CN109802442A - 用于使用功率同步控制来控制电压源变流器的方法和控制系统 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种使用功率同步控制来控制并网电压源变流器(VSC)的方法和控制系统，其中该方法包括：基于VSC相位角(θ)，确定VSC电流矢量(i)，该VSC相位角(θ)基于功率控制误差的积分而被确定；基于用于VSC的有功功率参考(Pref)，确定参考电流矢量(iref)的有功功率产生电流分量基于有功功率产生电流分量确定参考电流矢量(iref)；基于虚拟阻尼电阻(Ra)、参考电流矢量(iref)和VSC电流矢量(i)，确定阻尼分量；基于VSC电压幅度(V)和阻尼分量，确定电压矢量(v)；以及基于电压矢量(v)来控制VSC。

Description

用于使用功率同步控制来控制电压源变流器的方法和控制 系统
技术领域
本公开总体涉及电压源变流器控制。
背景技术
最初发明功率同步控制(PSC)(也被称为同步机仿真控制或虚拟同步机)是用于控制HVDC光传输，其中该HVDC的两个终端均位于非常弱的AC网络中。在EP2319170中公开了PSC。该方法与虚拟同步机类似但不相同。PSC可以用于任何并网电压源变流器(VSC)，而不仅仅是HVDC。
名称PSC是指该方法如何经由有功功率的控制而实现与电网的同步。因此，PSC没有利用锁相环(PLL)。PSC对于到短路比(SCR)低于2的弱电网的连接很有效。然而，PSC对于到强电网的连接给出了阻尼较差的闭环系统。在那种情况下，优选带有外环(包括PLL在内)的传统的矢量电流控制(VCC)方法。
在已知SCR在宽范围(包括SCR<2在内)内变化的情形下，当前有两种选项。
1.根据SCR，在线调谐PSC功率控制增益。
2.以预先确定的SCR在PSC与VCC之间做出切换。
这两种选项均不是期望的。优选的情形是具有对SCR而言是强健的控制系统。
LIDONG ZHANG等人在“Power-Synchronization Control of Grid-ConnectedVoltage-Source Converters”，IEEE TRANSACTIONS ON POWER SYSTEMS，IEEE SERVICECENTER，PISCATAWAY，NJ，US，NJ,US,vol.25,no.2,1May 2010(2010-05-01),pages 809-820,XP011297020,ISSN:0885-8950中，公开了基于VSC的功率同步控制。功率控制误差被转换至频率偏差，该频率偏差然后被积分到角度增量。输出信号提供角度以将电压参考从变流器dq坐标系变换到静止坐标系。
ZHANG WEIYI等人在“Frequency support characteristics of grid-interactive power converters based on the synchronous power controller”，IETRENEWABLE POWER GENERATION，THE INSTITUTION OF ENGINEERING AND TECHNOLOGY，MICHAEL FARADAY HOUSE，SIX HILLS WAY，STEVENAGE，HERTS.SG1 2AY，UK，vol.11,no.4,15March 2017(2017-03-15),pages 470-479,XP006061208,ISSN:1752-1416,DOI:10.1049/IET-RPG.2016.0557中，公开了一种用于电网交互式功率变流器的同步有功功率控制解决方案，作为针对惯性特性和负载分配对同步发电机进行仿真的方式。
发明内容
鉴于上文，本公开的目的是提供一种电压源变流器的控制方法，其解决或至少减轻了现有技术的问题。
