本發(fā)明涉及vsc-hvdc輸電系統(tǒng)的控制領(lǐng)域，特別是vsc-hvdc輸電系統(tǒng)中整流站變換器的穩(wěn)定控制方法。

背景技術(shù)：

vsc-hvdc輸電系統(tǒng)具有可向無源網(wǎng)絡(luò)供電、有功與無功功率可獨立控制和無換相失敗風(fēng)險等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于離岸風(fēng)電場并網(wǎng)、交流電網(wǎng)的異步互聯(lián)和向無源網(wǎng)絡(luò)供電等場合。然而，vsc-hvdc輸電系統(tǒng)是換流站變換器間通過直流輸電電纜構(gòu)成的級聯(lián)系統(tǒng)，并且逆變站變換器會表現(xiàn)為恒功率負載，恒功率負載具有的負增量阻抗特性會導(dǎo)致系統(tǒng)動態(tài)特性變差，甚至發(fā)生振蕩失穩(wěn)現(xiàn)象，這嚴重制約著vsc-hvdc輸電技術(shù)的推廣和應(yīng)用。

學(xué)者們針對分布式直流供電系統(tǒng)和直流微電網(wǎng)等級聯(lián)系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題提出了多種解決方法，它們大致可分為無源方法和有源方法。無源方法是在負載變換器的lc輸入濾波器上加入無源阻尼支路，阻尼lc輸入濾波器的諧振峰，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定，但是該方法會帶來額外的功率損耗，降低系統(tǒng)效率。有源方法主要是通過電壓或電流反饋控制，等效地在系統(tǒng)中增加阻尼支路，從而調(diào)節(jié)負載變換器的輸入阻抗或者源變換器的輸出阻抗，使得級聯(lián)系統(tǒng)的等效環(huán)路增益滿足nyquist穩(wěn)定性判據(jù)，該方法不會引入額外的功率損耗。vsc-hvdc輸電系統(tǒng)相比于分布式直流供電系統(tǒng)和直流微電網(wǎng)，具有電壓等級高、線路較為復(fù)雜、功率等級大和變換器控制帶寬低的特點。低壓、小功率級聯(lián)系統(tǒng)的穩(wěn)定控制方法難以直接適用于vsc-hvdc輸電系統(tǒng)。目前，vsc-hvdc輸電系統(tǒng)直流側(cè)的阻抗穩(wěn)定性控制的研究較少。整流站變換器采用傳統(tǒng)虛擬電阻穩(wěn)定控制在抑制vsc-hvdc輸電系統(tǒng)直流側(cè)振蕩會出現(xiàn)失效，原因是：整流站變換器的等效輸出阻抗在電壓控制帶寬外惡化為負電阻，從而減小了系統(tǒng)阻尼。因此傳統(tǒng)的虛擬電阻穩(wěn)定控制不適用于vsc-hvdc輸電系統(tǒng)這種變換器電壓控制帶寬較低的場合。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在提供一種vsc-hvdc輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定控制方法，校正整流站變換器的等效輸出阻抗為正電阻，從而提高系統(tǒng)阻尼，有效改善vsc-hvdc輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并且不會影響逆變站變換器向負荷供電的動態(tài)性能。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種vsc-hvdc輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定控制方法，適用于vsc-hvdc輸電系統(tǒng)中整流站變換器的控制，包括以下步驟：

1)在每個采樣周期的起始點，控制器啟動a/d轉(zhuǎn)換器，對整流站變換器的直流輸出電流idcr、直流側(cè)輸出電壓vdcr、三相并網(wǎng)電流ia、ib、ic和三相電網(wǎng)電壓va、vb、vc分別進行采樣，所有采樣數(shù)據(jù)經(jīng)a/d轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后，通過并行接口送給控制器進行處理；

2)控制器將步驟1)所采集得到的三相電網(wǎng)電壓va、vb、vc送入鎖相環(huán)，得到三相電網(wǎng)電壓的相位角結(jié)合相位角對三相電網(wǎng)電壓va、vb、vc和三相并網(wǎng)電流ia、ib、ic進行abc/dq坐標旋轉(zhuǎn)變換，得到dq坐標系下三相電網(wǎng)電壓的d軸和q軸分量vd、vq和三相并網(wǎng)電流的d軸和q軸分量id、iq；

