CN116470559A - 一种具备限压限流和振荡抑制能力的柔性直流换流站电压单环控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种具备限压限流和振荡抑制能力的柔性直流换流站电压单环控制方法，包括获取输入量u_sdq和i_sdq；d轴和q轴电压经低通滤波器后，与参考电压U^* _s相加减产生的误差值送至控制器G_uac，输出交流电压控制值；输出值与瞬时交流电压经前馈算法后产生的补偿量相叠加，实现限压限流交流电压前馈补偿算法；再将叠加后的电压与瞬时电流馈至补偿器产生的补偿电压相叠加并送至阀控系统，实现谐振抑制交流电流前馈补偿算法；对交流电流前馈补偿器参数进行设计，实现参数解析与设计。本发明在降低柔性直流换流站供电孤岛新能源场站发生故障后电压和电流幅值的基础上，以短路故障无需闭锁换流站、不增加硬件设备等优势特点，降低了换流站谐振振荡风险。

Description

一种具备限压限流和振荡抑制能力的柔性直流换流站电压单 环控制方法

技术领域

本发明涉及基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的柔性直流输电(high voltage direct current,HVDC)系统供电孤岛交流网络的限压限流和谐振振荡抑制应用领域，包括柔性直流输电换流站接入孤岛光伏场站、孤岛陆地或偏远地区风电场站、海上风电场站等没有传统电源支撑的交流电网，具体涉及一种具备限压限流和谐振振荡抑制能力的柔性直流换流站电压单环控制方法。

背景技术

大力发展风电和光伏等新能源已经成为势不可挡的趋势。这些规模化的新能源基地位于偏远地区且往往远离负荷中心，尤其是海上风电应用场合，没有传统同步交流电源提供电压支撑，呈现孤岛性质，采用何种方案将其有效可靠并网送出是学术工业界研究的重点。基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的柔性直流输电技术以其自身具备电压支撑能力的特性成为当前一种可供选择的先进方案，并在国内外多个工程应用，例如在我国的张北新能源基地和如东海上风电场应用。

孤岛新能源场站经柔性直流输电系统并网送出时，系统运行初期柔性直流换流站为孤岛交流线路空载加压是不可少的运行环节，存在开环和闭环两种控制模式。前者适用于启动初期空载加压和功率输送较小的场合，后者适用于功率较大且需要提升抗干扰能力的场合。鉴于该系统是典型的电力电子化系统，存在不同频率段的谐振振荡风险，同时也可能出现短路故障等情况，例如张北直流电网和如东风电场发生了几Hz到几千Hz不等的宽频振荡现象，如何有效抑制谐振振荡是系统可靠运行的前提。尽管换流站在开环控制下不会发生谐振振荡，但是从抗干扰能力，尤其是短路故障电流抑制能力方面来看，开环控制并不适用于大功率或长时间运行。发生短路故障导致过电流风险较大。然而，闭环控制尽管具有较好的抗干扰能力，但是容易因装备链路延时产生中高频振荡现象。综上，如何有效在提升换流站短路故障电流限制等抗干扰能力的基础上，抑制系统谐振振荡成为当前研究的热点。

当前绝大部分文献在柔性直流换流站供电孤岛交流系统方面所采用的控制方式是电压电流双闭环形式，大部分都以谐振稳定性及其抑制方案研究为主。尽管双闭环也可以实现限压限流控制，但是电流限幅值一般在1.1～1.2倍额定值，发生三相短路故障之后，为保护半导体功率器件过热损害，不能长时间运行。另一方面，几乎所有研究均是考虑新能源场站与柔性直流输电系统已经成功连接的应用场景，在交流线路空载加压方面所做的研究工作非常欠缺，尤其是换流站如何同时应对短路故障限压限流和谐振稳定性等方面的研究还未开展。

基于以上叙述，针对新能源场站经柔性直流输电系统并网送出应用场景，本发明专利提出了一种具备故障限压限流和谐振振荡抑制能力的柔性直流换流站电压单环控制架构，给出了控制方案的参数选择方法，无需闭锁环路站，且能在交流系统发生短路故障的情况下，将故障电流限制在0.2倍额定值以下，正常运行时还具备谐振振荡抑制能力。

