|Z|分别为弱交流电网短路阻抗有名值、基准值、标幺值；SN为电压源换流器VSC的额定容量，UN为母线B2额定电压；将式(11)带入式(10)且考虑得：
其中，为弱交流电网短路阻抗的功率因数；将式(11)带入Δ＝E4+8PQRX-4E2(PR+QX)-4(P2X2+Q2R2)中，得：
从(12)式看出，PCC点电压Us是P、Q、E、SCR、φ五个变量的函数，PCC点电压稳定解Us的表达式表示为：
对于给定的弱交流电网，其等效电势E、短路比SCR、短路阻抗的功率因数φ是确定的，PCC点电压稳定解Us的表达式简化为：
Us＝f2(P,Q) (14)
当电压源换流器无功类控制选择定交流电压控制时，为了实现定交流电压控制的无功类控制目标，电压源换流器需要向交流电网提供的无功功率量为Q＝f(P,Us)，当PCC点电压稳定解Us给定时简化为：
Q＝f(P) (15)
式(15)即为用于双闭环控制中外环控制的非线性控制律，为了得到内环控制需要的有功、无功参考电流，设计非线性控制律的输入为P*，输出为完整的非线性控制律公式为：
其中，为根据非线性控制律得到的内环d、q轴参考电流值，式(15)所示非线性控制通过将计算得到的(P*，Q*)存储于表格中，通过查表进行控制，如图3所示，或直接在电压源换流器与弱交流电网相连接成交流系统的控制系统中根据式(15)搭建控制框图实现；P*、Q*分别为从电压源换流器流入弱交流电网的有功功率参考值、无功功率参考值，ud是PCC点电压U经过park变换后的d轴电压分量。
(2)用于消除非线性控制律中存在的静态误差增加的积分控制律；
如图4所示的积分控制律，为了消除非线性控制律可能存在的静态误差而增加的积分控制律为：
其中，P＝1.5Usdicd， 为根据积分控制律得到的内环d、q轴参考电流值；Us、Us *分别为PCC点电压稳定解的实际值和参考值，Usd、Usq分别是PCC点电压usabc经Park变换后得到的d、q轴分量，ki2为外环控制的积分控制律系数，P*、P分别为从电压源换流器流入弱交流电网的有功功率参考值、实际值，s是拉普拉斯变换算子。(3)通过上述非线性控制律和积分控制律构成双闭环控制的外环控制：
由上述非线性控制律和积分控制律构成的改进的双闭环控制的外环控制结合了非线性控制律响应速度快和积分控制律消除静态误差的优点，如图5所示，可以通过下式实现：
其中：分别为非线性控制律和积分控制律构成双闭环控制的外环控制得到的内环d、q轴参考电流值，分别为根据非线性控制律得到的内环d、q轴参考电流值； 分别为根据积分控制律得到的内环d、q轴参考电流值。
实施例一
将图2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OUTER LOOP的小虚线框的外环控制替换为图5所示本发明的控制方法，即得到具体应用的最佳实施例。
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 (5)
1.一种提高VSC与弱交流电网交换功率稳定性的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括下述步骤：
(1)双闭环控制中外环控制的非线性控制律；
(2)用于消除非线性控制律中存在的静态误差增加的积分控制律；
(3)通过上述非线性控制律和积分控制律构成双闭环控制的外环控制。
2.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述步骤(1)包括：非线性控制律模拟弱交流电网条件下，在电压源换流器有功功率参考值变化时，实现定交流电压控制的无功类控制目标，无功功率参考值和有功功率参考值之前满足的非线性关系。
3.如权利要求2所述的控制方法，其特征在于，确定非线性控制律的计算式包括：在电压源换流器与弱交流电网相连接的系统中，根据功率守恒对母线B2列写如下潮流方程：
UE cosθ＝PR+QX+U2 (7)
UE sinθ＝QR-PX (8)
其中，U、E分别为PCC点电压和弱交流电网等效电势，θ为PCC点电压相位，R、X分别为弱交流电网等效电阻和等效电抗，P、Q分别为从电压源换流器流入弱交流电网的有功功率实际值和无功功率实际值；利用三角函数关系sin2θ+cos2θ＝1得如下方程：
