基于乒乓控制的单回直流大信号调制控制器及其控制方法

基于乒乓控制的单回直流大信号调制控制器及其控制方法
【专利摘要】本发明是一种基于乒乓控制的单回直流大信号调制控制器及其控制方法。基于乒乓控制的单回直流大信号调制控制器包括采样控制器（S1）、微分控制器（S2）、功率控制器（S3）、功率限制器（S4）和功率转换器（S5）。本发明可以实现实时在线监控交直流输电系统运行状态，当严重交流故障或者其它单回直流双极闭锁等故障发生时，该直流控制器能快速判断系统稳定情况，并根据稳定程度制定直流大信号调制策略，直流功率的实时、快速的紧急调制，有效地控制发电机群摇摆过程中区域间的功率平衡关系，起到抑制功角摇摆，提高稳定极限的作用。
【专利说明】基于乒乓控制的单回直流大信号调制控制器及其控制方法

【技术领域】
[0001]本发明涉交直流输电系统暂态稳定控制领域，特别是涉及一种基于乒乓控制的单回直流大信号调制控制器及其控制方法。

【背景技术】
[0002]随着越来越多的大功率直流输电集中落点到负荷中心，直流输电的庞大规模、快速控制响应能力对电网的动态特性、稳定风险和控制手段带来了一系列复杂的影响和深刻的变化。其中，直流的快速有功调节能力为提升大电网的同步稳定能力提供了新的有效手段。
[0003]交直流大电网在严重交流故障或直流双极闭锁等故障下的暂态失稳仍然是限制电网输电能力的主要约束。目前，交流电网对于短路引起的区域间有功失衡和同步发电机功角摇摆问题一直缺少真正有效的抑制手段。抑制大电网扰动后的第1-2摆的失稳需要快速的大幅度的有功调节手段。而无论发电机PSS还是FACTs受其有功潮流调节能力限制，均只能对小幅度的功率振荡提供阻尼，却难以对大规模电网的暂态稳定，尤其是第1-3个摇摆周期内功角失稳起到良好的抑制作用。直流输电的存在为改善大电网的暂态稳定性提供了全新的、更加有效的控制手段。
[0004]直流输电系统有功功率幅度较大，调节速度较快。尤其是多回直流共同参与调节，可进一步提升单位调节功率幅度和速度，使得直流输电系统的快速功率调制为改善大电网暂态稳定裕度提供了新的有效的控制手段。当严重交流故障或者单回直流双极闭锁等故障发生时，输电通道中的其它直流可以在快速辨识振荡模式的基础上，通过直流功率的快速、紧急调制，有效地控制发电机群摇摆过程中区域间的功率平衡关系，起到抑制功角摇摆，提高稳定极限的作用。


