CN110912208A - 一种基于改进下垂控制器的柔性直流输电变流器控制方法 - Google Patents

一种基于改进下垂控制器的柔性直流输电变流器控制方法 Download PDF

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Abstract

一种柔直换流器下垂控制的改进方法，有功频率下垂模块输出电网同步信号，无功电压下垂模块输出变流器电压幅值给定信号，二者实现换流阀输出电压相位和幅值与电网同步，不依赖锁相环能够提高换流阀接入弱交流系统的稳定性，同时为孤岛和联网控制模式的切换提供便利条件。暂态有功调节模块利用暂态有功给定值和反馈值的误差，计算暂态有功电流给定值的补偿信号，加快下垂控制有功动态响应过程，暂态有功调节模块中设置比例微分环节，实现暂态有功调节模块在稳态时输出基本为0，功率阶跃等暂态过程中输出补偿分量，加快有功功率跟踪给定。同时保持稳态运行时换流器的下垂特性，保证系统稳定性。

Description

一种基于改进下垂控制器的柔性直流输电变流器控制方法
技术领域
本发明涉及的是一种柔性直流输电变流器控制领域的方法，具体是一种针对传统变流器下垂控制的改进方法，提高变流器有功功率跟踪速度。
背景技术
柔性直流输电换技术已广泛应用于大规模风电场、太阳能等新能源并网，网异步互联等领域，随着模块化多电平换流阀技术的发展，柔性直流输电变流器的电压等级和容量需求也不断提高。近期，大型海上风电场经柔性直流输电系统并网的工程也成为新的工程热点，而对于沿海等地区部分电网属于弱交流系统，这对变流器的控制提出了更高的要求。
柔性直流输电换流阀通常采用半桥功率单元或全半桥功率单元串联结构，即模块化多电平拓扑。在换流器控制方面，工程上通常采用基于锁相环的双闭环控制策略，即功率或直流电压外环，交流电流内环，其中锁相环计算变流器控制中的相位信息，用于双闭环控制结构中的坐标变换环节和换流器与交流电网保持同步。随着柔性直流输电技术的不断进步，目前柔直技术已向多端系统发展，多个换流站并联与同一直流母线，如南澳的三端，舟山五端柔性直流输电等，各端换流站相互协调运行，具备多种控制方式和运行方案，主要包括孤岛和并网运行两类，以及孤岛和并网运行方式的在线转换。现有换流器通常需要在定有功-无功控制方式和定交流电压-频率两类控制结构间进行切换。同时对于多端柔直系统，多个变流器并联运行，目前柔直工程通常采用集中控制协调各端运行。
对于上述多端柔直换流器控制系统，当大容量换流器所接入交流系统强度较弱时，换流器锁相环输出容易产生震荡，甚至导致系统失稳。并且在换流器孤岛至联网模式切换过程中，需要换流器控制结构的切换，切换过程中容易导致系统扰动。对此虚拟同步机控制和下垂控制是近年来提出的新的换流器控制结构，不依赖锁相环与交流系统同步，通过所设计的有功-电压角频率下垂环节或虚拟同步机外环实现与交流系统同步，能够在同一控制结构基础上实现孤岛和联网两种方式下稳定运行，从而简化换流器控制结构，并提高接入弱交流系统时的稳定性。同时能够根据换流器交流侧和直流侧电气量自主调节运行点，实现多端并联运行和功率自动分配，降低各换流器对集中控制的依赖。文献“虚拟同步发电机的并网功率控制及模式平滑切换，电力系统自动化，2018，Vol 42,No.5”基于前述控制策略给出了换流器孤岛和并网运行方式下的控制结构及其切换方法，由文献研究结果，其所提出的控制方法性能优于传统的基于锁相环的控制策略，实现系统控制模式的平滑切换和稳定运行。但该类控制结构的有功功率响应速度通常较慢，基于下垂控制或虚拟同步机控制的换流器外环，其有功功率响应速度通常较慢，可进一步改进控制结构，优化控制性能。
发明内容
为了克服背景技术中的不足，本发明的目的在于对提出一种改进的换流器下垂控制方法，实现并网和孤岛工况下稳定运行的基础上，提高有功功率的响应速度和换流器抗扰性能。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种基于改进下垂控制器的柔性直流输电变流器控制方法，包括：有功频率下垂模块、无功电压下垂模块、坐标变换模块、交流电压控制模块、电流控制模块、暂态有功调节模块、坐标反变换模块。