(U2)2+(2PR+2QX-E2)U2+(P2+Q2)(X2+R2)＝0 (9)
式(9)是关于U2的一元二次方程，对于任意给定的(P,Q)组合，式(9)有解的条件是：希腊字母戴尔塔Δ＝b2-4ac≥0，其中：a＝1，b＝2PR+2QX-E2，c＝(P2+Q2)(X2+R2)，则Δ＝E4+8PQRX-4E2(PR+QX)-4(P2X2+Q2R2)；
当希腊字母戴尔塔Δ≥0时，对应的两个解分别为：
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其中，Us为PCC点电压稳定解的实际值，Uns为PCC点电压不稳定解，舍去；a为二次项系数，b为一次项系数，c为常数项；
根据短路比的定义，若以电压源换流器VSC的额定容量SN为基准容量，母线B2额定电压UN为基准电压，则弱交流电网的短路比SCR为：
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其中，Sc为弱交流电网短路容量，Zc、ZN、|Z|分别为弱交流电网短路阻抗有名值、基准值、标幺值；SN为电压源换流器VSC的额定容量，UN为母线B2额定电压；将式(11)带入式(10)且考虑得：
其中，为弱交流电网短路阻抗的功率因数；将式(11)带入Δ＝E4+8PQRX-4E2(PR+QX)-4(P2X2+Q2R2)中，得：
从(12)式看出，PCC点电压Us是P、Q、E、SCR、φ五个变量的函数，PCC点电压稳定解Us的表达式表示为：
对于给定的弱交流电网，其等效电势E、短路比SCR、短路阻抗的功率因数φ是确定的，PCC点电压稳定解Us的表达式简化为：
Us＝f2(P,Q) (14)
当电压源换流器无功类控制选择定交流电压控制时，为了实现定交流电压控制的无功类控制目标，电压源换流器需要向交流电网提供的无功功率量为Q＝f(P,Us)，当PCC点电压稳定解Us给定时简化为：
Q＝f(P) (15)
式(15)即为用于双闭环控制中外环控制的非线性控制律，为了得到内环控制需要的有功、无功参考电流，设计非线性控制律的输入为P*，输出为完整的非线性控制律公式为：
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其中，分别为根据非线性控制律得到的内环d、q轴参考电流值，式(15)所示非线性控制通过将计算得到的(P*，Q*)存储于表格中，通过查表进行控制，或直接在电压源换流器与弱交流电网相连接成交流系统的控制系统中根据式(15)搭建控制框图实现；P*、Q*分别为从电压源换流器流入弱交流电网的有功功率参考值、无功功率参考值，ud是PCC点电压U经过park变换后的d轴电压分量。
4.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述步骤(2)中，消除非线性控制律存在的静态误差而增加的积分控制律为：
<mrow>
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其中，P＝1.5Usdicd， 为根据积分控制律得到的内环d、q轴参考电流值；Us、Us *分别为PCC点电压稳定解的实际值和参考值，Usd、Usq分别是PCC点电压usabc经Park变换后得到的d、q轴分量，ki2为外环控制的积分控制律系数，P*、P分别为从电压源换流器流入弱交流电网的有功功率参考值、实际值，s是拉普拉斯变换算子。
5.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述步骤(3)中，非线性控制律和积分控制律构成双闭环控制的外环控制通过下式实现：
<mrow>
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其中：分别为非线性控制律和积分控制律构成双闭环控制的外环控制得到的内环d、q轴参考电流值，分别为根据非线性控制律得到的内环d、q轴参考电流值； 分别为根据积分控制律得到的内环d、q轴参考电流值。
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