CN109842143B - 电压源换流器高压直流输电技术互连弱交流系统控制方法 - Google Patents

电压源换流器高压直流输电技术互连弱交流系统控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电力电子技术，具体涉及电压源换流器高压直流输电技术互连弱交流系统控制方法，交流电压控制器通过VSC换流器的交、直流电压关系实现，为正弦波发生器提供幅值参考；交流频率控制器通过内电势‑不平衡功率间的关系实现，为正弦波发生器提供频率参考。最后，正弦波发生器输出的VSC调制波结合三角波生成器产生的PWM载波，形成触发脉冲，控制三相两电平VSC换流器中的阀组通断，完成换流过程。该控制方法不需要交流系统的反馈，相对独立于交流电网的短路容量。因此，VSC‑HVDC能够在非常弱的系统中工作，克服了传统的基于锁相环的VSC‑HVDC控制难以在交流系统很弱的状态下工作的缺陷。

Description

电压源换流器高压直流输电技术互连弱交流系统控制方法
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，尤其涉及电压源换流器高压直流输电技术互连弱交流系统控制方法。
背景技术
基于电压源换流器的高压直流输电技术(Voltage Source Converter-HighVoltage Direct Current，VSC-HVDC)被广泛应用于异步交流系统的连接，而VSC的同步对电力系统的短路容量(Short Circuit Capacity，SCC)提出了要求。由于VSC-HVDC的实现取代了传统的发电机，在短路容量方面削弱了电力系统，低短路容量会使锁相环(PhaseLocked Loop，PLL)产生偏差甚至失效，给VSC控制带来了挑战。目前，大部分研究提出了各种针对VSC-HVDC的同步机(Synchronous Machine，SM)模拟控制，但同步过程是基于锁相环获得的参考角，当交流系统弱时，该参考角的性能恶化。
发明内容
本发明的目的是提供一种不使用交流测量，也不使用VSC间的相互通信，通过VSC的电机控制，使VSC不需要任何专用的同步单元，即可自动与交流电网同步，实现在弱交流电网环境下进行稳定控制的方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：电压源换流器高压直流输电技术互连弱交流系统控制方法，通过VSC换流器的电机控制与交流电网同步；包括VSC换流器的交、直流电压形成的交流电压控制器生成幅值，为正弦波发生器提供幅参考；内电势-不平衡功率间形成交流频率控制器生成频率，为正弦波发生器提供频率参考；正弦波发生器输出的VSC调制波模拟同步机的内部电动势，再结合三角波生成器产生的PWM载波，形成触发脉冲，控制三相两电平VSC换流器中的阀组通断，完成换流过程。
在上述的电压源换流器高压直流输电技术互连弱交流系统控制方法中，该方法包括以下步骤：
步骤1、首先期望输出交流电压Uord与VSC换流器直流侧电压的实测值
Figure BDA0001972305410000021
通过交流电压控制器生成幅值，为正弦波发生器提供幅值参考值；直流侧电压VD恒定时满足(1)式，通过对PWM调制波的幅值控制来调整VSC换流器的端电压；
Figure BDA0001972305410000022
其中，交流侧
Figure BDA0001972305410000023
为端电压，μ为直流电压利用率，等于
Figure BDA0001972305410000024
三相VSC换流器正弦调制波，M为调制比；
步骤2、根据内电势随不平衡功率的旋转的微分方程，得到交流频率控制器；
Figure BDA0001972305410000025
其中，ωE′为发电机内电势E′的角频率，等于转子角频率，J为转子的惯性常数，ω0为额定角频率，Pmec为同步机的机械功率，等于其稳态功率指令值Pord，Pele为同步机的电磁功率；
同步机的电磁功率Pele、机械功率Pmec及额定角频率ω0输入交流频率控制器，其输出频率为正弦波发生器提供频率参考值；
步骤3、幅值参考值和频率参考值通过正弦波发生器生成VSC换流器调制波，并结合三角波生成器产生的PWM载波，形成触发脉冲，在VSC换流器阀侧创建一个旋转电压相量Uv与交流电网交换有功功率，控制VSC换流器中的阀组通断实现换流。
