一种向无源网络供电的柔性直流输电系统控制方法

摘要

一种向无源网络供电的柔性直流输电系统控制方法，它在柔性直流输电系统的直流输电线路首端设置整流器控制器，对交流系统侧的VSC-整流器进行定直流电压控制，直流输电线路末端设置VSC-逆变器控制器，对VSC-逆变器进行定交流电压控制，所述VSC-整流器定直流电压控制采用双闭环矢量控制策略，其中电压外环采用模糊PI控制，内环采用电流解耦控制，从而实现有功功率和无功功率的独立控制。所述方法避免了传统PI调节器繁琐的离线参数调节，可根据系统运行状态的变化进行在线PI参数调节，自适应调节能力强，系统对各种干扰和故障都有更快的响应速度和更高的控制精度，提高了系统的抗干扰能力和动稳态性能。

说明书

技术领域

本发明涉及直流输电技术领域，特别是涉及一种向无源网络供电的柔性直流输电系统控制方法。

背景技术

自1954年世界上第一条高压直流输电(HVDC)线路投入商业运行以来, HVDC以其优越性能，诸如远距离大容量传输功率、交流电网间非同步联网等，广泛应用在远距离大功率输电、海底电缆送电、用电缆向高密度大城市供电、交流系统间非同步联络等方面。但是，由于传统HVDC采用半控型晶闸管作为换流器件，在换相时需要交流电网提供换相电流，这就要求换流器所连接的必须是有源网络，同时HVDC在逆变运行时，容易发生换相失败等故障。

随着电力电子技术的发展，基于电压源型换流器的高压直流输电(VSC-HVDC)即柔性直流输电成为研究热点，VSC-HVDC不仅从根本上解决了传统HVDC的缺陷，还具有传统HVDC无可比拟的优点。VSC-HVDC系统采用PWM技术和以绝缘栅双极晶体管（IGBT）为代表的全控型电力电子器件，由于VSC的电流自关断能力, 使得VSC-HVDC最显著的特点就是可以工作在无源逆变方式，不需要外加换相电压，受端系统可以是无源网络，克服了传统HVDC受端系统必须是有源网络的缺陷，可以为远距离的孤立负荷送电。同时，采用PWM技术实现了有功功率和无功功率的解耦控制，能够稳定交流母线电压，甚至能够在一侧交流系统故障时由另一侧倒送功率，提供功率的紧急支援，进而提高供电可靠性和电能质量。

VSC-HVDC系统作为一种新型输电方式，在连接分散的小型发电厂(如风力发电、太阳能发电等)到电网、向远距离孤立负荷供电等领域具有广阔的应用前景。 

向无源网络供电VSC-HVDC系统逆变侧采用定交流电压控制，用以稳定负荷电压，提高供电电压质量；整流侧采用定直流电压控制，用以稳定直流电压，为两侧VSC提供电压支撑。定直流电压控制策略通常采用基于PI调节器的双闭环矢量控制，内环采用电流前馈解耦控制，使有功电流、无功电流分别跟踪外环电压调节器和无功功率调节器的输出值。目前大多数VSC-HVDC工程都采用试凑法或经验法来选取PI调节器参数，在系统调试过程中需要较高的技巧和经验，且得到的调节器不一定能使系统性能达到最优状态，PI控制抗干扰能力差，超调量大，而且调整起来不方便。对于VSC-HVDC这样一个多变量、强耦合、非线性的系统，PI调节器难以满足实际系统在不同工况下的要求。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种可根据系统运行状态的变化进行在线PI参数调节的向无源网络供电的柔性直流输电系统控制方法，以提高输电系统的抗干扰能力和动稳态性能。

本发明所述问题是以下述技术方案实现的：

一种向无源网络供电的柔性直流输电系统控制方法，所述方法在柔性直流输电系统的直流输电线路首端设置整流器控制器，对交流系统侧的VSC-整流器进行定直流电压控制，直流输电线路末端设置VSC-逆变器控制器，对VSC-逆变器进行定交流电压控制，所述VSC-整流器定直流电压控制采用双闭环矢量控制策略，其中电压外环采用模糊PI控制，内环采用电流解耦控制，从而实现有功功率和无功功率的独立控制。

上述向无源网络供电的柔性直流输电系统控制方法，所述VSC-整流器定直流电压控制的具体步骤如下：

a.                                                测量模块对柔性直流输电线路的直流电压进行实时检测，得到直流电压实际值，并与直流电压给定值相比较，得到直流电压误差信号；

b.直流电压误差信号经过直流电压模糊PI控制器及后续的电流限幅电路，输出d轴交流电流参考值；

c. 瞬时无功功率计算模块根据当前系统交流电压、交流电流计算得到无功功率实际值，与无功功率给定值相比较，得到无功误差信号；

d.无功误差信号经过无功功率PI控制器及电流限幅电路，得到q轴交流电流参考值；

e.和经过内环电流解耦控制电路输出d轴交流电压参考值和q轴交流电压参考值；

f.和经过两相旋转坐标系到两相静止坐标系的坐标变换（2r/2s）输出两相静止坐标系（坐标系）下和；

g.采用电压空间矢量调制（SVPWM）方法对和进行调制，所得到的6路PWM信号分别控制VSC-整流器的6个IGBT运行。

上述向无源网络供电的柔性直流输电系统控制方法，所述直流电压模糊PI控制器采用二阶模糊控制器，其输入信号为直流电压误差信号及其变化率信号，模糊PI控制器的具体工作步骤如下：