有功频率下垂模块输出电网同步信号θ，分别与坐标变换模块和坐标反变换模块相连，为二者提供坐标变换所需的电网同步信息；坐标变换模块利用电网同步信息将输入信号换流器三相交流电压Eabc和三相交流电流Iabc变换为同步旋转坐标系下dq轴分量，输出交流电压dq轴分量Edfbk、Eqfbk以及交流电流dq轴分量Idfbk、Iqfbk，分别与交流电压控制模块和交流电流控制模块相连，Edfbk、Eqfbk、Idfbk、Iqfbk作为交流电压和交流电流的反馈值。无功电压下垂模块输出交流电压幅值给定信号Edref，与交流电压控制模块相连，为交流电压控制模块提供交流电压给定信号。交流电压控制模块输出的第一d轴电流给定信号Idref1与暂态有功调节模块输出Id_trun2相加，经第一限幅环节得到第二d轴电流给定信号Idref2。交流电压控制模块输出的第一q轴电流给定信号Iqref1经第二限幅环节得到第二q轴电流给定信号Iqref2。第二d轴电流给定信号Idref2和第二q轴电流给定信号Iqref2与电流控制模块相连，电流控制模块输出端Vdref、Vqref与暂态有功调节模块和坐标反变换模块相连。坐标反变换模块输出换流器三相调制信号Vref_abc。
进一步地，所述的有功频率下垂模块的输入量包括：有功功率给定信号Pref，有功功率反馈信号Pfbk和电网电压额定频率值ω0。输出量为电网同步信号θ。有功功率给定信号Pref与有功功率反馈信号Pfbk的差值与有功下垂控制器Kp相连，下垂控制器输出端Δω与电网电压额定频率值ω0相加，并与积分器
Figure BDA0002309090030000031
输入端相连，积分器输出θ即为电网同步信号。
进一步地，所述无功电压下垂模块的输入量包括：无功功率给定信号Qref、无功功率反馈信号Qfbk和交流电压额定幅值E0。输出量为交流电压d轴分量给定信号Edref。无功功率给定信号Qref与无功功率反馈信号Qfbk的差值与无功电压下垂控制器Kq相连，无功电压下垂控制器Kq输出端与电网电压额定幅值E0相加，得到交流电压d轴分量给定信号Edref。
进一步地，所述的交流电压控制模块输入量包括：q轴电压给定信号Eqref和无功电压下垂模块Kq输出的d轴电压给定信号Edref，以及d轴电压反馈信号Edfbk和q轴电压反馈信号Eqfbk。输出量为第一d轴电流给定信号Idref1和第一q轴电流给定信号Iqref1。d轴电压给定Edref和d轴电压反馈Edfbk的差值与d轴电压调节器PI1输入端相连，q轴电压给定Eqref和q轴电压反馈Eqfbk的差值与q轴电压调节器PI2输入端相连,d轴电压调节器PI1输出端和q轴电压调节器PI2输出端分别与交流电压控制模块的输出端第一d轴电流给定信号Idref1和第一q轴电流给定信号Iqref1相连接。
进一步地，所述的电流控制模块输入包括：第二d轴电流给定信号Idref2和第二q轴电流给定信号Iqref2，以及换流阀交流侧d轴电流反馈信号Idfbk和q轴电流反馈信号Iqfbk。输出信号包括d轴电压调制信号Vdref和q轴电压调制信号Vqref。电流控制模块的输入量第二d轴电流给定信号Idref2和换流阀交流侧d轴电流反馈信号Idfbk之差与d轴电流调节器PI3输入端连接，电流控制模块的第二q轴电流给定信号Iqref2和换流阀交流侧q轴电流反馈信号Iqfbk之差与q轴电流调节器PI4输入端连接。d轴电流调节器PI3和q轴电流调节器PI4的输出信号分别与电流控制模块的输出量d轴电压调制信号Vdref和q轴电压调制信号Vqref连接。
进一步地，所述暂态有功调节模块输入量包括有功功率给定信号Pref和有功功率反馈信号Pfbk，以及电流控制模块输出的d轴和q轴电压调制信号Vdref和Vqref。输出量为第二暂态有功调节信号Id_trun2,与第一d轴电流给定信号相加。将d轴和q轴电压调制信号Vdref和Vqref进行平方和运算，再进行开放运算，的到交流调制信号矢量的幅值。经低通滤波环节后与除法器的除数端相连，有功功率给定信号Pref和有功功率反馈信号Pfbk做差后与除法器的被除数端相连。除法器输出信号经比例微分Ds环节得到第一暂态有功调节信号Id_trun1，再与第三限幅环节输入端连接得到第二暂态有功调节信号Id_trun2，与第一d轴电流给定信号Idref1相加。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、所提出的换流阀控制方法中在电流内环给性信号中附加暂态有功调节分量，在传统下垂控制基础上，加快暂态有功功率的响应速度，稳态时暂态有功调节模块输出为零，不影响传统下垂控制的稳态特性。
