柔性直流输电的系统实验
第31卷第9期 2008年9月
自然科学版)
JO U RN AL O F H EFEI U N IV ERSIT Y OF T ECH N OL O GY
合肥工业大学学报(
Vol. 31No. 9 Sept. 2008
柔性直流输电的系统实验
刘 淳, 张 兴, 谢 震
(合肥工业大学电气与自动化工程学院, 安徽合肥 230009)
摘 要:通过分析dq 0坐标系下电压源换流器(V SC) 模型, 获知基于V SC 的柔性直流输电系统(Flexible HV DC) 可以通过对d 轴电流分量和q 轴电流分量的解耦控制, 获得有功功率和无功功率的独立控制; 并基于此设计了柔性直流输电系统换流站的控制器, 利用电网电压的前馈控制获得了对功率传输的灵活、准确调节; 实验结果表明了方案的正确性, 整个系统具有良好的动静态特性。关键词:电压源换流器; 柔性直流输电; 功率传输; 前馈控制
中图分类号:T M 721 1 文献标识码:A 文章编号:1003 5060(2008) 09 1347 05
Experimental research on the flexible HVDC system
LIU Chun, ZH ANG Xing, XIE Zhen
(School of E lectric E ngineering an d Automation, H efei U nivers ity of T echnology, Hefei 230009, Chin a)
Abstract:Through the analysis of v oltage source converter(V SC) equations in the dq 0co ordinate sys tem, it is learned that the activ e pow er and reactive pow er in the flexible H VDC system can be inde pendently controlled by the d ax is cur rent component and the q axis current com po nent. The co ntro l lers o f tw o VSCs are designed, and through the feedforw ard co ntro l, accurate r eg ulation of pow er tr ansfer is achieved. T he ex perimental results hav e validated the contro l scheme. T he sy stem has goo d char acters in both steady state and dynamic state.
Key words:voltage source converter(VSC) ; flexible H VDC; po w er transfer; feedforw ard co ntro l 随着电力电子技术的发展, 基于VSC 的直流输电技术已被ABB 公司应用于北美、欧洲的多项电力工程中[1-2], 其高度的经济性、灵活性、可控性以及相对交流输电的巨大优势, 已引起我国相关电力工作者的注意。
目前国内对柔性直流输电技术的研究处于起步阶段, 其中浙江大学建立了较为完善的系统仿真模型
[3-4]
了有功功率和无功功率的解耦控制, 实现了灵活调节功率流和单位功率因素控制。
(2) 基于电网电压的前馈控制, 在使系统获得快速功率响应的同时, 提高了系统运行的稳定性。
在此基础上, 设计制造了柔性直流输电原理样机, 实验结果表明了理论分析的正确性。
, 为柔性直流输电系统的实现奠定了
一定的理论基础, 但系统控制策略基于间接电流控制, 系统的动态响应速度慢, 不适合工程实现。
本文通过分析柔性直流输电系统的稳态运行特性, 从工程应用角度设计出了完整的基于dq 0坐标系的稳态控制器, 其主要特点如下:
(1) 通过对d 轴电流和q 轴的解耦控制实现
1 柔性直流输电系统工作原理
柔性直流输电系统基本结构为一对通过直流母线连接的背靠背电压源换流器(V SC) 。图1所示为典型的2电平VSC 结构。系统运行时, VSC 与交流侧交换有功功率和无功功率, 而直流母线上仅传递有功功率。
收稿日期:2007 09 17
基金项目:安徽省自然科学基金资助项目(070412062)
作者简介:刘 淳(1982-) , 男, 安徽合肥人, 合肥工业大学硕士生;
张 兴(1963-) , 男, 上海市人, 合肥工业大学教授, 博士生导师.
