CN111969635A - 一种针对柔性直流换流站直流电容电压波动的功率控制方法 - Google Patents

一种针对柔性直流换流站直流电容电压波动的功率控制方法 Download PDF

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崔一铂
陶骞
凌在汛
蔡万里
陈念斌
陈文�
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Abstract

本发明提供一种针对柔性直流换流站直流电容电压波动的功率控制方法，外环采用有功、无功解耦控制，内环采用直接电流控制，所述控制方法包括：外环控制中，将对象模型中输出的有功无功实际值与参考值进行比较得到功率差值，功率差值经过PI控制得到内环的电网电流参考值d、q分量；内环控制中，将对象模型的电网电流值与外环控制输入的电网电流参考值进行比较得到电流差值，电流差值经过PI控制器，经过解耦后输出换流器交流侧电压参考值；当对象模型引入直流电压突变量，在控制系统内也引入电容电流前馈控制，在换流器交流侧电压参考值基础上引入电容电流前馈补偿量。本发明通过引入流经电容的电流前馈控制，从而消除母线电压波动造成的影响。

Description

一种针对柔性直流换流站直流电容电压波动的功率控制方法
技术领域
本发明涉及柔性直流换流站功率输出的控制领域，具体是一种针对柔性直流换流站直流电容电压波动的功率控制方法。
背景技术
随着新能源技术的快速发展，陆地偏远地区及海上风电存在传输距离远、容量大、输出功率随机等特点，因此如何选择合适的并网方式以及控制策略进行远距离、高效的的新能源功率传输是现阶段新能源领域所关注的热点。
常见的新能源并网方式有交流并网和直流并网两种，但随着新能源穿透功率的增大以及新建新能源场站选址的偏远所带来的系统同步运行、潮流控制、海底电缆的充电功率等问题，直流并网方式的优势逐渐体现。其中基于电压源换流器的高压直流输电技术(VSC-HVDC)因具有隔离故障、稳定交流电压、潮流反转、向无源网络供电等优点而非常适用于远距离新能源并网工程。
对于双端柔直系统而言,功率侧换流站的控制目标是实现功率的解耦以及稳定输出，而其功率的稳定决定于直流电压的稳定。在传统换流站功率控制中，控制的前提是默认直流电容电压恒定，而没考虑电容电压的波动，当直压波动时，功率侧换流站对象模型中的功率也会波动,对功率的平稳输出造成影响，同时，在工程实际中，为保证直压的稳定，一般采用较大的电容，造成较大的成本消耗。
目前，国内外的文献虽然对双端柔性直流输电系统的控制策略做了较全面详细的分析，但对于功率侧的控制方法而言，现有文献控制的前提是其中一个换流站保证直流母线电压恒定，将电容电压等效为恒压源，而没考虑电容电压的波动。
发明内容
本发明提供一种针对柔性直流换流站直流电容电压波动的功率控制方法，通过引入流经电容的电流前馈控制，从而消除母线电压波动造成的影响，保证母线电压波动情况下对象模型功率的稳定输出，且运用改进控制后，可降低电容容量，节约工程成本，提高柔直系统远距离输电的稳定性。
一种针对柔性直流换流站直流电容电压波动的功率控制方法，外环采用有功、无功解耦控制，内环采用直接电流控制，所述控制方法包括：
外环控制中，将对象模型中输出的有功无功实际值与参考值进行比较得到功率差值，功率差值经过PI控制得到内环的电网电流参考值d、q分量；
内环控制中，将对象模型的电网电流值与外环控制输入的电网电流参考值进行比较得到电流差值，电流差值经过PI控制器，经过解耦后输出换流器交流侧电压参考值；
当对象模型引入直流电压突变量，在控制系统内也迅速引入电容电流前馈控制，在换流器交流侧电压参考值基础上引入电容电流前馈补偿量a，通过改变控制器的输出，进而消除对象模型输入量的突变，由于对象模型输入保持为稳态运行时的输入值不变，故可保证对象模型输出功率的稳定。
进一步的，电流前馈补偿量a的计算公式为：
Figure BDA0002586232240000031
其中idc为流经母线电容C的直流电流，vd0为换流器电压d轴分量的实际值，
Figure BDA0002586232240000032
为直流母线电压稳定值值；C是母线电容；1s是积分量；△为三角载波幅值。
本发明当柔直系统电容电压突变时，在控制系统内也迅速引入电容电流的前馈控制，提高整个控制系统的动态性能，通过电流前馈改变控制器的控制量输出，进而消除对象模型输入量的突变，由于对象模型输入保持为稳态运行时的输入值不变，故可保证对象模型输出功率的稳定。
附图说明
图1为柔直系统换流站拓扑图；
图2为本发明柔直换流站改进的电容电流前馈控制器；
图3为本发明柔直换流站对象模型；
图4为本发明工况一电压降为50％的仿真分析图；
图5为本发明工况二电压降为10％的仿真分析图。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1所示，在柔直系统拓扑图中，电容电流取自流经电容的电流idc。
如图2所示，在对象模型中，输入量为换流站交流侧电压的d、q轴分量，输出量为有功和无功分量；在控制模型中，输入量为对象模型输出的有功和无功分量，输出量为控制系统的换流站交流侧电压控制参考值。控制参考值与对象模型的实际输入量满足关系
