CN110323775A - 一种提高柔直电网直流端口稳定性的阻尼控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高柔直电网直流端口稳定性的阻尼控制方法，该控制方法只需要在柔性直流电网定功率站的电流控制加上基于直流电压的前级控制，只需一个阻尼系数环节和带通滤波环节，该阻尼环节相当于在定功率站直流侧并联一个虚拟电阻，起到改善频率阻抗特性的作用。在柔性直流电网中直流端口发生扰动后产生低频振荡时，该控制方法将直流电压的变化传递到交流电流的控制上，交流电流在变化时会相应的引起有功功率变化，阻尼直流端口的低频振荡，不仅能够保持换流站的稳定运行，同时对直流端口的低频振荡提供了较好的阻尼效果，保障了柔性直流电网的安全稳定运行。

Description

一种提高柔直电网直流端口稳定性的阻尼控制方法

技术领域

本发明属于柔性直流输电安全运行领域，特别涉及一种提高柔直电网直流端口稳定性的阻尼控制方法，用于提高柔直电网的静态稳定性，避免其直流端口出现电流振荡的现象。

背景技术

近年来，随着大容量柔性直流电网工程逐渐建立，其潜在的稳定性问题也日益凸显。柔性直流电网是多控制器耦合的复杂系统，且直流端口数量较多，任何直流端口存在不稳定的问题都将可能造成整个系统失稳甚至崩溃。其中定功率站的直流侧阻抗在低频段呈现出负阻抗特性，易引起直流端口出现低频振荡的现象。而过大的谐振电流可能会导致直流断路器误动作，大大降低了系统运行的稳定性。

提高柔性直流输电系统稳定性最常采用的措施为附加虚拟阻尼控制策略来改善直流系统的阻抗特性。但随着近年来柔性直流电网的构建，提供了大规模光伏、风电等多种新能源接入和输送的通道。其具有多电源供电及多落点受电、更好的通路冗余性和供电可靠性等优势，使得多区域大规模新能源并网的需求得到了满足。随着这种变化，传统的虚拟阻尼控制策略将存在一定的局限性。为了充分挖掘柔性直流电网在新能源功率外送方面的优势，需要为提高柔性直流电网直流端口的稳定性提供新的阻尼控制方法。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种提高柔直电网直流端口稳定性的阻尼控制方法，该方法利用柔直电网中定功率站自身的输出功率调节能力，通过在其直流侧附加一个虚拟并联电阻，改善了直流端口的阻抗特性，提高了系统的稳定运行能力。

本发明采用如下技术方案来实现的：

一种提高柔直电网直流端口稳定性的阻尼控制方法，包括以下步骤：

步骤一：采集柔性直流电网中定功率站的并网点三相交流电压实际值v_abc、三相交流电流实际值i_abc和直流侧电压实际值u_dc，并进行标幺化；

步骤二：对于三相交流电压实际值v_abc和三相交流电流实际值i_abc，通过dq变换获取交流电压实际值d轴分量v_d和q轴分量v_q以及交流电流实际值d轴分量i_d和q轴分量i_q；

步骤三：对于交流电压实际值d轴分量v_d和q轴分量v_q以及交流电流实际值d轴分量i_d和q轴分量i_q，通过瞬时功率计算获取柔性直流电网定功率站输出的有功功率实际值P和无功功率实际值Q；

步骤四：根据定功率站交流电流实际值d轴分量i_d和q轴分量i_q、输出的有功功率实际值P和无功功率实际值Q、有功功率参考值P^ref和无功功率参考值Q^ref和直流侧电压实际值u_dc计算得到调制信号m_abc，并驱动柔直电网中定功率站的换流器以实现提高直流端口稳定性的阻尼控制。

本发明进一步的改进在于，步骤一中标幺化的基准值分别为：

三相交流线电压峰值V_LL、三相交流线电流峰值I_LL、额定直流母线电压U_dc。

本发明进一步的改进在于，步骤四具体包括：

有功功率参考值P^ref和有功功率实际值P进行PI控制后获得交流电流d轴基本参考值i_d1 ^ref；其中，PI控制器包括比例系数k_{p_P}和积分系数k_{i_P}，直流侧电压实际值u_dc经过带通滤波器滤波后再经过阻尼系数1/R_v的调节与交流电流d轴基本参考值相加，获得交流电流d轴实际参考值i_d ^ref；

无功功率参考值Q^ref和无功功率实际值Q进行PI控制后获得交流电流q轴参考值i_q ^ref；

交流电流d轴实际参考值i_d ^ref、交流电流q轴参考值i_q ^ref与交流电流实际值d轴分量i_d和q轴分量i_q进行电流控制后获得调制信号m_abc。

本发明进一步的改进在于，交流电流d轴实际参考值i_d ^ref的表示式如下：

交流电流q轴参考值i_q ^ref的表示式如下：

调制信号m_abc通过将U_d ^con和U_q ^con经过一个调制单元生成，其中：

式中，K_id为解耦系数。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，只需要在柔性直流电网定功率站的电流控制加上基于直流电压的前级控制，即只需一个阻尼系数环节和带通滤波环节；该阻尼环节相当于在定功率站直流侧并联一个虚拟电阻，起到改善频率阻抗特性的作用；其中带通滤波器可以有效减小阻尼控制器对换流器本身动态性能的影响。在柔性直流电网中直流端口发生扰动后产生低频振荡时，该控制方法将直流电压的变化传递到交流电流的控制上，交流电流在变化时会相应的引起有功功率变化，阻尼直流端口的低频振荡，不仅能够保持换流站的稳定运行，同时对直流端口的低频振荡提供了较好的阻尼效果，保障了柔性直流电网的安全稳定运行。

