專利名稱：一種向無源網(wǎng)絡(luò)供電的柔性直流輸電系統(tǒng)控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及直流輸電技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及ー種向無源網(wǎng)絡(luò)供電的柔性直流輸電系統(tǒng)控制方法。
背景技術(shù)：
自1954年世界上第一條高壓直流輸電(HVDC)線路投入商業(yè)運行以來，HVDC以其優(yōu)越性能，諸如遠距離大容量傳輸功率、交流電網(wǎng)間非同步聯(lián)網(wǎng)等，廣泛應(yīng)用在遠距離大功率輸電、海底電纜送電、用電纜向高密度大城市供電、交流系統(tǒng)間非同步聯(lián)絡(luò)等方面。但是，由于傳統(tǒng)HVDC采用半控型晶閘管作為換流器件，在換相時需要交流電網(wǎng)提供換相電流，這就要求換流器所連接的必須是有源網(wǎng)絡(luò)，同時HVDC在逆變運行時，容易發(fā)生換相失敗等故障。隨著電カ電子技術(shù)的發(fā)展，基于電壓源型換流器的高壓直流輸電(VSC-HVDC)即柔性直流輸電成為研究熱點，VSC-HVDC不僅從根本上解決了傳統(tǒng)HVDC的缺陷，還具有傳統(tǒng)HVDC無可比擬的優(yōu)點。VSC-HVDC系統(tǒng)采用PWM技術(shù)和以絕緣柵雙極晶體管(IGBT)為代表的全控型電力電子器件，由于VSC的電流自關(guān)斷能力，使得VSC-HVDC最顯著的特點就是可以工作在無源逆變方式，不需要外加換相電壓，受端系統(tǒng)可以是無源網(wǎng)絡(luò)，克服了傳統(tǒng)HVDC受端系統(tǒng)必須是有源網(wǎng)絡(luò)的缺陷，可以為遠距離的孤立負荷送電。同時，采用PWM技術(shù)實現(xiàn)了有功功率和無功功率的解耦控制，能夠穩(wěn)定交流母線電壓，甚至能夠在ー側(cè)交流系統(tǒng)故障時由另一側(cè)倒送功率，提供功率的緊急支援，進而提高供電可靠性和電能質(zhì)量。VSC-HVDC系統(tǒng)作為ー種新型輸電方式,在連接分散的小型發(fā)電廠(如風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電等)到電網(wǎng)、向遠距離孤立負荷供電等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。向無源網(wǎng)絡(luò)供電VSC-HVDC系統(tǒng)逆變側(cè)采用定交流電壓控制，用以穩(wěn)定負荷電壓，提高供電電壓質(zhì)量；整流側(cè)采用定直流電壓控制，用以穩(wěn)定直流電壓，為兩側(cè)VSC提供電壓支撐。定直流電壓控制策略通常采用基于PI調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)矢量控制，內(nèi)環(huán)采用電流前饋解耦控制，使有功電流、無功電流分別跟蹤外環(huán)電壓調(diào)節(jié)器和無功功率調(diào)節(jié)器的輸出值。目前大多數(shù)VSC-HVDC工程都采用試湊法或經(jīng)驗法來選取PI調(diào)節(jié)器參數(shù)，在系統(tǒng)調(diào)試過程中需要較高的技巧和經(jīng)驗，且得到的調(diào)節(jié)器不一定能使系統(tǒng)性能達到最優(yōu)狀態(tài)，PI控制抗干擾能力差，超調(diào)量大，而且調(diào)整起來不方便。對于VSC-HVDC這樣ー個多變量、強耦合、非線性的系統(tǒng)，PI調(diào)節(jié)器難以滿足實際系統(tǒng)在不同エ況下的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)之弊端，提供ー種可根據(jù)系統(tǒng)運行狀態(tài)的變化進行在線PI參數(shù)調(diào)節(jié)的向無源網(wǎng)絡(luò)供電的柔性直流輸電系統(tǒng)控制方法，以提高輸電系統(tǒng)的抗干擾能力和動穩(wěn)態(tài)性能。本發(fā)明所述問題是以下述技術(shù)方案實現(xiàn)的
