CN112086988B - 一种电压源型换流器控制策略平滑切换方法 - Google Patents

一种电压源型换流器控制策略平滑切换方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电压源型换流器控制策略平滑切换方法，包括：采集实际电气量值；接收到控制策略切换信号后确认当前控制策略；控制***对控制环路中的比例积分调节器进行初值整定，锁定整定值，同时修改控制目标，切换控制策略。本发明能够在电压源型换流器的控制目标发生改变时，实现电压源型换流器控制策略的快速平滑切换，减小暂态冲击，提高电力***的稳定性。本发明能够在暂态时防止过电流过电压，并在稳态时能够实现换流站的控制目标，同时保证调节快速性。

Description

一种电压源型换流器控制策略平滑切换方法
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，涉及一种电压源型换流器的控制策略平滑切换方法。
背景技术
基于电压源型换流器的高压直流输电技术(VSC-HVDC)作为智能电网中的一项重要技术，已经显现出其优于传统HVDC的特定优势。VSC-HVDC能够为无源网络供电，实现大规模可再生能源并网，构建多端直流电网，独立快速控制有功和无功功率，并且无需电压极性反转即可实现反向供电。随着光伏、风电等新能源并网以及无源网络供电的需求不断提高，电压源型换流器作为无源网络供电和新能源并网的一个重要途径，逐渐受到关注。
近年来，为了实现柔性直流电网的高灵活可控性，电压源型换流器控制目标更加复杂，控制策略更加多样化。在实现换流站的启动过程、换流站发生故障时的响应，以及换流站的功能切换等任务时，为了减小换流站的暂态冲击，同时保证较快调节速度，实现电力***稳定的目的，传统方式采取闭锁换流器的方式减小暂态冲击。该方式在解锁时需对控制***积分器清零，进行控制策略的重启，整个过程增加了调节时间，无法满足柔性直流输电高灵活可控性要求。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种电压源型换流器的控制策略平滑切换方法，能够在电压源型换流器的控制目标发生改变时，保证当前控制策略平滑地切换为目标控制策略，使得控制策略切换时无需闭锁换流器，整个过程快速平滑，能够减小暂态冲击，提高电力***的稳定性。
为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
一种电压源型换流器的控制策略平滑切换方法，包括如下步骤：
(1)控制***采集实际电气量值；
(2)控制***接收到控制策略切换信号；
(3)控制***确认当前控制策略；
(4)控制***对控制环路中的比例积分调节器进行初值整定，锁定整定值，同时修改控制目标，切换控制策略。
进一步的，所述实际电气量值包括以下值：从电压源型换流器公共耦合点处采集的三相交流电压、交流电流、有功功率和无功功率数据，利用锁相环采集的相位数据，从直流并网点处采集的直流电压数据。
进一步的，所述控制策略包括功无功解耦类控制策略和有功无功不解耦类控制策略。
进一步的，当所述步骤(2)中需切换的目标控制策略为有功无功解耦类控制策略时，所述步骤(4)中比例积分调节器的初值整定包括如下步骤：
1)将即将达成的控制策略的电气量参考值设定为当前实际电气量值，整定外环积分器初值为实际电气量值；
2)将控制环路中，生成调制波电压的内环比例积分器初值进行整定，其整定公式如下：
Figure BDA0002651703990000021
其中，Uc和US是换流站交流侧出口的电压有效值和公共连接点的交流电压有效值，vdreset和vqreset是d轴控制中的积分器整定值和q轴控制中的积分器整定值，Ps和Qs是公共连接点处注入的有功功率和无功功率isd和isq是换流站交流侧电流的dq轴分量，Xc是换流站的换流电抗，Rc是换流站的等效电阻。
进一步的，所述实际电气量值至少包括：控制切换前的有功功率、无功功率和直流电压参考值。
进一步的，所述有功无功解耦类控制策略包括：定有功无功控制策略、定直流电压无功控制策略、定有功交流电压控制策略、定直流电压交流电压控制策略、直流电压斜率控制策略。
进一步的，当所述步骤(2)中需切换的目标控制策略为有功无功不解耦类控制策略时，所述步骤(4)中比例积分调节器的初值整定包括如下步骤：
1)将即将达成的控制策略的电气量参考值设定为当前实际电气量值，将控制环路中的比例积分器初值整定为实际电气量值；
2)在控制环路中，对交流侧电压进行相位跟踪，在切换时保持该相位，并对切换后的幅相控制初相角进行整定。
进一步的，所述实际电气量值包括：切换前的交流电压幅值。
进一步的，所述有功无功不解耦类控制策略包括幅相控制策略。
相对于现有技术，本发明的有益效果如下：