2、以有功-频率下垂控制和无功-电压下垂控制作为变流器控制外环，能够实现变流器在离网和并网工况下均能稳定运行，利用暂态有功调节模块可实现暂态过程有功功率的快速跟踪，联网模式下不需要再切换至基于锁相环的传统双闭环控制结构来保证昝天功率的快速跟踪，因此可采用同一种控制结构满足换流器孤岛和联网运行，避免控制结构切换的复杂控制逻辑。
3、换流器基于下垂控制外环实现和电网同步，不依赖锁相环获得电网同步信号，能够提高换流器接入弱交流系统的稳定性，暂态过程中利用电流内环限制暂态故障电流。下垂控制外环和电压-电流内环相互结合能够兼顾系统稳定性和暂态电流以控制能力。
附图说明
图1变流器改进下垂控制结构图；
图2有功频率下垂模块原理图；
图3无功电压下垂模块原理图；
图4交流电压控制模块原理图；
图5电流控制模块原理图；
图6暂态有功调节模块原理图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明提供的具体实施方式进行详细说明。
如图1所示，本发明提出一种柔直换流器下垂控制的改进方法。所述方法包括七个部分：有功频率下垂模块、无功电压下垂模块、坐标变换模块、交流电压控制模块、电流控制模块、暂态有功调节模块、坐标反变换模块。有功频率下垂模块输出电网同步信号θ，分别与坐标变换模块和坐标反变换模块相连，为二者提供坐标变换所需的电网同步信息。坐标变换模块利用电网同步信息将输入信号换流器三相交流电压Eabc和三相交流电流Iabc变换为同步旋转坐标系下dq轴分量，输出交流电压dq轴分量Edfbk、Eqfbk以及交流电流dq轴分量Idfbk、Iqfbk，分别与交流电压控制模块和交流电流控制模块相连，Edfbk、Eqfbk、Idfbk、Iqfbk作为交流电压和交流电流的反馈值。无功电压下垂模块输出交流电压幅值给定信号Edref，与交流电压控制模块相连，为交流电压控制模块提供交流电压给定信号。交流电压控制模块输出的第一d轴电流给定信号Idref1与暂态有功调节模块输出Id_trun2相加，经第一限幅环节得到第二d轴电流给定信号Idref2。交流电压控制模块输出的第一q轴电流给定信号Iqref1经第二限幅环节得到第二q轴电流给定信号Iqref2。第二d轴电流给定信号Idref2和第二q轴电流给定信号Iqref2与电流控制模块相连，电流控制模块输出端Vdref、Vqref与暂态有功调节模块和坐标反变换模块相连。坐标反变换模块输出换流器三相调制信号Vref_abc。
如图2所示，所述的有功频率下垂模块的输入量包括：有功功率给定信号Pref，有功功率反馈信号Pfbk和电网电压额定频率值ω0。输出量为电网同步信号θ。有功功率给定信号Pref与有功功率反馈信号Pfbk的差值与有功下垂控制器Kp相连，下垂控制器输出端Δω与电网电压额定频率值ω0相加，并与积分器
Figure BDA0002309090030000051
输入端相连，积分器输出θ即为电网同步信号。所述的下垂控制器Kp为比例调节器。取值可根据需有功-频率下垂特性调整，设功率变化偏差(Pref和Pfbk的差值)为1p.u.(500MW)时，输出电压交频调整2弧度/秒，则Kp＝2。
如图3所示，所述无功电压下垂模块的输入量包括：无功功率给定信号Qref、无功功率反馈信号Qfbk和交流电压额定幅值E0。输出量为交流电压d轴分量给定信号Edref。无功功率给定信号Qref与无功功率反馈信号Qfbk的差值与无功电压下垂控制器Kq相连，无功电压下垂控制器Kq输出端与电网电压额定幅值E0相加，得到交流电压d轴分量给定信号Edref。
所述坐标变换模块输入端与有功频率下垂模块输出的电网同步信号θ相连。将换流器三相静止坐标系下的三相交流电压Eabc、交流电流信号Iabc变换到同步旋转坐标系的dq轴分量Edfbk、Eqfbk、Idfbk、Iqfbk。所述变换是三相静止坐标到同步旋转坐标系的变换，为换流器控制领域常规的坐标变换方法。具体如下式所示
Figure BDA0002309090030000061
Figure BDA0002309090030000062