一種向無源網(wǎng)絡(luò)供電的柔性直流輸電系統(tǒng)控制方法，所述方法在柔性直流輸電系統(tǒng)的直流輸電線路首端設(shè)置整流器控制器，對交流系統(tǒng)側(cè)的VSC-整流器進行定直流電壓控制，直流輸電線路末端設(shè)置VSC-逆變器控制器，對VSC-逆變器進行定交流電壓控制，所述VSC-整流器定直流電壓控制采用雙閉環(huán)矢量控制策略，其中電壓外環(huán)采用模糊PI控制，內(nèi)環(huán)采用電流解耦控制，從而實現(xiàn)有功功率和無功功率的獨立控制。上述向無源網(wǎng)絡(luò)供電的柔性直流輸電系統(tǒng)控制方法，所述VSC-整流器定直流電壓控制的具體步驟如下
a.び&測量模塊對柔性直流輸電線路的直流電壓進行實時檢測，得到直流電壓實際值
，并與直流電壓給定值相比較，得到直流電壓誤差信號；
b.直流電壓誤差信號經(jīng)過直流電壓模糊PI控制器及后續(xù)的電流限幅電路，輸出d軸交流電流參考值；
C.瞬時無功功率計算模塊根據(jù)當前系統(tǒng)交流電壓、交流電流計算得到無功功率實際 值6 ,與無功功率給定值A(chǔ)ぜ相比較，得到無功誤差信號；
d.無功誤差信號經(jīng)過無功功率PI控制器及電流限幅電路，得到q軸交流電流參考值
e.h_r4和ぜ經(jīng)過內(nèi)環(huán)電流解耦控制電路輸出d軸交流電壓參考值^__和q軸交流電壓參考值;
f.和經(jīng)過兩相旋轉(zhuǎn)坐標系到兩相靜止坐標系的坐標變換(2r/2s)輸出兩相浄止坐標系(a —,5坐標系)下和1^;
g.采用電壓空間矢量調(diào)制(SVPWM)方法對、和％_<進行調(diào)制，所得到的6路PWM信號分別控制VSC-整流器的6個IGBT運行。上述向無源網(wǎng)絡(luò)供電的柔性直流輸電系統(tǒng)控制方法，所述直流電壓模糊PI控制器采用ニ階模糊控制器，其輸入信號為直流電壓誤差信號6=び&_ザ-も及其變化率信號
sc—defdt ,模糊PI控制器的具體工作步驟如下
模糊PI控制器的工作原理如下
①根據(jù)隸屬度函數(shù)對輸入語言變量e和w進行模糊化處理，分別得到模糊量|5|和|5C| ；
②根據(jù)制定的模糊控制規(guī)則對闡和\EC\進行模糊推理，并決策出輸出的模糊量；
③通過解模糊方法完成由模糊量到精確量的轉(zhuǎn)化，輸出直流電壓誤差的PI參數(shù)KpXi，對PI調(diào)節(jié)器參數(shù)進行在線調(diào)節(jié)。上述向無源網(wǎng)絡(luò)供電的柔性直流輸電系統(tǒng)控制方法，所述解模糊方法采用加權(quán)平均法。上述向無源網(wǎng)絡(luò)供電的柔性直流輸電系統(tǒng)控制方法，直流電壓誤差信號及其變化率信號的模糊化和解模糊過程所用隸屬度函數(shù)均選取三角形隸屬度函數(shù)。本發(fā)明采用雙閉環(huán)矢量控制策略對整流器進行定直流電壓控制，其中電壓外環(huán)采用模糊PI控制，內(nèi)環(huán)采用電流解耦控制，實現(xiàn)了有功功率和無功功率的獨立控制。所述方法避免了傳統(tǒng)PI調(diào)節(jié)器繁瑣的離線參數(shù)調(diào)節(jié)，可根據(jù)系統(tǒng)運行狀態(tài)的變化進行在線PI參數(shù)調(diào)節(jié)，自適應(yīng)調(diào)節(jié)能力強，使得系統(tǒng)對各種干擾和故障都有更快的響應(yīng)速度和更高的控制精度，提聞了系統(tǒng)的抗干擾能力和動穩(wěn)態(tài)性能。


圖1為本發(fā)明提供的向無源網(wǎng)絡(luò)供電柔性直流輸電系統(tǒng)及整流器控制原理結(jié)構(gòu)方框 圖2為本發(fā)明提供的直流電壓模糊PI控制原理示意圖；
圖3為本發(fā)明提供的三角形隸屬度函數(shù)示意 圖4為本發(fā)明提供的柔性直流輸電系統(tǒng)整流器的控制系統(tǒng)硬件實現(xiàn)電路示意圖； 附圖或文中所用標號清單為
HVDC :高壓直流輸電，VSC-HVDC :柔性直流輸電，
U衣:柔性直流輸電線路的直流電壓，ひ&_ぜ直流電壓給定值，
Q :無功功率實際值，G_ザ無功功率給定值，
:d軸交流電流參考值，Iザq軸交流電流參考值，
:d軸交流電壓參考值，ん4 軸交流電壓參考值，
靜止坐標系下a軸交流電壓參考值，
1.4 :靜止坐標系下P軸交流電壓參考值，
e :直流電壓誤差信號，祝:直流電壓誤差信號變化率，
間e的模糊量，丨5し1 ec的模糊量，