附图说明

图1为典型四端环形柔性直流电网系统结构图；

图2为附加阻尼控制的定功率站控制系统结构图；

图3为定功率站直流端口小信号等效电路图；

图4为未采取阻尼控制的定功率站直流端口频率阻抗特性图；

图5为定功率站直流端口的相位裕度随并联电阻R_v的阻值变化曲线图；

图6为未采取阻尼控制的定功率站在受到扰动时的直流侧电流曲线图；

图7为已采取阻尼控制的定功率站在受到扰动时的直流侧电流曲线图。

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详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供的一种提高柔直电网直流端口稳定性的阻尼控制方法，包括如下步骤：

步骤一：采集柔性直流电网中定功率站的并网点三相交流电压实际值v_abc、三相交流电流实际值i_abc和直流侧电压实际值u_dc，并进行标幺化；

图1示出了典型四端环形柔性直流电网系统结构图；该系统包含四个MMC换流站，且直流侧连接成环网结构。其中，换流站A和C为定交流电压站，交流侧连接孤岛新能源电场，工作于整流模式；换流站B为定直流电压站，而换流站D为定功率站，工作于逆变模式。换流站B和D的交流侧均通过换流变压器连接到交流大电网上。图中换流站D的三相交流电压实际值v_abc、三相交流电流实际值i_abc和直流侧电压实际值u_dc，是与本发明实施例相关的需要采集的信号，并需要进行标幺化；其中基准值分别为三相交流线电压峰值V_LL、三相交流线电流峰值I_LL、额定直流母线电压U_dc。

步骤二：对于所述三相交流电压实际值v_abc和所述三相交流电流实际值i_abc，通过dq变换获取交流电压实际值d轴分量v_d和q轴分量v_q以及交流电流实际值d轴分量i_d和q轴分量i_q；

步骤三：对于所述交流电压实际值d轴分量v_d和q轴分量v_q以及交流电流实际值d轴分量i_d和q轴分量i_q，通过瞬时功率计算获取柔性直流电网定功率站输出的有功功率实际值P和无功功率实际值Q；

图2示出了本发明实例提供的附加阻尼控制的定功率站控制系统结构图：该控制器包含阻尼控制器、功率控制、电流控制、锁相环以及瞬时功率计算模块和dq变换。其中瞬时有功功率和无功功率的计算公式为：

步骤四：根据所述定功率站交流电流实际值d轴分量i_d和q轴分量i_q、输出的有功功率实际值P和无功功率实际值Q、有功功率参考值P^ref和无功功率参考值Q^ref和直流侧电压实际值u_dc计算得到调制信号m_abc，并驱动柔直电网中定功率站的换流器以实现提高直流端口稳定性的阻尼控制：

1)有功功率参考值P^ref和有功功率实际值P进行PI控制后获得交流电流d轴基本参考值i_d1 ^ref；其中，PI控制器包括比例系数k_{p_P}和积分系数k_{i_P}，这两个参数根据实际系统进行调节；对直流侧电压实际值u_dc，直流侧电压实际值u_dc经过带通滤波器滤波后再经过阻尼系数1/R_v的调节与交流电流d轴基本参考值相加，获得交流电流d轴实际参考值i_d ^ref。其中带通滤波器的中心频率和带宽根据实际系统进行调节，输入与输出的关系为：

2)无功功率参考值Q^ref和所述无功功率实际值Q进行PI控制后获得交流电流q轴参考值i_q ^ref。其中，PI控制器包括比例系数k_{p_Q}和积分系数k_{i_Q}，这两个参数需根据实际系统进行调节，输入与输出的关系为：

3)交流电流d轴实际参考值i_d ^ref、所述交流电流q轴参考值i_q ^ref与交流电流实际值d轴分量i_d和q轴分量i_q进行电流控制后获得所述调制信号m_abc。其中，电流控制包括d轴电流和q轴电流控制，分别对应一个PI控制器(通常使用同一套参数)，参数包括一个比例系数k_{p_i}和积分系数k_{i_i}，这两个参数需根据实际系统进行调节；同时，电流控制还包括解耦控制，参数包括一个解耦系数K_id，这个参数一般为ωL/2，输入与输出的关系为：

