一種電壓源型換流器定直流電壓控制器參數(shù)的計(jì)算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及柔性高壓直流輸電技術(shù)領(lǐng)域，具體講涉及一種電壓源型換流器定直流 電壓控制器參數(shù)的計(jì)算方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 電壓源型換流器(voltage source converter，VSC)在電能轉(zhuǎn)換領(lǐng)域具有重要的 作用，其中VSC即可以是模塊化多電平換流器(modular multilevel converter，MMC)形式， 也可以是兩電平或三電平形式?；赩SC的柔性直流輸電技術(shù)是繼交流輸電和常規(guī)直流輸 電技術(shù)之后的一種新型輸電技術(shù)，它的產(chǎn)生使得輸電技術(shù)達(dá)到了一個(gè)新臺(tái)階。由于有功功 率和無(wú)功功率均可獨(dú)立控制以及潮流翻轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)容易，在新能源發(fā)電并網(wǎng)和消納、跨國(guó)電力 交易、異步電網(wǎng)互聯(lián)、海上孤島供電等方面具有重大技術(shù)優(yōu)勢(shì)。
[0003] 柔性直流輸電技術(shù)中換流站的控制策略一般采用的是矢量控制方式，該控制方式 由一個(gè)外環(huán)控制器和一個(gè)內(nèi)環(huán)控制器組成。外環(huán)控制器的輸出值是內(nèi)環(huán)控制器的參考值， 設(shè)計(jì)性能優(yōu)良的控制器能夠保證整個(gè)系統(tǒng)具有較好的動(dòng)態(tài)性能，外環(huán)控制器一般使用的是 比例積分(proportional integral，PI)控制器，控制器的設(shè)計(jì)也是其參數(shù)的設(shè)計(jì)，即比例 系數(shù)和積分系數(shù)的設(shè)計(jì)。外環(huán)控制器一般可以概括為四類，即定直流電壓控制、定有功功率 控制、定交流電壓控制和定無(wú)功功率控制，其中定直流電壓控制器的作用是維持整個(gè)直流 系統(tǒng)電壓穩(wěn)定，合適的定直流電壓控制器參數(shù)是柔性直流輸電和直流電網(wǎng)有效運(yùn)行的前 提，具有非常重要的地位。
[0004] 基于VSC的柔性直流輸電系統(tǒng)由兩個(gè)及以上的換流站和直流輸電線路構(gòu)成，直流 輸電系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí)，定直流電壓站的外環(huán)采用的是定直流電壓控制方式以保持整個(gè)系 統(tǒng)的直流電壓在額定值范圍內(nèi)。在求解控制器參數(shù)時(shí)，電流內(nèi)環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)可等效為一 階慣性環(huán)節(jié)，根據(jù)電流內(nèi)環(huán)的期望帶寬即可求出內(nèi)環(huán)比例積分調(diào)節(jié)器的參數(shù)。但是對(duì)于電 壓外環(huán)來(lái)說(shuō)，換流器自身的非線性關(guān)系導(dǎo)致不能直接求取直流電壓閉環(huán)傳遞函數(shù)，需要借 助換流器小干擾(小干擾:一般為某個(gè)物理量的波動(dòng)值小于額定值的10%)數(shù)學(xué)模型才能建 立直流電壓小干擾表達(dá)式。
[0005] 現(xiàn)有技術(shù)中忽略電壓源型換流器內(nèi)部的動(dòng)態(tài)過(guò)程，只考慮VSC功率與直流電壓之 間的關(guān)系。根據(jù)功率平衡原理，將交流側(cè)輸入VSC的有功功率等效為直流側(cè)輸出功率與電容 吸收功率之和，可以簡(jiǎn)化VSC動(dòng)態(tài)行為特性的分析，有利于建立階數(shù)較低的VSC小干擾線性 化數(shù)學(xué)模型，從而定量設(shè)計(jì)出定直流電壓控制器參數(shù)，但是，在求取定直流電壓外環(huán)控制器 參數(shù)時(shí)，有的忽略了直流電流對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響，有的只給出了參數(shù)的選取范圍，并沒(méi)有對(duì) 控制器參數(shù)進(jìn)行定量計(jì)算。
