CN111181188B - 一种改进的背靠背柔性直流输电系统电流双环控制策略 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改进的背靠背柔性直流输电系统电流双环控制策略，其能够在系统扰动和故障下抑制直流环节电压和变换器功率振荡。本专利为解决三相系统中的电压不平衡引起直流链路电压和功率的振荡。首先建立背靠背柔性直流输电系统作为并联模式下可转换静态传输控制器(CSTC)系统的模型，然后提出了一种基于电压和电流直流分量和交流分量的矢量电流控制的新型控制策略。提出的控制策略旨在抑制系统扰动和故障下直流环节电压和变换器功率的振荡。最后仿真试验由PSCAD‑EMTDC环境软件实现。仿真结果表明了该控制器在正常和不平衡交流条件下应用于CSTC系统的可行性。

Description

一种改进的背靠背柔性直流输电系统电流双环控制策略

技术领域

本发明涉及一种改进的背靠背柔性直流输电系统电流双环控制策略，属于电力电子领域。

背景技术

由于电力电子系统具有很高的持续性和稳定性，人们对电力变换器在不同电力系统条件下实现其运行功能的最优控制器设计进行了大量的研究。值得一提的是，从实际应用的角度来看，由于直流环节电压的鲁棒性导致了直流电容器组的减少，因此直流环节电压控制一直是许多研究的重点。由于VSC性能的好坏取决于电流控制技术，因此提出了几种适用于三相脉宽调制(PWM)变换器的控制策略，以及在不平衡条件下BTB-VSC系统的比例积分控制器设计。

本发明介绍了一种新颖的控制策略，用于解决基于功率转换器的系统在扰动和故障下抑制直流环节电压和变换器功率的振荡问题。不在使用负序电流控制器，而是采用一种新的电流控制方法来补偿d-q参考坐标系中电流和电压的变化量，由于双线频率波动干扰情况下，电流和电压的d轴和q轴矢量由直流和交流分量组成。利用可转换静态传动控制器系统(CSTC)对所提出的电流控制器进行了测试和验证。CSTC是从统一潮流控制器(UPFC)中提取出来的，可以跨变压器或变电站安装。但与UPFC设备不同的是，由于BTB-VSC系统的两个相互作用点(POI)之间存在电力变压器，该系统可以采用并联配置方式连接。这种配置有助于容纳更多的可再生能源。

本发明基于直流分量和交流分量，提出了d-q同步坐标系下的矢量电流控制方法，并将其作为CSTC系统逆变器的邻接模块。在平衡和不平衡电网条件下，对三电平变流器的电流控制器进行了研究。利用高通滤波器(HPF)检测出故障状态下有功功率的纹波，然后由电流控制器对纹波进行补偿。最后仿真试验由PSCAD-EMTDC环境软件实现。仿真结果表明了该控制器在正常和不平衡交流条件下应用于CSTC应用系统的可行性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提出一种改进的背靠背柔性直流输电系统电流双环控制策略，其能够在系统扰动和故障下抑制直流环节电压和变换器功率的振荡。

实现本发明目的的技术方案是提供一种改进的背靠背柔性直流输电系统电流双环控制策略，包括如下步骤：

步骤1：针对可转换静态传输控制器系统，介绍其拓扑结构和特点，分析背靠背电压源变换器系统接入的可行性；

步骤2：根据步骤1中分析的可行性，基于状态空间法，建立背靠背电压源变换器系统作为并联模式下可转换静态传输控制器系统的模型；

步骤3：根据步骤2中建立的模型，提出一种改进的电流双环控制策略，即通过控制电压和电流的直流分量和交流分量来改进传统的电流双环控制器。

进一步的，步骤1中：针对可转换静态传输控制器系统，介绍其拓扑结构和特点，分析背靠背电压源变换器系统接入的可行性；可转换静态传输控制器是从统一潮流控制器中提取出来的，可以跨变压器或变电站安装，由于背靠背电压源变换器系统的两个相互作用点之间存在电力变压器，该系统采用并联配置方式连接，对系统提供无功支持和变压器备用。