1348
合肥工业大学学报(自然科学版)
其中, C 为PARK 变换矩阵。
而对于直流侧, 则有
第31卷
dc
(3)
d t
假设稳态情况下三相对称运行, 并令交流侧
i L -i dc =C
A 相电压初相角为0, 即u sq = u SQ , u sq =0并
图1 2电平VS C 结构
令 L 为基波电抗X , 换流站和变压器等效阻抗为R, 则(2) 式可以简化为
u cq =Ri q +u sq -X i d u cd =Ri d +X i q
(4)
VSC 换流站交流侧矢量关系如图2所示。当以电网电动势E 为参考时, 通过控制交流电压矢量V 即可实现换流站的4象限运行。
若假设不变, 在这种情况下, 换流站交流电压矢量I 端点运行轨迹构成了一个以交流电感电压V L 为半径的圆。而当电压矢量V 端点运行于不同的圆轨迹点时, 换流站就可以表现出不同的功率特性[5]。
实际系统运行中, 为了保证直流侧稳定, 一端换流站必须采用定直流电压控制方式, 而只需控制另一端换流站的交流电压矢量就可以控制整个系统的功率流向, 假定控制AC 2端VSC 的交流电压矢量, 由此可得:当V L 端点在矢量圆上的不同段运行, 可表现为不同的系统运行特性, 实现完
全自由的功率传输。
于是可以得到
对于直流输电系统来说, 最关心的是换流站吸收或输出的有功功率和无功功率, 其中有功功率P 为
u ca
P =[i a i b i c ]u cb =[i d i q i 0]
u cc
u cd
(C -1) T C -1u cq
u c0
P =(u cd i d +u cq i q ) =
2[u sq i q +R (i d 2+i q 2) ]2
同理可得稳态的无功功率为
Q =(u sd i q -u sq i d ) =-u sq i d
22
(7) (6) (5)
在柔性直流输电系统中, (6) 、(7) 式具有比较明确的物理意义, 如果系统侧为大电网, u sd 为定
值, 系统传输的功率远大于换流站和变压器的损
2
耗R(i 2d +i q ) , 系统损耗可以忽略。
图2 换流站交流侧稳态矢量关系
由上述分析可以看出, 换流站的有功功率和无功功率分别只与d 轴电流和q 轴电流成正比, 此模型的有功和无功是完全解耦的, 通过控制d 轴电流和q 轴电流就可以直接控制换流站发送或者输出的有功功率, 这也是设计柔性直流输电定有功功率和定无功功率控制器的理论基础。综合上文, 可以得到系统控制结构如图3所示。VSC1换流站采取定直流电压控制方式和定无功功率控制方式。VSC2换流站采取定有功功
(1)
率和定无功功率控制方式。
很明显, 要实现柔性直流输电系统的电能灵活传输, 关键在于定功率控制侧VSC 的网侧电流的控制。
2 柔性直流输电数学模型
交流侧三相微分方程的矢量形式为
d i dq 0u sabc u cabc Ri abc
=--d t L L L
对(1) 式进行PARK 变化, 可得
dq0=sdq0-dq0-d t L L cdq 0C (d (C -1-i dq0
3 柔性直流输电实验系统设计
为保证系统具有良好的稳定性和快速准确的
功率响应特性, 控制系统在定直流电压VSC 端采(2)
第9期刘 淳, 等:柔性直流输电的系统实验
电网电压前馈的直接功率控制方式。
1349
计。定有功功率和定无功功率V SC 端采用基于
图3 柔性直流输电控制结构
3 1 定有功功率和定无功功率控制器设计
定有功功率控制器和定无功功率控制器的设计目的, 在于实现有功功率和无功功率的完全独立控制和对功率给定值快速、准确的跟踪, 满足能量传输需求。
由(6) 、(7) 式所示, 有功功率和无功功率与d 轴电流和q 轴电流成正比关系, 所以在dq 坐标系下实现电流的解耦控制, 就同样可以实现有功功率和无功功率的解耦控制; 同时由(6) 、(7) 式可以知道, 引入电网电压d 轴分量作为前馈量即可实现电流环电流指令对功率给定的准确跟踪。
当电流调节器采取PI 调节器时, V d 、V q 的控制方程如下:
v q =-(K iP +
iI *
) (i q -i q ) - L i d +e q s
电压的一半; R 和L 为交流侧等效电阻和电感, R 的取值为 L 的0 2倍。