发明内容

本发明专利所提出的具备限压限流和振荡抑制能力的柔性直流换流站电压单环控制方法，其中发明内容的保护点如下：

S1.获取柔性直流换流站交流侧的三相电压和三相电流数据；

S2.获取电压电流输入量u_sd和u_sq与i_sd和i_sq；

S3.将步骤S2得到的d轴电压和q轴电压经低通滤波器之后，与参考电压U^* _s进行加减，将产生的误差值送至带有限幅的交流电压控制器G_uac，输出交流电压控制值；

S4.将步骤S3得到的交流电压控制器输出值与瞬时交流电压经前馈算法之后产生的补偿量进行叠加，实现限压限流交流电压前馈补偿算法；

S5.将步骤S4得到的叠加电压与瞬时电流馈至补偿器产生的补偿电压进行叠加并送至阀控系统，实现谐振抑制交流电流前馈补偿算法；

S6.对步骤S5中交流电流前馈补偿器参数进行设计，分为了低频补偿、中频补偿和高频补偿，实现谐振抑制交流电流前馈补偿器参数解析与设计。

步骤S2所述的获取电压电流输入量u_sd和u_sq与i_sd和i_sq，具体为采集柔性直流换流站交流侧的三相电压u_sabc(t)和三相电流i_sabc(t)，在换流站自身给定的dq坐标系上通过Park变换，计算得到d轴电压u_sd(t)、q轴电压u_sq(t)、d轴电流i_sd(t)、q轴电流i_sq(t)。

步骤S3所述的将步骤S2得到的d轴电压和q轴电压经低通滤波器之后，与参考电压进行加减，将产生的误差值送至带有限幅的交流电压控制器G_uac，然后输出交流电压控制值，具体为将步骤S2得到的d轴电压u_sd和q轴电压u_sq经低通滤波器之后与参考电压U^* _s进行加减，先设置交流电压控制器输出限幅值U_{sd_lim}和U_{sq_lim}，再将产生的误差值送至电压控制器G_uac，然后将电压控制器的输出值与限幅值U_{sd_lim}和U_{sq_lim}进行对比，如果d轴(q轴)电压控制器的输出值在±U_{sd_lim}(或±U_{sq_lim})内，则直接输出，否则就输出限幅值。该步骤主要用于在正常情况下稳定交流电压输出。

步骤S4所述的将步骤S3得到的交流电压控制器输出值与瞬时交流电压经前馈算法之后产生的补偿量进行叠加，实现限压限流交流电压前馈补偿算法，具体为将步骤S3得到的交流电压输出值U_guacd、U_guacq与瞬时交流电压经前馈算法之后产生的补偿量U_vfwd、U_vfwq进行叠加，其中前馈补偿输算法应具有前馈交流电压直流分量的能力，其实现方法包括但不限于低通滤波器、阶梯波前馈、滑动平均值前馈等。该步骤主要用于在交流系统发生故障之后，前馈瞬时交流电压用于降低短路故障电流。

步骤S5所述的将步骤S4得到的叠加电压与瞬时电流馈至补偿器产生补偿电压进行叠加并送至阀控系统，实现谐振抑制交流电流前馈补偿算法，具体为将步骤S4得到的叠加电压与将电流前馈至补偿器产生补偿电压进行叠加，叠加之后送至阀控系统。当交流系统发生短路故障之后，d轴电压严重降低必然导致d轴交流电压控制器输出限幅，再考虑故障电流方向反向，可以通过前馈补偿器产生反向补偿电压，降低输出交流电压控制器在短路故障期间输出限幅的影响，进而进一步降低短路电流。另外一方面，在正常运行情况下，加入了前馈补偿之后相当于改变了换流站的阻抗特性，为了抑制系统可能存在的低频、中频和高频振荡，需要分频段重构换流站输出阻抗特性，实现不同频率段的振荡抑制。由以上叙述可知，交流电流前馈补偿器应具备前馈交流电流直流分量的能力，为保证稳定性一般采用低通滤波器；此外，为分频段重构换流站输出阻抗特性，还需要由带通滤波器构成。