进一步的，所述步骤2中根据步骤1中分析的可行性，建立背靠背柔性直流输电系统作为并联模式下可转换静态传输控制器系统的模型。

更进一步的，步骤2中：根据步骤1中分析的可行性，基于状态空间法，建立背靠背电压源变换器系统作为并联模式下可转换静态传输控制器系统的模型，系统建模如下所述：

可转换静态传输控制器系统通过传输变压器连接并连接无限大交流系统的两端；接口电感用于控制整流和逆变交流侧的有功和无功功率；VSC变换器和传输线的功率损耗用串联电阻来表示；假设所有变换器的无源元件相同，因此系统建模只考虑VSC1和VSC2；系统建模分为交流侧、直流侧；

(1)交流侧

给定物理系统，分路变换器VSC1和VSC2的交流侧分别与总线电压V_abcs和V_abcr相连；分路变换器VSC1和VSC2的交流侧的瞬态模型可以用以下微分方程在d-q同步参考框架中表示：

其中ω是基频角频率；i_d1，i_q1和i_d2，i_q2是转换器交流电流的d-q分量；V_cd1，V_cq1和V_cd2，V_cq2是接口电抗器L₁和L₂的转换器侧的电压的d-q分量；V_sd，V_sq和V_rd，V_rq是传输变压器的一次和二次电压的d-q分量；N₁和N₂是变压器的匝数比；

把公式(1)(2)经过派克变化到d-q坐标系下：

其中E_dqs和E_dqr分别是发送和接收电压，i_dqs和i_dqr是整流器和逆变器两侧所有转换器的收集电流，可以定义如下：

式中，N_T和i_dqT1分别是传输变压器的匝数比和其一次电流d-q分量；

(2)直流侧

根据瞬时功率平衡原理，建立了直流母线电压动态方程；通过在直流链路输入端应用基尔霍夫电流定律，直流链路电流可以写为：

式中P_VSC1是从VSC1输出的瞬时功率，P_VSC2是传递到转换器VSC2的功率；

通过将P_VSC1和P_VSC2从(8)代入(7)，瞬时直流电压可以用拉普拉斯形式表示如下：

更进一步的，步骤3中：根据步骤2中建立的模型，提出一种改进的电流双环控制策略，即利用电压和电流的直流分量和交流分量来改进传统的电流双环控制器，其能够在系统扰动和故障下抑制直流环节电压和变换器功率的振荡；

为了在系统扰动和故障下抑制直流环节电压和变换器功率的振荡，提出了一种新的电流控制策略，并应用于背靠背电压源变换器系统的整流器和逆变器两侧；

VSC基于其由(1)和(2)描述的模型来控制。解耦电流控制器逆变侧的控制架构如下：参考电流

分别于电流i_d2，i_q2作比较在经过PI控制器输出参考电压

在电压比较输出电流i_d2，i_q2，实现电流的解耦控制；因此，控制方法的内环表述如下：

1)电流控制

从交流侧转换器的简化等效电路中，忽略串联电阻，转换器的三相输出电压可表示为：

式中，V_sx代表三相交流电压源，V_cx是变换器输出电压；通过将d-q变换应用于等式(13)，d-q参考系中转换器的内部电流的动态表达为：

式中

是变换器输出d-q同步参考系中的电压；假设d轴与电压源的A相同相位；d-q参考系中的电压和电流可以用直流(DC)和交流(AC)时变分量表示；同时由于v_sd是与A相同相位，所以v_sq没有直流分量；因此，电压和电流可定义为：