Figure BDA0002586232240000041
其中v是实际值，v*是控制值。
具体控制如下：
1、外环采用有功、无功解耦控制，内环采用直接电流控制；
2、外环控制中，将对象模型中输出的有功无功实际值与参考值进行比较得到功率差值，功率差值经过PI控制得到内环的电网电流参考值d、q分量；
3、内环控制中，将对象模型的电网电流值与外环控制输入的电网电流参考值进行比较得到电流差值，电流差值经过PI控制器，经过解耦后输出换流器交流侧电压参考值；
4、当对象模型引入直流电压突变量，在控制系统内也迅速引入电容电流前馈控制，在步骤3里的换流器交流侧电压参考值基础上引入电容电流前馈补偿量a，通过改变控制器的输出，进而消除对象模型输入量的突变，由于对象模型输入保持为稳态运行时的输入值不变，故可保证对象模型输出功率的稳定。
电流前馈补偿量a的公式推导过程如下：由于控制系统的延时性，不计前馈时控制器的输出记为A，引入前馈后，控制器的输出ud*为(A-a)。现分析d轴，而q轴分析类似。
稳定状态时，有
Figure BDA0002586232240000051
直流电压与直流电流满足
Figure BDA0002586232240000052
记及直流电压波动同时引入前馈后
Figure BDA0002586232240000053
联立式(1)、式(2)、式(3)令vd＝vd0则
Figure BDA0002586232240000054
根据式
Figure BDA0002586232240000055
得
Figure BDA0002586232240000056
由于波动量相对于稳态值平方较小，联立式(4)、(5)得
Figure BDA0002586232240000057
其中idc为流经母线电容C的直流电流，定义
Figure BDA0002586232240000058
Udc分别为直流母线电压稳定值(参考值)、实际值；1/s是积分量；C是母线电容；v*为控制器输出换流器电压幅值；v为换流器电压实际值，即为对象模型的输入值；△为三角载波幅值；M为换流器增益，vd、vd0分别为换流器电压d轴分量的实际值以及稳态值。
仿真分析
工况一：电压降为50％
如图4(a)所示，电网电压发生骤变，t＝0.8s时，由13.8kV下降至6.9kV，持续时间0.8秒，并于1.5s时由6.9kV阶跃至13.8kV。如图4(b)所示，在整个过程中，未加前馈控制时，当t＝0.83s时，有功输出由1.7MW升至2.8MW，波动范围为1.3-2.8MW；t＝1.61s时，有功输出由1.7升至5.5MW，波动范围是-0.9-5.5MW。
在引入前馈控制后，当t＝0.82s时，有功输出由1.7MW升至2MW，功率波动范围为1.7-2MW；t＝1.62s时，有功输出由1.7升至3.2MW，波动范围是1.5-3.2MW。
工况二：电压降为10％
如图5(a)所示，电网电压发生骤变，t＝0.8s时，由13.8kV下降至1.38kV，持续时间0.8秒，并于1.5s时由1.38V阶跃至13.8kV。如图5(b)所示，在整个过程中，未加前馈控制时，当t＝0.82s时，有功输出由1.7MW降至-0.8MW，波动范围为-0.8-1.7MW；t＝1.63s时，有功输出由1.5升至4MW，波动范围是-0.9-4MW。
在引入前馈控制后，当t＝0.83s时，有功输出由1.7MW降至0.2MW，功率波动范围为0.2-1.7MW；t＝1.64s时，有功输出由1.5升至2.5MW，波动范围是1.5-2.5MW。
相比传统控制，本发明提出的柔性直流换流站直流电压波动改进控制策略控制精度高，响应迅速，在直压波动时可降低功率的波动，输出更平稳。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种针对柔性直流换流站直流电容电压波动的功率控制方法，其特征在于：外环采用有功、无功解耦控制，内环采用直接电流控制，所述控制方法包括：
外环控制中，将对象模型中输出的有功无功实际值与参考值进行比较得到功率差值，功率差值经过PI控制得到内环的电网电流参考值d、q分量；
内环控制中，将对象模型的电网电流值与外环控制输入的电网电流参考值进行比较得到电流差值，电流差值经过PI控制器，经过解耦后输出换流器交流侧电压参考值；
当对象模型引入直流电压突变量，在换流器交流侧电压参考值基础上引入电容电流前馈补偿量a，通过改变控制器的输出，进而消除对象模型输入量的突变，由于对象模型输入保持为稳态运行时的输入值不变，故可保证对象模型输出功率的稳定。
2.如权利要求1所述的针对柔性直流换流站直流电容电压波动的功率控制方法，其特征在于：电流前馈补偿量a的计算公式为：
Figure FDA0002586232230000011
其中idc为流经母线电容C的直流电流，vd0为换流器电压d轴分量的实际值，
Figure FDA0002586232230000012
为直流母线电压稳定值值；C是母线电容；1/s是积分量；△为三角载波幅值。
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