1.本发明方案设计巧妙合理，该方案实现在电压源型换流器控制策略切换时，无需闭锁换流器，通过整定控制***中比例积分器的初值和整定控制策略的参考值，实现快速平滑的切换过程，减小暂态冲击，保证了***的平稳运行。
2.本发明方法能够在暂态时防止过电流过电压，并在稳态时能够实现换流站的控制目标，同时保证调节快速性。
3.本发明方法提高了电压源型换流器的稳定性，提高了与电压源型换流器相连的电力***的稳定性，可以广泛应用在电力电子领域，如换流站的启动过程、换流站发生故障时的响应，以及换流站的功能切换等领域。
附图说明
图1为本发明提供的电压源型换流器控制策略平滑切换方法的原理图；
图2为本发明中VSC(电压源型换流器)使用的控制策略框架图，其中(a)为VSC的有功无功解耦类控制框架，(b)为VSC的幅相控制框架；
图3为验证本发明的双端VSC***仿真模型图；
图4为在双端VSC***模型中切换为幅相控制的本发明动态仿真结果图，其中(a)为VSC1的PCC线电压(有效值)和A相电流(实时值)，(b)为VSC1的PCC有功功率和无功功率，(c)为VSC1的直流电压和直流电流。
附图标记说明：
Udc—PCC点直流电压量测值；Udcref—PCC点直流电压参考值；
uac—PCC点交流电压量测值；uacref—PCC点交流电压参考值；
Ps—PCC点有功功率量测值；Psref—PCC点有功功率参考值；
Qs—PCC点无功功率量测值；Qsref—PCC点无功功率参考值。
具体实施方式
为了加深对本发明的认识和了解，下面结合附图对本发明进一步的说明和介绍。
实施例1：
参见图1、图2，本发明所指的电压源型换流器控制策略含有功无功解耦类控制和有功无功不解耦类控制。有功无功解耦类控制包括但不限于定有功无功控制，定直流电压无功控制，定有功交流电压控制，定直流电压交流电压控制，直流电压斜率控制等。有功无功不解耦类控制包括但不限于幅相控制等。本发明提供的控制策略平滑切换方法在这几类控制策略进行切换时均适用。
具体的说，本发明提供的电压源型换流器控制策略平滑切换方法包括以下步骤：
(1)控制***采集实际电气量值，具体为：从电压源型换流器交流公共耦合点处分别采集三相交流电压、交流电流、有功功率和无功功率数据，利用锁相环采集相位数据，从直流并网点处采集直流电压数据。控制***为电压源型换流器既有控制***，控制***时刻采集实际电气量值。
(2)控制***接收到控制策略切换信号；本步骤能够保证***当前即将进行控制策略切换过程是***运行的切换过程，如从幅相控制切换为定有功无功控制策略，可以防止错误的控制策略的切换。
(3)控制***确认当前控制策略；
(4)控制***对控制环路中的比例积分调节器进行初值整定，然后锁定整定值，同时修改控制目标，切换控制策略。
以下举例对比例积分调节器进行初值整定进行详细说明：
图2(a)为有功无功解耦类控制框图，通过对控制参数的设定可以实现不同的控制目标，包括定有功无功控制，定直流电压无功控制和直流电压斜率控制以及一系列以此为基础扩展的改进控制策略。本发明在切换后的目标控制策略为有功无功解耦控制时，为保证切换控制前后的平滑性与快速性，需要在切换控制时保持不变的量，包括控制目标参考值，外环和内环
Figure BDA0002651703990000041
比例积分环节的积分值。其比例积分调节器初值整定方式具体如下：
1)将即将达成的控制策略的电气量参考值设定为当前实际电气量值，如控制切换前的有功功率、无功功率和直流电压参考值等，上述控制策略存在外环比例积分器，需相应地整定外环积分器初值为实际电气量值；实际电气量值实时采集。
2)将控制环路中，生成调制波电压的内环比例积分器初值进行整定，其整定公式如下：
Figure BDA0002651703990000042
其中，Uc和US是换流站交流侧出口的电压有效值和公共连接点的交流电压有效值，vdreset和vqreset是d轴控制中的积分器整定值和q轴控制中的积分器整定值。Ps和Qs是公共连接点(PCC点)处注入的有功功率和无功功率。isd和isq是换流站交流侧电流的dq轴分量，Xc是换流站的换流电抗，Rc是换流站的等效电阻。
参见图2(b)为一种典型幅相控制框图，该幅相控制采用间接电流控制，有功无功相互耦合。本发明在切换后的目标控制策略为幅相控制时，为保证切换控制前后的平滑性与快速性，需要在切换控制时保持不变的量，主要为交流电压幅值和相位。比例积分调节器初值整定方式具体如下：
1)将即将达成的控制策略的电气量参考值设定为当前实际电气量值。将控制环路中的比例积分器初值整定为实际电气量值，即切换前的交流电压幅值，实际电气量值实时采集。
2)在控制环路中，对交流侧电压进行相位跟踪，在切换时保持这个相位，对切换后的幅相控制初相角进行整定，整定为切换前的相角，通过整定的相角和上述交流电压幅值即可输出相应调制波。
