CN109597298A - 柔性直流换流阀暂态电流试验系统的电流控制方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种柔性直流换流阀暂态电流试验系统的电流控制方法及系统，该方法包括：对试验系统的输出电流和参考电流的差值进行PI调节，得到第一电压；以参考电流作为试验系统开环传递函数的输入量，通过前馈系数调节后生成电压前馈项；将电压前馈项与第一电压进行求和，将求和结果除以试验系统中储能系统端口的电压得到占空比；对占空比进行PWM调制生成PWM信号，根据该PWM信号对试验系统中的变换器进行控制，该变换器的输出电流为试验电流，供待测换流阀使用。本发明通过采用可调前馈强度的电流PI闭环控制，在实现对各频率分量电流快速跟踪给定的前提下，有效消除了静态误差，提高了系统鲁棒性，能够满足柔性直流换流阀短路电流波形要求。

Description

柔性直流换流阀暂态电流试验系统的电流控制方法及系统
技术领域
本发明涉及一种柔性直流换流阀暂态电流试验系统的电流控制方法及系统，属于柔性直流输电换流阀试验技术领域。
背景技术
柔性直流输电(VSC-HVDC)的核心设备是柔性直流输电换流阀，其子模块的电路原理图如图1所示。在工程应用之前，换流阀组件必须进行型式试验，而短路电流试验作为其型式试验中一项重要试验项目，可采用基于储能及功率变换方案的柔性直流换流阀暂态电流试验系统，其电气原理图如图2所示。该柔性直流换流阀暂态电流试验系统包括整流系统、储能系统、功率变换器和晶闸管阀，电网电源通过整流系统对储能系统进行充电，然后通过由N个并联的、采用交错并联技术调制的Buck变换器(也称为降压变换器)对试品MMC阀释放电流，而晶闸管阀在Buck变换器输出电流时为导通状态，承受大电流应力，在Buck变换器闭锁时，为关断状态，承受试品MMC阀两端高电压。该试验系统用于为试品MMC阀提供满足试验要求的试验电流，以达到试验验证的目的。
为了满足柔性直流换流阀短路电流波形的要求，柔性直流换流阀暂态电流试验系统需要输出由不同频率分量合成的试验电流，其试验电流频率成分丰富，且试验电流幅值大，要求响应速度快，然而常规的控制方式难以满足试验要求。其中，开环控制方式无法满足试验电流的闭环控制，受试验系统参数变化影响大；常规电流PI闭环控制受PI控制器固有特性无法对高频分量进行有效控制；电流PI闭环控制仅对特定的电流频率分量有效，不适应于频率分量丰富的应用场景；滞环控制方式无法实现无静差快速跟踪电流给定，同样不能满足适应换流阀暂态试验电流的需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种柔性直流换流阀暂态电流试验系统的电流控制方法及系统，用于解决目前电流控制方法无法满足暂态试验电流需求的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种柔性直流换流阀暂态电流试验系统的电流控制方法，包括以下步骤：
1)获取试验系统的输出电流，对该输出电流和参考电流的差值进行PI调节，得到第一电压；
2)以参考电流作为试验系统开环传递函数的输入量，并通过前馈系数调节后生成电压前馈项；
3)将得到的电压前馈项与第一电压进行求和，将求和结果除以试验系统中储能系统端口的电压得到占空比；
4)对得到的占空比进行PWM调制，生成PWM信号，根据该PWM信号对试验系统中的变换器进行控制，该变换器的输出电流为试验电流，供待测换流阀使用。
本发明的有益效果是：通过采用可调前馈强度的电流PI闭环控制，在实现对各频率分量电流快速跟踪给定的前提下，有效消除了静态误差，提高了系统鲁棒性，能够使得柔性直流换流阀暂态电流试验系统的输出电流，能够满足柔性直流换流阀短路电流波形要求。
进一步的，为了提高控制可靠性，若试验系统中的变换器采用Buck变换器，则PWM调制采用并联交错控制方式。
进一步的，为了获取可靠的参考电流，所述参考电流按照短路电流试验要求的试验电流进行设定。
进一步的，为了实现前馈强度的调节，所述前馈系数的取值范围为0～1。
为解决上述技术问题，本发明还提供了一种柔性直流换流阀暂态电流试验系统的电流控制系统，包括PI控制器、PWM调制模块、电压前馈生成模块和占空比生成模块，PI控制器的输入端连接有参考电流和试验系统的输出电流，用于根据输出电流和参考电流的差值进行PI调节，得到第一电压；所述的电压前馈生成模块用于将参考电流代入试验系统开环传递函数，并通过前馈系数调节后生成电压前馈项；所述占空比生成模块用于将得到的电压前馈项与第一电压进行求和，并将求和结果除以试验系统中储能系统端口的电压得到占空比；所述PWM调制模块用于对得到占空比进行PWM调制，生成PWM信号，实现对试验系统中的变换器进行控制。
