基于柔性直流輸電系統(tǒng)換流站級改進型控制策略的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及基于柔性直流輸電系統(tǒng)的改進型控制策略，屬于電力技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 柔性直流輸電系統(tǒng)換流站級控制接收系統(tǒng)級的有功和無功類物理量參考值，并得 到 SPWM信號的調(diào)制比Μ和移相角I提供給換流閥級控制的觸發(fā)脈沖發(fā)生環(huán)節(jié)。由柔性直 流基本調(diào)節(jié)方式可知，的變化主要影響有功功率，Μ的變化主要影響無功功率，且g越小這 種關(guān)系越明顯。因此，可以通過改變相位角S來控制有功功率，通過改變調(diào)制比Μ來控制無 功功率。
[0003] 換流站級控制的實現(xiàn)方式有多種，如直接控制，矢量控制和自適應(yīng)控制等。傳統(tǒng) 上，針對柔性直流輸電系統(tǒng)的換流站一般采取以下幾種控制方法：①直接控制又稱"間接電 流控制"，其接受系統(tǒng)級控制器的指令，通過控制調(diào)制比和移相角來達到調(diào)節(jié)換流器交流側(cè) 輸出電壓的幅值和相位的目的。此控制方式簡單，直接，但響應(yīng)速度比較慢，不容易實現(xiàn)過 電流控制。②矢量控制又稱"直接電流控制"，通常采用雙環(huán)控制，即外環(huán)電壓控制和內(nèi)環(huán)電 流控制。矢量控制結(jié)構(gòu)比較簡單，其響應(yīng)速度快，容易實現(xiàn)過電流等控制，適用于柔性直流 應(yīng)用場合。但矢量控制需要復(fù)雜的坐標變換過程，需要復(fù)雜的解耦算法，閉環(huán)設(shè)計為關(guān)鍵， 參數(shù)整定較繁瑣，坐標定向容易受到網(wǎng)壓畸變得影響。③新的控制策略也不斷出現(xiàn)，如重復(fù) 控制，自適應(yīng)控制，滑?？刂频?。但一般這些控制策略多用于中小功率場合。
[0004] 在柔性直流輸電系統(tǒng)中，換流站級控制是柔性直流輸電系統(tǒng)控制中的核心部分， 如何使換流站具有快速的動態(tài)響應(yīng)，簡化的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)高功率因素獲得穩(wěn)定的輸 出電壓是本發(fā)明專利的研究重點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于保證柔性直流輸電系統(tǒng)換流站輸出穩(wěn)定的電壓的同時，基于傳 統(tǒng)的矢量控制的基礎(chǔ)上，通過改進內(nèi)環(huán)電流控制算法，有功類參考量和無功類參考量經(jīng)過 外環(huán)控制器生成有功參考電流，無功參考電流；參考電流，直流側(cè)電壓電流經(jīng)過內(nèi)環(huán)預(yù)測電 流控制生成PWM觸發(fā)器中的調(diào)制波；最后PWM觸發(fā)器輸出脈沖使開關(guān)動作。在保證柔性直 流輸電系統(tǒng)穩(wěn)定運行的同時，通過改變換流站的控制策略，提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和快速 性，使系統(tǒng)運行更理想，實現(xiàn)過程容易且簡單。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)特征如下：
[0007] (1)改進的內(nèi)環(huán)預(yù)測電流控制是在固定的采樣周期內(nèi)，將本周期的電流誤差轉(zhuǎn)化 為電壓信號，作為閥級控制的給定值，令下一周期實際電流跟蹤參考電流，從而使換流器具 有快速的動態(tài)響應(yīng)，實現(xiàn)高功率因素，獲得穩(wěn)定的輸出電壓。
[0008] (2)改進的內(nèi)環(huán)預(yù)測電流控制策略，是以本次采樣實際電流與下一個采樣時刻的 預(yù)測電流進行比較，求出最優(yōu)控制電壓以及電壓空間矢量，使得電流誤差最小，迫使下一 個采樣時刻的實際電流以最優(yōu)特性跟蹤這一時刻參考電流?？刂谱兞恐g沒有耦合關(guān)系， 無需解耦控制，極大的簡化了數(shù)學(xué)模型，使得控制結(jié)構(gòu)簡單易行，簡化了換流站級控制系統(tǒng) 的設(shè)計。