3)直流輸出電流idcr經(jīng)虛擬阻感性阻抗穩(wěn)定控制，得到直流側(cè)電壓外環(huán)的參考指令

4)將直流側(cè)電壓外環(huán)的參考指令和直直流側(cè)輸出電壓vdcr相減得到誤差值ev，將ev送入pi控制器，pi控制器的輸出經(jīng)限幅后，獲得電壓外環(huán)控制的電流幅值指令iv^*；

5)通過輸出電流前饋控制，計算輸出電流前饋控制的電流幅值指令

6)將電壓外環(huán)控制的電流幅值指令iv^*和輸出電流前饋控制的電流幅值指令iff^*相加合成并網(wǎng)電流q軸分量幅值指令并令并網(wǎng)電流d軸分量幅值指令為零；

7)將并網(wǎng)電流q軸分量幅值指令d軸分量幅值指令分別與并網(wǎng)電流iq、id相減得到差值eiq、eid，通過前饋解耦控制，得到dq坐標系下spwm調(diào)制信號的d軸和q軸分量dq、dd；

8)對dq坐標系下的spwm調(diào)制信號dq、dd進行dq/abc坐標旋轉(zhuǎn)變換，得到abc坐標系下的spwm調(diào)制波da、db、dc；

9)對spwm調(diào)制波da、db、dc和三角載波進行雙極性調(diào)制，得出整流站變換器開關(guān)管的占空比信號，經(jīng)整流站變換器的驅(qū)動電路，控制整流站變換器開關(guān)管的開通與關(guān)斷。

步驟3)中，虛擬阻感性阻抗穩(wěn)定控制的控制方程為：其中，vdcn為整流站變換器的直流側(cè)空載電壓值；rv為虛擬電阻值；lv為虛擬電感值。

rv取值范圍為0.05ω≤rv≤5ω，lv取值范圍為0.1mh≤lv≤20mh。

步驟4)中，pi控制器的傳遞函數(shù)gv(s)表達式為：gv(s)＝kvp+kvi/s；其中，kvp是pi控制器的比例系數(shù)，kvi是pi控制器的積分系數(shù)，s為復(fù)頻率。

kvp取值范圍為0.005≤kvp≤0.5，kvi取值范圍為5≤kvi≤500。

步驟5)中，電流前饋控制的電流幅值指令iff^*表達式為：

步驟7)中，dq坐標系下spwm調(diào)制信號的d軸和q軸分量dq、dd的表達式為：其中，gi(s)為pi控制傳遞函數(shù)，gi(s)＝kip+kii/s，kip是比例系數(shù)，kii是積分系數(shù)，ω為電網(wǎng)角頻率，l為整流站變換器的濾波器電感值。

kip取值范圍為0.00006≤kip≤0.006，kii取值范圍為0.006≤kii≤0.6。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所具有的有益效果為：本發(fā)明的vsc-hvdc輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定控制方法中虛擬阻感性阻抗穩(wěn)定控制是得到一個相角超前的虛擬阻抗，能校正整流站變換器在電壓控制帶寬外的等效輸出阻抗為正電阻，從而提高系統(tǒng)阻尼，可有效改善vsc-hvdc輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性；另外，輸出電流前饋控制可減小受端負荷功率突變對直流母線電壓的影響，提升系統(tǒng)的暫態(tài)響應(yīng)性能；采用電壓電流雙閉環(huán)控制，能無靜差地跟蹤直流電壓指令并保證較低的電網(wǎng)電流畸變率；可有效改善vsc-hvdc輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并且不會影響逆變站變換器向負荷供電的動態(tài)性能。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一實施例向無源網(wǎng)絡(luò)供電的vsc-hvdc輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；

圖2為本發(fā)明一實施例應(yīng)用于整流站變換器的vsc-hvdc輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定控制方法框圖；