KvX1:PI調(diào)節(jié)器參數(shù)，:交流系統(tǒng)電壓，
=VSC-整流器交流側(cè)電壓；1、交流系統(tǒng)，2、AC濾波器，3、換流電抗器，4、VSC-整流器，5、電容器，6、接地極，7、直流輸電線路，8、電容器，9、VSC-逆變器，10、換流電抗器，IUAC濾波器，12、遠端負荷。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進ー步的詳細說明。參見圖1，本發(fā)明的柔性直流輸電系統(tǒng)包括
交流系統(tǒng)1，與AC濾波器相連接。AC濾波器2，與交流系統(tǒng)I和換流電抗器3相連接，用于濾除交流側(cè)諧波。換流電抗器3，與AC濾波器2和VSC-整流器4相連接，是交流側(cè)與換流器能量交換的紐帶，同時也起到一定的濾波作用。
VSC-整流器4，與換流電抗器3和電容器5相連接，該VSC運行于整流狀態(tài)，用于把交流系統(tǒng)I的交流電轉(zhuǎn)換為直流電，輸送到直流輸電線路7上。電容器5，與VSC-整流器4和直流輸電線路7相連接，為兩端VSC提供直流電壓支撐，同時緩沖換流器橋臂關(guān)斷時的沖擊電流，也能起到一定的濾波作用。接地極6，用于為直流電壓提供參考零電位，直流輸電系統(tǒng)采用雙極運行。直流輸電線路7，與VSC-整流器4、電容器5、電容器8和VSC-逆變器9相連接，連接兩端VSC，用于直流功率傳輸。VSC-逆變器9，與電容器8、直流輸電線路7和換流電抗器10相連接，該VSC運行 于逆變狀態(tài)，用于把直流輸電線路上的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，供給遠端孤立負荷。遠端負荷，與AC濾波器11相連接，是ー個交流用電負荷。參見圖1，本發(fā)明所提供的VSC-整流器定直流電壓模糊PI控制方法采用雙閉環(huán)矢量控制策略，包括如下步驟
第一歩^測量電路對直流電壓進行實時檢測，得到直流電壓實際值^，并與直流
電壓給定值相比較，得到直流電壓誤差信號；
第二步直流電壓誤差信號經(jīng)過直流電壓模糊PI控制及后續(xù)的電流限幅電路，輸出d軸交流電流參考值；
第三步瞬時無功功率計算模塊根據(jù)當前系統(tǒng)交流電壓、交流電流計算得到無功功率實際值6 ,與無功功率給定值2_ぜ相比較，得到無功誤差信號；
第四步無功誤差信號經(jīng)過無功功率PI控制及電流限幅電路，得到q軸交流電流參考
第五步如4和經(jīng)過內(nèi)環(huán)電流解耦控制輸出d軸交流電壓參考值和q軸交流電壓參考值；
第六步タ4_續(xù)和ぜ經(jīng)過兩相旋轉(zhuǎn)坐標系到兩相靜止坐標系的坐標變換(2r/2s)輸
出兩相靜止坐標系(a_,5坐標系)下和^ギ；
第七步和采用電壓空間矢量調(diào)制(SVPWM)方法，輸出6路PWM控制VSC-整流器6個IGBT運行。所述直流電壓模糊PI控制，可根據(jù)系統(tǒng)不同運行エ況在線調(diào)節(jié)PI參數(shù)，保證了直流電壓的控制精度和控制效果，提高了系統(tǒng)響應(yīng)速度和抗干擾能力。所述采用電流限幅電路，由于外界干擾可能會產(chǎn)生很高的瞬時電流，這將造成兩端VSC過載，進而破壞電カ電子器件，所以要有電流限幅電路，當很高的瞬時電流產(chǎn)生時限制其為電流上限值。所述采用SVPWM方法，保證了 VSC-整流器開關(guān)頻率恒定，產(chǎn)生的諧波更小。上述七步定直流電壓模糊PI控制通過軟件編程實現(xiàn)，并由數(shù)字信號處理器(DSP)執(zhí)行。參見圖2，為直流電壓模糊PI控制原理示意圖。
圖2中虛線所框部分為直流電壓模糊PI控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)。實現(xiàn)對PI調(diào)節(jié)器參數(shù)ち，ち的實時在線調(diào)節(jié)。本發(fā)明采用ニ階模糊控制器，故其輸入信號為直流電壓誤差信號
及其變化率信號 ;=也/通，這種結(jié)構(gòu)反映了模糊控制器具有非線性ro控
制規(guī)律，從而有利于保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并可減小響應(yīng)過程的超調(diào)量以及消弱其振蕩現(xiàn)象。 和ぼ經(jīng)過模糊化、模糊推理及解模糊三個過程，最終輸出調(diào)節(jié)此時直流電壓誤差的Pi參