本发明的有益效果是：通过采用可调前馈强度的电流PI闭环控制，在实现对各频率分量电流快速跟踪给定的前提下，有效消除了静态误差，提高了系统鲁棒性，能够使得柔性直流换流阀暂态电流试验系统的输出电流，能够满足柔性直流换流阀短路电流波形要求。
进一步的，为了提高控制可靠性，若试验系统中的变换器采用Buck变换器，则所述PWM调制模块用于采用并联交错控制方式对得到占空比进行PWM调制。
进一步的，为了实现前馈强度的调节，所述前馈系数的取值范围为0～1。
附图说明
图1是现有技术柔性直流输电换流阀的子模块电路原理图；
图2是现有技术柔性直流换流阀暂态电流试验系统的电气原理图；
图3是本发明柔性直流换流阀暂态电流试验系统的电流控制方法的控制框图；
图4是本发明柔性直流换流阀暂态电流试验系统的电流控制方法对柔性直流换流阀暂态电流试验系统进行控制输出的电流波形图；
图5是本发明图4中的电流波形图左边部分振荡电流波形的放大图；
图6是本发明图4中的电流波形图右边部分递减电流波形的放大图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例对本发明进行进一步详细说明。
柔性直流换流阀暂态电流试验系统的电流控制方法实施例：
为了实现对图2中的柔性直流换流阀暂态电流试验系统的电流输出控制，本实施例提供了一种柔性直流换流阀暂态电流试验系统的电流控制方法，该控制方法采用可调前馈强度的电流PI闭环控制，实现了对各频率分量电流快速跟踪给定，有效消除了静态误差，提高了系统鲁棒性，从而使得柔性直流换流阀暂态电流试验系统的输出电流，能够满足柔性直流换流阀短路电流波形要求。其中，该柔性直流换流阀暂态电流试验系统的电流控制方法对应的控制框图如图3所示，具体包括以下步骤：
1)获取试验系统的输出电流，以该输出电流和参考电流的差值进行PI调节，得到第一电压。
在储能系统充电完成以后，柔性直流换流阀暂态电流试验系统开始运行，并跟踪试验系统输出电流给定值(即参考电流)I*，输出电流。其中，试验系统输出电流给定值采用载入试验电流波形数据文件方式，该试验电流波形数据文件为依据短路电流试验要求的试验电流而事先编制的数据文件，该文件为对短路电流试验要求的试验电流波形采用等时间间隔采样的离散化处理方式，由采样值组成的数据文件，其电流波形可为不超过试验系统输出最大电流限制的不同频率合成的任意电流波形。其中每个采样点采用Int32数据格式，采样频率不低于10kHz，以保证试验电流给定波形精确度及其波形的平滑性。
在试验系统输出电流给定值确定以后，进入试验电流闭环控制阶段。将试验系统的输出电流与参考电流I*作差，得到试验系统输出电流误差值ΔI，该电流误差值ΔI经过PI控制器调节计算，输出第一电压U″。其中，试验系统的输出电流I为所有Buck变换器输出电流采样值之和，即有其中IBuck_n为第n个Buck变换器输出电流采样值，N为Buck变换器的总数目。
2)以参考电流作为试验系统开环传递函数的输入量，并通过前馈系数调节后生成电压前馈项。
将试验系统输出电流给定值实时代入到试验系统开环传递函数G(I*)中，试验系统开环传递函数G(I*)的输出与前馈系数k相乘，以得到高精度、强度可调的电压前馈项U′。前馈系数k用于调节前馈强度，其取值范围为0～1，可根据需要进行调节。其中，试验系统开环传递函数G(I*)的表达式为：
G(I*)＝U(I*)+ΔZ×I*
其中，U(I*)为当试品电流为I*时试品上的压降，ΔZ为系统杂散阻抗以及连接阻抗之和。
3)将得到的电压前馈项与第一电压进行求和，将求和结果除以试验系统中储能系统端口的电压得到占空比。
将第一电压U″与电压前馈项U′求和，得到系统输出参考电压U*。将系统输出参考电压U*与储能系统端口的电压Udc做商，得到Buck变换器占空比D*，该Buck变换器占空比D*被限幅在0～1之间。
4)对得到的占空比进行PWM调制，生成PWM信号，根据该PWM信号对试验系统中的变换器进行控制，该变换器的输出电流为试验电流，供待测换流阀使用。
将得到的Buck变换器占空比D*代入交错并联调制算法进行PWM调制，得到每一个并联Buck变换器的PWM触发脉冲。这些触发脉冲是一组占空比一致，而相位相差为恒定值的触发脉冲，每一路触发脉冲对应一个Buck变换器。每个Buck变换器依据触发脉冲调制输出电流，并将每个Buck变换器的输出电流汇流，最终形成试验系统输出电流。
采用上述的柔性直流换流阀暂态电流试验系统的电流控制方法，系统给定电流以及试验系统所产生的试验电流波形图如图4所示，系统给定电流即为试验系统输出电流给定值I*，图4所示电流波形是依据具体工程短路电流波形要求生成的，实际电流的峰值、持续时间等参数均可控制。为了便于查看，图5给出了图4中的电流波形图左边部分振荡电流波形的放大图，图6给出了图4中的电流波形图右边部分递减电流波形的放大图。