通过将(15)和(16)代入(14)，可以得到电流控制框图：直流电压参考值

与实际直流电压i_q.dc做比较后与交流电流分量i_q.ac，i_d.ac比较，其输出与电压分量v_sd比较输出参考电压

同理可得参考电压

2)有功功率控制

有功功率控制如下：参考功率P_i ^*和直流侧功率P_dc作比较后经过PI控制器后参考电流

同理可得参考电流分量

网侧有功功率可以表示成：

P(t)＝v_sdi_d+v_sqi_q (17)

从(15)，(16)到(17)，有功功率可以用直流和交流分量表示如下：

P(t)＝P_dc+P_ac＝V_sd，dc·I_d，dc+V_sd，dc·I_d，ac+V_sd，ac·I_d，dc+V_sd，ac·I_d，ac+V_sq，ac·I_q，dc+V_sq，ac·I_q，ac

(18)

上式中V_sd，dc·I_d，dc，V_sq，ac·I_q，ac+V_sd，dc·I_d，ac产生的是有功功率的直流分量，V_sd，ac·I_d，dc，V_sd，ac·I_d，ac+V_sq，ac·I_q，dc产生的是有功功率的交流分量，因此，有功的直流分量P_dc，有功的交流分量P_ac可表示如下：

本发明具有积极的效果：(1)本发明为解决三相系统中的电压不平衡会引起直流链路电压和功率的振荡。首先建立背靠背柔性直流输电系统电流双环控制策略作为并联模式下可转换静态传输控制器(CSTC)系统的模型，然后提出了一种基于电压和电流直流分量和交流分量的矢量电流控制器的新型控制策略。由PSCAD-EMTDC仿真环境试验结果表明了该控制器在正常和不平衡交流条件下应用于CSTC系统的可行性。验证了所提出的控制策略能够抑制系统扰动和故障下直流环节电压和变换器功率的振荡。

附图说明

图1为不同配置模式下的可转换静态传输控制器；

图2为具有并行BTB-VSC系统的并联-并联配置中的可转换静态传输控制器；

图3为解耦电流控制器(逆变器侧)的实现；

图4为用于不平衡运行模式的VSC的主要控制方案，(a)电流控制器，(b)有功功率控制器，(c)无功功率控制器和(d)有功功率的双线频率抑制控制器；

图5为对逆变器交流侧的线对地(SLG)故障下的系统进行仿真的示意图；

图6为(a)案例2系统的功率和d-q轴电流，(b)功率逆变器的高压侧的三相电压和电流；

图7为(a)案例3下系统的功率，直流电压和q轴电流，(b)功率变换器高压侧三相线电压电流。

具体实施方式

(实施例1)

本发明提供一种改进的背靠背柔性直流输电系统电流双环控制策略，包括如下步骤：

步骤1：针对可转换静态传输控制器(CSTC)系统，介绍其拓扑结构和特点，分析背靠背电压源变换器系统(BTB-VSC)接入的可行性；

步骤2：根据步骤1中分析的可行性，基于状态空间法，建立背靠背电压源变换器系统(BTB-VSC)作为并联模式下可转换静态传输控制器(CSTC)系统的模型；

步骤3：根据步骤2中建立的模型，提出一种改进的电流双环控制策略，即利用电压和电流的直流分量和交流分量来改进传统的电流双环控制器，其能够在系统扰动和故障下抑制直流环节电压和变换器功率的振荡。

下面对每个步骤作进一步详细说明：

步骤1中：针对可转换静态传输控制器(CSTC)系统，介绍其拓扑结构和特点，分析背靠背电压源变换器系统(BTB-VSC)接入的可行性。可转换静态传输控制器是从统一潮流控制器(UPFC)中提取出来的，可以跨变压器或变电站安装，如图1所示。但与统一潮流控制器设备不同的是，由于背靠背电压源变换器系统的两个相互作用点(POI)之间存在电力变压器，该系统可以采用并联配置方式连接，对系统提供无功支持和变压器备用。这种配置有助于容纳更多的可再生能源。

