本發(fā)明屬于全直流系統(tǒng)，具體地說(shuō)是一種全直流系統(tǒng)高壓直流變壓器的控制方法及裝置。

背景技術(shù)：

1、隨著電力電子技術(shù)和柔性直流輸電技術(shù)的發(fā)展，新能源全直流匯集送出方案應(yīng)時(shí)而生?；谥绷鲄R集-直流送出的新能源全直流技術(shù)僅需維持直流電壓穩(wěn)定即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定，具有控制目標(biāo)單一、響應(yīng)速度快、效率和功率密度高等優(yōu)點(diǎn)。與交流匯集方式相比，全直流匯集送出方案的匯集輸送距離遠(yuǎn)，不存在電壓/無(wú)功問(wèn)題和同步穩(wěn)定問(wèn)題，在大規(guī)模新能源廣域匯集遠(yuǎn)距離送出場(chǎng)景下極具競(jìng)爭(zhēng)力。具備高壓、高增益、大容量、功率單向流動(dòng)和隔離型等特點(diǎn)的直流變壓器是直流送出系統(tǒng)中的核心設(shè)備。高比例可再生能源發(fā)電和高比例電力電子設(shè)備電力系統(tǒng)具有寬頻動(dòng)態(tài)、低慣性、弱抗擾性、低過(guò)載能力等特點(diǎn)，不僅對(duì)傳統(tǒng)穩(wěn)定性產(chǎn)生重大影響，而且引發(fā)諧振等穩(wěn)定性問(wèn)題。

2、如果控制系統(tǒng)不能提供足夠大的阻尼，直流電流將持續(xù)存在較大的中低頻振蕩分量。容易引起監(jiān)控設(shè)備報(bào)警，嚴(yán)重情況下可能導(dǎo)致?lián)Q流站閉鎖停運(yùn)。隨著多個(gè)柔性直流工程的投入運(yùn)行，由于變流器在次同步頻率范圍內(nèi)的阻尼不足，發(fā)生了多起直流中高頻振蕩事件。隨著柔直工程建設(shè)的不斷深入，高頻諧振現(xiàn)象也隨之出現(xiàn)。后續(xù)在對(duì)振蕩現(xiàn)象的研究中發(fā)現(xiàn)，柔直工程中出現(xiàn)的高頻諧振現(xiàn)象和mmc的底端控制環(huán)節(jié)及控制鏈路延時(shí)有很大關(guān)系。解決上述問(wèn)題，需要改善系統(tǒng)的阻尼特性與動(dòng)態(tài)特性，以期達(dá)到抑制振蕩的效果。

3、為解決上述問(wèn)題，改善系統(tǒng)的阻尼特性與動(dòng)態(tài)特性，以期達(dá)到抑制振蕩的效果，主要采用有源阻尼和無(wú)源阻尼法。無(wú)源阻尼方法增加了無(wú)源器件，額外增加損耗，存在功耗大、轉(zhuǎn)換效率低等缺點(diǎn)，目前主要采用有源抑制措施來(lái)提升系統(tǒng)的穩(wěn)定。縮短mmc鏈路延時(shí)對(duì)系統(tǒng)硬件要求較高，可行性低，可以通過(guò)加入延時(shí)補(bǔ)償和附加阻尼控制等措施能夠抑制一定范圍內(nèi)高頻諧振的發(fā)生，從一定程度上提高系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度，但效果有限。通過(guò)在電壓前饋環(huán)節(jié)附加濾波器可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但是無(wú)法完全消除系統(tǒng)存在的振蕩風(fēng)險(xiǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)全直流系統(tǒng)下控制系統(tǒng)低慣性、弱抗擾性問(wèn)題，直流側(cè)阻尼不夠時(shí)存在振蕩的風(fēng)險(xiǎn)，本發(fā)明提供一種全直流系統(tǒng)高壓直流變壓器的控制方法及裝置，其通過(guò)狀態(tài)觀測(cè)器將電感上的電壓反饋至電流內(nèi)環(huán)來(lái)改善電流內(nèi)環(huán)，電壓外環(huán)通過(guò)引入直流側(cè)虛擬電阻增強(qiáng)直流側(cè)阻尼，實(shí)現(xiàn)電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)協(xié)同控制，以提高電流內(nèi)環(huán)的動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)定性，解決振蕩問(wèn)題。

2、為此，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案。

3、第一方面，本發(fā)明提供一種全直流系統(tǒng)高壓直流變壓器的控制方法，其內(nèi)容如下：

4、在傳統(tǒng)雙閉環(huán)控制方法基礎(chǔ)上，通過(guò)狀態(tài)觀測(cè)器將電感上的電壓反饋至電流內(nèi)環(huán)中對(duì)生成dq軸參考電壓產(chǎn)生影響，即經(jīng)過(guò)狀態(tài)觀測(cè)得到二次側(cè)調(diào)制波電壓，再將二次側(cè)調(diào)制波電壓與一次側(cè)調(diào)制波電壓作差得到電感上的電壓，將電感上的電壓反饋到電流內(nèi)環(huán)控制器的輸出，作為生成dq軸參考電壓的疊加項(xiàng)；