步骤S6所述的对步骤S5中交流电流前馈补偿器参数进行设计，分为了低频补偿、中频补偿和高频补偿，实现谐振抑制交流电流前馈补偿器参数解析与设计，具体包括如下步骤：

6.1低频补偿参数计算

a)计算具备限压限流能力的低频补偿器增益选择范围。选择低通滤波器，根据交流电压控制器的输出限幅和三相短路故障允许的电流，计算低通滤波器补偿系数增益的最小取值范围。

b)计算具备低频振荡抑制能力的补偿器增益选择范围。如图5所示，绘制交流线路(系统)的阻抗曲线，阻抗特性曲线表达式用Z_ac(s)表示，其中s＝jω，j为虚数，ω为角频率且ω＝2πf，f取值从1Hz到阀控频率的一半。计算或观察在低频段取得极大值的频率f_max，进而计算或观察得到此频率的交流系统导纳幅值|Y_ac(jω_max)|＝|Z_ac(jω_max)|。经过f_max作一条垂直频率线与交流线路(系统)阻抗幅值交于点A；过A点在幅值曲线上面作一条平行线与换流站阻抗幅值交于点B；过B点再作一条垂直频率线与交流线路(系统)阻抗相位交于点C。由于在[0,f_max]范围内换流站阻抗幅值上升且交流线路(系统)阻抗幅值下降，因此两个阻抗幅值的交点D的频率一定大于C点的频率f_b1。只要在C点换流站的阻抗相位小于90°，就一定能保证不会发生低频振荡。

6.2中频补偿参数计算

如果交流线路(系统)低频谐振风险区域与中频谐振风险区域的频率相差太远，例如1000Hz以上，则采用分频段补偿方式；如果相差不是太远，既可以采用分频段补偿方式，也可以利用6.1中低通滤波器的参数进行补偿，本专利以低频和中频振荡风险频率相差不远和解析的方式进行分析。

a)计算换流站输出阻抗的表达式，如果是解析计算则采用简化模型，如果是图示设计，则可以用简化也可以用详细模型。

b)计算换流站阻抗实部符号的简化表达式，给出考虑前馈低频补偿之后的阻抗模型，将其实部和虚部分离，忽略影响较小的物理量之后，给出阻抗实部符号简化表达式。

c)求解中频段振荡抑制补偿器增益系数最大值。令6.2b)中阻抗实部符号简化表达式大于零，计算使得抑制中频振荡的补偿器增益系数最大值。

d)绘制增益系数取值合适的区间。根据低频和中频谐振振荡风险区域和低频补偿器带宽频率，绘制补偿器增益系数的合理区间，观察是否有交集，取折中的交集作为低频和中频段的补偿器参数；否则，就要重新进行6.1的步骤，直到参数满足要求。

6.3高频补偿参数设计

高频段难以用解析表达式完成，需要借用阻抗图示曲线进行。考虑频频率补偿，因此需要采用多个带通滤波器。

a)确定系统中高频谐振振荡风险区域个数N_res。该步骤可以根据交流线路(系统)和换流站的阻抗幅值交点频率处的相位特性确定。

b)确定带通滤波器的最大个数。根据N_res个中高频谐振振荡风险区域，可以初步认为系统抑制中频和高频振荡只需要N_res个带通滤波器。

c)确定带通滤波器的参数。从第一个中高频风险区域开始，选择合适的阻尼比和无阻尼振荡频率，通过绘制带通滤波器增益系数对谐振稳定性的影响，选择合适的带通滤波器增益系数。重复该步骤，直到所有谐振风险区域满足稳定要求。