步骤2中：根据步骤1中分析的可行性，基于状态空间法，建立背靠背电压源变换器系统(BTB-VSC)作为并联模式下可转换静态传输控制器(CSTC)系统的模型，系统建模如下所述：

图2中的示意图示出了CSTC系统，该系统通过传输变压器连接并连接无限大交流系统的两端。接口电感(L1和L2)用于控制整流和逆变交流侧的有功和无功功率。VSC变换器和传输线的功率损耗基本上用串联电阻来表示。为了简化数学分析，假设所有变换器的无源元件相同，因此系统建模只考虑VSC1和VSC2。系统建模分为交流侧、直流侧。

(1)交流侧

给定由图2定义的物理系统，分路变换器VSC1和VSC2的交流侧(分别与总线电压V_abcs和V_abcr相连)的瞬态模型可以用以下微分方程在d-q同步参考框架中表示：

其中ω是基频角频率；i_d1，i_q1和i_d2，i_q2是转换器交流电流的d-q分量；V_cd1，V_cq1和V_cd2，V_cq2是接口电抗器L₁和L₂的转换器侧的电压的d-q分量；V_sd，V_sq和V_rd，V_rq是传输变压器的一次和二次电压的d-q分量。N₁和N₂是变压器的匝数比。

把公式(1)(2)经过派克变化到d-q坐标系下：

其中E_dqs和E_dqr分别是发送和接收电压，i_dqs和i_dqr是整流器和逆变器两侧所有转换器的收集电流，可以定义如下：

式中，N_T和i_dqT1分别是传输变压器的匝数比和其一次电流d-q分量。

(2)直流侧

根据瞬时功率平衡原理，建立了直流母线电压动态方程。通过在直流链路输入端应用基尔霍夫电流定律，直流链路电流可以写为：

式中P_VSC1是从VSC1输出的瞬时功率，P_VSC2是传递到转换器VSC2的功率。

通过将P_VSC1和P_VSC2从(8)代入(7)，瞬时直流电压可以用拉普拉斯形式表示如下：

步骤3中：根据步骤2中建立的模型，提出一种改进的电流双环控制策略，即利用电压和电流的直流分量和交流分量来改进传统的电流双环控制器，其能够在系统扰动和故障下抑制直流环节电压和变换器功率的振荡。

为了在系统扰动和故障下抑制直流环节电压和变换器功率的振荡，提出了一种新的电流控制策略，并应用于BTB-VSC系统的整流器和逆变器两侧。

VSC基于其由(1)和(2)描述的模型来控制。图3是解耦电流控制器(逆变侧)的控制框图：参考电流

分别于电流i_d2，i_q2作比较在经过PI控制器输出参考电压

在电压比较输出电流i_d2，i_q2，实现电流的解耦控制。因此，常用控制方法的内环可以表述如下：

1)电流控制

从交流侧转换器的简化等效电路中，忽略串联电阻，转换器的三相输出电压可表示为：

式中，V_sx代表三相交流电压源，V_cx是变换器输出电压。通过将d-q变换应用于等式(13)，d-q参考系中转换器的内部电流的动态表达为：

式中

是变换器输出d-q同步参考系中的电压。假设d轴与电压源的A相同相位。d-q参考系中的电压和电流可以用直流(DC)和交流(AC)时变分量表示。同时由于v_sd是与A相同相位，所以v_sq没有直流分量。因此，电压和电流可定义为：

通过将(15)和(16)代入(14)，可以得到如图4中的(a)所示电流控制框图：直流电压参考值

与实际直流电压i_q.dc做比较后与交流电流分量i_q.ac，i_d.ac比较，其输出与电压分量v_sd比较输出参考电压

同理可得参考电压

此处不再赘述。

2)有功功率控制

有功功率控制框图如图4中的(b)所示，参考功率P_i ^*和直流侧功率P_dc作比较后经过PI控制器后参考电流

同理可得参考电流分量

此处不再赘述。网侧有功功率可以表示成：

P(t)＝v_sdi_d+v_sqi_q (17)