因此，根据本公开的第一方面，提供了一种使用功率同步控制来控制并网电压源变流器VSC的方法，其中该方法包括：基于VSC相位角，确定VSC电流矢量，该VSC相位角基于功率控制误差的积分而被确定；基于用于VSC的有功功率参考，确定参考电流矢量的有功功率产生电流分量基于有功功率产生电流分量，确定参考电流矢量；基于虚拟阻尼电阻、参考电流矢量和VSC电流矢量，确定阻尼分量；基于VSC电压幅度和阻尼分量，确定电压矢量；以及基于电压矢量来控制VSC。
通过基于有功功率参考来确定有功功率产生电流分量可以为强电网提供强健的闭环系统。与传统的功率同步控制相比较的改进通过零极点相消而获得，该零极点相消将闭合有功功率控制环路动态从三阶系统降低到一阶系统。附加地，与传统的PSC相比较，针对弱电网的阻尼性能得以维持、甚至得以提高。至此，可以提供与SCR无关的强健控制。
因此，该方法可以有利地用于弱电网和强电网。
有功功率控制误差是从VSC输出的有功功率与有功功率参考之间的差。
VSC电压幅度通常是预先确定的，并且可以被设置为恒定的。备选地，为此，VSC电压幅度可以使用特定控制回路而被设置为动态地改变。
根据一个实施例，有功功率产生电流分量基于将其设置为与有功功率参考成比例而被确定。
有功功率产生电流分量可以是dq坐标系中的参考电流矢量的实值电流分量。
根据一个实施例，有功功率产生电流分量由下式确定：
其中Pref是用于VSC的有功功率参考，κ是空间矢量缩放常数，以及V是VSC电压幅度。
空间矢量缩放常数κ可以例如由下式确定：
其中K是矢量缩放常数。因此，κ是修改后的矢量缩放常数。可以任意选择矢量缩放常数K，但是常见选择如下：对于峰值缩放而言，K＝1，而对于rms值缩放而言，
一个实施例包括：使用VSC相位角将电压矢量变换至静止坐标系以获得变换后的电压矢量，其中控制牵涉到：使用变换后的电压矢量来控制VSC。
静止坐标系可以是αβ坐标系。
一个实施例包括：使用VSC电流矢量的虚部的低通滤波来确定参考电流矢量的无功功率产生电流分量，其中基于无功功率产生电流分量来进一步确定参考电流矢量。
无功功率产生电流分量可以是dq坐标系中的参考电流矢量的虚值电流分量。
根据一个实施例，通过基于参考电流矢量和VSC电流矢量来确定电流误差矢量、并且将虚拟阻尼电阻与电流误差矢量相乘，确定阻尼分量。
可以通过从VSC电流矢量中减去参考电流矢量、或者从参考电流矢量中减去VSC电流矢量来确定电流误差矢量。
根据一个实施例，通过使用VSC相位角变换由测量获得的静止VSC电流矢量，确定VSC电流矢量。
根据本公开的第二方面，提供了一种计算机程序，其包括计算机代码，该计算机代码当由控制系统的处理电路执行时，使得控制系统执行根据第一方面的方法。
根据本公开的第三方面，提供了一种使用功率同步控制来控制并网电压源变流器(VSC)的控制系统，其中该控制系统包括：存储介质，其包括计算机代码；以及处理电路，其中当计算机代码由处理电路执行时，控制系统被配置为：基于VSC相位角，确定VSC电流矢量，该VSC相位角基于功率控制误差的积分而被确定；基于用于VSC的有功功率参考，确定参考电流矢量的有功功率产生电流分量；基于有功功率产生电流分量，确定参考电流矢量；基于虚拟阻尼电阻、参考电流矢量和VSC电流矢量，确定阻尼分量；基于VSC电压幅度和阻尼分量，确定电压矢量；以及基于电压矢量来控制VSC。
根据一个实施例，控制系统被配置为基于将其设置为与有功功率参考成比例来确定有功功率产生电流分量。
根据一个实施例，实值电流分量由下式确定：
其中Pref是用于VSC的有功功率参考，κ是空间矢量缩放常数，以及V是VSC电压幅度。
根据一个实施例，处理电路被配置为使用VSC相位角将电压矢量变换至静止坐标系以获得变换后的电压矢量，其中控制系统被配置为使用变换后的电压矢量来控制VSC。
根据一个实施例，控制系统被配置为使用VSC电流矢量的虚部的低通滤波来确定参考电流矢量的无功功率产生电流分量，其中基于无功功率产生电流分量来进一步确定参考电流矢量。
根据一个实施例，通过基于参考电流矢量和VSC电流矢量来确定电流误差矢量、并且通过将虚拟阻尼电阻与电流误差矢量相乘，确定阻尼分量。