5、電壓外環(huán)通過(guò)引入直流側(cè)虛擬電阻增強(qiáng)直流側(cè)阻尼，修正電流內(nèi)環(huán)的參考電流，相當(dāng)于在直流側(cè)電容兩端并聯(lián)電阻，實(shí)現(xiàn)電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)協(xié)同控制。

6、進(jìn)一步地，由于狀態(tài)反饋對(duì)控制對(duì)象的所有狀態(tài)量都需要進(jìn)行檢測(cè)，這需要較多的傳感器，成本較高；通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，可以運(yùn)用輸出交流側(cè)電流與輸入控制量橋臂電壓，根據(jù)狀態(tài)觀測(cè)方程得到高壓直流變壓器二次側(cè)調(diào)制波電壓，無(wú)需設(shè)置專(zhuān)門(mén)的傳感器，因此這種觀測(cè)不會(huì)增加全直流系統(tǒng)的成本。

7、進(jìn)一步地，所述高壓直流變壓器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括位于一次側(cè)的第一mmc模塊和位于二次側(cè)的第二mmc模塊，兩個(gè)mmc模塊通過(guò)一個(gè)dc/dc交流變壓器連接。dc/dc交流變壓器在其中起到升壓以及電氣隔離等功能，模塊化配置使高壓直流變壓器能夠便捷地拓展到更高的電壓與更大的容量等級(jí)。

8、進(jìn)一步地，第一mmc模塊采用定直流電壓控制作為電流源運(yùn)行，通過(guò)引入直流側(cè)虛擬電阻增強(qiáng)直流側(cè)阻尼，修正電流內(nèi)環(huán)的參考電流，相當(dāng)于在直流側(cè)電容兩端并聯(lián)電阻，在不增加全直流系統(tǒng)損耗的前提下提高全直流系統(tǒng)的整體阻尼性能；第二mmc模塊通過(guò)開(kāi)環(huán)控制提供頻率參考和交流電壓有效值參考，作為電壓源運(yùn)行；第一mmc模塊和第二mmc模塊根據(jù)橋臂電壓參考值經(jīng)過(guò)子模塊電容電壓平衡控制和最近電平逼近調(diào)制確定mmc各橋需要投入的子模塊個(gè)數(shù)，最后產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)mmc的脈沖信號(hào)。

9、進(jìn)一步地，引入電感電壓反饋后的電流內(nèi)環(huán)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為：

10、，

11、其中， s表示拉普拉斯算子，

12、，

13、，

14、式中，為電流內(nèi)環(huán)pi控制器的比例系數(shù)，為電流內(nèi)環(huán)pi控制器的積分系數(shù)，為第一mmc模塊延時(shí)時(shí)間，為第二mmc模塊延時(shí)時(shí)間，和分別為第一mmc模塊、第二mmc模塊的調(diào)制比，為電感電壓反饋系數(shù)，為高壓直流變壓器輸出側(cè)直流電壓，為高壓側(cè)橋臂阻抗，為高壓側(cè)子模塊等效電容值，為交流變壓器變比，為mmc橋臂電抗和變壓器漏抗等效之和，為交流電壓d軸分量。

15、更進(jìn)一步地，電流內(nèi)環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

16、。

17、更進(jìn)一步地，在設(shè)計(jì) kc和pi控制器參數(shù)時(shí)，運(yùn)用勞斯穩(wěn)定判據(jù)得全直流系統(tǒng)穩(wěn)定的條件。只要滿足系統(tǒng)穩(wěn)定的條件，即可保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

18、進(jìn)一步地，引入阻尼后的電壓外環(huán)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為：

19、，

20、其中， s表示拉普拉斯算子，為交流電壓d軸分量，、分別為電壓外環(huán)pi控制器的比例、積分系數(shù)，為高壓直流變壓器輸入側(cè)直流電壓，為低壓側(cè)子模塊等效電容值，為電壓外環(huán)引入的阻尼系數(shù)；基于穩(wěn)態(tài)功率平衡式，=1.5/。

21、對(duì)電壓外環(huán)建模時(shí)，把電流內(nèi)環(huán)的閉環(huán)控制模型，當(dāng)做一階滯后模型看待，忽略高階時(shí)間常數(shù)，可簡(jiǎn)化為1/（t1s+1）的形式。

22、更進(jìn)一步地，所述的計(jì)算方法如下：

23、。

24、第二方面，本發(fā)明提供一種全直流系統(tǒng)高壓直流變壓器的控制裝置，其包括：

25、電流內(nèi)環(huán)控制單元：在傳統(tǒng)雙閉環(huán)控制方法基礎(chǔ)上，通過(guò)狀態(tài)觀測(cè)器將電感上的電壓反饋至電流內(nèi)環(huán)中對(duì)生成dq軸參考電壓產(chǎn)生影響，即經(jīng)過(guò)狀態(tài)觀測(cè)得到二次側(cè)調(diào)制波電壓，再將二次側(cè)調(diào)制波電壓與一次側(cè)調(diào)制波電壓作差得到電感上的電壓，將電感上的電壓反饋到電流內(nèi)環(huán)控制器的輸出，作為生成dq軸參考電壓的疊加項(xiàng)；