图4 定有功功率控制策略结构
为了实现对功率给定值快速、准确的跟踪, 应使电流内环具有足够的快速性。为此, 可将电流内环控制系统校正为典型I 型系统[8], 当考虑功率控制需要较快的跟随性能, 可按典型 型系统设计该调节器, 只需要以PI 调节器的零点抵消电流控制对象传递函数的极点就可, 校正后, 可得到控制系统的开环传递函数为W o i (s) =
i p PWM i 3u sq R i s(1 5T s s +1) (1+(L /R) s)
(9)
其中, i =K i P /K i I 。
在本实验系统中, 开关频率为f s =10kH z, 而输出频率为50H z 。一方面, 为了克服谐波。电流内环频带 i 应远低于PWM 开关频率f s , 通常 i 10f 0=500H z 。综上, 可使电流内环系统的自然谐振频率 n i 在1kH z 左右调整。
另外为保证对功率给定跟踪的快速性, 设计动态特性指标如下:调整时间t s
PI iI
v d =-(K iP +) (i d *-i d ) + L i q +e d
s
(8)
结合前馈量电网电压d 轴分量并忽略系统损耗, 可以得到定有功功率和定无功功率的控制模型如图3中的V SC2端控制结构。目前相关文章在仿真定有功功率和定无功功率控制方式时给出的是双环结构[
6, 7], 即引入有功功率和无功功率的反馈, 然后在其后级加入一个PI 调节器, 最终给出电流内环指令。但是在电压初始相位角定位准确的前提下, 电网电压的有功分量对电流内环不构成扰动, 外环在此作用并不明显。最终可以得到如图4所示的功率控制结构图, 其中T s 为电流内环采样周期(即亦为PWM ) ,
1350
合肥工业大学学报(自然科学版) 第31卷
极点后, 可以得到一个二阶的闭环传递函数, 为了快速地动态响应, 可将控制器设计成欠阻尼系统, 初选阻尼比∀i =0 5。使用M atlab/sisotool 仿真工具对比例调节器增益K i 进行设计时, 当在系统根轨迹上调整调节器增益K i 至0 0429时, ∀i =0 5。此控制参数对应的阶跃响应性能参数见表1第3行所列。
表1 功率环校正特性参数
比例增益0 04450 0226
阻尼比0 50 6
谐振频率/Hz 14801290
调整时超调量间/ms 0 780 61
/(%) 15 88 3
上升时间/m s 0 150 21
相角裕度(! ) 51 852 6
1/3~1/5 i 来设计电压环调节器参数Tv 和K v 。因此设计时选取电压外环的自然谐振频率 nu 为电流内环自然谐振频率 ni 的1/3, 即 nu = ni /3=430H z 。系统设计为欠阻尼状态, 为使系统具
u =0有足够强的抗扰能力, 可选取阻尼比∀ 9, 利
用Matlab/siso to ol , 在外环根轨迹上调整调节器
零点(-1/ l ) 的位置, 使系统根轨迹经过点(430, 0 9) , 从而最终确定 l 和K l , 其校正后的电压环扰动阶跃响应参数见表2所列。
表2 电压环校正特性参数
比例系数16 32
超前时间常数0 0012
阻尼比0 9
谐振
调整
超调量
上升时间/m s 0 449
频率/Hz 时间/ms /(%) 430
2 95
26 6
从表1中可以看出, 当K i =0 0445, 功率阶
跃响应的超调量! i =15 8%>10%, 不满足设计指标的要求, 故需对PI 参数重新校正。从根轨迹和阶跃响应图的趋势来看, 比例调节器K i 的减小会使得系统阻尼增大、最大超调量减小。当调整K i =0 0226时, 此时电流内环的阶跃响应性能参数见表1尾行, 显然符合设计要求。3 2 定直流电压控制器设计
定直流电压控制的目的是为了稳定柔性直流输电系统的直流母线电压。通常直流侧电流i dc 可表示为
i dc =s a i a +s b i b +s c i c ∀0 75m I m cos #(10) 其中, i abc 为单位功率因数运行换流站网侧电流。
考虑到采取定直流母线电压的电流内环同样需获得较快的电流跟随性能, 可以按典型 型系统整定电流内环, 同时为了简化控制结构, 将时变环节0 75mcos #用其最大增益0 75取代, 并将电压采样小惯性 v 与电流内环等效最小时间常数3T s 合并, 于是可以得到简化的电压环控制结构, 如图5