本发明的有益效果：具有简单的控制结构，模仿同步机，其运行不需要测量交流系统的反馈，相对独立于交流电网的短路容量。因此，VSC-HVDC能够在非常弱的系统中工作，克服了传统的基于锁相环的VSC-HVDC控制难以在交流系统很弱的状态下工作的缺陷。
附图说明
图1为本发明一个实施例的VSC电机控制整体框图；
图2为本发明一个实施例的交流电压控制器；
图3为本发明一个实施例的交流频率控制器；
图4为本发明一个实施例在RTDS中所搭建的模型示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。
本实施例的控制方案通过VSC的电机控制实现，VSC的功率转换依赖于阀侧电压Uv的旋转，传统的VSC的旋转电压由级联式控制(外环控制器、内环控制器、坐标变换器和调制波发生器)决定，级联式控制需要对交流电网进行测量，通过锁相环反馈参考相位。而本实施例不使用交流测量，也不使用VSC间的相互通信，通过VSC的电机控制，使VSC与同步机一样，不需要任何专用的同步单元，即可自动与交流电网同步，实现在弱交流电网环境下进行稳定控制。
本实施例是通过以下技术方案来实现的，
电压源换流器高压直流输电技术互连弱交流系统控制方法，如图1所示，包括：交流电压控制器和交流频率控制器；交流电压控制器通过VSC换流器的交、直流电压关系实现，为正弦波发生器提供幅值参考；交流频率控制器通过内电势-不平衡功率间的关系实现，为正弦波发生器提供频率参考。其控制方法包括以下步骤：首先期望输出交流电压Uord与VSC直流侧电压的实测值
Figure BDA0001972305410000041
通过交流电压控制器，生成幅值，为正弦波发生器提供参考；同时，电磁功率Pele(与交流系统交换的有功功率)与稳态功率指令值Pord(机械功率Pmec)通过交流频率控制器，生成频率，为正弦波发生器提供参考；最后，正弦波发生器输出的VSC调制波，该调制波模拟了同步机的内部电动势，再结合三角波生成器产生的PWM载波，形成触发脉冲，控制三相两电平VSC换流器中的阀组通断，完成换流过程。
具体步骤如下：
(1)、交流电压控制器：单个VSC的电机控制是基于其直流侧电压VD是固定的假设，对应于同步机来说其具有固定调速器和励磁器。由于传统VSC控制中内环控制和坐标变换依赖于锁相环提供的参考，所以在运行过程中，还需要测量换流器交流侧的电流。在VD固定的情况下，交流电压控制器可以替代传统VSC控制中的外环控制，内环控制，坐标变换和调制波发生器，因此在幅值控制环节中取消了锁相环。
对于端电压幅值，考虑到VSC换流器的交、直流电压关系
Figure BDA0001972305410000042
在直流电压恒定的情况下，可通过对PWM调制波的幅值控制来调整VSC的端电压。式中，交流侧
Figure BDA0001972305410000051
为端电压，VD直流侧电压，μ为直流电压利用率，M为调制比。
(2)、交流频率控制器：
VSC的功率转换过程依赖于阀侧电压Uv的旋转，内电势随不平衡功率的旋转可使用式(2)的微分方程表述
Figure BDA0001972305410000052
依据式(2)，可以设计出适用于VSC的交流频率控制器。式中，ωE′为发电机内电势E′的角频率，等于转子角频率，J为转子的惯性常数，ω0为额定角频率，Pmec表示同步机的机械功率，Pele表示同步机的电磁功率。
交流频率控制器以机械功率Pmec，电磁功率Pele以及额定角频率ω0作为输入，输出的频率为正弦波发生器提供参考。
(3)、阀控制层触发脉冲的生成：通过VSC的电机控制产生的调制波，模拟了SM的内部电动势E′，并结合三角波生成器产生的PWM载波，形成触发脉冲，在VSC阀侧创建一个旋转电压相量Uv与交流电网交换有功功率。
具体实施时，本实施例仅利用了VSC-HVDC自身的电气状态，使得VSC和HVDC都能够自主运行，既不需要相互通信，也不需要对交流电网进行测量。因此，该方案能够使VSC-HVDC在非常弱的电力系统中工作。具体方案如下：电压源换流器高压直流输电技术互连弱交流系统控制方法，采用交流电压控制器，为正弦波发生器提供幅值参考，同时采用了交流频率控制器，为正弦波发生器提供频率参考，使得该方案不使用锁相环等同步模块，也不需要交流测量反馈。因此，VSC可以在低短路容量的非常弱的交流系统中工作。
(一)、交流电压控制器：如图2所示，Uord为期望输出交流电压，
Figure BDA0001972305410000061