[0009] (3)改進型的預(yù)測電流控制策略應(yīng)用于柔性直流輸電系統(tǒng)，能快速的調(diào)節(jié)系統(tǒng)的 有功功率和無功功率，實時性好，容易數(shù)字化實現(xiàn)，具有良好的魯棒性。
[0010] 其有益效果是：
[0011] 本發(fā)明重點研究針對柔性直流輸電系統(tǒng)換流站級改進型控制策略，將傳統(tǒng)矢量控 制中內(nèi)環(huán)電流控制改進成預(yù)測電流控制。
[0012] (1)柔性直流輸電系統(tǒng)換流站級改進型控制策略簡化了換流站級的控制系統(tǒng)結(jié) 構(gòu)，提高了系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)速度，節(jié)約成本。
[0013] (2)改進型的預(yù)測電流控制策略應(yīng)用于柔性直流輸電系統(tǒng)能快速的調(diào)節(jié)系統(tǒng)的有 功功率和無功功率，實時性好，容易數(shù)字化實現(xiàn)，具有良好的魯棒性；從而提高系統(tǒng)的經(jīng)濟 效益和實用效益。
【附圖說明】
[0014] 圖1為改進的內(nèi)環(huán)預(yù)測電流控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計圖。
[0015] 圖2為換流站采用改進控制策略的整體控制結(jié)構(gòu)設(shè)計圖。
[0016] 圖3為柔性直流輸電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。
【具體實施方式】
[0017] 下面結(jié)合附圖和具體實施過程對本發(fā)明作進一步描述。
[0018] 參見圖1，基于傳統(tǒng)的矢量控制的基礎(chǔ)上改進內(nèi)環(huán)電流控制算法，假定系統(tǒng)采樣周 期為Ts，由換流站（VSC)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型表達式如式（1)可得相電流t = (K+l)Ts時刻的 預(yù)測模型為式（2)。
r ? ⑴
[0019]
[0020] 等效電路usa，usb，us。分別表示交流側(cè)系統(tǒng)的三相電壓，其中三相電壓保持平衡滿 足u sa+usb+usc= 0 ;其中u ca，ucb，ucc為采用PWM調(diào)制的VSC所輸出的三相相電壓；N表示直流 側(cè)母線中性點；L表示等值電抗；R表示等值電阻。
[0021] 使線電流在一個開關(guān)周期內(nèi)跟蹤參考電流，滿足上述（1)式可以得出固定開關(guān)頻 率的預(yù)測電流控制規(guī)律為：
[0022]
(2)
[0023] 其中Vj (k)表示在t = KT時刻第j相輸出的控制信號，滿足-1彡Vj (k)彡1，j =a，b, c ;ude(k)為在t = nT時刻直流側(cè)母線電壓叫=Ln/Ts;a2= Rn;LjP Rj別表示 等效電路圖2中R和L的值；T為采樣周期當采樣周期足夠小時，可近似認為i,(k+l)= i]raf(k) ;i,(k+l)為相電流下一時刻的預(yù)測值；因此可以得到相應(yīng)的電流內(nèi)環(huán)傳遞函數(shù)為：
[0024] G(z) = ij(Z)/ijref (z) = 1/z (3)
[0025] 因此可以得到預(yù)測電流控制器的函數(shù)為：
[0026]
(4)
[0027] 由式（4)就可以設(shè)計出相應(yīng)預(yù)測電流控制器的內(nèi)環(huán)電流控制結(jié)構(gòu)圖1。
[0028] 參見圖2,換流站基于改進型預(yù)測電流控制框圖。PLL表示鎖相環(huán)使輸出電壓信號 與交流側(cè)電壓保持同步。有功類和無功類參考值經(jīng)過外環(huán)控制器生成有功參考電流i draf， 無功參考電流iqraf;生成的參考電流經(jīng)過dq坐標變換為三相電流與直流側(cè)電壓電流經(jīng)過內(nèi) 環(huán)預(yù)測電流控制器生成PWM觸發(fā)器中的調(diào)制波；最后PWM觸發(fā)器輸出脈沖使開關(guān)動作。其 中有功類參考值主要包括有功功率，直流側(cè)電壓，頻率；無功類參考值主要包括無功功率， 交流電壓。
