基于柔性直流输电系统换流站级改进型控制策略的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及基于柔性直流输电系统的改进型控制策略，属于电力技术领域。
【背景技术】
[0002] 柔性直流输电系统换流站级控制接收系统级的有功和无功类物理量参考值，并得 到 SPWM信号的调制比Μ和移相角I提供给换流阀级控制的触发脉冲发生环节。由柔性直 流基本调节方式可知，的变化主要影响有功功率，Μ的变化主要影响无功功率，且g越小这 种关系越明显。因此，可以通过改变相位角S来控制有功功率，通过改变调制比Μ来控制无 功功率。
[0003] 换流站级控制的实现方式有多种，如直接控制，矢量控制和自适应控制等。传统 上，针对柔性直流输电系统的换流站一般采取以下几种控制方法：①直接控制又称"间接电 流控制"，其接受系统级控制器的指令，通过控制调制比和移相角来达到调节换流器交流侧 输出电压的幅值和相位的目的。此控制方式简单，直接，但响应速度比较慢，不容易实现过 电流控制。②矢量控制又称"直接电流控制"，通常采用双环控制，即外环电压控制和内环电 流控制。矢量控制结构比较简单，其响应速度快，容易实现过电流等控制，适用于柔性直流 应用场合。但矢量控制需要复杂的坐标变换过程，需要复杂的解耦算法，闭环设计为关键， 参数整定较繁琐，坐标定向容易受到网压畸变得影响。③新的控制策略也不断出现，如重复 控制，自适应控制，滑模控制等。但一般这些控制策略多用于中小功率场合。
[0004] 在柔性直流输电系统中，换流站级控制是柔性直流输电系统控制中的核心部分， 如何使换流站具有快速的动态响应，简化的控制系统结构，实现高功率因素获得稳定的输 出电压是本发明专利的研究重点。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于保证柔性直流输电系统换流站输出稳定的电压的同时，基于传 统的矢量控制的基础上，通过改进内环电流控制算法，有功类参考量和无功类参考量经过 外环控制器生成有功参考电流，无功参考电流；参考电流，直流侧电压电流经过内环预测电 流控制生成PWM触发器中的调制波；最后PWM触发器输出脉冲使开关动作。在保证柔性直 流输电系统稳定运行的同时，通过改变换流站的控制策略，提高系统运行的稳定性和快速 性，使系统运行更理想，实现过程容易且简单。
[0006] 本发明的技术特征如下：
[0007] (1)改进的内环预测电流控制是在固定的采样周期内，将本周期的电流误差转化 为电压信号，作为阀级控制的给定值，令下一周期实际电流跟踪参考电流，从而使换流器具 有快速的动态响应，实现高功率因素，获得稳定的输出电压。
[0008] (2)改进的内环预测电流控制策略，是以本次采样实际电流与下一个采样时刻的 预测电流进行比较，求出最优控制电压以及电压空间矢量，使得电流误差最小，迫使下一 个采样时刻的实际电流以最优特性跟踪这一时刻参考电流。控制变量之间没有耦合关系， 无需解耦控制，极大的简化了数学模型，使得控制结构简单易行，简化了换流站级控制系统 的设计。
[0009] (3)改进型的预测电流控制策略应用于柔性直流输电系统，能快速的调节系统的 有功功率和无功功率，实时性好，容易数字化实现，具有良好的鲁棒性。
[0010] 其有益效果是：
[0011] 本发明重点研究针对柔性直流输电系统换流站级改进型控制策略，将传统矢量控 制中内环电流控制改进成预测电流控制。
[0012] (1)柔性直流输电系统换流站级改进型控制策略简化了换流站级的控制系统结 构，提高了系统动态响应速度，节约成本。
[0013] (2)改进型的预测电流控制策略应用于柔性直流输电系统能快速的调节系统的有 功功率和无功功率，实时性好，容易数字化实现，具有良好的鲁棒性；从而提高系统的经济 效益和实用效益。
【附图说明】
[0014] 图1为改进的内环预测电流控制系统结构设计图。
[0015] 图2为换流站采用改进控制策略的整体控制结构设计图。
[0016] 图3为柔性直流输电系统的结构图。
【具体实施方式】
[0017] 下面结合附图和具体实施过程对本发明作进一步描述。
[0018] 参见图1，基于传统的矢量控制的基础上改进内环电流控制算法，假定系统采样周 期为Ts，由换流站（VSC)的动态数学模型表达式如式（1)可得相电流t = (K+l)Ts时刻的 预测模型为式（2)。
r ? ⑴
[0019]