附图说明

图1是现有的新能源经柔直并网简化主电路模型。图中隔离开关S1是用于连接新能源场站和交流线路，Z_ac是交流系统阻抗，Z_mmc是换流站输出阻抗。

图2为本发明专利所提出的具备限压限流和振荡抑制能力的电压单环控制架构。图中，下标含有“d”或“q”的物理量表示50Hz同步旋转坐标系的d轴或q轴分量，例如u_sd和u_sq分别为接入点交流电压u_s的d轴和q轴分量，其余类似，不再赘述；交流电流用i_s表示；换流站交流侧虚拟参考电压用e^* _v表示；相交流电压幅值参考值用U^* _s表示。交流电压控制器G_uac＝k_puac+k_iuac/s，k_puac和k_iuac为比例和积分系数，s为拉普拉斯算子；交流电压控制输出限幅分别用U_{sd_lim}和U_{sq_lim}表示，U_{sd_lim}和U_{sq_lim}可相同也可以不同；G_oluac为交流电压反馈环节的二阶低通滤波器，其阻尼比和无阻尼振荡频率分别用ξ_oluac和f_oluac表示。交流电压前馈补偿器环节用G_vfw表示，可为二阶低通滤波器，其中阻尼比为ξ_vfw，无阻尼振荡频率为f_vfw；交流电流前馈补偿器环节用G_comd和G_comq表示，G_comd和G_comq可相同也可以不同，其结构将由低通滤波器和带通滤波器构成。

图3为本发明专利所提出的控制方案整体实现步骤。

图4为本发明专利所提出的电流前馈补偿器参数计算与设计实现步骤。

图5为本发明专利中电流前馈补偿器低频振荡抑制参数解析计算原理。

具体实施方式

如图3所示为本发明提供的这种具备限压限流和振荡抑制能力的柔性直流换流站电压单环控制方法，包括如下步骤：

S1.获取柔性直流换流站交流侧的三相电压和三相电流数据；

S2.获取电压电流输入量u_sd和u_sq与i_sd和i_sq；具体为采集柔性直流换流站交流侧的三相电压u_sabc(t)和三相电流i_sabc(t)，在换流站自身给定的dq坐标系上通过Park变换，计算得到d轴电压u_sd(t)、q轴电压u_sq(t)、d轴电流i_sd(t)、q轴电流i_sq(t)，其中Park变换公式如下，只给出了电压计算公式，电流计算公式类似。

式中，u_sa(t)、u_sb(t)和u_sc(t)分别为ABC相的瞬时相电压，θ＝ω₁t，ω₁为基波角频率，t为时间。该式是在时域变换，后续分析是在s域，即变量含有(s)表示对应时域物理量在s域的拉普斯变换值，两者呈现一一对应的关系，即其余变量类似；统一化，均用u_sd表示，后面不再赘述。

S3.将步骤S2得到的d轴电压和q轴电压经低通滤波器之后，与参考电压进行加减，将产生的误差值送至带有限幅的交流电压控制器G_uac，然后输出交流电压控制值；具体为将步骤S2得到的d轴电压u_sd和q轴电压u_sq经低通滤波器之后与参考电压U^* _s进行加减，先设置交流电压控制器输出限幅值U_{sd_lim}和U_{sq_lim}，再将产生的误差值送至电压控制器G_uac，然后将电压控制器的输出值与限幅值U_{sd_lim}和U_{sq_lim}进行对比，如果d轴(q轴)电压控制器的输出值在±U_{sd_lim}(或±U_{sq_lim})内，则直接输出，否则就输出限幅值。因此，在s域中，d轴和q轴交流电压控制器的输出表达式为

两式中，交流电压控制器G_uac＝k_puac+k_iuac/s，k_puac和k_iuac为比例和积分系数，s为拉普拉斯算子；U_{sd_lim}和U_{sq_lim}可相同也可以不同，本发明专利设置相同，且都为U_{sdq_lim}。G_oluac为交流电压反馈环节的二阶低通滤波器，其阻尼比和无阻尼振荡频率分别用ξ_oluac和f_oluac表示。

S4.将步骤S3得到的交流电压控制器输出值与瞬时交流电压经前馈算法之后产生的补偿量进行叠加，实现限压限流交流电压前馈补偿算法；具体为将步骤S3得到的交流电压输出值U_guacd、U_guacq与瞬时交流电压经前馈算法之后产生的补偿量U_vfwd、U_vfwq进行叠加，其中前馈补偿输算法应具有前馈交流电压直流分量的能力，其实现方法包括但不限于低通滤波器、阶梯波前馈、滑动平均值前馈等。本发明专利以二阶低通滤波器为例开展叙述，于是交流电压前馈值可表示为