模糊PI控制器的工作原理如下：

①    根据隶属度函数对输入语言变量和进行模糊化处理，分别得到模糊量和；

②    根据制定的模糊控制规则对和进行模糊推理，并决策出输出的模糊量；

③    通过解模糊方法完成由模糊量到精确量的转化，输出直流电压误差的PI参数，对PI调节器参数进行在线调节。

上述向无源网络供电的柔性直流输电系统控制方法，所述解模糊方法采用加权平均法。

上述向无源网络供电的柔性直流输电系统控制方法，直流电压误差信号及其变化率信号的模糊化和解模糊过程所用隶属度函数均选取三角形隶属度函数。

本发明采用双闭环矢量控制策略对整流器进行定直流电压控制，其中电压外环采用模糊PI控制，内环采用电流解耦控制，实现了有功功率和无功功率的独立控制。所述方法避免了传统PI调节器繁琐的离线参数调节，可根据系统运行状态的变化进行在线PI参数调节，自适应调节能力强，使得系统对各种干扰和故障都有更快的响应速度和更高的控制精度，提高了系统的抗干扰能力和动稳态性能。

附图说明

图1为本发明提供的向无源网络供电柔性直流输电系统及整流器控制原理结构方框图；

图2为本发明提供的直流电压模糊PI控制原理示意图；

图3为本发明提供的三角形隶属度函数示意图；

图4为本发明提供的柔性直流输电系统整流器的控制系统硬件实现电路示意图；

附图或文中所用标号清单为：

HVDC：高压直流输电 ，           VSC-HVDC：柔性直流输电，

：柔性直流输电线路的直流电压，      ：直流电压给定值，

：无功功率实际值，                  ：无功功率给定值，

：d轴交流电流参考值，             ：q轴交流电流参考值，

：d轴交流电压参考值，            ：q轴交流电压参考值，

：静止坐标系下α轴交流电压参考值，

：静止坐标系下β轴交流电压参考值，

：直流电压误差信号，              ：直流电压误差信号变化率，

：的模糊量，                   ：的模糊量，

：PI调节器参数，              ：交流系统电压，

：VSC-整流器交流侧电压；

1、交流系统，2、AC滤波器，3、换流电抗器，4、VSC-整流器，5、电容器，6、接地极，7、直流输电线路，8、电容器，9、VSC-逆变器，10、换流电抗器，11、AC滤波器，12、远端负荷。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