应用实施例：
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，这是对本发明的举例解释而不是限定本发明只能采取以下实例。
参见图3为双端七电平电压源型换流器***，交流母线电压为500kV、MMC交流电压为255kV，直流电压为±250kV，子模块电容为1000uF，等效发电机输出700MW有功功率，等效电动机消耗100MW有功功率，由直流电网承担600MW输出。在6s时产生功率切换控制信号，由定有功无功控制切换为幅相控制，并采用本发明提供的平滑切换方法。根据模型进行PSCAD仿真，获得电压源型换流器在控制策略切换时的动态特性。
参见图4，在6s控制策略切换后，由原本的定有功无功控制切换为幅相控制，VSC直流侧电压由原本的502kV产生小幅震荡，振荡幅度约为±3kV，直流电流几乎不受影响。VSC交流侧PCC电压有效值由501kV产生±2kV的小幅震荡，交流电流由1kA产生±0.15kA的小幅震荡，有功功率由600MW产生±40MW的震荡，无功支撑由0变为-10MVar。
在上述动态过程中，由于切换后的幅相控制存在较小无功支撑偏差，导致了小幅震荡，整个震荡过程大约持续1s，各电气量震荡幅度很小，体现了本发明具有良好的快速性和平滑性的特点，提高了电压源型换流器的稳定性，提高了与电压源型换流器相连的电力***的稳定性。
需要说明的是，上述实施例仅仅是本发明的较佳实施例，并没有用来限定本发明的保护范围，在上述方案的基础上做出的等同替换或者替代，均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种电压源型换流器控制策略平滑切换方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)控制***采集实际电气量值；
(2)控制***接收到控制策略切换信号；所述控制策略包括有 功无功解耦类控制策略和有功无功不解耦类控制策略；
(3)控制***确认当前控制策略；
(4)控制***对控制环路中的比例积分调节器进行初值整定，锁定整定值，同时修改控制目标，切换控制策略；
当所述步骤(2)中需切换的目标控制策略为有功无功解耦类控制策略时，所述步骤(4)中比例积分调节器的初值整定包括如下步骤：
1)将即将达成的控制策略的电气量参考值设定为当前实际电气量值，整定外环积分器初值为实际电气量值；
2)将控制环路中，生成调制波电压的内环比例积分器初值进行整定；
当所述步骤(2)中需切换的目标控制策略为有功无功不解耦类控制策略时，所述步骤(4)中比例积分调节器的初值整定包括如下步骤：
1)将即将达成的控制策略的电气量参考值设定为当前实际电气量值，将控制环路中的比例积分器初值整定为实际电气量值；
2)在控制环路中，对交流侧电压进行相位跟踪，在切换时保持该相位，并对切换后的幅相控制初相角进行整定。
2.根据权利要求1所述的电压源型换流器控制策略平滑切换方法，其特征在于，所述实际电气量值包括以下值：从电压源型换流器公共耦合点处采集的三相交流电压、交流电流、有功功率和无功功率数据，利用锁相环采集的相位数据，从直流并网点处采集的直流电压数据。
3.根据权利要求1所述的电压源型换流器控制策略平滑切换方法，其特征在于，当所述步骤(2)中需切换的目标控制策略为有功无功解耦类控制策略时，所述步骤(4)中比例积分调节器的初值整定公式如下：
Figure FDA0003543488370000011
其中，Uc和US是换流站交流侧出口的电压有效值和公共连接点的交流电压有效值，vdreset和vqreset是d轴控制中的积分器整定值和q轴控制中的积分器整定值，Ps和Qs是公共连接点处注入的有功功率和无功功率isd和isq是换流站交流侧电流的dq轴分量，Xc是换流站的换流电抗，Rc是换流站的等效电阻。
4.根据权利要求1所述的电压源型换流器控制策略平滑切换方法，其特征在于，当需切换的目标控制策略为有功无功解耦类控制策略时，所述实际电气量值至少包括：控制切换前的有功功率、无功功率和直流电压参考值。
5.根据权利要求1所述的电压源型换流器控制策略平滑切换方法，其特征在于，所述有功无功解耦类控制策略包括：定有功无功控制策略、定直流电压无功控制策略、定有功交流电压控制策略、定直流电压交流电压控制策略、直流电压斜率控制策略。
6.根据权利要求1所述的电压源型换流器控制策略平滑切换方法，其特征在于，当需切换的目标控制策略为有功无功不解耦类控制策略时，所述实际电气量值包括：切换前的交流电压幅值。
7.根据权利要求1所述的电压源型换流器控制策略平滑切换方法，其特征在于，所述有功无功不解耦类控制策略包括幅相控制策略。
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