式中，G_vfw为二阶低通滤波器的交流电压前馈补偿器，其阻尼比和无阻尼振荡角频率分别用ξ_vfw和ω_vfw表示，且ω_vfw＝2πf_vfw，f_vfw为无阻尼振荡频率。

S5.将步骤S4得到的叠加电压与瞬时电流馈至补偿器产生补偿电压进行叠加并送至阀控系统，实现谐振抑制交流电流前馈补偿算法；其中，瞬时电流馈至补偿器产生补偿电压为

式中，交流电流前馈补偿器环节用G_comd和G_comq表示，G_comd和G_comq可相同也可以不同，本发明专利设置相同，其结构将由低通滤波器和带通滤波器构成，参数也是本发明专利计算与设计的重点。

式中，就是换流站交流侧在dq坐标系上输出电压参考值。

S6.对步骤S5中交流电流前馈补偿器参数进行设计，分为了低频补偿、中频补偿和高频补偿，实现谐振抑制交流电流前馈补偿器参数解析与设计，具体包括如下步骤：

6.1低频补偿参数计算

a)计算具备限压限流能力的低频补偿器增益选择范围。本发明专利以一阶低通滤波器为例，其表达式如下

式中，R_com1和ω_com1分别为一阶低通滤波器的增益系数与带宽，k_Rcom1为阻抗系数，L_eq为换流站交流侧等效电感。

根据交流电压控制器的输出限幅和三相短路故障允许的电流，计算低通滤波器补偿系数增益的最小取值范围，其中相短路故障允许的电流为I_sper。

于是，则有

b)计算具备低频振荡抑制能力的补偿器增益选择范围。

如图5所示，在低频段取得极大值的角频率ω_max可采用以下表达式估算

式中，T_de为换流站链路延时。在B点，交流线路(系统)导纳与幅值的关系为

Y_ac＝Y_ac(jω_max)≈C_ac(ω_max+ω₁)

式中，C_ac为交流线路(系统)等效电容。C点的角频率ω_b1与其它参数之间的关系约为

于是可以计算得到具备低频振荡抑制能力的补偿器增益选择范围为

6.2中频补偿参数计算

如果交流线路(系统)低频谐振风险区域与中频谐振风险区域的频率相差太远，例如1000Hz以上，则采用分频段补偿方式；如果相差不是太远，既可以采用分频段补偿方式，也可以利用6.1中低通滤波器的参数进行补偿，本专利以低频和中频振荡风险频率相差不远和解析的方式进行分析。

a)计算换流站输出阻抗的表达式

本发明专利只给出一种换流站简化阻抗，换流站阻抗可表示为

其中

b)计算换流站阻抗实部符号的简化表达式

忽略影响较小的物理量之后，本发明专利给出了一种阻抗实部的符号表达式，即

c)求解中频段振荡抑制补偿器增益系数最大值

令6.2b)中阻抗实部符号简化表达式大于零，计算使得抑制中频振荡的补偿器增益系数最大值。本发明专利给出了一种求解中频段振荡抑制补偿器增益系数的最大值计算公式

d)绘制增益系数取值合适的区间

根据低频和中频谐振振荡风险区域和一阶低通滤波器的带宽，绘制低频补偿器增益系数的合理区间，观察是否有交集，取交集中一种折中的参数作为低频和中频段的补偿器参数；即绘制满足上述6.1a)、6.1b)、6.1c)式中k_Rcom1阻抗系数范围，选择折中的参数。如果不满足则重新输入系统参数和设计目标，即适当增加故障电流允许值I_sper。