通常，除非本文另有明确定义，否则权利要求中使用的所有术语要根据它们在技术领域中的普通含义来解释。除非另外明确说明，否则对“一/一个/该元件、设备、部件、装置等”的所有引用要公开解释为是指元件、设备、部件、装置等的至少一个实例。
附图说明
现在将参考附图，通过示例对本发明构思的具体实施例进行描述，在附图中：
图1示意性地示出了用于使用功率同步控制来控制并网VSC的控制系统的示例；
图2示意性地示出了由图1中的控制系统控制的并网VSC的电路模型；
图3示意性地描绘了使用本文中所描述的功率同步控制来控制并网VSC的框图；
图4a示出了针对传统功率同步控制的各种参数的阶跃响应；以及
图4b示出了针对与图4a中的参数相同的参数、但是使用图3中所示的控制方法的对应阶跃响应。
具体实施方式
现在将参考附图，在下文中对本发明构思进行更全面地描述，附图中示出了示例性实施例。然而，本发明构思可以以许多不同的形式实施，并且不应当被解释为限于本文中所阐述的实施例；相反，这些实施例作为示例提供，以使得本公开将是彻底和完整的，并且将本发明构思的范围完全传达给本领域技术人员。在整个说明书中，相同的附图标记是指相同的元件。
图1示出了用于使用功率同步控制来控制并网VSC的控制系统1的示例。控制系统1包括处理电路3和存储介质5。
处理电路3可以使用能够执行本文中所公开的关于VSC控制的任何操作的以下各项中的一项或多项的任何组合：合适的中央处理单元(CPU)、多处理器、微控制器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)等。
存储介质5可以例如被实施为存储器，诸如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)或电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)，并且更特别地被实施为诸如USB(通用串行总线)存储器之类的外部存储器、或诸如紧凑型闪存之类的闪存中的设备的非易失性存储介质。
图2示出了并网VSC 7。控制系统1被配置为控制VSC 7。VSC 7连接到AC网络9并连接到DC网络11。具有电感L的电感器13表示电网的电感。电感L是VSC 7的滤波电感和电网电感之和。还示出了虚拟阻尼电阻Ra(也被称为“有功电阻”或“虚拟电阻”)，其不形成实际电网的一部分。虚拟阻尼电阻Ra用于本方法中，以增加控制的强健性，特别地，在瞬态的情况下提供阻尼。
控制系统1被配置为从电网获得电参数。这样的电参数可以例如是VSC电流以获得测量的静止VSC电流矢量is，以及VSC电压以获得测量的静止VSC电压矢量vs，它们用于确定有功功率输出P。术语“静止”意指所讨论的电参数在静止坐标系中。电流/电压表可以例如用于测量这些参数。
图3描绘了示出了借助于使用功率同步控制的控制系统1来控制并网VSC 7的示例的框图。框图的各框通过处理电路3实现为硬件和/或软件。
在第一框15中，确定功率控制误差。功率控制误差由有功功率输出P与用于VSC 7的有功功率参考Pref之间的差被确定。
在第二框17中，功率控制误差乘以功率控制增益Kp，以获得缩放的功率控制误差。功率控制增益Kp是常数。功率控制增益Kp的单位通常为rad/(Ws)等，其通常基于系统归一化的方式。
在第三框19中，角频率ω1被加到缩放的功率控制误差。角频率ω1例如是测量的静止VSC电流矢量is的空间矢量在静止坐标系中旋转的角频率。
在积分框21中，对缩放的功率控制误差和角频率ω1之和进行积分。以这种方式，获得VSC相位角θ。
来自积分框21的输出，即VSC相位角θ，被发送到第一指数框22以获得ejθ。
来自积分框21的输出，即VSC相位角θ，也被发送到第二指数框23以获得e-jθ。
在第四框25中，来自第二指数框23的输出，即e-jθ，乘以通过测量获得的静止VSC电流矢量is。因此，静止VSC电流矢量is被变换至dq坐标系中的VSC电流矢量i。“s”表示静止坐标系，特别地是αβ坐标系。
