一种基于比例谐振控制器的VSC-HVDC系统控制方法与流程

本发明涉及柔性高压直流输电技术领域，尤其涉及一种新型换流器控制策略。

背景技术：

vsc-hvdc具有可独立控制有功和无功功率传输、可向弱交流电网及无源系统供电且无需站间通讯、潮流反转时直流电压极性不变、输出电压低次谐波含量减少等特点。因此vsc-hvdc特别适合于大规模风力发电的并网、城市供电和异步交流电网互联等场合。目前，对于vsc-hvdc系统的控制策略主要分为间接控制和直接控制。间接控制即通过控制vsc交流侧电压基波幅值和相角来达到控制目标，该方法结构简单，但存在电流动态响应慢的缺点。目前工业中占主导地位的直接控制通常由外环功率、电压控制和内环电流控制两个环构成，具有快速电流响应特性和限流能力。该方法具有算法简单、可靠性强和易于实现的特点，但在dq旋转坐标系下，内环电流解耦控制器需添加前馈补偿以抵消vsc数学模型中交叉耦合项的影响，降低了控制系统鲁棒性。

比例谐振控制在电机和光伏逆变器控制中应用较多，本发明将αβ静止坐标系下的比例谐振控制(pr)引入到vsc-hvdc控制系统中，通过改进了内环电流控制器的设计，可以实现系统控制中有功、无功的精确解耦。

技术实现要素：

针对目前主流控制技术——传统双闭环比例积分(pi)控制器中电流内环需要依赖系统数学模型进行前馈解耦补偿而造成系统鲁棒性低的情况，本发明提出了一种引入αβ静止坐标系下的pr控制方法并改进了内环电流控制器的方法。该发明实现有功功率和无功功率内环控制精确解耦，具有响应速度快、控制精度高的有点。技术方案如下。

一种基于比例谐振控制器的vsc-hvdc系统控制方法，采用双闭环结构，控制方式为pq控制方式或uq控制方式，pq控制方式时，外环为有功外环和无功外环；uq控制方式时，外环为电压外环和无功外环，外环控制均采用比例积分控制器，外环向内环提供电流参考值；内环为电流环，其控制器采用比例谐振控制器，并为相应的调制策略提供调制电压参考值。

当采用pq控制方式时，外环为定有功功率p控制和定无功功率q控制，控制方式如下：

(1)测量换流器交流侧pcc点电网电压usa、usb、usc和相电抗器上流过的电流isa、isb、isc经过坐标变换得到其α、β轴分量usα、usβ和isα、isβ，并计算pcc点传输的有功功率p和无功功率q；

(2)以有功功率p和有功功率参考值pref作为有功功率外环的输入信号，经过的比例积分控制器，得到d轴参考值isdref，再经过dq-αβ变换坐标，输出内环电流参考值isαref；

(3)以无功功率q和无功功率参考值qref作为无功功率外环的输入信号，经过的比例积分控制器，得到q轴参考值isqref，再经过dq-αβ变换坐标，输出内环电流参考值isβref；

(4)以isαref、isα作为有功功率电流内环的输入信号，经过的比例谐振控制器，再叠加上交流侧pcc点电网电压的α轴分量usα，得到换流器出口等效电压的α轴参考值ucαref；

(5)以isβref、isβ作为无功功率电流内环的输入信号，经过的比例谐振控制器，再叠加上交流侧pcc点电网电压的β轴分量usβ，得到换流器出口等效电压的β轴参考值ucβref；

(6)将ucαref和ucβref经αβ-abc坐标变换得到三相桥臂调制波参考电压uaref、ubref、ucref，再经阀级控制得到vsc-hvdc桥臂的开关状态。

当采用uq控制方式时，外环为定直流电压u控制和定无功功率q控制，控制方式如下：

(1)测量换流器交流侧pcc点电网电压usa、usb、usc和相电抗器上流过的电流isa、isb、isc经过坐标变换得到其α、β轴分量usα、usβ和isα、isβ，并计算pcc点传输的无功功率q，并计算直流电压udc；

(2)以直流电压udc和直流电压参考值udcref作为直流电压外环的输入信号，经过的比例积分控制器，得到d轴参考值isdref，再经过dq-αβ变换坐标，输出内环电流参考值isαref；

(3)以无功功率q和无功功率参考值qref作为无功功率外环的输入信号，经过的比例积分控制器，得到q轴参考值isqref，再经过dq-αβ变换坐标，输出内环电流参考值isβref；

(4)以isαref、isα作为有功功率电流内环的输入信号，经过的比例谐振控制器，再叠加上交流侧pcc点电网电压的α轴分量usα，得到换流器出口等效电压的α轴参考值ucαref；

