基于柔性直流输电系统换流站级改进型控制策略技术方案

本发明专利技术公开了用于解决柔性直流输电换流站级控制系统的电流动态响应慢，控制系统复杂，鲁棒性等问题；针对传统的柔性直流输电技术采用的直接电流双闭环控制，通过改进内环电流控制算法，在传统矢量控制理论的基础上，简化了内环控制数学模型用预测控制模型代替，无需解耦环节；该控制策略具有以下优势：拥有控制结构简单,消耗更少的计算时间，动态响应快，快速跟踪参考值和输出电压稳定。本发明专利技术在保证柔性直流输电系统稳定运行的同时，通过改变换流站的控制策略，提高了稳定性和快速性，使系统运行更理想，实现过程容易且简单，大大节约了设备成本。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及基于柔性直流输电系统的改进型控制策略，属于电力

技术介绍
柔性直流输电系统换流站级控制接收系统级的有功和无功类物理量参考值，并得到SPWM信号的调制比M和移相角提供给换流阀级控制的触发脉冲发生环节。由柔性直流基本调节方式可知，的变化主要影响有功功率，M的变化主要影响无功功率，且越小这种关系越明显。因此，可以通过改变相位角来控制有功功率，通过改变调制比M来控制无功功率。换流站级控制的实现方式有多种，如直接控制，矢量控制和自适应控制等。传统上，针对柔性直流输电系统的换流站一般采取以下几种控制方法：①直接控制又称“间接电流控制”，其接受系统级控制器的指令，通过控制调制比和移相角来达到调节换流器交流侧输出电压的幅值和相位的目的。此控制方式简单，直接，但响应速度比较慢，不容易实现过电流控制。②矢量控制又称“直接电流控制”，通常采用双环控制，即外环电压控制和内环电流控制。矢量控制结构比较简单，其响应速度快，容易实现过电流等控制，适用于柔性直流应用场合。但矢量控制需要复杂的坐标变换过程，需要复杂的解耦算法，闭环设计为关键，参数整定较繁琐，坐标定向容易受到网压畸变得影响。③新的控制策略也不断出现，如重复控制，自适应控制，滑模控制等。但一般这些控制策略多用于中小功率场合。在柔性直流输电系统中，换流站级控制是柔性直流输电系统控制中的核心部分，如何使换流站具有快速的动态响应，简化的控制系统结构，实现高功率因素获得稳定的输出电压是本专利技术专利的研究重点。
技术实现思路
本专利技术的目的在于保证柔性直流输电系统换流站输出稳定的电压的同时，基于传统的矢量控制的基础上，通过改进内环电流控制算法，有功类参考量和无功类参考量经过外环控制器生成有功参考电流，无功参考电流；参考电流，直流侧电压电流经过内环预测电流控制生成PWM触发器中的调制波；最后PWM触发器输出脉冲使开关动作。在保证柔性直流输电系统稳定运行的同时，通过改变换流站的控制策略，提高系统运行的稳定性和快速性，使系统运行更理想，实现过程容易且简单。本专利技术的技术特征如下：(1)改进的内环预测电流控制是在固定的采样周期内，将本周期的电流误差转化为电压信号，作为阀级控制的给定值，令下一周期实际电流跟踪参考电流，从而使换流器具有快速的动态响应，实现高功率因素，获得稳定的输出电压。(2)改进的内环预测电流控制策略，是以本次采样实际电流与下一个采样时刻的预测电流进行比较,求出最优控制电压以及电压空间矢量,使得电流误差最小,迫使下一个采样时刻的实际电流以最优特性跟踪这一时刻参考电流。控制变量之间没有耦合关系，无需解耦控制，极大的简化了数学模型，使得控制结构简单易行，简化了换流站级控制系统的设计。(3)改进型的预测电流控制策略应用于柔性直流输电系统，能快速的调节系统的有功功率和无功功率，实时性好，容易数字化实现，具有良好的鲁棒性。其有益效果是：本专利技术重点研究针对柔性直流输电系统换流站级改进型控制策略，将传统矢量控制中内环电流控制改进成预测电流控制。(1)柔性直流输电系统换流站级改进型控制策略简化了换流站级的控制系统结构，提高了系统动态响应速度，节约成本。(2)改进型的预测电流控制策略应用于柔性直流输电系统能快速的调节系统的有功功率和无功功率，实时性好，容易数字化实现，具有良好的鲁棒性；从而提高系统的经济效益和实用效益。