基于PR 控制的VSC－HVDC 系統(tǒng)仿真研究

王水彬，殷旺洲，王 一，韓金銅，康金良，卞海波，徐 暉，畢宏圖

(1. 天津市電力公司 濱海供電分公司，天津300450;2. 北京供電公司，北京100078;3. 華能上安電廠，河北 石家莊050000)

0 引言

隨著電力半導(dǎo)體技術(shù)，尤其是絕緣柵雙極晶體管(IGBT)的快速發(fā)展，以全控型、可關(guān)斷器件構(gòu)成的電壓源換流器以及PWM 控制技術(shù)為基礎(chǔ)的VSC－HVDC 輸電技術(shù)［1～2］得到了迅速發(fā)展。

VSC－HVDC 系統(tǒng)可獨(dú)立調(diào)節(jié)有功、無功功率并且實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行、可以向無源網(wǎng)絡(luò)供電，克服了傳統(tǒng)HVDC 的本質(zhì)缺陷，并且具有易于構(gòu)成多端直流系統(tǒng)、不需要交流側(cè)提供無功功率并能夠起到STATCOM 的作用、不會增加系統(tǒng)的短路容量等優(yōu)點(diǎn)［3～5］。VSC － HVDC 把HVDC 系統(tǒng)的優(yōu)勢擴(kuò)展到整個配電網(wǎng)，拓寬了HVDC 在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用范圍，且應(yīng)用前景廣闊。

本文首先闡述了傳統(tǒng)雙環(huán)PI 控制所存在的局限性，然后將PR 控制器引入到電流內(nèi)環(huán)控制中，消除了傳統(tǒng)PI 電網(wǎng)前饋補(bǔ)償所帶來的局限性。最后在PSCAD / EMTDC 仿真軟件下進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

1 PR 控制策略的提出

在VSC－HVDC 控制系統(tǒng)中，由于單環(huán)控制的抗擾動能力很弱，所以一般采用電壓電流的雙環(huán)控制方案［6～7］。而雙環(huán)控制中電流內(nèi)環(huán)一般采用電網(wǎng)前饋補(bǔ)償?shù)腜I (比例積分)控制。PI 控制方法具有算法簡單、可靠性高和易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，因此廣泛的應(yīng)用于工業(yè)控制［8］。但是在靜止坐標(biāo)系下，常規(guī)的PI 控制對正弦參考電流存在零穩(wěn)態(tài)誤差，為此，將三相量經(jīng)過dq 變換轉(zhuǎn)換為直流量，進(jìn)而使用PI 控制可以做到零穩(wěn)態(tài)誤差。但是采用在dq 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的控制時(shí)，電流內(nèi)環(huán)需要進(jìn)行電壓前饋補(bǔ)償［9］，而電網(wǎng)前饋控制卻存在著局限性:

(1)由于逆變器存在延時(shí)作用和非線性因素，逆變器在“復(fù)制”電網(wǎng)電壓過程中引入了失真，影響前饋控制。因此前饋控制只能作用于電網(wǎng)電壓引起的低頻分量電流誤差控制，諧波頻率升高時(shí)前饋?zhàn)饔脤㈦S之降低。

(2)電壓前饋控制的基礎(chǔ)是電網(wǎng)電壓的抵消效應(yīng)，這依賴于交流電壓幅值和相位的準(zhǔn)確檢測和反饋檢測，也即依賴于逆變輸入直流電壓和交流電壓的檢測度。

(3)前饋控制僅僅在于減小電網(wǎng)電壓引起的穩(wěn)態(tài)誤差，不能改變電流反饋PI 控制所存在的開環(huán)增益受限問題，因而對于減小系統(tǒng)本身跟蹤給定量的穩(wěn)態(tài)誤差、抑制由逆變開關(guān)死區(qū)時(shí)間和其它非線性因素引起的電流諧波，以及增強(qiáng)系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)能力等沒有作用。

為了解決上述問題，本文引入一種新型的控制器，即PR 控制器。該控制器可以在靜止坐標(biāo)系下實(shí)現(xiàn)跟蹤正弦參考電流實(shí)現(xiàn)零穩(wěn)態(tài)誤差［10～12］。從而不需要電壓前饋補(bǔ)償，消除了電壓前饋補(bǔ)償?shù)木窒扌?。同時(shí)也省去了繁瑣的abc－dq坐標(biāo)變換的算法過程，優(yōu)化了控制器的設(shè)計(jì)。

基于PR 控制器的傳遞函數(shù)表述如下:

式中:kp為比例系數(shù);kr為諧振系數(shù);ω0為諧振角頻率。

經(jīng)典的PI 控制器傳遞函數(shù)如下:

式中:kp為比例系數(shù);ki為積分時(shí)間系數(shù)。

PI 控制器中，將基波角頻率ω0代入公式(2)中得控制器的幅頻特性為

可知，此為一個有限值，系統(tǒng)存在穩(wěn)態(tài)誤差。在VSC－HVDC 控制系統(tǒng)中，為了消除這個穩(wěn)態(tài)誤差，需要加入電網(wǎng)前饋補(bǔ)償，但是電網(wǎng)前饋補(bǔ)償會存在上述問題。

PR 控制器中，將基波角頻率ω0代入式(1)可得控制器的幅頻特性為

由公式可以看出，這個值是無窮大。因此，PR 控制器可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的零穩(wěn)態(tài)誤差，同時(shí)具有抗電網(wǎng)電壓干擾的能力。