【发明内容】

[0005]本发明的目的在于提供一种设计简单，方便实用的基于乒乓控制的单回直流大信号调制控制器。
[0006]本发明的另一目的在于提供一种控制简单方便的基于乒乓控制的单回直流大信号调制控制器的控制方法。本发明针对直流输电系统有功功率幅度较大，调节速度较快的特点，为改善大电网暂态稳定裕度提供了新的有效的控制手段，能快速有效提升电网暂态稳定水平。
[0007]为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案:
[0008]本发明的基于乒乓控制的单回直流大信号调制控制器，包括有采样控制器、微分控制器、功率控制器、功率限制器、功率转换器，其中采样控制器的输入端与直流线路整流侧换流站和逆变侧换流站相连，采集换流站的功角、电压等信号，采样控制器有两个输出端，一个输出端输出功角差信号，该输出功角差信号的输出端与微分控制器的输入端相接，采样控制器的另一个输出端输出换流站母线电压和直流电压信号，微分控制器的输出换流站母线电压和直流电压信号的输出端与功率控制器的输入端和功率转换器的输入端相接，功率控制器输出直流功率调制信号，且功率控制器的输出端与功率限制器的输入端相接，功率限制器的输出端输出直流功率调制信号，且功率限制器的输出端与功率转换器的输入端相接，功率转换器输出直流电流调制信号，且功率转换器的输出端与直流逆变侧换流站内部电流控制器相接。
[0009]当严重交流故障或者单回直流双极闭锁等故障发生时，该直流控制器的控制器通过采集的信号快速辨识出系统的振荡模式，通过直流功率的快速、紧急调制，有效地控制发电机群摇摆过程中区域间的功率平衡关系，起到抑制功角摇摆，提高稳定极限的作用。
[0010]本发明基于乒乓控制的单回直流大信号调制控制器的控制方法包括如下步骤:
[0011]1)采样控制器的功能是从直流输电系统整流站采集交流母线功角。和电压 。控制信号，从直流逆变站采集交流母线功角Sinv和电压Vinv控制信号，从直流输电线采集直流电压控制信号ud。，对这些信号进行滤波，并得到整流侧和逆变侧的功角差信号Δ δ、滤波后的交流母线电压控制信号Vrec*和Vinv*，以及滤波后的直流电压控制信号Ud。* ；
[0012]2)微分控制器将信号采样控制器输出的功角差信号Λ δ进行微分，得到直流连接的两段系统的角速度差信号Λ ω ；
[0013]3)微分控制器输出角速度差信号Λ ω输入到功率控制器中，进过乒乓控制，得到直流功率调制量的连续控制信号APd。；
[0014]4)功率控制器输出的直流功率调制信号将输入到功率限制器中，根据直流系统特性进行限幅限速控制，得到限制后到直流功率调制信号APd。* ；
[0015]5)功率限制器输出的直流功率调制信号APd。*经过功率转换器(S5)得到直流内部控制常采用的电流信号AId。；
[0016]6)功率转换器输出的电流信号Λ Id。将接入到直流换流器的内部电流控制器中。
[0017]功率转换器的电压信号Ud。*需要经过低压限制控制才能进行功率电流转换计算，以防止电压过低时电流信号超过了直流系统所能承受的范围。
[0018]乒乓控制的控制策略是当角速度差信号Δ ω大于某一正值ε:时，Λ Pd。的值为KP,当角速度差信号Λ ω小于某一负值ε 2时，APdc的值为_KP，而当Λ ω的值大于等于ε 1小于等于ε 2时，APdc的值为0, ε i和ε 2的值通过系统的仿真计算得出，而ΚΡ即为直流系统功率允许改变的最大幅值。
[0019]乒乓控制受直流两端交流电压\、VB控制，当\、VB低于一定的值时，乒乓控制将闭锁，此时无论速度差信号Λ ω如何变化APd。的输出值都为0。
[0020]ε i和ε 2的值为0.001到0.01之间，而ΚΡ即为直流系统功率允许改变的最大幅值，一般情况下根据直流输电线路的特性，Κρ的值取在0.1到0.5之间。
[0021]本发明的单回直流大信号调制控制器可以用于直流输电系统正常运行中。实现直流输电系统实时在线的大信号功率调制功能。该控制器根据系统监测直流两端功角和电压的实时数据，判断系统稳定程度，当系统发生大扰动时(比如区域间联络线发生三相短路故障)，能快速调节直流系统的输送功率，及时效缓解输电系统因为故障引起的功率失衡现象，抑制功角摇摆，提高交直流输电系统稳定极限。

【专利附图】

【附图说明】
[0022]图1是本发明一回直流大信号调制控制器结构示意图；
[0023]图2是本发明直流大信号调制控制器中采样控制器的结构示意图；
[0024]图3是本发明直流大信号调制控制器中微分控制器的结构示意图；
[0025]图4是本发明直流大信号调制控制器中功率控制器的结构示意图；
[0026]图5是本发明直流大信号调制控制器中的功率控制器中的乒乓控制器结构示意图；
[0027]图6是本发明直流大信号调制控制器中功率限制器的结构示意图；
[0028]图7是本发明直流大信号调制控制器中功率转换器的结构示意图。