所得的U_d ^con和U_q ^con经过一个调制单元生成所述调制信号m_abc。

其中带通滤波器和虚拟并联电阻R_v设计方法如下：

图3示出了本发明实施例中定功率站直流端口的小信号等效电路图，其中直流网络的小信号阻抗和定功率站直流侧的小信号阻抗可以通过阻抗建模或者仿真获得，其未附加阻尼控制时的频率阻抗特性如图4所示；根据基于阻抗比的稳定判据可知定功率站直流侧小信号阻抗Z₀(s)和直流网络小信号等效阻抗Z_g(s)的幅值曲线在10.6Hz处存在一个交点，且交点处相位裕度为15°，当系统运行状态发生较大改变时(例如较大的功率阶跃等)，极易发生振荡的现象。因此需要附加阻尼控制来提高端口的稳定性。其中，带通滤波器的中心频率设计为定功率站直流侧小信号阻抗Z₀(s)和直流网络小信号等效阻抗Z_g(s)幅值曲线的交点频率，即10.6Hz，另外带宽设置成8Hz。图5示出了定功率站直流端口的相位裕度随并联电阻R_v的阻值变化曲线图，并联电阻R_v的取值可以根据相位裕度要求进行设计，本实施例中将相位裕度设计成45°，因此对应的并联电阻R_v应为81.5Ω。

为了更进一步的说明本发明实施例提供的提高柔直电网直流端口稳定性的阻尼控制方法的有效性，现结合附图以及实例仿真进行详细描述如下：

图6是未采取阻尼控制的定功率站在受到扰动时的直流侧电流曲线图。从图中可以看出，定功率站的传输功率由2/3pu改变为1pu时，其直流端口的电流经历了长时间的振荡过程，且振荡初期的电流峰值接近1.3pu；电流振荡的频率为11Hz左右，与Z₀和Z_g幅值曲线交点频率相接近，这说明上述电流振荡的问题是由定功率站直流端口相位裕度不足造成的；虽然经过2s之后，定功率站直流端口的电流振荡逐渐衰减为0，但是初期的电流振荡过程可能会引发直流端口电流保护误动作，使得系统停运，不利于系统的长期稳定运行。

图7为已采取阻尼控制的定功率站在受到扰动时的直流侧电流曲线图。从图中可以看出，定功率站的传输功率由2/3pu改变为1pu时，其直流端口的电流经过了0.5秒左右达到稳态，且没有振荡过程，电流超调量也较小；其直流端口的稳定性得到了很大程度的提高，同时系统的动态性能也较好。这说明本发明提出的阻尼控制策略起到了提高稳定性的效果。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种提高柔直电网直流端口稳定性的阻尼控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：采集柔性直流电网中定功率站的并网点三相交流电压实际值v_abc、三相交流电流实际值i_abc和直流侧电压实际值u_dc，并进行标幺化；

步骤二：对于三相交流电压实际值v_abc和三相交流电流实际值i_abc，通过dq变换获取交流电压实际值d轴分量v_d和q轴分量v_q以及交流电流实际值d轴分量i_d和q轴分量i_q；

步骤三：对于交流电压实际值d轴分量v_d和q轴分量v_q以及交流电流实际值d轴分量i_d和q轴分量i_q，通过瞬时功率计算获取柔性直流电网定功率站输出的有功功率实际值P和无功功率实际值Q；

步骤四：根据定功率站交流电流实际值d轴分量i_d和q轴分量i_q、输出的有功功率实际值P和无功功率实际值Q、有功功率参考值P^ref和无功功率参考值Q^ref和直流侧电压实际值u_dc计算得到调制信号m_abc，并驱动柔直电网中定功率站的换流器以实现提高直流端口稳定性的阻尼控制。

2.根据权利要求1所述的提高柔直电网直流端口稳定性的阻尼控制方法，其特征在于，步骤一中标幺化的基准值分别为：

三相交流线电压峰值V_LL、三相交流线电流峰值I_LL、额定直流母线电压U_dc。

3.根据权利要求1所述的提高柔直电网直流端口稳定性的阻尼控制方法，其特征在于，步骤四具体包括：

有功功率参考值P^ref和有功功率实际值P进行PI控制后获得交流电流d轴基本参考值i_d1 ^ref；其中，PI控制器包括比例系数k_{p_P}和积分系数k_{i_P}，直流侧电压实际值u_dc经过带通滤波器滤波后再经过阻尼系数1/R_v的调节与交流电流d轴基本参考值相加，获得交流电流d轴实际参考值i_d ^ref；

无功功率参考值Q^ref和无功功率实际值Q进行PI控制后获得交流电流q轴参考值i_q ^ref；

交流电流d轴实际参考值i_d ^ref、交流电流q轴参考值i_q ^ref与交流电流实际值d轴分量i_d和q轴分量i_q进行电流控制后获得调制信号m_abc。

4.根据权利要求3所述的提高柔直电网直流端口稳定性的阻尼控制方法，其特征在于，交流电流d轴实际参考值i_d ^ref的表示式如下：

交流电流q轴参考值i_q ^ref的表示式如下：

调制信号m_abc通过将U_d ^con和U_q ^con经过一个调制单元生成，其中：

式中，K_id为解耦系数。