【《VSC-HVDC附加频率控制分析概述》3300字】

VSC-HVDC附加频率控制分析概述目录TOC\o"1-3"\h\u20233VSC-HVDC附加频率控制分析概述 1316961.1VSC-HVDC基本控制策略 19341.1.1VSC-HVDC控制原理 183411.1.2VSC-HVDC内环电流控制 2203941.1.3外环功率控制 318401.2VSC-HVDC附加频率控制 5202162.1.2小信号分析 5139551.2.1附加频率控制可行性分析 5259621.1.2控制方式设计 64001.3小结 7本章在设计VSC-HVDC附加频率控制之前，首先对VSC-HVDC输电系统的基本外环、内环控制策略的理论进行详细描述，在此基础上，对控制器有功控制环节设计基于频率-有功下垂的附加控制，同时进行合理性分析，并得到一定的理论成果。1.1VSC-HVDC基本控制策略1.1.1VSC-HVDC控制原理为了使柔性直流系统控制设计更加灵活，如图3-1所示，按照控制的功能将VSC-HVDC系统的控制分为三个部分。第一层为系统级控制，这一层控制是根据系统运行要求给定有功类或无功类控制量的参考值，一般可由调度中心发出指令。根据系统运行的不同要求，设置有功参考值Pref，无功参考值Qref，直流电压参考值Udcref，交流电压参考值Usref以及频率参考值fref等等。第二层为换流站级控制。作为系统级控制的下一层，换流站级控制方式的输入量包括有功类参考值以及无功类参考值。经过换流站级控制，输出调制比M以及移相角δ。调制比M的作用主要是负责有功类控制，移相角δ主要负责无功类控制。如果说系统级控制的任务是提供控制的要求，那么换流站级控制就决定着是否能很好地实现控制要求。由于间接电流控制方式响应迅速，可以通过增加限幅环节对电流幅值进行限制，保证系统运行的安全。因此间接电流控制方法是目前最为常用的一种控制方法。其控制结构包括内环电流控制和外环电压控制。运用外环控制可以获得电流的参考值，经过电流内环处理以后，在输出端我们可以获得期望的换流站输出电压值，进而得到调制比以及移相角。第三层为阀级控制。这一层控制器的输入为上一层输出的调制比M以及移相角δ，输出为控制IGBT开通关断的脉冲信号。图3-1柔性直流输电系统控制原理图1.1.2VSC-HVDC内环电流控制由式（2-12）中dq标系下的电压方程可以得到：(3-1)其中，u′d和u′q的表达式分别为：(3-2)将电感和电阻上的电压分量用u′d和u′q表示，这两个参数分别包含了id和iq的比例微分项。为了补偿该电压降，控制系统中采用比例积分控制环节，计算式如（3-3）。消去d和q轴耦合分量，达到d轴和q轴解耦的目的。通过采取usd和usq的前馈方法来补偿改善系统的动态性能。交流电流参考量与测量值之差经过PI环节，得到解耦项u′d和u′q。(3-3)式中，idref、iqref——分别为d轴和q轴电流参考值；kp1、kp2——内环控制器比例系数；ki1、ki2——内环控制器积分系数。图3-2电流内环控制由图3-2可知，为了提高电流控制器的跟踪参考值的快速性以及准确性，内环控制中加入了电流反馈控制环节以及电压前馈控制环节。输入量由电流参考值idref和iqref，电流测量值id和iq构成。内环电流控制器的输出电压参考值udref和uqref经过dq/abc坐标系下的变换后得到a、b、c相电压参考值，将该参考值输送至PWM脉冲生成模块，经PWM脉宽生成模块得到需要波形的控制信号，进而精准控制IGBT的通断。图3-3VSC整体控制结构图图3-3为VSC的整体控制框图。该框图中包括了电流内环控制器以及电压源换流器。换流器采用电流解耦以后，其电流控制器的d轴和q轴耦合项被抵消，由于存在耦合而无法分解的VSC数学模型在加入内环解耦控制环节后能够分解为两个独立的控制环节。1.1.3外环功率控制内环控制器的输入为电流dq轴分量参考值。为了得到该参考值，需要增加外环控制器。对于柔性直流输电系统来说，外环功率控制器能同时实现有功量和无功量的控制。(1)定直流电压控制采用定直流电压控制模式的换流站既可以控制系统直流电压跟随指令值变化，又可以起到控制有功功率平衡的作用。控制结构如图3-4所示，Udcref为直流电压参考值，Udc为直流电压测量值。VSC-HVDC系统换流站中要保证有一个模块为定直流电压控制方式。