6.3高频补偿参数设计

高频段难以用解析表达式完成，需要借用阻抗图示曲线进行。考虑频频率补偿，因此需要采用多个带通滤波器。

a)确定系统中高频谐振振荡风险区域个数N_res

考虑到中高频谐振抑制难以用解析表达式进行，此时需要采用阻抗特性图示的方法来确定存在谐振振荡区域的个数，假设存在N_res个区域。

b)确定带通滤波器的最大个数

考虑一个电流前馈补偿器可能抑制多个不同频率的谐振振荡，再加上不同频率谐振振荡可以采用分区域协调的特性，初步确定带通滤波器的个数为N_res个，其中带通滤波器可以为二阶或高阶形式；每个带通滤波器均采用线性叠加的方式作为中高频谐振振荡的补偿器，本发明专利采用二阶带通滤波器形式，即

式中，i＝{1,2,…,N_res}，R_comi、ξ_comi、ω_comi表示第i个中高频谐振振荡补偿器的增益、阻尼比和无阻尼振荡角频率，且ω_comi＝2πf_comi，f_comi为无阻尼振荡频率。

c)确定带通滤波器的参数

二阶带通滤波器在无阻尼振荡频率附近的特性将发生变化，且阻尼越大则影响的范围也就越大，为了分频抑制振荡，阻尼比的选择需要较低的值，推荐在0.05～0.1范围内选择以降低对其它频率段的影响。无阻尼振荡频率f_comi的选择则可以在各个谐振频率范围内以±200Hz范围进行优化选择，例如在1100Hz可能发生谐振振荡，那么可以在900～1300Hz范围内优化选择。在确定上述参数之后，每个二阶带通滤波器剩下的第三个参数(增益系数)可以采用阻抗特性曲线图示方法分析是否满足谐振抑制需求。

逐步选择每一个二阶带通滤波器的三个参数，直到所有谐振风险区域满足稳定要求。

最后，将低频段补偿器、中频段补偿器和高频段补偿器三者进行叠加，即可得到本发明专利交流电流前馈补偿器的整体结构和参数。

本发明方法具有如下优点：

1、本发明专利所提出的方案，具有抵抗外部电压电流突变的能力，由于该方案采用了电压前馈补偿和电流前馈补偿，当外部系统扰动导致电压升高或跌落时，电压前馈环节能够瞬时感知外部电压变化情况，将实时的电压前馈至控制系统，使得换流站输出电压跟随外部电压变化，避免产生过大的冲击电流；当外部系统扰动导致电流突变时，电流前馈环节的能够及时补偿电压的变化量，也使得换流站输出电压跟随外部扰动变化，使得电流突变程度得到有效补偿。

2、本发明专利所提出的方案，具备故障限压限流能力，由于该方案中，电压反馈控制环节具备输出限幅作用、电压前馈补偿环节具备前馈瞬时电压的作用、电流前馈具备反向降低故障电压和电流的能力；当交流系统发生短路故障导致电压严重跌落之后，电压反馈环节将会达到输出限幅作用，电压前馈环节也只前馈较小的瞬时电压、电流前馈环节将反向补偿电压反馈控制环节输出的限幅值(即叠加一个负值)，三者叠加之后换流站输出的电压同样较小，因此具备了限压能力，由于短路点和换流站之间是以线路连接，进而也就具备了限流能力。

3、本发明专利所提出的方案，具备谐振振荡抑制能力，由于该方案中，电流前馈环节的补偿器是由低通滤波器和带通滤波器组成，其中低通滤波器前馈环节用于补偿换流站低频或中频的阻抗相位特性，二阶带通滤波器将分频段补偿换流站在中频和高频段的阻抗相位特性，使得换流站整体阻抗满足谐振稳定运行要求。

4、本发明专利所提出的方案，在短路故障暂态运行时可无需切换控制策略，适用于故障发生、持续和恢复全阶段；故障发生时刻，电压前馈瞬时值降低故障冲击电流；故障持续期间方案具备限压限流能力；故障恢复期间，交流电压控制器处于正反馈状态，将逐渐自动升高电压，当交流电压限幅器失效之后，交流电压控制器处于负反馈状态，将稳定输出电压。

Claims (6)