附图说明图1为改进的内环预测电流控制系统结构设计图。图2为换流站采用改进控制策略的整体控制结构设计图。图3为柔性直流输电系统的结构图。具体实施方式下面结合附图和具体实施过程对本专利技术作进一步描述。参见图1，基于传统的矢量控制的基础上改进内环电流控制算法，假定系统采样周期为Ts，由换流站(VSC)的动态数学模型表达式如式(1)可得相电流t＝(K+1)Ts时刻的预测模型为式(2)。ia·ib·ic·=-RL000-RL000-RLiaibic+1L(usa-uca)1L(usb-ucb)1L(usc-ucc)---(1)]]>等效电路usa,usb,usc分别表示交流侧系统的三相电压，其中三相电压保持平衡满足usa+usb+usc＝0；其中uca,ucb,ucc为采用PWM调制的VSC所输出的三相相电压；N表示直流侧母线中性点；L表示等值电抗；R表示等值电阻。使线电流在一个开关周期内跟踪参考电流，满足上述(1)式可以得出固定开关频率的预测电流控制规律为：ij(k+1)=a1-a2a1ij(k)+1a1[usj(k)-udc(k)2vj(k)]---(2)]]>其中vj(k)表示在t＝KT时刻第j相输出的控制信号，满足-1≤vj(k)≤1,j＝a,b,c；udc(k)为在t＝nT时刻直流侧母线电压；a1＝Ln/Ts；a2＝Rn；Ln和Rn分别表示等效电路图2中R和L的值；T为采样周期当采样周期足够小时,可近似认为ij(k+1)＝ijref(k)；ij(k+1)为相电流下一时刻的预测值；因此可以得到相应的电流内环传递函数为：G(z)＝ij(Z)/ijref(z)＝1/z(3)因此可以得到预测电流控制器的函数为：vj(k)=2udc(k)[usj(k)-a1ijref(k)+(a1-a2)ij(k)]---(4)]]>由式(4)就可以设计出相应预测电流控制器的内环电流控制结构图1。参见图2，换流站基于改进型预测电流控制框图。PLL表示锁相环使输出电压信号与交流侧电压保持同步。有功类和无功类参考值经过外环控制器生成有功参考电流idref，无功参考电流iqref；生成的参考电流经过dq坐标变换为三相电流与直流侧电压电流经过内环预测电流控制器生成PWM触发器中的调制波；最后PWM触发器输出脉冲使开关动作。其中有功类参考值主要包括有功功率，直流侧电压，频率；无功类参考值主要包括无功功率，交流电压。参见图3，为两端柔性直流输电系统的结构图，由交流侧电源，换流电抗器，换流站，直流输电线路组成；其中换流站级控制采用改进型的控制方法。由系统级控制器生成的有功类参考量和无功类参考量经外环控制器生成有功电流参考值idref和无功电流参考值iqref；换流阀的控制是由参考电流，交流侧电流经过(4)式的内环预测电流控制器通过得到内环控制器输出的电压d,q轴分量的期望值Udref，Uqref，通过本文档来自技高网...

【技术保护点】
针对柔性直流输电系统换流站级改进型控制策略，其特征在于：在传统矢量控制的基础上，简化了内环电流控制用预测控制模型代替。具体针对换流站的数学模型进行推导，得到内环预测电流控制的表达式来替代传统的内环电流控制方式，内环控制器输出三相电压期望值，通过阀级控制得到调制度M和移相角与其他控制该控制策略相比具有以下优势：拥有控制结构简单,消耗更少的计算时间，动态响应快，快速跟踪参考值和输出电压稳定。

【技术特征摘要】
1.针对柔性直流输电系统换流站级改进型控制策略，其特征在于：在传统矢量控
制的基础上，简化了内环电流控制用预测控制模型代替。具体针对换流站的数学
模型进行推导，得到内环预测电流控制的表达式来替代传统的内环电流控制方
式，内环控制器输出三相电压期望值，通过阀级控制得到调制度M和移相角与其他控制该控制策略相比具有以下优势：拥有控制结构简单,消耗更少的计算
时间，...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏向阳，邱欣，彭梦妮，易浩民，杜荣林，杨超，
申请(专利权)人：长沙理工大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43