不考虑连接阻抗和换流器上的损耗时，输入换流器的有功功率与直流线路上的有功功率相等，可以用式(3-4)表示。(3-4)式中，Us——交流系统输出相电压有效值（V）；Pdc——直流线路传输的有功功率（W）；idc——直流电流（A）。考虑到电力电子器件所能承受的电流大小有限，需要对电流进行限幅控制，可以在PI控制器后附加饱和环节来实现限幅，获取交流电流d轴分量给定值。图3-4定直流电压控制(2)定有功、无功功率控制由式(2-13)可知，可以利用id与Ps之间的关系，构建外环有功功率控制器，控制交流系统输送到换流器的有功功率一定。设计控制环节如图3-5所示。Pref为有功参功率考值，P为有功功率测量值。鉴于对开关器件允许通过的电流有一定限制，需要对电流进行限幅，可以在PI控制器后附加饱和环节实现限幅控制，获取交流电流d轴分量给定值。图3-5定有功功率控制由式（2-13）可知，可以利用iq与Q之间的关系，构建外环无功功率控制器，控制交流系统输送到换流器的无功功率一定。设计控制环节如图3-6所示。Qref为无功功率参考值，Q为无功功率测量值。鉴于对开关器件允许通过的电流大小有一定限制，需要对电流进行限幅控制，可以在PI控制器后附加饱和环节实现限幅控制，获取交流电流q轴分量给定值。图3-6定无功功率控制(3)定频率控制对于柔性直流输电系统作为唯一的电源向无源网络供电的情况，与该无源网络连接的换流站承担着该网络频率控制的任务。此时，可以采用定频率控制的模式，将换流站输出频率设定为50Hz。直接经过锁相环得到Park变换所需的θ，其控制框图如图3-7所示图3-7定频率控制在设计外环控制器时需要增加限流环节，可以根据系统运行的要求设计限流器，主要分为以下三类。第一类是dq轴电流比例限幅方法。当输出电流幅值超过最大电流限制时，将d轴电流和q轴电流同比例的减小。第二类是d轴电流优先控制方法。此类控制方法通过减少q轴电流的大小，尽可能满足需要输出的有功功率要求。第三类是q轴电流优先控制方法。此类控制方法通过减少d轴电流的大小，尽可能满足需要输出的无功功率要求。1.2VSC-HVDC附加频率控制2.1.2小信号分析本文在变量上加“—”表示其在平衡点上的值，存在一些隐含条件，包括，，。由于扰动导致变量在平衡点周围存在偏差定义为:(2-5)对式(2-1)(2-2)(2-3)进行线性化，得到小信号模型为：(2-6)其中：1.2.1附加频率控制可行性分析VSC-HVDC输电系统传输的有功功率P会对AC区域发电机的电磁功率Pe产生影响。在实际工程中VSC的响应时间远小于发电机的响应时间，因此认为注入AC区域功率已经跟随VSC参考功率变化，Pe可以表示为: (3-5)式中，P0e为系统平衡运行点下的发电机电磁功率；ΔPref为VSC-HVDC注入AC区域的有功功率增量；bP是Pe与ΔPref的关联系数。将(3-5)式代入(2-1)式中可得： (3-6)本文采用的发电机本地调节器响应时间比换流站响应时间大得多，因此Pmi和Pe0可以视为固定值。由公式(3-6)可知，第i个AC区域频率fac,i随注入的有功功率和无功功率的变化而改变，当改变VSC有功功率参考值后，交流系统的发电机频率也会随之发生改变。1.1.2控制方式设计为了使VSC-MTDC具备响应AC区域频率变化的能力，本文在AC侧的VSC中增加了双环频率附加控制，其结构如图3-8中虚线框部分所示，在P环控制中引入与频率相关的有功增量ΔPref： (3-7)式中，facref和fac分别为AC区域频率额定值和实测值；kfd为频率的下垂系数，其取值对频率控制效果有很大的影响。kfd越大VSC-MTDC参与AC区域频率调节的能力就越强，而用于电网调频的功率容量占换流器总容量的比重也就越大，稳态传输功率就会越小。因此，需要综合考虑VSC-MTDC稳态传输功率与参与频率调节两方面的需求，为了实现较好的频率支持，kfd不宜太小，同时为保证稳态传输功率kfd不宜太大，应该取大小合适的最优值。图3-8AC区域附加频率控制策略由式(3-6)可知AC区域频率与VSC站注入的功率有关，当负载变化导致AC区域功率变化不平衡时，基于传统控制器的VSC不具有频率支持作用，会导致频率发生较大偏移，使电网功率发生震荡，影响电网安全稳定运行。基于此，本文提出了附加频率控制策略，当AC区域发生偏移时，由(3-7)式计算出的有功增量作用于控制器上，改变VSC注入AC区域的有功功率，减小