26、電壓外環(huán)控制單元：電壓外環(huán)通過(guò)引入直流側(cè)虛擬電阻增強(qiáng)直流側(cè)阻尼，修正電流內(nèi)環(huán)的參考電流，實(shí)現(xiàn)電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)協(xié)同控制。

27、本發(fā)明具有的有益效果如下：本發(fā)明在傳統(tǒng)雙閉環(huán)控制方法下，通過(guò)狀態(tài)觀測(cè)器將電感上的電壓反饋至電流內(nèi)環(huán)來(lái)改善電流內(nèi)環(huán)，可以提高電流內(nèi)環(huán)的動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)定性，解決振蕩問(wèn)題；電壓外環(huán)通過(guò)引入直流側(cè)虛擬電阻增強(qiáng)直流側(cè)阻尼，修正電流內(nèi)環(huán)的參考電流，實(shí)現(xiàn)電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)協(xié)同控制，系統(tǒng)的阻尼特性得到提高。

技術(shù)特征：

1.一種全直流系統(tǒng)高壓直流變壓器的控制方法，其特征在于，

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制方法，其特征在于，運(yùn)用輸出交流側(cè)電流與輸入控制量橋臂電壓，根據(jù)狀態(tài)觀測(cè)方程得到高壓直流變壓器二次側(cè)調(diào)制波電壓。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述高壓直流變壓器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括位于一次側(cè)的第一mmc模塊和位于二次側(cè)的第二mmc模塊，兩個(gè)mmc模塊通過(guò)一個(gè)dc/dc交流變壓器連接。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的控制方法，其特征在于，第一mmc模塊采用定直流電壓控制作為電流源運(yùn)行，通過(guò)引入直流側(cè)虛擬電阻增強(qiáng)直流側(cè)阻尼，修正電流內(nèi)環(huán)的參考電流，相當(dāng)于在直流側(cè)電容兩端并聯(lián)電阻；第二mmc模塊通過(guò)開(kāi)環(huán)控制提供頻率參考和交流電壓有效值參考，作為電壓源運(yùn)行；第一mmc模塊和第二mmc模塊根據(jù)橋臂電壓參考值經(jīng)過(guò)子模塊電容電壓平衡控制和最近電平逼近調(diào)制確定mmc各橋需要投入的子模塊個(gè)數(shù)，最后產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)mmc的脈沖信號(hào)。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制方法，其特征在于，引入電感電壓反饋后的電流內(nèi)環(huán)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的控制方法，其特征在于，電流內(nèi)環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制方法，其特征在于，在設(shè)計(jì)kc和pi控制器參數(shù)時(shí)，運(yùn)用勞斯穩(wěn)定判據(jù)得全直流系統(tǒng)穩(wěn)定的條件。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制方法，其特征在于，引入阻尼后的電壓外環(huán)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為：

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的控制方法，其特征在于，所述的計(jì)算方法如下：

10.一種全直流系統(tǒng)高壓直流變壓器的控制裝置，其特征在于，包括：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)了一種全直流系統(tǒng)高壓直流變壓器的控制方法及裝置。本發(fā)明的控制方法為：在傳統(tǒng)雙閉環(huán)控制方法基礎(chǔ)上，通過(guò)狀態(tài)觀測(cè)器將電感上的電壓反饋至電流內(nèi)環(huán)中對(duì)生成dq軸參考電壓產(chǎn)生影響，即經(jīng)過(guò)狀態(tài)觀測(cè)得到二次側(cè)調(diào)制波電壓，再將二次側(cè)調(diào)制波電壓與一次側(cè)調(diào)制波電壓作差得到電感上的電壓，將電感上的電壓反饋到電流內(nèi)環(huán)控制器的輸出，作為生成dq軸參考電壓的疊加項(xiàng)；電壓外環(huán)通過(guò)引入直流側(cè)虛擬電阻增強(qiáng)直流側(cè)阻尼，修正電流內(nèi)環(huán)的參考電流。本發(fā)明通過(guò)狀態(tài)觀測(cè)器將電感上的電壓反饋至電流內(nèi)環(huán)來(lái)改善電流內(nèi)環(huán)，通過(guò)引入直流側(cè)虛擬電阻增強(qiáng)直流側(cè)阻尼，實(shí)現(xiàn)電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)協(xié)同控制，提高電流內(nèi)環(huán)的動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)定性，解決振蕩問(wèn)題。

技術(shù)研發(fā)人員：陳騫,陸翌,裘鵬,丁超,謝浩鎧,倪曉軍,鄭眉,干方宇
受保護(hù)的技術(shù)使用者：國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/10