如图4所示，所述的交流电压控制模块输入量包括：q轴电压给定信号Eqref和无功电压下垂模块Kq输出的d轴电压给定信号Edref，以及d轴电压反馈信号Edfbk和q轴电压反馈信号Eqfbk。输出量为第一d轴电流给定信号Idref1和第一q轴电流给定信号Iqref1。d轴电压给定Edref和d轴电压反馈Edfbk的差值与d轴电压调节器PI1输入端相连，q轴电压给定Eqref和q轴电压反馈Eqfbk的差值与q轴电压调节器PI2输入端相连,d轴电压调节器PI1输出端和q轴电压调节器PI2输出端分别与交流电压控制模块的输出端第一d轴电流给定信号Idref1和第一q轴电流给定信号Iqref1相连接。工程中Edref通常取常数0。所述电压调节器PI1和PI2为比例-积分调节器。
如图5所示，所述的电流控制模块输入包括：第二d轴电流给定信号Idref2和第二q轴电流给定信号Iqref2，以及换流阀交流侧d轴电流反馈信号Idfbk和q轴电流反馈信号Iqfbk。输出信号包括d轴电压调制信号Vdref和q轴电压调制信号Vqref。电流控制模块的输入量第二d轴电流给定信号Idref2和换流阀交流侧d轴电流反馈信号Idfbk之差与d轴电流调节器PI3输入端连接，电流控制模块的第二q轴电流给定信号Iqref2和换流阀交流侧q轴电流反馈信号Iqfbk之差与q轴电流调节器PI4输入端连接。d轴电流调节器PI3和q轴电流调节器PI4的输出信号分别与电流控制模块的输出量d轴电压调制信号Vdref和q轴电压调制信号Vqref连接。所述电流调节器PI3和PI4为比例-积分调节器。
如图6所示，所述暂态有功调节模块输入量包括有功功率给定信号Pref和有功功率反馈信号Pfbk，以及电流控制模块输出的d轴和q轴电压调制信号Vdref和Vqref。输出量为第二暂态有功调节信号Id_trun2,与第一d轴电流给定信号相加。将d轴和q轴电压调制信号Vdref和Vqref进行平方和运算，再进行开放运算，的到交流调制信号矢量的幅值。经低通滤波环节后与除法器的除数端相连，有功功率给定信号Pref和有功功率反馈信号Pfbk做差后与除法器的被除数端相连。除法器输出信号经比例微分Ds环节得到第一暂态有功调节信号Id_trun1，再与第三限幅环节输入端连接得到第二暂态有功调节信号Id_trun2，与第一d轴电流给定信号Idref1相加。所述低通滤波为一阶低通滤波器，具体为
Figure BDA0002309090030000071
T为滤波器时间常数，取0.05。所述比例微分环节中s为微分算子，D为微分常数，根据有功功率暂态跟踪速度调整，可取D＝1。由于微分环节存在，稳态时暂态第一和第二有功调节信号Id_trun1和Id_trun2值接近0，具体如下式
Figure BDA0002309090030000072
所述第三限幅模块限制调节信号Id_trun2幅值，根据所需暂态有功调节速度设置，可取限幅值为[-0.5,0.5]p.u.。
所述坐标反变换模块输入端与有功频率下垂模块输出的电网同步信号θ相连。将换流器同步旋转坐标下dq轴调制信号Vdref和Vqref变换为三相静止坐标系下的三相调制信号Vref_abc。所述变换是同步旋转坐标到三相静止坐标系的反变换，为换流器控制领域常规的坐标反变换方法，具体式(1)和(2)的反变换式。
以上实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于上述的实施例。上述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。

Claims (6)

1.一种基于改进下垂控制器的柔性直流输电变流器控制方法，其特征在于，包括：有功频率下垂模块、无功电压下垂模块、坐标变换模块、交流电压控制模块、电流控制模块、暂态有功调节模块、坐标反变换模块；