1.一种具备限压限流和振荡抑制能力的柔性直流换流站电压单环控制方法，包括如下步骤：

S1.获取柔性直流换流站交流侧的三相电压和三相电流数据；

S2.获取电压电流输入量u_sd和u_sq与i_sd和i_sq；

S3.将步骤S2得到的d轴电压和q轴电压经低通滤波器之后，与参考电压U^* _s进行加减，将产生的误差值送至带有限幅的交流电压控制器G_uac，输出交流电压控制值；

S4.将步骤S3得到的交流电压控制器输出值与瞬时交流电压经前馈算法之后产生的补偿量进行叠加，实现限压限流交流电压前馈补偿算法；

S5.将步骤S4得到的叠加电压与瞬时电流馈至补偿器产生的补偿电压进行叠加并送至阀控系统，实现谐振抑制交流电流前馈补偿算法；

S6.对步骤S5中交流电流前馈补偿器参数进行设计，分为了低频补偿、中频补偿和高频补偿，实现谐振抑制交流电流前馈补偿器参数解析与设计。

2.根据权利要求1所述的具备限压限流和振荡抑制能力的柔性直流换流站电压单环控制方法，其特征在于步骤S2所述的获取电压电流输入量u_sd和u_sq与i_sd和i_sq，具体为采集柔性直流换流站交流侧的三相电压u_sabc(t)和三相电流i_sabc(t)，在换流站自身给定的dq坐标系上通过Park变换，计算得到d轴电压u_sd(t)、q轴电压u_sq(t)、d轴电流i_sd(t)、q轴电流i_sq(t)。

3.根据权利要求2所述的具备限压限流和振荡抑制能力的柔性直流换流站电压单环控制方法，其特征在于步骤S3所述的将步骤S2得到的d轴电压和q轴电压经低通滤波器之后，与参考电压进行加减，将产生的误差值送至带有限幅的交流电压控制器G_uac，然后输出交流电压控制值，具体为将步骤S2得到的d轴电压u_sd和q轴电压u_sq经低通滤波器之后与参考电压U^* _s进行加减，先设置交流电压控制器输出限幅值U_{sd_lim}和U_{sq_lim}，再将产生的误差值送至电压控制器G_uac，然后将电压控制器的输出值与限幅值U_{sd_lim}和U_{sq_lim}进行对比，如果d轴(q轴)电压控制器的输出值在±U_{sd_lim}(或±U_{sq_lim})内，则直接输出，否则就输出限幅值。该步骤主要用于在正常情况下稳定交流电压输出。

4.根据权利要求3所述的具备限压限流和振荡抑制能力的柔性直流换流站电压单环控制方法，其特征在于步骤S4所述的将步骤S3得到的交流电压控制器输出值与瞬时交流电压经前馈算法之后产生的补偿量进行叠加，实现限压限流交流电压前馈补偿算法，具体为将步骤S3得到的交流电压输出值U_guacd、U_guacq与瞬时交流电压经前馈算法之后产生的补偿量U_vfwd、U_vfwq进行叠加，其中前馈补偿输算法应具有前馈交流电压直流分量的能力，其实现方法包括但不限于低通滤波器、阶梯波前馈、滑动平均值前馈等。该步骤主要用于在交流系统发生故障之后，前馈瞬时交流电压用于降低短路故障电流。

5.根据权利要求4所述的具备限压限流和振荡抑制能力的柔性直流换流站电压单环控制方法，其特征在于步骤S5所述的将步骤S4得到的叠加电压与瞬时电流馈至补偿器产生的补偿电压进行叠加并送至阀控系统，实现谐振抑制交流电流前馈补偿算法，具体为将步骤S4得到的叠加电压与将电流前馈至补偿器产生补偿电压进行叠加，叠加之后送至阀控系统。当交流系统发生短路故障之后，d轴电压严重降低必然导致d轴交流电压控制器输出限幅，再考虑故障电流方向反向，可以通过前馈补偿器产生反向补偿电压，降低输出交流电压控制器在短路故障期间输出限幅的影响，从而进一步降低短路电流。另外一方面，在正常运行情况下，加入了前馈补偿之后相当于改变了换流站的阻抗特性，为了抑制系统可能存在的低频、中频和高频振荡，需要分频段重构换流站输出阻抗特性，实现不同频率段的振荡抑制。由以上叙述可知，交流电流前馈补偿器应具备前馈交流电流直流分量的能力，为保证稳定性一般采用低通滤波器；此外，为分频段重构换流站输出阻抗特性，还需要由带通滤波器构成。