所示。
4 实验结果
整个柔性直流输电实验系统由2台完全相同的背靠背VSC 换流器组成, 通过2根直流母线互连, 并且双端都通过交流变压器并网络, 具体参数见表3所列。
图6所示为功率控制侧VSC 的整个稳态运行参数, 系统实现了传输11 15kW 的有功功率, 每一相的并网电流大小为16 1A; 该侧VSC 的无功功率很小, 获得了接近于1的功率因数, 系统运行稳定, 三相电压电流平衡。
表3 柔性直流输电系统实验参数参数电网
额定线电压/V 频率/Hz 功率模块开关频率/k Hz
H VDC VSC 换流器
滤波电感/mH 滤波电容/kF 直流侧电压/V 直流侧电容/∃F
交流变压器
容量/k VA 变比
数值
38050PM 450CLA120
1011350560 518170∃380
图5 定直流电压控制策略结构
由图5可得电压外环的开环传递函数为
v v W ov (s) =CT v s 2(T cv s +1)
(11)
由(11) 式可以看出, 此时外环开环传递函数已等效为典型#型系统, 可按照典型#型系统的指标来设计外环调节器参数。考虑在一般情况
下, u 图
第9期刘 淳, 等:柔性直流输电的系统实验1351
图7~图9为系统动态响应实验。其中, 图7是有功功率给定阶跃实验, 阶越值为从-3~6kW, 实现了系统能量的传输反向, 可见有功功率和并网电流暂态响应迅速, 跟踪准确; 图8为同样条件下的直流母线电压波形, 在动态过程中, 直流侧电压未出现波动, 实现了动态过程中直流侧的稳定; 图9为无功功率阶越实验, 可见无功阶越过程中, 有功功率未出现波动, 系统实现了对有功功
率和无功功率良好的解耦。
5 结 论
本文从控制理念的角度全面分析了柔性直流输电系统。说明了在功率控制端双PI 环节的控制策略并不是必须的, 并提出了一种直接功率控制方式。
在此基础上, 分别建立了柔性直流输电系统的定直流母线电压和定有功功率和无功功率控制模型, 对控制系统利用根轨迹和阶跃响应相结合的方法进行了设计, 并应用于实验系统中, 实验结果表明该控制模型的有效性。
[参 考 文 献]
[1] Ooi B T , W an g Xiao. Voltag e angle lock loop control of the
b oos t type PWM converter for HVDC application[J]. IEEE Transactions on Pow er Delivery, 1990, 5(2) :229-235. [2] ABB. It %s tim e to conn ect &T echnical des cription of H VDC
∋technology [EB/OL]. http://ww w. abb. com , 2007Light R
08 05.
[3] 张桂斌, 徐 政, 王广柱. 基于VSC 的直流输电系统的稳态
建模及其非线性控制[J]. 中国电机工程学报, 2002, 22(1) :17-22.
[4] 张桂斌. 新型直流输电及其相关技术研究[D]. 杭州:浙江
大学电气工程学院, 2001.
[5] 张崇巍, 张 兴. PWM 整流器及其控制[M ]. 北京:机械工
业出版社, 2002:15-18.
[6] 梁海峰, 李庚银, 李广凯, 等. 向无源网络供电的VSC
H VDC 系统仿真研究[J ]. 电网技术, 2005, 29(8) :45-50.
[7] Jovcic D, Pah alaw athth a N, Zavahir M. Stab ility an alys is of
H VDC control loops [J ]. Generation, Transmission an d Distribution, IEE Proceedings , 1999, 146(2) :143-148. [8] 陈伯时. 电力拖动自动控制系统 运动控制系统[M ]. 北京:
机械工业出版社, 2003:59-71.
(责任编辑 张 镅)