圖3為本發(fā)明一實施例并網(wǎng)電流前饋解耦控制框圖；

圖4(a)為逆變站變換器的直流側(cè)輸入電壓vdci的仿真波形，圖4(b)為逆變站變換器的交流輸出電壓voa、vob和voc的仿真波形，圖4(c)為逆變站變換器的交流輸出電流ioa、iob和ioc的仿真波形；

圖5(a)為逆變站變換器的直流側(cè)輸入電壓vdci的仿真波形，圖5(b)為逆變站變換器的交流輸出電壓voa、vob和voc的仿真波形，圖5(c)為逆變站變換器的交流輸出電流ioa、iob和ioc的仿真波形。

具體實施方式

圖1為本發(fā)明一實施例向無源網(wǎng)絡(luò)供電的vsc-hvdc輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，包括交流電網(wǎng)、整流站變換器的濾波電感l(wèi)、濾波電感l(wèi)的等效串聯(lián)電阻r、整流站變換器、整流站變換器的直流側(cè)儲能電容cdcr、整流站變換器的采樣調(diào)理電路、控制器、驅(qū)動電路、直流輸電電纜、逆變站變換器的直流側(cè)儲能電容cdci、逆變站變換器、逆變站變換器輸出濾波電感l(wèi)f和濾波電容cf、變換器控制電路系統(tǒng)和無源網(wǎng)絡(luò)。所述控制器與驅(qū)動電路輸入端、采樣調(diào)理電路輸出端連接；所述驅(qū)動電路驅(qū)動所述整流站變換器中的全控型功率器件；控制器進行算法及運算處理。

圖2為本發(fā)明一實施例應(yīng)用于整流站變換器的vsc-hvdc輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定控制方法框圖，vsc-hvdc輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定控制系統(tǒng)主要由虛擬阻感性阻抗穩(wěn)定控制、電壓電流雙環(huán)控制模塊、輸出電流前饋控制模塊、鎖相環(huán)pll模塊、spwm信號生成模塊組成；所述電壓電流雙環(huán)控制模塊由電壓外環(huán)pi控制，并網(wǎng)電流前饋解耦控制組成；所述并網(wǎng)電流前饋解耦控制詳細框圖如圖3所示。

本發(fā)明的一種vsc-hvdc輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定控制方法如下：

1)在每個采樣周期的起始點，dsp控制器啟動a/d轉(zhuǎn)換器，對整流站變換器的直流輸出電流idcr、直流側(cè)輸出電壓vdcr、三相并網(wǎng)電流ia、ib、ic和三相電網(wǎng)電壓va、vb、vc分別進行采樣，所有采樣數(shù)據(jù)經(jīng)a/d轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后，通過并行接口送給dsp控制器進行處理；

2)控制器對步驟1)所采集得到的三相電網(wǎng)電壓va、vb、vc送入鎖相環(huán)，得到三相電網(wǎng)電壓的相位角結(jié)合相位角對電網(wǎng)電壓va、vb、vc和并網(wǎng)電流ia、ib、ic進行abc/dq坐標旋轉(zhuǎn)變換，得到dq坐標系下電網(wǎng)電壓的d軸和q軸分量vd、vq和并網(wǎng)電流的d軸和q軸分量id、iq，具體公式如下：

3)直流輸出電流idcr經(jīng)虛擬阻感性阻抗穩(wěn)定控制，得到直流側(cè)電壓外環(huán)的參考指令虛擬阻感性阻抗穩(wěn)定控制的控制方程為：

其中，vdcn為整流站變換器的直流側(cè)空載電壓值；rv為虛擬電阻值，作用是提高整流站變換器等效輸出阻抗的阻性分量，rv取值范圍為0.05ω≤rv≤5ω；lv為虛擬電感值，作用是增大整流站變換器等效輸出阻抗的相位，能校正整流站變換器在電壓控制帶寬外的等效輸出阻抗為正電阻，lv取值范圍為0.1mh≤lv≤20mh；