2 PR 控制器

圖1 為兩端聯(lián)接有源網(wǎng)絡(luò)的VSC －HVDC 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，在VSC －HVDC 系統(tǒng)中必須有一端控制直流電壓，充當(dāng)整個直流網(wǎng)絡(luò)的有功功率平衡換流器;另一端的換流器作為功率控制器調(diào)節(jié)兩個有源系統(tǒng)之間功率的傳送。設(shè)圖1 中VSC1 為功率控制端，采用定有功功率和定無功功率控制方式，VSC2 為電壓控制控制端，采用定直流電壓和定交流電壓的控制方式。

圖1 兩端聯(lián)接有源網(wǎng)絡(luò)的VSC－HVDC 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig．1 System structure of VSC－HVDC connected active network of both ends

圖2 和圖3 分別為電壓控制端采用PI 控制和PR 控制的原理框圖。由圖2 中可以看出，采用PI控制器需要將檢測到的電壓和電流信號均進(jìn)行坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換，計(jì)算過程十分繁瑣。為實(shí)現(xiàn)d，q 軸電流的解耦，以提升系統(tǒng)的抗干擾能力，還需引入電網(wǎng)電壓和電流狀態(tài)反饋?zhàn)鳛榍梆佈a(bǔ)償。而圖3 中的PR 控制系統(tǒng)框圖只需將檢測得到的三相交流電流變換到兩相靜止坐標(biāo)系下，與給定信號的偏差量作為PR 控制器的輸入量，PR 控制器的輸出做為電壓控制指令，該指令轉(zhuǎn)換成三相交流指令后，被送入PWM 調(diào)制單元生成PWM 信號送到VSC，從而控制功率器件的開斷，產(chǎn)生實(shí)際所需的交流電壓。

圖2 電壓控制端采用PI 器框圖Fig．2 Voltage control terminal PI block diagram

因此，PR 控制方式省去了PI 控制下的電流及電壓控制指令的坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換，省去了耦合項(xiàng)和前饋補(bǔ)償項(xiàng)，從而消除了電路參數(shù)和電網(wǎng)電壓對系統(tǒng)控制的影響，減小了控制算法的實(shí)現(xiàn)難度，提高了系統(tǒng)魯棒性。

圖3 電壓控制端采用PR 器框圖Fig．3 Voltage control terminal PR block diagram

圖4 功率控制端采用PR 器框圖Fig．4 Power control terminal PR block diagram

采用PR 控制的功率控制端框圖如圖4 所示，圖4 與圖3 不同之處在于方式的產(chǎn)生不同，此由控制目標(biāo)函數(shù)決定。

3 仿真實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 仿真實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證所提出控制策略的有效性，利用PSCAD/EMTDC 仿真軟件建立如圖1 所示的兩端接有源網(wǎng)絡(luò)VSC－HVDC 系統(tǒng)。交流系統(tǒng)1 側(cè)的電壓為13.8 kV，交流系統(tǒng)2 側(cè)的電壓為115 kV，容量為100 MVA，采用SPWM 調(diào)制方式，開關(guān)頻率為2 000 Hz;，直流電容為500 μF，直流側(cè)電壓定值為120 kV?？刂破鲄?shù)如表1。

表1 控制器參數(shù)Tab．1 Controller parameters

(1)有功功率參考值不變。定有功功率側(cè)有功功率參考值為40 MW，無功功率參考值均為0。交流電壓的參考值為115 kV，直流電壓參考值為120 kV。仿真結(jié)果如圖5 所示。

圖5 參考值不變情況下仿真波形Fig．5 Simulation waveform when reference value unchanged

(2)有功功率參考值改變。直流電壓參考值為120 kV。定有功功率側(cè)有功功率的參考值在2 s時(shí)由40 MW 改變?yōu)?0 MW，無功功率參考值為0。仿真結(jié)果如圖6 所示。

圖6 有功功率參考值變化情況下仿真波形Fig．6 Simulation waveform when reference value of active power unchanged

(3)潮流反轉(zhuǎn)。直流電壓參考值為120 kV，在2 s 時(shí)潮流發(fā)生反轉(zhuǎn)，即有功功率參考值值由60 MW 改變?yōu)椋?0 MW，無功功率參考值為0，仿真結(jié)果如圖7 所示。

圖7 潮流反轉(zhuǎn)情形下仿真波形Fig．7 Simulation waveforms of trend flip case

3.2 結(jié)果分析

(1)通過仿真可以看到，該控制器能夠在靜止αβ 坐標(biāo)系下實(shí)現(xiàn)零穩(wěn)態(tài)誤差控制。

(2)由圖6 可知，有功功率參考值變化時(shí)，有功功率能夠快速地跟蹤參考值的變化而變化。并且直流電壓的波動很小。

(3)由圖7 可知，即使是潮流反轉(zhuǎn)，有功功率和直流電壓也能得到很好的控制。

4 結(jié)論

本文首先介紹了傳統(tǒng)PI 控制的缺點(diǎn)，然后提出了一種PR 控制方式，并將其引入到電流內(nèi)環(huán)控制中，該控制器消除了傳統(tǒng)PI 電網(wǎng)前饋補(bǔ)償所帶來的問題。最后在PSCAD / EMTDC 仿真軟件下進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果表明，該控制器能夠在靜止αβ 坐標(biāo)系下實(shí)現(xiàn)零穩(wěn)態(tài)誤差控制。在有功功率參考值和潮流反轉(zhuǎn)的情況下，具有良好的動態(tài)特性。

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