有功频率下垂模块输出电网同步信号θ，分别与坐标变换模块和坐标反变换模块相连，为二者提供坐标变换所需的电网同步信息；坐标变换模块利用电网同步信息将输入信号换流器三相交流电压Eabc和三相交流电流Iabc变换为同步旋转坐标系下dq轴分量，输出交流电压dq轴分量Edfbk、Eqfbk以及交流电流dq轴分量Idfbk、Iqfbk，分别与交流电压控制模块和交流电流控制模块相连，Edfbk、Eqfbk、Idfbk、Iqfbk作为交流电压和交流电流的反馈值。无功电压下垂模块输出交流电压幅值给定信号Edref，与交流电压控制模块相连，为交流电压控制模块提供交流电压给定信号。交流电压控制模块输出的第一d轴电流给定信号Idref1与暂态有功调节模块输出Id_trun2相加，经第一限幅环节得到第二d轴电流给定信号Idref2。交流电压控制模块输出的第一q轴电流给定信号Iqref1经第二限幅环节得到第二q轴电流给定信号Iqref2。第二d轴电流给定信号Idref2和第二q轴电流给定信号Iqref2与电流控制模块相连，电流控制模块输出端Vdref、Vqref与暂态有功调节模块和坐标反变换模块相连。坐标反变换模块输出换流器三相调制信号Vref_abc。
2.根据权利要求1所述的一种基于改进下垂控制器的柔性直流输电变流器控制方法，其特征在于，所述的有功频率下垂模块的输入量包括：有功功率给定信号Pref，有功功率反馈信号Pfbk和电网电压额定频率值ω0。输出量为电网同步信号θ。有功功率给定信号Pref与有功功率反馈信号Pfbk的差值与有功下垂控制器Kp相连，下垂控制器输出端Δω与电网电压额定频率值ω0相加，并与积分器
Figure FDA0002309090020000011
输入端相连，积分器输出θ即为电网同步信号。
3.根据权利要求1所述的一种基于改进下垂控制器的柔性直流输电变流器控制方法，其特征在于，所述无功电压下垂模块的输入量包括：无功功率给定信号Qref、无功功率反馈信号Qfbk和交流电压额定幅值E0。输出量为交流电压d轴分量给定信号Edref。无功功率给定信号Qref与无功功率反馈信号Qfbk的差值与无功电压下垂控制器Kq相连，无功电压下垂控制器Kq输出端与电网电压额定幅值E0相加，得到交流电压d轴分量给定信号Edref。
4.根据权利要求1所述的一种基于改进下垂控制器的柔性直流输电变流器控制方法，其特征在于，所述的交流电压控制模块输入量包括：q轴电压给定信号Eqref和无功电压下垂模块Kq输出的d轴电压给定信号Edref，以及d轴电压反馈信号Edfbk和q轴电压反馈信号Eqfbk。输出量为第一d轴电流给定信号Idref1和第一q轴电流给定信号Iqref1。d轴电压给定Edref和d轴电压反馈Edfbk的差值与d轴电压调节器PI1输入端相连，q轴电压给定Eqref和q轴电压反馈Eqfbk的差值与q轴电压调节器PI2输入端相连,d轴电压调节器PI1输出端和q轴电压调节器PI2输出端分别与交流电压控制模块的输出端第一d轴电流给定信号Idref1和第一q轴电流给定信号Iqref1相连接。
5.根据权利要求1所述的一种基于改进下垂控制器的柔性直流输电变流器控制方法，其特征在于，所述的电流控制模块输入包括：第二d轴电流给定信号Idref2和第二q轴电流给定信号Iqref2，以及换流阀交流侧d轴电流反馈信号Idfbk和q轴电流反馈信号Iqfbk。输出信号包括d轴电压调制信号Vdref和q轴电压调制信号Vqref。电流控制模块的输入量第二d轴电流给定信号Idref2和换流阀交流侧d轴电流反馈信号Idfbk之差与d轴电流调节器PI3输入端连接，电流控制模块的第二q轴电流给定信号Iqref2和换流阀交流侧q轴电流反馈信号Iqfbk之差与q轴电流调节器PI4输入端连接。d轴电流调节器PI3和q轴电流调节器PI4的输出信号分别与电流控制模块的输出量d轴电压调制信号Vdref和q轴电压调制信号Vqref连接。
6.根据权利要求1所述的一种基于改进下垂控制器的柔性直流输电变流器控制方法，其特征在于，所述暂态有功调节模块输入量包括有功功率给定信号Pref和有功功率反馈信号Pfbk，以及电流控制模块输出的d轴和q轴电压调制信号Vdref和Vqref。输出量为第二暂态有功调节信号Id_trun2,与第一d轴电流给定信号相加。将d轴和q轴电压调制信号Vdref和Vqref进行平方和运算，再进行开放运算，的到交流调制信号矢量的幅值。经低通滤波环节后与除法器的除数端相连，有功功率给定信号Pref和有功功率反馈信号Pfbk做差后与除法器的被除数端相连。除法器输出信号经比例微分Ds环节得到第一暂态有功调节信号Id_trun1，再与第三限幅环节输入端连接得到第二暂态有功调节信号Id_trun2，与第一d轴电流给定信号Idref1相加。
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