[0029] 參見圖3,為兩端柔性直流輸電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，由交流側(cè)電源，換流電抗器，換流 站，直流輸電線路組成；其中換流站級控制采用改進型的控制方法。
[0030] 由系統(tǒng)級控制器生成的有功類參考量和無功類參考量經(jīng)外環(huán)控制器生成有功電 流參考值i draf和無功電流參考值i qraf;換流閥的控制是由參考電流，交流側(cè)電流經(jīng)過⑷式 的內(nèi)環(huán)預(yù)測電流控制器通過得到內(nèi)環(huán)控制器輸出的電壓d，q軸分量的期望值U draf，，通 過PWM調(diào)制而產(chǎn)生，通常是通過改變調(diào)制比Μ和移相角度g:來實現(xiàn)。當已知Udraf，1]_時，調(diào) 制比Μ和移相角g由式（5)計算：
[0031]
_2]
(5)
[0033] 調(diào)制比Μ決定了正弦調(diào)制波信號的幅值，初始相位由移相角@決定，而載波一般為 等腰三角波。對每相而言，當調(diào)制波大于載波時上橋臂導(dǎo)通，反之則下橋臂導(dǎo)通。故調(diào)制比 Μ和移相角g就決定了每相橋臂的觸發(fā)脈沖，進而決定了換流站輸出的電壓波形。
【主權(quán)項】
1. 針對柔性直流輸電系統(tǒng)換流站級改進型控制策略，其特征在于：在傳統(tǒng)矢量控制的 基礎(chǔ)上，簡化了內(nèi)環(huán)電流控制用預(yù)測控制模型代替。具體針對換流站的數(shù)學(xué)模型進行推導(dǎo)， 得到內(nèi)環(huán)預(yù)測電流控制的表達式來替代傳統(tǒng)的內(nèi)環(huán)電流控制方式，內(nèi)環(huán)控制器輸出三相電 壓期望值，通過閥級控制得到調(diào)制度M和移相角(3。與其他控制該控制策略相比具有以下優(yōu) 勢：擁有控制結(jié)構(gòu)簡單，消耗更少的計算時間，動態(tài)響應(yīng)快，快速跟蹤參考值和輸出電壓穩(wěn) 定。2. 根據(jù)權(quán)利要求1，所述的針對柔性直流輸電系統(tǒng)換流站級改進型控制策略，其應(yīng)用 到柔性直流輸電系統(tǒng)的特征在于：應(yīng)用于兩端柔性直流輸電系統(tǒng)，換流站級內(nèi)環(huán)控制無需 前饋解耦控制，結(jié)構(gòu)簡單，動態(tài)響應(yīng)快；適用于所有的柔性直流輸電工程，包括傳統(tǒng)的兩電 平，三電平VSC-HVDC系統(tǒng)和模塊化多電平MMC-HVDC。
【專利摘要】本發(fā)明公開了用于解決柔性直流輸電換流站級控制系統(tǒng)的電流動態(tài)響應(yīng)慢，控制系統(tǒng)復(fù)雜，魯棒性等問題；針對傳統(tǒng)的柔性直流輸電技術(shù)采用的直接電流雙閉環(huán)控制，通過改進內(nèi)環(huán)電流控制算法，在傳統(tǒng)矢量控制理論的基礎(chǔ)上，簡化了內(nèi)環(huán)控制數(shù)學(xué)模型用預(yù)測控制模型代替，無需解耦環(huán)節(jié)；該控制策略具有以下優(yōu)勢：擁有控制結(jié)構(gòu)簡單,消耗更少的計算時間，動態(tài)響應(yīng)快，快速跟蹤參考值和輸出電壓穩(wěn)定。本發(fā)明在保證柔性直流輸電系統(tǒng)穩(wěn)定運行的同時，通過改變換流站的控制策略，提高了穩(wěn)定性和快速性，使系統(tǒng)運行更理想，實現(xiàn)過程容易且簡單，大大節(jié)約了設(shè)備成本。
【IPC分類】H02J3/36
【公開號】CN105529731
【申請?zhí)枴緾N201510768055
【發(fā)明人】夏向陽, 邱欣, 彭夢妮, 易浩民, 杜榮林, 楊超
【申請人】長沙理工大學(xué)
【公開日】2016年4月27日
【申請日】2015年11月11日