[0020] 等效电路usa，usb，us。分别表示交流侧系统的三相电压，其中三相电压保持平衡满 足u sa+usb+usc= 0 ;其中u ca，ucb，ucc为采用PWM调制的VSC所输出的三相相电压；N表示直流 侧母线中性点；L表示等值电抗；R表示等值电阻。
[0021] 使线电流在一个开关周期内跟踪参考电流，满足上述（1)式可以得出固定开关频 率的预测电流控制规律为：
[0022]
(2)
[0023] 其中Vj (k)表示在t = KT时刻第j相输出的控制信号，满足-1彡Vj (k)彡1，j =a，b, c ;ude(k)为在t = nT时刻直流侧母线电压叫=Ln/Ts;a2= Rn;LjP Rj别表示 等效电路图2中R和L的值；T为采样周期当采样周期足够小时，可近似认为i,(k+l)= i]raf(k) ;i,(k+l)为相电流下一时刻的预测值；因此可以得到相应的电流内环传递函数为：
[0024] G(z) = ij(Z)/ijref (z) = 1/z (3)
[0025] 因此可以得到预测电流控制器的函数为：
[0026]
(4)
[0027] 由式（4)就可以设计出相应预测电流控制器的内环电流控制结构图1。
[0028] 参见图2,换流站基于改进型预测电流控制框图。PLL表示锁相环使输出电压信号 与交流侧电压保持同步。有功类和无功类参考值经过外环控制器生成有功参考电流i draf， 无功参考电流iqraf;生成的参考电流经过dq坐标变换为三相电流与直流侧电压电流经过内 环预测电流控制器生成PWM触发器中的调制波；最后PWM触发器输出脉冲使开关动作。其 中有功类参考值主要包括有功功率，直流侧电压，频率；无功类参考值主要包括无功功率， 交流电压。
[0029] 参见图3,为两端柔性直流输电系统的结构图，由交流侧电源，换流电抗器，换流 站，直流输电线路组成；其中换流站级控制采用改进型的控制方法。
[0030] 由系统级控制器生成的有功类参考量和无功类参考量经外环控制器生成有功电 流参考值i draf和无功电流参考值i qraf;换流阀的控制是由参考电流，交流侧电流经过⑷式 的内环预测电流控制器通过得到内环控制器输出的电压d，q轴分量的期望值U draf，，通 过PWM调制而产生，通常是通过改变调制比Μ和移相角度g:来实现。当已知Udraf，1]_时，调 制比Μ和移相角g由式（5)计算：
[0031]
_2]
(5)
[0033] 调制比Μ决定了正弦调制波信号的幅值，初始相位由移相角@决定，而载波一般为 等腰三角波。对每相而言，当调制波大于载波时上桥臂导通，反之则下桥臂导通。故调制比 Μ和移相角g就决定了每相桥臂的触发脉冲，进而决定了换流站输出的电压波形。
【主权项】
1. 针对柔性直流输电系统换流站级改进型控制策略，其特征在于：在传统矢量控制的 基础上，简化了内环电流控制用预测控制模型代替。具体针对换流站的数学模型进行推导， 得到内环预测电流控制的表达式来替代传统的内环电流控制方式，内环控制器输出三相电 压期望值，通过阀级控制得到调制度M和移相角(3。与其他控制该控制策略相比具有以下优 势：拥有控制结构简单，消耗更少的计算时间，动态响应快，快速跟踪参考值和输出电压稳 定。2. 根据权利要求1，所述的针对柔性直流输电系统换流站级改进型控制策略，其应用 到柔性直流输电系统的特征在于：应用于两端柔性直流输电系统，换流站级内环控制无需 前馈解耦控制，结构简单，动态响应快；适用于所有的柔性直流输电工程，包括传统的两电 平，三电平VSC-HVDC系统和模块化多电平MMC-HVDC。
【专利摘要】本发明公开了用于解决柔性直流输电换流站级控制系统的电流动态响应慢，控制系统复杂，鲁棒性等问题；针对传统的柔性直流输电技术采用的直接电流双闭环控制，通过改进内环电流控制算法，在传统矢量控制理论的基础上，简化了内环控制数学模型用预测控制模型代替，无需解耦环节；该控制策略具有以下优势：拥有控制结构简单,消耗更少的计算时间，动态响应快，快速跟踪参考值和输出电压稳定。本发明在保证柔性直流输电系统稳定运行的同时，通过改变换流站的控制策略，提高了稳定性和快速性，使系统运行更理想，实现过程容易且简单，大大节约了设备成本。
【IPC分类】H02J3/36
【公开号】CN105529731
【申请号】CN201510768055
【发明人】夏向阳, 邱欣, 彭梦妮, 易浩民, 杜荣林, 杨超
【申请人】长沙理工大学
【公开日】2016年4月27日
【申请日】2015年11月11日