數(shù)ち.Zj，對Pi調(diào)節(jié)器參數(shù)進行在線調(diào)節(jié)。需要說明的是，模糊控制器的輸入語言變量是e和，輸出語言變量是ち。語
言變量的語言值越多，則制定控制規(guī)則越方便，但模糊控制規(guī)則相應(yīng)變得更復(fù)雜；語言值過少，使得描述變量變得粗糙，導(dǎo)致控制器的性能變壞。所以，本發(fā)明對于輸入語言變量0 ，だ和輸出變量ち，ち均選取七個語言值，分別為“負大、負中、負小、零、正小、正中、正太”。參考圖3，本發(fā)明模糊化和解模糊過程所用隸屬度函數(shù)均選取三角形隸屬度函數(shù)。圖3中，縱坐標為精確值Z的隸屬度。所選取的七個語言值“負大、負中、負小、零、正小、正中、正大”在圖3中分別對應(yīng)于“咄、匪、吧、2￡、？5、？] 、？8”。模糊PI控制器的工作原理如下
第一歩輸入語言變量e和根據(jù)隸屬度函數(shù)進行模糊化處理后分別得到模糊量間和W ；
第二步:將間和|￡C|進行模糊推理，即根據(jù)制定的模糊控制規(guī)則進行模糊推理，并決策出輸出的模糊量；
需要說明的是，模糊控制規(guī)則的制定及模糊推理決策是模糊控制器設(shè)計的關(guān)鍵部分，它直接影響著控制系統(tǒng)的質(zhì)量。本發(fā)明中，在不同的下，模糊控制規(guī)則設(shè)定的原則為
(I)當間較大，為使系統(tǒng)具有較好的快速跟蹤性能，應(yīng)取較大的,同時為了避免系統(tǒng)響應(yīng)出現(xiàn)較大的超調(diào)，應(yīng)對積分作用加以限制，通常取ち=0。(2)當間處于中等大小時，為使系統(tǒng)具有較小的超調(diào)，應(yīng)取較小的ち和適當?shù)膜?br> o(3)當聞較小時，為使系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)態(tài)性能，應(yīng)取較大的ち和Ki。第三步對輸出模糊量進行解模糊判決，即通過解模糊方法完成由模糊量到精確量的轉(zhuǎn)化，輸出參數(shù)，對PI調(diào)節(jié)器參數(shù)進行在線調(diào)節(jié)。本發(fā)明的解模糊方法采用加權(quán)平均法。參考圖4，為柔性直流輸電系統(tǒng)整流器的控制系統(tǒng)硬件實現(xiàn)電路示意圖。包括
電壓檢測，用于檢測交流系統(tǒng)電壓む、知、VSC-整流器交流側(cè)電壓び1む以及直流電壓。和用于無功功率計算。電壓調(diào)理電路，把電壓檢測模塊輸出的電壓值轉(zhuǎn)換到DSP能接受的電壓范圍(0 3V)之內(nèi)。電流檢測，用于檢測交流系統(tǒng)的三相電流しむ，用于無功功率計算。電壓調(diào)理電路，把電流檢測模塊輸出的電壓值轉(zhuǎn)換到DSP能接受的電壓范圍(0 3V)之內(nèi)。本發(fā)明采用DSP TMS320F2812作為控制芯片，其內(nèi)部有ADC模塊、EV模塊等。采用DSP內(nèi)部ADC模塊實現(xiàn)模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換。VSC-整流器定直流電壓模糊PI控制策略通用軟件編程實現(xiàn)，由DSP執(zhí)行所編寫 的程序。DSP通過EV模塊最終輸出6路PWM，由于DSP芯片的供電電壓為(T3V，該6路PWM不能直接驅(qū)動VSC-整流器。驅(qū)動隔離電路，用于把DSP輸出的6路PWM電平抬高進而驅(qū)動VSC-整流器；同時起到弱電信號與強電的隔離作用，避免強電影響弱電信號。綜上所述，與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明提供的整流器的定直流電壓控制采用雙閉環(huán)矢量控制策略，其中電壓外環(huán)采用模糊PI控制，內(nèi)環(huán)采用電流解耦控制，實現(xiàn)了有功功率和無功功率的獨立控制，所述方法避免了傳統(tǒng)PI調(diào)節(jié)器繁瑣的離線參數(shù)調(diào)節(jié)，可根據(jù)系統(tǒng)運行狀態(tài)的變化進行在線PI參數(shù)調(diào)節(jié)，自適應(yīng)調(diào)節(jié)能力強，使得系統(tǒng)對各種干擾和故障都有更快的響應(yīng)速度和更聞的控制精度，提聞了系統(tǒng)的抗干擾能力和動穩(wěn)態(tài)性能。