参见图1，本发明的柔性直流输电系统包括：

交流系统1，与AC滤波器相连接。

AC滤波器2，与交流系统1和换流电抗器3相连接，用于滤除交流侧谐波。

换流电抗器3，与AC滤波器2和VSC-整流器4相连接，是交流侧与换流器能量交换的纽带，同时也起到一定的滤波作用。

VSC-整流器4，与换流电抗器3和电容器5相连接，该VSC运行于整流状态，用于把交流系统1的交流电转换为直流电，输送到直流输电线路7上。

电容器5，与VSC-整流器4和直流输电线路7相连接，为两端VSC提供直流电压支撑，同时缓冲换流器桥臂关断时的冲击电流，也能起到一定的滤波作用。

接地极6，用于为直流电压提供参考零电位，直流输电系统采用双极运行。

直流输电线路7，与VSC-整流器4、电容器5、电容器8和VSC-逆变器9相连接，连接两端VSC，用于直流功率传输。

VSC-逆变器9，与电容器8、直流输电线路7和换流电抗器10相连接，该VSC运行于逆变状态，用于把直流输电线路上的直流电转换为交流电，供给远端孤立负荷。

远端负荷，与AC滤波器11相连接，是一个交流用电负荷。

参见图1，本发明所提供的VSC-整流器定直流电压模糊PI控制方法采用双闭环矢量控制策略，包括如下步骤：

第一步：测量电路对直流电压进行实时检测，得到直流电压实际值，并与直流电压给定值相比较，得到直流电压误差信号；

第二步：直流电压误差信号经过直流电压模糊PI控制及后续的电流限幅电路，输出d轴交流电流参考值；

第三步：瞬时无功功率计算模块根据当前系统交流电压、交流电流计算得到无功功率实际值，与无功功率给定值相比较，得到无功误差信号；

第四步：无功误差信号经过无功功率PI控制及电流限幅电路，得到q轴交流电流参考值；

第五步：和经过内环电流解耦控制输出d轴交流电压参考值和q轴交流电压参考值；

第六步：和经过两相旋转坐标系到两相静止坐标系的坐标变换（2r/2s）输出两相静止坐标系（坐标系）下和；

第七步：和采用电压空间矢量调制（SVPWM）方法，输出6路PWM控制VSC-整流器6个IGBT运行。

所述直流电压模糊PI控制，可根据系统不同运行工况在线调节PI参数，保证了直流电压的控制精度和控制效果，提高了系统响应速度和抗干扰能力。

所述采用电流限幅电路，由于外界干扰可能会产生很高的瞬时电流，这将造成两端VSC过载，进而破坏电力电子器件，所以要有电流限幅电路，当很高的瞬时电流产生时限制其为电流上限值。

所述采用SVPWM方法，保证了VSC-整流器开关频率恒定，产生的谐波更小。

上述七步定直流电压模糊PI控制通过软件编程实现，并由数字信号处理器（DSP）执行。

参见图2，为直流电压模糊PI控制原理示意图。

图2中虚线所框部分为直流电压模糊PI控制器内部结构。实现对PI调节器参数的实时在线调节。本发明采用二阶模糊控制器，故其输入信号为直流电压误差信号及其变化率信号，这种结构反映了模糊控制器具有非线性PD控制规律，从而有利于保证系统的稳定性，并可减小响应过程的超调量以及消弱其振荡现象。和经过模糊化、模糊推理及解模糊三个过程，最终输出调节此时直流电压误差的PI参数，对PI调节器参数进行在线调节。

需要说明的是，模糊控制器的输入语言变量是和，输出语言变量是。语言变量的语言值越多，则制定控制规则越方便，但模糊控制规则相应变得更复杂；语言值过少，使得描述变量变得粗糙，导致控制器的性能变坏。所以，本发明对于输入语言变量,和输出变量均选取七个语言值，分别为：“负大、负中、负小、零、正小、正中、正大”。

参考图3，本发明模糊化和解模糊过程所用隶属度函数均选取三角形隶属度函数。图3中，纵坐标为精确值的隶属度。所选取的七个语言值“负大、负中、负小、零、正小、正中、正大”在图3中分别对应于“NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PB”。

模糊PI控制器的工作原理如下：

第一步：输入语言变量和根据隶属度函数进行模糊化处理后分别得到模糊量和；

第二步：将和进行模糊推理，即根据制定的模糊控制规则进行模糊推理，并决策出输出的模糊量；

需要说明的是，模糊控制规则的制定及模糊推理决策是模糊控制器设计的关键部分，它直接影响着控制系统的质量。本发明中，在不同的下，模糊控制规则设定的原则为：

（1）当较大，为使系统具有较好的快速跟踪性能，应取较大的，同时为了避免系统响应出现较大的超调，应对积分作用加以限制，通常取。

（2）当处于中等大小时，为使系统具有较小的超调，应取较小的和适当的。

（3）当较小时，为使系统具有较好的稳态性能，应取较大的和。

第三步：对输出模糊量进行解模糊判决，即通过解模糊方法完成由模糊量到精确量的转化，输出参数，对PI调节器参数进行在线调节。本发明的解模糊方法采用加权平均法。

参考图4，为柔性直流输电系统整流器的控制系统硬件实现电路示意图。包括：

电压检测，用于检测交流系统电压、VSC-整流器交流侧电压以及直流电压。和用于无功功率计算。

电压调理电路，把电压检测模块输出的电压值转换到DSP能接受的电压范围（0~3V）之内。

电流检测，用于检测交流系统的三相电流，用于无功功率计算。

电压调理电路，把电流检测模块输出的电压值转换到DSP能接受的电压范围（0~3V）之内。

本发明采用DSP TMS320F2812作为控制芯片，其内部有ADC模块、EV模块等。采用DSP内部ADC模块实现模拟信号到数字信号的转换。

VSC-整流器定直流电压模糊PI控制策略通用软件编程实现，由DSP执行所编写的程序。DSP通过EV模块最终输出6路PWM，由于DSP芯片的供电电压为0~3V，该6路PWM不能直接驱动VSC-整流器。

驱动隔离电路，用于把DSP输出的6路PWM电平抬高进而驱动VSC-整流器；同时起到弱电信号与强电的隔离作用，避免强电影响弱电信号。

综上所述，与现有技术相比较，本发明提供的整流器的定直流电压控制采用双闭环矢量控制策略，其中电压外环采用模糊PI控制，内环采用电流解耦控制，实现了有功功率和无功功率的独立控制，所述方法避免了传统PI调节器繁琐的离线参数调节，可根据系统运行状态的变化进行在线PI参数调节，自适应调节能力强，使得系统对各种干扰和故障都有更快的响应速度和更高的控制精度，提高了系统的抗干扰能力和动稳态性能。