[0006] 為此，迫切需要一種控制器參數(shù)計(jì)算方法，使得計(jì)算得到的參數(shù)精確度更高，滿足 對(duì)控制器參數(shù)精確度的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 為了解決現(xiàn)有技術(shù)中所存在的上述不足，本發(fā)明提供一種電壓源型換流器定直流 電壓控制器參數(shù)的計(jì)算方法，所述電壓源型換流器等值模型包括三相等效電源電壓、電網(wǎng) 等效電阻、電網(wǎng)等效電感與電壓源型換流器，所述方法包括如下步驟：
[0008] I、建立電壓源型換流器的簡(jiǎn)化等效模型；
[0009] II、建立所述等效模型的電磁暫態(tài)模型；
[0010] III、求所述電壓源型換流器的有功功率小干擾線性化模型；
[0011] IV、建立所述電壓源型換流器小干擾線性化戴維南等效模型；
[0012] V、建立電壓源型換流器定直流電壓控制器的等效直流系統(tǒng)模型和等效直流系統(tǒng) 小干擾模型；
[0013] VI、計(jì)算電壓源型換流器定直流電壓控制器的參數(shù)。
[0014] 優(yōu)選的，所述步驟I電壓源型換流器簡(jiǎn)化等效模型包括:并聯(lián)的受控電流源和等效 電容；
[0015]用下式計(jì)算所述受控電流源id:
(1)
[0017]用下式表示電壓源型換流器直流側(cè)電壓的數(shù)學(xué)模型：
(2)
[0019] 其中，Pc表示注入電壓源型換流器的有功功率，idc為電壓源型換流器輸出的直流 電流，Ud。表示電壓源型換流器的輸出直流電壓，C eq表示所述電壓源型換流器的等效電容。
[0020] 優(yōu)選的，所述步驟II的電磁暫態(tài)模型的建立包括：
[0021 ]電壓源型換流器交流側(cè)在dq坐標(biāo)系下的電磁暫態(tài)模型如下式所示：
(3)
[0023] 其中，usd與uSq和isd與isq分別表不為交流系統(tǒng)電壓和電流的d軸和q軸的分量;Req 和U分別表示為電壓源型換流器交流側(cè)等效電阻和電感；《表示基波角頻率;ed與e q分別 表示為電壓源型換流器交流側(cè)電壓的d軸和q軸的分量。
[0024] 優(yōu)選的，所述步驟III求電壓源型換流器的有功功率線性化模型包括:設(shè)計(jì)換流器 內(nèi)環(huán)控制器和外環(huán)控制器，將外環(huán)控制器輸出的電流參考值輸入內(nèi)環(huán)控制器，組成換流器 閉環(huán)控制系統(tǒng)；
[0025] 所述外環(huán)控制器包括:定直流電壓控制器、定交流電壓控制器、定有功功率和定無(wú) 功功率控制器；
[0026] 電流內(nèi)環(huán)控制器模型如下式所示： (4；
[0028]其中，和氣與和'分別表不電壓源換流器內(nèi)部輸出參考電壓與輸出參考電流 的d軸和q軸分量，usd與uSq和isd與isq分別表不為交流系統(tǒng)電壓和電流的d軸和q軸的分量， k pi和ku分別表示內(nèi)環(huán)PI控制器的比例與積分系數(shù)，s表示拉普拉斯算子，co表示基波角頻 率，Leq表示電壓源換流器交流側(cè)等效電感；
[0029]電流內(nèi)環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)Hi(s)如下式所示：
[0031]式中，Req表示電壓源型換流器交流側(cè)等效電阻，式(5)采用零極點(diǎn)對(duì)消，即kn/kpi -Req/Leq ；
[0032]所述定直流電壓控制器模型方程如下式表示：
C6)
[0034] 其中，kpdc表示外環(huán)控制器定直流電壓PI控制器的比例系數(shù)，kid。表示外環(huán)控制器 定直流電壓pi控制器的積分系數(shù)，^4表示定直流電壓控制器的參考值，ud。表示實(shí)際直流電 壓值；