为VSC直流侧电压的实测值，μ为直流电压利用率，等于
Figure BDA0001972305410000062
三相VSC换流器正弦调制波，M是调制比，表示正弦波的大小。VSC的电机控制成为不需要交流测量反馈的自调节控制，其输出的幅值正弦波发生器提供幅值参考。
(二)、交流频率控制器：如图3所示，电磁功率Pele是与交流系统交换的有功功率，机械功率Pmec等于其稳态功率指令值Pord，ω0为额定频率，D为阻尼系数，用于模拟实际同步机的阻尼特性，频率控制环节输出的ω为正弦波发生器提供频率参考。
本实施例的控制方法包括以下几个环节，首先期望输出交流电压Uord和VSC直流侧电压的实测值
Figure BDA0001972305410000063
通过交流电压控制器得到幅值参考值，同时，电磁功率Pele机械功率Pmec及额定频率ω0通过交流频率控制器得到频率参考值，最后幅值参考值和频率参考值通过正弦波发生器生成VSC调制波，并结合三角波生成器产生的PWM载波，形成触发脉冲，在VSC阀侧创建一个旋转电压相量Uv与交流电网交换有功功率。
为验证电压源换流器高压直流输电技术互连弱交流系统控制方法的效果，通过实时数字仿真器RTDS进行仿真，如图4所示，在RTDS中搭建模型，将本方案与传统的VSC-HVDC控制方法在不同SCC的交流系统中的有效性进行了比较。交流阻抗Z1、Z2、Z3、Z4分别为0.075、0.149、0.448、0.448每单位，交流电压为1.0p.u。在传统的基于锁相环的控制方案中，左VSC作为整流器进行直流恒压控制，右VSC作为逆变器进行恒功率控制。在仿真过程中，断路器BK1、BK2、BK3依次打开，降低了短路容量。
仿真结果：由交流侧瞬时有功功率的动态可知，在弱交流电网环境中，传统控制中的锁相环不能正确给出参考角或角频率，导致VSC-HVDC控制失稳，而本实施例没有专用的同步单元，所以短路容量的变化对锁相环的影响较大，但对本实施例的影响较小。
本实施例使VSC-HVDC能够在弱交流电网中正常运行，而传统控制中的锁相环在弱交流电网中输出异常，从而导致了系统不能稳定运行。
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
虽然以上结合附图描述了本发明的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (1)

1.电压源换流器高压直流输电技术互连弱交流系统控制方法，其特征是，通过VSC换流器的电机控制与交流电网同步；包括VSC换流器的交、直流电压形成的交流电压控制器生成幅值，为正弦波发生器提供幅参考；内电势-不平衡功率间形成交流频率控制器生成频率，为正弦波发生器提供频率参考；正弦波发生器输出的VSC调制波模拟同步机的内部电动势，再结合三角波生成器产生的PWM载波，形成触发脉冲，控制三相两电平VSC换流器中的阀组通断，完成换流过程；
该方法包括以下步骤：
步骤1、首先期望输出交流电压Uord与VSC换流器直流侧电压的实测值
Figure FDA0002636005440000011
通过交流电压控制器生成幅值，为正弦波发生器提供幅值参考值；直流侧电压VD恒定时满足(1)式，通过对PWM调制波的幅值控制来调整VSC换流器的端电压；
Figure FDA0002636005440000012
其中，交流侧
Figure FDA0002636005440000013
为端电压，μ为直流电压利用率，等于
Figure FDA0002636005440000014
三相VSC换流器正弦调制波，M为调制比；
步骤2、根据内电势随不平衡功率的旋转的微分方程，得到交流频率控制器；
Figure FDA0002636005440000015
其中，ωE′为发电机内电势E′的角频率，等于转子角频率，J为转子的惯性常数，ω0为额定角频率，Pmec为同步机的机械功率，等于其稳态功率指令值Pord，Pele为同步机的电磁功率；
同步机的电磁功率Pele、机械功率Pmec及额定角频率ω0输入交流频率控制器，其输出频率为正弦波发生器提供频率参考值；
步骤3、幅值参考值和频率参考值通过正弦波发生器生成VSC换流器调制波，并结合三角波生成器产生的PWM载波，形成触发脉冲，在VSC换流器阀侧创建一个旋转电压相量Uv与交流电网交换有功功率，控制VSC换流器中的阀组通断实现换流。
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