需要说明的是，上述的柔性直流换流阀暂态电流试验系统的电流控制方法是以柔性直流换流阀暂态电流试验系统中的变换器类型为Buck变换器为例进行说明的，但并不局限于Buck变换器，当柔性直流换流阀暂态电流试验系统采用其他类型的变换器时，例如Buck-Boost变换器时，需要根据变换器的种类对应生成PWM信号，由于这部分内容为现有技术，此处不再赘述。
上述的柔性直流换流阀暂态电流试验系统的电流控制方法实现了对试验电流的闭环控制，电流响应速度快，跟踪精度高；通过采用PI控制，可以实现试验电流的高精度跟踪系统给定；通过调节前馈系数k，可以适应于宽频率范围的控制响应速度，并有效抑制系统超调；通过采用强度可调的前馈与PI控制相结合的方式，提高了柔性直流换流阀暂态电流试验系统的鲁棒性。
柔性直流换流阀暂态电流试验系统的电流控制系统实施例：
本实施例提供了一种柔性直流换流阀暂态电流试验系统的电流控制系统，包括PI控制器、PWM调制模块、电压前馈生成模块和占空比生成模块。其中，PI控制器的输入端连接有参考电流和试验系统的输出电流，用于根据输出电流和参考电流的差值进行PI调节，得到第一电压；电压前馈生成模块用于将参考电流代入试验系统开环传递函数，并通过前馈系数调节后生成电压前馈项；占空比生成模块用于将得到的电压前馈项与第一电压进行求和，并将求和结果除以试验系统中储能系统端口的电压得到占空比；PWM调制模块用于对得到的占空比进行PWM调制，生成PWM信号，实现对试验系统中的变换器进行控制。
该柔性直流换流阀暂态电流试验系统的电流控制系统中的各个模块相互配合，可以实现上述的柔性直流换流阀暂态电流试验系统的电流控制方法，由于该柔性直流换流阀暂态电流试验系统的电流控制方法已经在上述的柔性直流换流阀暂态电流试验系统的电流控制方法实施例中进行详细介绍，此处不再赘述。
最后应当说明的是，以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其保护范围的限制，尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解，本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (7)

1.一种柔性直流换流阀暂态电流试验系统的电流控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)获取试验系统的输出电流，对该输出电流和参考电流的差值进行PI调节，得到第一电压；
2)以参考电流作为试验系统开环传递函数的输入量，并通过前馈系数调节后生成电压前馈项；
3)将得到的电压前馈项与第一电压进行求和，将求和结果除以试验系统中储能系统端口的电压得到占空比；
4)对得到的占空比进行PWM调制，生成PWM信号，根据该PWM信号对试验系统中的变换器进行控制，该变换器的输出电流为试验电流，供待测换流阀使用。
2.根据权利要求1所述的柔性直流换流阀暂态电流试验系统的电流控制方法，其特征在于，若试验系统中的变换器采用Buck变换器，则PWM调制采用并联交错控制方式。
3.根据权利要求1或2所述的柔性直流换流阀暂态电流试验系统的电流控制方法，其特征在于，所述参考电流按照短路电流试验要求的试验电流进行设定。
4.根据权利要求1或2所述的柔性直流换流阀暂态电流试验系统的电流控制方法，其特征在于，所述前馈系数的取值范围为0～1。
5.一种柔性直流换流阀暂态电流试验系统的电流控制系统，其特征在于，包括PI控制器、PWM调制模块、电压前馈生成模块和占空比生成模块，PI控制器的输入端连接有参考电流和试验系统的输出电流，用于根据输出电流和参考电流的差值进行PI调节，得到第一电压；所述的电压前馈生成模块用于将参考电流代入试验系统开环传递函数，并通过前馈系数调节后生成电压前馈项；所述占空比生成模块用于将得到的电压前馈项与第一电压进行求和，并将求和结果除以试验系统中储能系统端口的电压得到占空比；所述PWM调制模块用于对得到占空比进行PWM调制，生成PWM信号，实现对试验系统中的变换器进行控制。
6.根据权利要求5所述的柔性直流换流阀暂态电流试验系统的电流控制系统，其特征在于，若试验系统中的变换器采用Buck变换器，则所述PWM调制模块用于采用并联交错控制方式对得到占空比进行PWM调制。
7.根据权利要求5或6所述的柔性直流换流阀暂态电流试验系统的电流控制系统，其特征在于，所述前馈系数的取值范围为0～1。
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