[0035]所述定交流電壓控制器模型方程如下式表示：
(7)
[0037] 其中，kpac表示外環(huán)控制器定交流電壓PI控制器的比例系數(shù)，1^%表示外環(huán)控制器 定交流電壓PI控制器的積分系數(shù)，表示定交流電壓控制的參考值，uP。。表示實(shí)際交流電 壓值；
[0038]所述定有功功率和定無(wú)功功率控制器在不使用PI控制器時(shí)，d軸和q軸內(nèi)環(huán)電流的 參考值用下式計(jì)算：
[0040]式中，PlPf分別表示換流器外環(huán)控制器定有功功率和定無(wú)功功率控制器的參考 值，Cl為內(nèi)環(huán)d軸電流參考值，Ci為內(nèi)環(huán)q軸電流參考值；
[0041 ]注入電壓源型換流器的有功功率p。用下式計(jì)算：
[0042] pc=l .5edisd+l .5eqisq (9)
[0043] 式中，ed和eq分別表不電壓源型換流器內(nèi)部輸出電壓在d軸和q軸的分量；
[0044]對(duì)式（2)_(9)進(jìn)行小干擾線性化和拉普拉斯變換，得到所述有功功率p。線性化模 型用下式表示：
[0045] Apc(s) - LSF^AQs) +1 .5F2(s)aQs) + L5Isd0Au^(s) +1 .SI^Aii^s) ( 10)
[0046] 式中，s表示拉普拉斯變換算子，F(xiàn)Ks)表示d軸參考電流小干擾到有功功率小干擾 模型的傳遞函數(shù)，F(xiàn)2(s)表示q軸參考電流小干擾到有功功率小干擾模型的傳遞函數(shù)，A Usq (s)表示PCC點(diǎn)q軸電壓小干擾，Ausd(s)表示PCC點(diǎn)d軸電壓小干擾，APc(s)表示有功功率小 干擾線性化表達(dá)，△〇)表示電流內(nèi)環(huán)d軸參考電流的小干擾，表示電流內(nèi)環(huán)q軸參考 電流的小干擾、A usd (s)表示PCC點(diǎn)d軸電壓的小干擾，A Usq (s)表示PCC點(diǎn)q軸電壓小干擾。 [0047]優(yōu)選的，所述FKsWPFds)分別用下式計(jì)算：
[0048] Fl ( S ) = (Um-2ReqIsd0-LeqIsd0S )Hi (s) (11)
[0049] F2 ( S ) = - ( 2ReqIsqO+LeqIsqOS )Hi (s) (12)
[0050] 式中，Req表示電壓源型換流器交流側(cè)等效電阻，Leq表示電壓源型換流器交流側(cè)等 效電感，Hi (s)表示電流內(nèi)環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)，IsdQ和IsqQ分別表示交流系統(tǒng)電流d軸和q軸的分 量的穩(wěn)態(tài)值，U m表示PCC點(diǎn)相電壓幅值。
[0051] 優(yōu)選的，所述步驟IV換流器小干擾線性化戴維南等效模型包括:換流器輸出電壓 等于串聯(lián)的等效電壓減去等效輸出阻抗與換流器輸出直流電流小干擾的乘積，所述換流器 輸出電壓A Udc；(S)用下式計(jì)算：
[0052] A Udc(s) = A Ueq_dc(s)-Z〇dc a idc(s) (13)
[0053] 式中，A Ueq_dc(s)表示換流器輸出直流電壓小干擾線性化戴維南等效模型的等效 電壓，Zi表示換流器輸出直流電壓小干擾線性化戴維南等效模型的等效輸出阻抗，A idc (s)表示換流器輸出直流電流的小干擾。
[0054] 優(yōu)選的，所述步驟IV電壓源型換流器小干擾線性化戴維南等效模型分別在定直流 電壓控制和定交流電壓控制時(shí)、定直流電壓控制和定無(wú)功功率控制時(shí)、定有功功率控制和 定交流電壓控制時(shí)，以及定有功功率和定無(wú)功功率控制時(shí)的具體應(yīng)用；
[0055] (1)在定直流電壓控制和定交流電壓控制時(shí)，換流器輸出電壓小干擾線性化模型 如下式所示：
[0057] 其中，mi~mi3表示各個(gè)多項(xiàng)式的系數(shù)，A(s)表示分母特征多項(xiàng)式，Gudc、Gupcc、G usd、 Gusq和Gidi別為直流參考電壓小干擾如】。⑴、PCC交流參考電壓小干擾、PCC點(diǎn)d軸 電壓