6.根据权利要求5所述的具备限压限流和振荡抑制能力的柔性直流换流站电压单环控制方法，其特征在于步骤S6所述的对步骤S5中交流电流前馈补偿器参数进行设计，分为了低频补偿、中频补偿和高频补偿，实现谐振抑制交流电流前馈补偿器参数解析与设计，具体包括如下步骤：

6.1低频补偿参数计算

a)计算具备限压限流能力的低频补偿器增益选择范围。选择低通滤波器，根据交流电压控制器的输出限幅和三相短路故障允许的电流，计算低通滤波器补偿系数增益的最小取值范围。

b)计算具备低频振荡抑制能力的补偿器增益选择范围。如图5所示，绘制交流线路(系统)的阻抗曲线，阻抗特性曲线表达式用Z_ac(s)表示，其中s＝jω，j为虚数，ω为角频率且ω＝2πf，f取值从1Hz到阀控频率的一半。计算或观察在低频段取得极大值的频率f_max，进而计算或观察得到此频率的交流系统导纳幅值|Y_ac(jω_max)|＝|Z_ac(jω_max)|。经过f_max作一条垂直频率线与交流线路(系统)阻抗幅值交于点A；过A点在幅值曲线上面作一条平行线与换流站阻抗幅值交于点B；过B点再作一条垂直频率线与交流线路(系统)阻抗相位交于点C。由于在[0,f_max]范围内换流站阻抗幅值上升且交流线路(系统)阻抗幅值下降，因此两个阻抗幅值的交点D的频率一定大于C点的频率f_b1。只要在C点换流站的阻抗相位小于90°，就一定能保证不会发生低频振荡。

6.2中频补偿参数计算

如果交流线路(系统)低频谐振风险区域与中频谐振风险区域的频率相差太远，例如1000Hz以上，则采用分频段补偿方式；如果相差不是太远，既可以采用分频段补偿方式，也可以利用6.1中低通滤波器的参数进行补偿，本专利以低频和中频振荡风险频率相差不远和解析的方式进行分析。

a)计算换流站输出阻抗的表达式，如果是解析计算则采用简化模型，如果是图示设计，则可以用简化也可以用详细模型。

b)计算换流站阻抗实部符号的简化表达式，给出考虑前馈低频补偿之后的阻抗模型，将其实部和虚部分离，忽略影响较小的物理量之后，给出阻抗实部符号简化表达式。

c)求解中频段振荡抑制补偿器增益系数最大值。令6.2b)中阻抗实部符号简化表达式大于零，计算使得抑制中频振荡的补偿器增益系数最大值。

d)绘制增益系数取值合适的区间。根据低频和中频谐振振荡风险区域和低频补偿器带宽频率，绘制补偿器增益系数的合理区间，观察是否有交集，取折中的交集作为低频和中频段的补偿器参数；否则，就要重新进行6.1的步骤，直到参数满足要求。

6.3高频补偿参数设计

高频段难以用解析表达式完成，需要借用阻抗图示曲线进行。考虑频频率补偿，因此需要采用多个带通滤波器。

a)确定系统中高频谐振振荡风险区域个数N_res。该步骤可以根据交流线路(系统)和换流站的阻抗幅值交点频率处的相位特性确定。

b)确定带通滤波器的最大个数。根据N_res个中高频谐振振荡风险区域，可以初步认为系统抑制中频和高频振荡只需要N_res个带通滤波器。

c)确定带通滤波器的参数。从第一个中高频风险区域开始，选择合适的阻尼比和无阻尼振荡频率，通过绘制带通滤波器增益系数对谐振稳定性的影响，选择合适的带通滤波器增益系数。重复该步骤，直到所有谐振风险区域满足稳定要求。