dq坐标中的VSC电流矢量i的虚部iq在分离框27中被分离，并且被输入到滤波框29。示例性滤波框29提供dq坐标系中的VSC电流矢量i的虚部iq的低通滤波。VSC电流矢量i的虚部iq的低通滤波确定参考电流矢量iref的无功功率产生分量低通滤波可以被表达为：
其中ωb是低通滤波器的带宽，而s是拉普拉斯变量。
在第五框31中，缩放有功功率参考Pref，由此确定参考电流矢量iref的有功功率产生电流分量由第五框31提供的缩放因子是1/κV，其中κ是空间矢量缩放常数。在第五框31中提供的有功功率参考Pref的缩放被设置为参考电流矢量iref的有功功率产生分量至此，并且参考电流矢量iref是有功功率产生电流和无功功率产生电流分量之和，即，特别地，可以在将有功功率产生分量和无功功率产生分量组合的组合框33中获得参考电流矢量iref。
在第六框35中，确定用于dq坐标系中的VSC电流矢量i和参考电流矢量iref的电流误差矢量。特别地，从VSC电流矢量i和参考电流矢量iref中的一个矢量中减去另一个矢量，以获得电流误差矢量。
在第七框37中，确定阻尼分量。特别地，虚拟阻尼电阻Ra与电流误差矢量相乘以获得阻尼分量Ra*(i-iref)或Ra*(iref-i)，该符号取决于VSC电流矢量i的方向。
在第八框39中，通过将阻尼分量和VSC电压幅度V相加来确定电压矢量v。因此，获得电压矢量v＝V+Ra*(i-iref)，或者备选地，V+Ra*(iref-i)。例如，VSC电压幅度V可以被选择为恒定的，例如，1标幺值(p.u.)。备选地，为此，可以使用特定控制回路选择VSC幅度V。电压幅度V是dq坐标系中的实分量。电压矢量v＝V+Ra*(iref-i)是静止状态下的实数，因为那时iref-i＝0。在瞬态期间，Ra*(iref-i)提供阻尼，并且可以包括复数和实分量，然后，后者被加到dq坐标系中的实值电压幅度V。
在第九框41中，电压矢量v通过与来自第一指数框22的输出(即，ejθ)相乘而变换到静止坐标系(特别地，αβ坐标系)。由此获得变换后的电压矢量vs＝Vejθ。变换后的电压矢量vs处于αβ坐标系中。
变换后的电压矢量vs用于控制VSC 7。因此，控制系统1被配置为基于变换后的电压矢量vs来控制VSC 7。该控制可以例如借助于脉冲宽度调制(PWM)(即，通过使用PWM)以用于切换开关，例如，VSC 7的绝缘栅双极晶体管(IBGT)。
图4a示出了在仿真中的针对传统功率同步控制的阶跃响应。在该仿真中，电网强劲，其中电感L＝0.2p.u.，并且功率控制增益Kp和虚拟阻尼电阻Ra被设置为相等，在该示例中，Kp＝Ra＝0.2p.u.。在t＝0.2s时做出VSC 7的直流链路的直流侧上的输出功率从0p.u.到0.5p.u.的阶跃，然后在t＝0.6s时做出到-0.5p.u的阶跃。最上面的曲线图示出了角度δ，其是VSC电压与电网电压之间的角度差，中间曲线图中的id和iq是VSC电流矢量i的有功功率产生电流分量和无功功率产生电流分量。差的阻尼因子显而易见。相比之下，参考图4b，对于利用本文中所描述的控制方法进行的对应仿真而言，从对应仿真获得的响应得以被很好地阻尼。
上文已经主要参考几个示例对本发明构思进行了描述。然而，如本领域技术人员容易领会的，除了上文所公开的实施例之外的其他实施例在由所附权利要求限定的本发明构思的范围内同样是可能的。

Claims (14)

1.一种使用功率同步控制来控制并网电压源变流器VSC(7)的方法，其中所述方法包括：
基于VSC相位角(θ)，确定VSC电流矢量(i)，所述VSC相位角基于功率控制误差的积分而被确定；
基于用于所述VSC(7)的有功功率参考(Pref)，确定参考电流矢量(iref)的有功功率产生电流分量
基于所述有功功率产生电流分量确定所述参考电流矢量(iref)；
基于虚拟阻尼电阻(Ra)、所述参考电流矢量(iref)和所述VSC电流矢量(i)，确定阻尼分量；
基于VSC电压幅度(V)和所述阻尼分量，确定电压矢量(v)；以及