4)將直流側(cè)電壓外環(huán)的參考指令和直流母線電壓vdcr相減得到誤差值ev，將ev送入pi控制器，pi控制器的輸出經(jīng)限幅后，獲得電壓外環(huán)控制的電流幅值指令iv^*，pi控制的傳遞函數(shù)gv(s)表達式為：

gv(s)＝kvp+kvi/s

其中，kvp是pi控制器的比例系數(shù)，其取值范圍為0.005≤kvp≤0.5，kvi是pi控制器的積分系數(shù)，其取值范圍為5≤kvi≤500，s為復(fù)頻率；

5)通過輸出電流前饋控制，計算輸出電流前饋控制的電流幅值指令為：

其中，vdcr為整流站變換器的直流側(cè)電壓，vq為電網(wǎng)電壓的q軸分量。

6)將電壓外環(huán)控制的電流幅值指令iv^*和輸出電流前饋控制的電流幅值指令iff^*相加合成并網(wǎng)電流q軸分量幅值指令并令并網(wǎng)電流d軸分量幅值指令為零；

7)將并網(wǎng)電流q軸分量幅值指令d軸分量幅值指令分別與并網(wǎng)電流iq、id相減得到差值eiq、eid，通過前饋解耦控制，得到dq坐標系下spwm調(diào)制信號的d軸和q軸分量dq、dd為：

其中，gi(s)為pi控制傳遞函數(shù)，gi(s)＝kip+kii/s，kip是比例系數(shù)，其取值范圍為0.00006≤kip≤0.006，kii是積分系數(shù)，其取值范圍為0.006≤kii≤0.6，ω為電網(wǎng)角頻率，l為整流站變換器的濾波器電感值。

8)對dq坐標系下的spwm調(diào)制信號dq、dd進行dq/abc坐標旋轉(zhuǎn)變換，得到abc坐標系下的spwm調(diào)制波da、db、dc，具體計算公式如下：

式中，為鎖相環(huán)pll的輸出相位角；

9)對spwm調(diào)制波da、db、dc和三角載波進行雙極性調(diào)制，得出整流站變換器開關(guān)管的占空比信號，經(jīng)整流站變換器的驅(qū)動電路，控制整流站變換器開關(guān)管的開通與關(guān)斷。

圖4(a)～圖4(c)為本發(fā)明一實施例在0.4s輸送功率由50mw增加到200mw，采用傳統(tǒng)虛擬電阻穩(wěn)定控制時的仿真波形圖，圖4(a)為逆變站變換器的直流側(cè)輸入電壓vdci的仿真波形，圖4(b)為逆變站變換器的交流輸出電壓voa、vob和voc的仿真波形，圖4(c)為逆變站變換器的交流輸出電流ioa、iob和ioc的仿真波形。在0.4s之前，vsc-hvdc輸電系統(tǒng)的輸電功率為50mw，此時整個系統(tǒng)很穩(wěn)定。在0.4s之后，vsc-hvdc輸電系統(tǒng)的輸電功率增加到200mw，此時電壓vdci出現(xiàn)振蕩，出現(xiàn)不穩(wěn)定，逆變站變換器的交流輸出電壓和電流也出現(xiàn)崩潰，無法繼續(xù)向無源網(wǎng)絡(luò)供電。因此采用傳統(tǒng)虛擬電阻穩(wěn)定控制，系統(tǒng)穩(wěn)定性較差。

圖5(a)～圖5(c)為本發(fā)明一實施例在0.4s輸送功率由50mw增加到200mw，采用本發(fā)明控制時的仿真波形圖，圖5(a)為逆變站變換器的直流側(cè)輸入電壓vdci的仿真波形，圖5(b)為逆變站變換器的交流輸出電壓voa、vob和voc的仿真波形，圖5(c)為逆變站變換器的交流輸出電流ioa、iob和ioc的仿真波形。采用本發(fā)明控制方法下，當輸送功率為50mw和200mw時，系統(tǒng)都能夠穩(wěn)定運行，只在傳送功率增加的時候出現(xiàn)了小幅的直流側(cè)電壓動態(tài)波動，對無源網(wǎng)絡(luò)的供電幾乎沒有影響。