【具体实施方式】
[0029]参见图1所示，本发明基于乒乓控制的单回直流大信号调制控制器，包括采样控制器S1，微分控制器S2，功率控制器S3，功率限制器S4，功率转换器S5。所述的采样控制器S1用于采集和滤波直流两端系统关键节点的功角和电压信号，并将滤波后的功角差信号输送到微分控制器S2，将滤波后的电压信号输送到功率控制器S3和功率转换器S5 ;所述的微分控制器S2是将信号采集器输出的功角差信号，转换为功角差角速度信号，并输送到功率控制器S3 ;所述功率控制器S3是对微分控制器S2输出的功角差信号和米样控制器S1输出的交流电压信号进行分析，得到直流系统功率的调制量，并将调质量信号输送到功率限制器S4 ;所述的功率限制器S4是对功率控制器S3输出的直流功率调制信号进行幅值和速度限制，并将限制后的功率调制信号输送到功率转换器S5 ;所述功率转换器S5是根据采样控制器S1输出的直流电压信号，将功率限制器S4输出的功率调制信号转换为直流电流控制信号，输送到直流内部控制器中。
[0030]本发明提出的单回直流大信号调制控制器用于交直流输电系统中的直流输电线路的在线运行控制。主要选取直流输电线路两端的换流站母线功角δΑ、δΒ和电压信号νΑ、%及直流电压信号ud。作为控制器的输入信号。由于实时信号噪声较多，因此米样控制器S1得先进行滤波处理，得到滤波后的信号SA*、3#、1*、％*、和仏。*，同时将两端的功角信号经过减法器处理，得到两端系统相角差信号Λ δ。
[0031]将采样控制器S1输出的功角差信号Λ δ输入到微分控制器S2进行微分处理，得到直流连接的两段系统的角速度差信号Λ ω。
[0032]将微分控制器S2输出角速度差信号Λ ω输入到功率控制器S3中，进过乒乓控制，得到直流功率调制量的连续控制信号Λ Pd。。
[0033]功率控制器S3中的乒乓控制的控制策略是本控制器的技术核心，其控制策略在于当角速度差信号Λ ω大于某一正值ε 1时，APd。的值为KP,当角速度差信号Δ ω小于某一负值ε 2时，APdc的值为-KP，而当Λ ω的值大于等于ε !小于等于ε 2时，Δ Pdc的值为0。ε i和ε 2的值可以通过系统的仿真计算得出，而ΚΡ即为直流系统功率允许改变的最大幅值。
[0034]功率控制器S3中乒乓控制受直流两端交流电压VA、VB控制。当VA、VB低于一定的值时，乒乓控制将闭锁，此时无论速度差信号Λ ω如何变化APd。的输出值都为0。
[0035]将功率控制器S3输出的直流功率调制信号Λ Pdc将输入到功率限制器S4中，根据直流系统特性进行限幅限速控制，得到限制后到直流功率调制信号△ pd。*。
[0036]将采样控制器S1的直流电压信号Ud。*输入到功率转换器S5，经过低压限制控制得到ud。**，然后与功率限制器S4输出的直流功率调制信号Λ pd。*进行电流转换计算，得到直流内部控制常采用的电流信号Aid。。
[0037]最后将功率转换器S5输出的电流信号Aide接入到直流换流器的内部电流控制器中。
【权利要求】
1.一种基于乒乓控制的单回直流大信号调制控制器，其特征在于包括有采样控制器(S1)、微分控制器(S2)、功率控制器(S3)、功率限制器(S4)、功率转换器(S5)，其中采样控制器(S1)的输入端与直流线路整流侧换流站和逆变侧换流站相连，采集换流站的功角、电压等信号，采样控制器(S1)有两个输出端，一个输出端输出功角差信号，该输出功角差信号的输出端与微分控制器(S2)的输入端相接，采样控制器(S1)的另一个输出端输出换流站母线电压和直流电压信号，微分控制器(S2)的输出换流站母线电压和直流电压信号的输出端与功率控制器(S3)的输入端和功率转换器(S5)的输入端相接，功率控制器(S3)输出直流功率调制信号，且功率控制器(S3)输出端与功率限制器(S4)的输入端相接，功率限制器(S4)的输出端输出直流功率调制信号，且功率限制器(S4)的输出端与功率转换器(S5)的输入端相接，功率转换器(S5)输出直流电流调制信号，且功率转换器(S5)的输出端与直流逆变侧换流站内部电流控制器相接。