从(15)，(16)到(17)，有功功率可以用直流和交流分量表示如下：

P(t)＝P_dc+P_ac＝V_sd，dc·I_d，dc+V_sd，dc·I_d，ac+V_sd，ac·I_d，dc+V_sd，ac·I_d，ac+V_sq，ac·I_q，dc+V_sq，ac·I_q，ac

(18)

上式中V_sd，dc·I_d，dc，V_sq，ac·I_q，ac+V_sd，dc·I_d，ac产生的是有功功率的直流分量，V_sd，ac·I_d，dc，V_sd，ac·I_d，ac+V_sq，ac·I_q，dc产生的是有功功率的交流分量，因此，有功的直流分量P_dc，有功的交流分量P_ac可表示如下：

本发明为解决三相系统中的电压不平衡会引起直流链路电压和功率的振荡。首先建立背靠背柔性直流输电系统电流双环控制策略作为并联模式下可转换静态传输控制器(CSTC)系统的模型，然后提出了一种基于电压和电流直流分量和交流分量的矢量电流控制器的新型控制策略。提出的控制策略旨在抑制系统扰动和故障下直流环节电压和变换器功率的振荡。

为验证本发明所提方法，搭建实验系统，检验正确性与有效性。

系统主电路参数如表1所示：

表1系统主电路参数

为了验证新控制策略在CSTC上的优势，对逆变器交流侧的线对地(SLG)故障下的系统性能进行了仿真，如图5所示，并在图6和图7中给出。图6指出VSC2参考有功功率指令在t＝1s时从0到0.3pu，在t＝1.5s时从0.3pu到-0.3pu的阶跃变化的系统性能。在t＝1.2s时，无功功率指令从0到0.2pu。实现有功和无功独立解耦控制。图7指出系统能够在有交流电压骤降或电流谐波的情况下处理快速的有功和无功功率变化。图7中的(a)和图7中的(b)显示当t＝1.0s时有功功率从-0.5pu变为0.5pu时的系统性能，同时，两个转换器的无功功率从0变为0.2pu。通过仿真验证得出所提控制策略能够有效抑制系统扰动和故障下直流环节电压和变换器功率的振荡。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (3)

1.一种改进的背靠背柔性直流输电系统电流双环控制策略，其特征在于包括如下步骤：

步骤1：针对可转换静态传输控制器系统，依据其拓扑结构和特点，分析背靠背电压源变换器系统接入的可行性；

步骤2：根据步骤1中分析的可行性，基于状态空间法，建立背靠背电压源变换器系统作为并联模式下可转换静态传输控制器系统的模型：可转换静态传输控制器系统通过传输变压器连接并连接无限大交流系统的两端；接口电感用于控制整流和逆变交流侧的有功和无功功率；VSC变换器和传输线的功率损耗用串联电阻来表示；假设所有变换器的无源元件相同，因此系统建模只考虑VSC1和VSC2；系统建模分为交流侧、直流侧；

(1)交流侧

分路变换器VSC1和VSC2的交流侧分别与总线电压V_abcs和V_abcr相连；分路变换器VSC1和VSC2的交流侧的瞬态模型用以下微分方程在d-q同步参考框架中表示：

其中ω是基频角频率；i_d1，i_q1和i_d2，i_q2是转换器交流电流的d-q分量；V_cd1，V_cq1和V_cd2，V_cq2是接口电抗器L₁和L₂的转换器侧的电压的d-q分量；V_sd，V_sq和V_rd，V_rq是传输变压器的一次和二次电压的d-q分量；N₁和N₂是变压器的匝数比；