(5)以isβref、isβ作为无功功率电流内环的输入信号，经过的比例谐振控制器，再叠加上交流侧pcc点电网电压的β轴分量usβ，得到换流器出口等效电压的β轴参考值ucβref；

(6)将ucαref和ucβref经αβ-abc坐标变换得到三相桥臂调制波参考电压uaref、ubref、ucref，再经阀级控制得到vsc-hvdc桥臂的开关状态。

本发明有益效果如下：

1.基于比例谐振控制的内环电流控制器能有效跟踪指定频率的交流信号，实现无静差跟踪

2.相比于传统dq同步旋转坐标系下的比例积分控制器，αβ坐标系下的比例谐振控制器模型无交叉耦合项，解决了目前传统pi控制中可以实现精确解耦。

附图说明

图1vsc-hvdc整体控制系统结构

图2vsc-hvdc外环控制结构

图3基于比例谐振控制器的内环控制结构

具体实施方式

本发明在现有vsc-hvdc控制技术的优缺点的基础上，提出了基于比例谐振控制器的内环电流控制策略，一方面继承了双闭环控制结构响应速度快，实现有功功率、无功功率解耦控制的优点，另一方面通过引入比例谐振控制器，实现了对于指定频率的交流信号无静差跟踪，并且αβ坐标系下控制模型无交叉耦合项，实现了精确解耦。

vsc-hvdc整体控制系统如图1所示，本发明提出的新型控制策略针对图1中的有功功率控制、无功功率控制和直流电压控制设计的。

(1)外环控制器有功、无功功率控制器

如图2所示电流参考值isdref、isqref即可调节交流电网与vsc-hvdc之间传输的有功、无功功率。采用开环和pi环节组合方式设计有功、无功功率控制器，控制器方程如下：

式中，kp1、kp2和ki1、ki2分别为比例和积分时间系数，下同。

(2)直流电压控制器

当vsc交流侧与直流侧有功不平衡时，将引起直流侧电容电压波动，控制有功电流isd向直流电容充电(或放电)，可以保持直流电压udc稳定在参考值udcref。因此如图2所示设计如下直流电压控制器：

(3)内环电流控制器

图3中的比例谐振(pr)控制器是由比例环节和广义积分环节组成，其传递函数如下：

式中：kp、kr分别为比例和积分时间系数；ω0为谐振频率。当输入信号角频率为ω0时，pr控制器增益为无穷大，可以实现正弦输入信号的无静差跟踪，类似于pi控制的积分器，后者在0hz处增益无穷大。

式中的广义积分环节可分解为如下2个简单的积分器：

式中，x，y分别表示广义积分环节的输入、输出量；v表示输出反馈量。由上述可知，pr控制可对角频率为ω0的交流信号进行无静差跟踪，因此可将pr控制器引入到αβ坐标系下的内环电流控制器中。

图3中，isαref、isβref表示内环电流参考值的α、β轴分量，是由外环控制器输出的d、q轴电流参考值isdref、isqref经dq-αβ变换得到，isα、isβ表示内环电流测量值的α、β轴分量，usα、usβ表示pcc电网电压测量值的α、β轴分量，ucαref、ucβref表示内环控制器输出的vsc电压参考值的α、β轴分量，将ucαref、ucβref经αβ-abc坐标变换得到三相桥臂调制波参考电压ucaref、ucbref、uccref，再经阀级控制得到vsc-hvdc桥臂的开关状态。

本发明提出的基于比例谐振控制的vsc-hvdc系统新型控制策略。现结合图1、图2和图3进行说明，该策略的最佳实施方案描述如下：

1.测量换流器交流侧ppc点电网电压usa、usb、usc和相电抗器上流过的电流isa、isb、isc,经过abc-αβ坐标变换得到usα、usβ和isα、isβ，并计算pcc点传输的有功功率p和无功功率q；

2.以p(udc)和pref(udcref)作为有功功率(直流电压)外环的输入信号，经过比例积分控制器和dq-αβ坐标变换，输出电流的α轴参考值isαref；

3.以q和qref作为无功功率外环的输入信号，经过比例积分控制器和dq-αβ坐标变换，输出电流的β轴参考值isβref；

4.分别以isαref、isα和isβref、isβ电作为电流内环的输入信号，经过所述的比例谐振控制器，并与usα、usβ相结合，输出换流器出口等效电压α、β轴参考值ucαref和ucβref；

5.将ucαref和ucβref经坐标变换得到三相桥臂调制波参考电压uaref、ubref和ucref，再经阀级控制得到vsc-hvdc桥臂开关状态。

上述描述中2、3、4点是本发明的创新所在。