基于所述电压矢量(v)，控制所述VSC(7)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述有功功率产生电流分量基于将其设置为与所述有功功率参考(Pref)成比例而被确定。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述有功功率产生电流分量由以下确定：
其中Pref是用于所述VSC(7)的所述有功功率参考，κ是空间矢量缩放常数，以及V是所述VSC电压幅度(V)。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，包括：使用所述VSC相位角(θ)，将所述电压矢量(v)变换至静止坐标系，以获得变换后的电压矢量(vs)，其中所述控制牵涉到：使用所述变换后的电压矢量(vs)来控制所述VSC(7)。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，包括：使用所述VSC电流矢量(i)的虚部的低通滤波，确定所述参考电流矢量(iref)的无功功率产生电流分量其中所述参考电流矢量(v)基于所述无功功率产生电流分量而被进一步确定。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中所述阻尼分量通过基于所述参考电流矢量(iref)和所述VSC电流矢量(i)来确定电流误差矢量、并且将所述虚拟阻尼电阻乘以所述电流误差矢量而被确定。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中所述VSC电流矢量(i)通过使用所述VSC相位角(θ)变换由测量获得的静止VSC电流矢量(is)而被确定。
8.一种计算机程序，包括计算机代码，所述计算机代码当由控制系统(1)的处理电路(3)执行时，使得所述控制系统(1)执行根据权利要求1至7中的任一项所述的方法。
9.一种用于使用功率同步控制来控制并网电压源变流器VSC(7)的控制系统(1)，其中所述控制系统(1)包括：
存储介质(5)，其包括计算机代码；以及
处理电路(3)；
其中当所述计算机代码由所述处理电路(3)执行时，所述控制系统(1)被配置为：
基于VSC相位角(θ)，确定VSC电流矢量(i)，所述VSC相位角基于功率控制误差的积分而被确定；
基于用于所述VSC(7)的有功功率参考(Pref)，确定参考电流矢量(iref)的有功功率产生电流分量
基于所述有功功率产生电流分量确定所述参考电流矢量(iref)；
基于虚拟阻尼电阻(Ra)、所述参考电流矢量(iref)和所述VSC电流矢量(i)，确定阻尼分量；
基于VSC电压幅度(V)和所述阻尼分量，确定电压矢量(v)；以及
基于所述电压矢量(v)，控制所述VSC(7)。
10.根据权利要求9所述的控制系统(1)，其中所述控制系统(1)被配置为基于将所述有功功率产生电流分量设置为与所述有功功率参考(Pref)成比例，确定所述有功功率产生电流分量
11.根据权利要求10所述的控制系统(1)，其中所述有功功率产生电流分量由以下确定：
其中Pref是用于所述VSC(7)的所述有功功率参考，κ是缩放常数，以及V是所述VSC电压幅度(V)。
12.根据权利要求9至11中的任一项所述的控制系统(1)，其中所述处理电路(3)被配置为：使用所述VSC相位角(θ)而将所述电压矢量(v)变换至静止坐标系，以获得变换后的电压矢量(vs)，其中所述控制系统(1)被配置为使用所述变换后的电压矢量(vs)来控制所述VSC(7)。
13.根据权利要求9至12中的任一项所述的控制系统(1)，其中所述控制系统(1)被配置为：使用所述VSC电流矢量(i)的虚部的低通滤波，确定所述参考电流矢量(iref)的无功功率产生电流分量其中所述参考电流矢量(iref)基于所述无功功率产生电流分量而被进一步确定。
14.根据权利要求9至13中的任一项所述的控制系统(1)，其中所述阻尼分量通过基于所述参考电流矢量(iref)和所述VSC电流矢量(i)来确定电流误差矢量、并且通过将所述虚拟阻尼电阻乘以所述电流误差矢量而被确定。
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