把公式(1)(2)经过派克变化到d-q坐标系下：

其中i_dqs和i_dqr是整流器和逆变器两侧所有转换器的收集电流，定义如下：

式中，N_T和i_dqT1分别是传输变压器的匝数比和其一次电流d-q分量；

(2)直流侧

根据瞬时功率平衡原理，建立了直流母线电压动态方程；通过在直流链路输入端应用基尔霍夫电流定律，直流链路电流写为：

式中P_VSC1是从VSCl输出的瞬时功率，P_VSC2是传递到转换器VSC2的功率；

通过将P_VSC1和P_VSC2从(8)代入(7)，瞬时直流电压用拉普拉斯形式表示如下：

步骤3：根据步骤2中建立的模型，提出一种改进的电流双环控制策略，即通过控制电压的直流分量和交流分量、电流的直流分量和交流分量来改进传统的电流双环控制器：根据步骤2中建立的模型，提出一种改进的电流双环控制策略，即利用电压的直流分量和交流分量、电流的直流分量和交流分量来改进传统的电流双环控制器，其能够在系统扰动和故障下抑制直流环节电压和变换器功率的振荡；

应用于背靠背电压源变换器系统的整流器和逆变器两侧；

VSC基于其由(1)和(2)描述的模型来控制；解耦电流控制器逆变侧的控制架构如下：参考电流

分别与电流i_d2，i_q2作比较再经过PI控制器输出参考电压

再电压比较输出电流i_d2，i_q2，实现电流的解耦控制；因此，控制方法的内环表述如下：

1)电流控制

从交流侧转换器的简化等效电路中，忽略串联电阻，转换器的三相输出电压表示为：

式中，V_sx代表三相交流电压源，V_cx是转换器输出电压；通过将d-q变换应用于等式(13)，d-q参考系中转换器的内部电流的动态表达为：

式中

是变换器输出d-q同步参考系中的电压；假设d轴与电压源的A相同相位；d-q参考系中的电压和电流用直流(DC)和交流(AC)时变分量表示；同时由于v_sd是与A相同相位，所以v_sq没有直流分量；因此，电压和电流定义为：

通过将(15)和(16)代入(14)，得到电流控制如下：直流电压参考值

与实际直流电压i_q.dc做比较后与交流电流分量i_q.ac，i_d.ac比较，其输出与电压分量v_sd比较输出参考电压

同理得到参考电压

2)有功功率控制

有功功率控制如下：参考功率P_i ^*和直流侧功率P_dc作比较后经过PI控制器后参考电流

同理得到参考电流分量

网侧有功功率表示成：

P(t)＝v_sdi_d+v_sqi_q (17)

从(15)，(16)到(17)，有功功率用直流和交流分量表示如下：

P(t)＝P_dc+P_ac＝V_sd，dc·I_d，dc+V_sd，dc·I_d，ac+V_sd，ac·I_d，dc+V_sd，ac·I_d，ac+V_sq，ac·I_q，dc+V_sq，ac·I_q，ac (18)

上式中V_sd，dc·I_d，dc，V_sq，ac·I_q，ac+V_sd，dc·I_d，ac产生的是有功功率的直流分量，V_sd，ac·I_d，dc，V_sd，ac·I_d，ac+V_sq，ac·I_q，dc产生的是有功功率的交流分量，因此，有功的直流分量P_dc，有功的交流分量P_ac表示如下：

2.根据权利要求1所述的一种改进的背靠背柔性直流输电系统电流双环控制策略，其特征在于：步骤1中：可转换静态传输控制器是从统一潮流控制器中提取出来的，跨变压器或变电站安装，由于背靠背电压源变换器系统的两个相互作用点之间存在电力变压器，该系统采用并联配置方式连接，对系统提供无功支持和变压器备用。

3.根据权利要求1所述的一种改进的背靠背柔性直流输电系统电流双环控制策略，其特征在于：所述步骤2中根据步骤1中分析的可行性，建立背靠背柔性直流输电系统作为并联模式下可转换静态传输控制器系统的模型。

Images