權(quán)利要求
1.一種向無源網(wǎng)絡(luò)供電的柔性直流輸電系統(tǒng)控制方法，其特征是，所述方法在柔性直流輸電系統(tǒng)的直流輸電線路首端設(shè)置整流器控制器，對交流系統(tǒng)側(cè)的VSC-整流器進行定直流電壓控制，直流輸電線路末端設(shè)置逆變器控制器，對VSC-逆變器進行定交流電壓控制，所述VSC-整流器定直流電壓控制采用雙閉環(huán)矢量控制策略，其中電壓外環(huán)采用模糊PI 控制，內(nèi)環(huán)采用電流解耦控制，從而實現(xiàn)有功功率和無功功率的獨立控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種向無源網(wǎng)絡(luò)供電的柔性直流輸電系統(tǒng)控制方法，其特征是，所述VSC-整流器定直流電壓控制的具體步驟如下a.對柔性直流輸電線路的直流電壓進行實時檢測，得到直流電壓實際值Udc，并與直流電壓給定值相比較，得到直流電壓誤差信號；b.直流電壓誤差信號經(jīng)過直流電壓模糊PI控制器及后續(xù)的電流限幅電路，輸出d軸交流電流參考值；C.根據(jù)當前系統(tǒng)交流電壓、交流電流計算得到無功功率實際值β，與無功功率給定值相比較，得到無功誤差信號；d.無功誤差信號經(jīng)過無功功率PI控制器及電流限幅電路，得到q軸交流電流參考值e.h—噴和經(jīng)過內(nèi)環(huán)電流解耦控制電路輸出d軸交流電壓參考值和q軸交流電壓參考值；f.和經(jīng)過兩相旋轉(zhuǎn)坐標系到兩相靜止坐標系的坐標變換(2r/2s)輸出兩相靜止坐標系(O —0坐標系)下和％_^( ；g.采用電壓空間矢量調(diào)制(SVPWM)方法對和進行調(diào)制，所得到的6路PWM 信號分別控制VSC-整流器的6個IGBT運行。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種向無源網(wǎng)絡(luò)供電的柔性直流輸電系統(tǒng)控制方法，其特征是，所述直流電壓模糊PI控制器采用二階模糊控制器，其輸入信號為直流電壓誤差信號e = U&-_r4 — JJ&及其變化率信號ec = deldi。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種向無源網(wǎng)絡(luò)供電的柔性直流輸電系統(tǒng)控制方法，其特征是，所述解模糊方法采用加權(quán)平均法。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種向無源網(wǎng)絡(luò)供電的柔性直流輸電系統(tǒng)控制方法，其特征是，直流電壓誤差信號及其變化率信號的模糊化和解模糊過程所用隸屬度函數(shù)均選取三角形隸屬度函數(shù)。
全文摘要
一種向無源網(wǎng)絡(luò)供電的柔性直流輸電系統(tǒng)控制方法，它在柔性直流輸電系統(tǒng)的直流輸電線路首端設(shè)置整流器控制器，對交流系統(tǒng)側(cè)的VSC-整流器進行定直流電壓控制，直流輸電線路末端設(shè)置VSC-逆變器控制器，對VSC-逆變器進行定交流電壓控制，所述VSC-整流器定直流電壓控制采用雙閉環(huán)矢量控制策略，其中電壓外環(huán)采用模糊PI控制，內(nèi)環(huán)采用電流解耦控制，從而實現(xiàn)有功功率和無功功率的獨立控制。所述方法避免了傳統(tǒng)PI調(diào)節(jié)器繁瑣的離線參數(shù)調(diào)節(jié)，可根據(jù)系統(tǒng)運行狀態(tài)的變化進行在線PI參數(shù)調(diào)節(jié)，自適應(yīng)調(diào)節(jié)能力強，系統(tǒng)對各種干擾和故障都有更快的響應(yīng)速度和更高的控制精度，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力和動穩(wěn)態(tài)性能。
文檔編號H02J3/36GK103023058SQ201310003320
公開日2013年4月3日 申請日期2013年1月6日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月6日
發(fā)明者劉英培, 栗然 申請人:華北電力大學(xué)(保定)