2.根据权利要求3所述的基于乒乓控制的单回直流大信号调制控制器，其特征在于当严重交流故障或者单回直流双极闭锁等故障发生时，该直流控制器的控制器通过采集的信号快速辨识出系统的振荡模式，通过直流功率的快速、紧急调制，有效地控制发电机群摇摆过程中区域间的功率平衡关系，起到抑制功角摇摆，提高稳定极限的作用。
3.一种基于乒乓控制的单回直流大信号调制控制器的控制方法其特征在于包括如下步骤: 1)采样控制器(S1)的功能是从直流输电系统整流站采集交流母线功角。和电压Vrec控制信号，从直流逆变站采集交流母线功角S inv和电压Vinv控制信号，从直流输电线采集直流电压控制信号ud。，对这些信号进行滤波，并得到整流侧和逆变侧的功角差信号Δ δ、滤波后的交流母线电压控制信号Vrec*和Vinv*，以及滤波后的直流电压控制信号Ud。* ； 2)微分控制器(S2)将信号采样控制器(S1)输出的功角差信号△δ进行微分，得到直流连接的两段系统的角速度差信号Λ ω ； 3)微分控制器(S2)输出角速度差信号△ω输入到功率控制器(S3)中，进过乒乓控制，得到直流功率调制量的连续控制信号APd。; 4)功率控制器(S3)输出的直流功率调制信号将输入到功率限制器(S4)中，根据直流系统特性进行限幅限速控制，得到限制后到直流功率调制信号APd。* ; 5)功率限制器(S4)输出的直流功率调制信号APd。*经过功率转换器(S5)得到直流内部控制常采用的电流信号△ Id。; 6)功率转换器(S5)输出的电流信号Aid。将接入到直流换流器的内部电流控制器中。
4.根据权利要求3所述的基于乒乓控制的单回直流大信号调制控制器的控制方法，其特征在于功率转换器(S5)的电压信号Ud。*需要经过低压限制控制才能进行功率电流转换计算，以防止电压过低时电流信号△ Id。超过了直流系统所能承受的范围。
5.根据权利要求3所述的基于乒乓控制的单回直流大信号调制控制器的控制方法，其特征在于乒乓控制的控制策略是当角速度差信号Λ ω大于某一正值ε ,时，APd。的值为KP,当角速度差信号Λ ω小于某一负值ε 2时，APdc的值为_KP，而当Λ ω的值大于等于ε 1小于等于ε 2时，APdc的值为Ο, ε i和ε 2的值通过系统的仿真计算得出，而ΚΡ即为直流系统功率允许改变的最大幅值。
6.根据权利要求3所述的基于乒乓控制的单回直流大信号调制控制器的控制方法，其特征在于乒乓控制受直流两端交流电压VA、VB控制，当VA、％低于一定的值时，乒乓控制将闭锁，此时无论速度差信号λ ω如何变化APd。的输出值都为0。
7.根据权利要求3所述的基于乒乓控制的单回直流大信号调制控制器的控制方法，其特征在于ε i和ε 2的值为0.001到0.01之间，而ΚΡ即为直流系统功率允许改变的最大幅值，一般情况下根据直流输电线路的特性，ΚΡ的值取在0.1到0.5之间。
【文档编号】H02J1/00GK104253428SQ201410191516
【公开日】2014年12月31日 申请日期:2014年5月7日 优先权日:2014年5月7日
【发明者】涂亮, 黄振林, 门锟, 管霖, 王长香, 赵立刚 申请人:南方电网科学研究院有限责任公司