CN106786718A - 一种用于动态模拟平台多换流站的协调控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于动态模拟平台多换流站的协调控制系统及方法，其协调控制系统包括：电压源换流器模块及功率接口模块；电压源换流器模块经功率接口模块与交流系统相连；电压源换流器模块包括：用于控制直流电压和无功功率的主站电压源换流器，及用于控制有功功率和无功功率的从站电压源换流器；功率接口模块包括：用于双向传输有功功率和无功功率的功率放大器、D/A板卡和A/D板卡。D/A板卡经功率放大器与线性变压器相连。本发明提供的技术方案能够在动态模拟平台上实现多台VSC的有序启动，减小了启动时产生的电压和电流的冲击，合理的设置VSC的工作模式，实现了多台VSC的稳定运行。

Description

一种用于动态模拟平台多换流站的协调控制系统及方法

技术领域

本发明涉及数模混合仿真领域，具体涉及一种用于动态模拟平台多换流站的协调控制系统及方法。

背景技术

随着电力电子技术的发展和进步，柔性直流输电在解决远距离、大容量输电、新能源分布式电源接入及特大型交直流混合电网面临的诸多问题时都展现出了其特有的优势。作为新一代直流输电技术，柔性直流输电为构建直流电网和电网输送电能方式的变革提供了有效的解决方案。

根据相似原理建立起来的电力系统物理模型，属于电力系统的物理模拟，采用了与原型系统具有相同物理性质且参数的标幺值一致的模拟元件。柔性直流输电系统的动态模拟有利于降低电力系统电压等级，便于对柔性直流输电系统的特性和出现的问题进行研究。

电压源换流器(Voltage Source Converter，VSC)是换流站的核心部件，柔性直流输电技术利用VSC中IGBT元件的可关断特性，分别对有功功率、交流电压、直流电压和无功功率进行独立控制，实现换流器的四象限运行。在柔性直流电网中，多台换流器的协调控制是工程应用中必然面临关键性问题。其中，多台换流站同时启动会给整个输电系统带来巨大的电压和电流冲击，是一个急需解决的问题，且多台换流器工作模式的选取对于输电系统长期的稳定运行也是至关重要的。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种用于动态模拟平台多换流站的协调控制系统及方法，其协调控制系统包括：电压源换流器模块及功率接口模块；电压源换流器模块经功率接口模块与交流系统相连；电压源换流器模块包括：用于控制直流电压和无功功率的主站电压源换流器，及用于控制有功功率和无功功率的从站电压源换流器；功率接口模块包括：用于双向传输有功功率和无功功率的功率放大器、D/A板卡和A/D板卡。D/A板卡经功率放大器与线性变压器相连。

线性变压器与电压源换流模块中物理侧的输入端口母线相连；物理侧的输出端口母线分别经电流互感器和电压传感器与所述A/D板卡相连。功率放大器为四象限功率放大器。

其协调控制方法包括以下步骤：1)在实时数字仿真设备中建立交流系统仿真模型；2)选择主站电压源换流器和从站电压源换流器的工作模式；3)将主站电压源换流器和从站电压源换流器依次接入交流系统仿真模型；4)当仿真模型中电容充电结束后，解锁从站电压源换流器；5)当交流系统进入稳态运行后，闭锁主站电压源换流器和从站电压源换流器，实时数字仿真设备与功率放大器的接口端停止运行。

步骤2)中，主站电压源换流器控制直流电压和无功功率，从站电压源换流器控制有功功率和无功功率；主站电压源换流器和从站电压源换流器均采用矢量控制。

将矢量控制分解为内环控制和外环控制；内环电流控制的d轴电压输出变量和q轴电压输出变量计算公式如下所示：

式中：为外环控制器d轴的输出变量、为外环控制器q轴的输出变量、i_d为d轴的状态变量、i_q为q轴的状态变量、u_d为交流电网d轴的电压前馈量、u_q为交流电网q轴的电压前馈量、ωLi_d为d轴的电压耦合补偿、ωLi_q为q轴的电压耦合补偿、k_p1和k_p2分别为两个PI内环控制器的比例项系数，k_i1和k_i2分别为两个PI内环控制器的积分项系数。

当负序电流为0时，正序d轴和q轴的电流参考值计算公式如下所示：

其中，P^*为有功功率参考值、Q^*为无功功率参考值、u_d为直流电压值。

当采用直流电压控制时，正序d轴的电流参考值计算公式如下所示：

其中，为直流电压参考值，k_p3为第三PI内环控制器的比例项系数和k_i3为第三PI内环控制器的积分项系数。

步骤3)包括：3.1)启动实时仿真设备和功率接口设备，当交流系统的电压稳定后，进行预充电；3.2)在不控充电阶段，将主站电压源换流器接入交流系统，闭合其中设有限流电阻的断路器；3.3)将从站电压源换流器接入交流系统，闭合其中设有限流电阻的断路器；3.4)闭合不含限流电阻的断路器；3.5)进入可控充电阶段后，解锁主站电压换流站。

在不控充电阶段，电容电压的最大值与其额定值之间的关系为：其中，u_c0,max为电容电压的最大值，U_c0,rat为电容电压的额定值，k为电压调制比。

电压调制比的计算公式为：其中，U_m为交流侧相电压幅值，U_dc为直流电压。

在可控充电阶段，主站电压源换流器采用斜率电压控制方式。

步骤4)包括：4.1)解锁从站电压源换流器，将从站电压源换流器的有功功率和无功功率的参考值设为0；4.2)当从站电压源换流器稳定后，调整有功功率和无功功率的参考值；4.3)当交流系统的功率稳定后，调整主站电压源换流器的无功功率参考值；4.4)交流系统进入稳态运行。

步骤5)包括：5.1)当交流系统停止运行时，将从站电压源换流器的有功功率和无功功率的参考值设为0；5.2)当交流系统中电气量稳定后，闭锁所述从站电压源换流器；5.3)将主站电压源换流器的有功功率和无功功率的参考值设为0；5.4)当主站电压源换流器的电气量稳定后，闭锁主站电压源换流器；5.5)实时数字仿真设备与功率放大器的接口端停止运行。

与最接近的现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明提供的方法能够在动态模拟平台上实现多台VSC的有序启动，减小启动时产生的电压和电流冲击，并对多台VSC的工作模式进行合理的设置，实现多台VSC的稳定运行。

2、本发明设计的VSC的启动顺序和启动方式，有效的减小了VSC启动时对系统产生的冲击电压和电流。

3、本发明确定了各个VSC的工作模式及闭锁顺序，实现了多台VSC合理稳定地运行。

4、本发明适用于柔性直流电网多换流站系统，对实际工程中多换流站的启动和运行具有一定的指导意义。

附图说明

图1是本发明三换流站动模系统的结构框图；

图2是本发明数模混合仿真的功率硬件接口示意图；

图3是本发明的内环电流控制图；

图4是本发明的有功功率控制图；

图5是本发明的无功功率控制图；

图6是本发明的直流电压控制图；

图7是本发明单换流站中的阀侧结构图；

图8是本发明单个IGBT的模块图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

由于柔性直流输电系统中含有大量的储能电容，所以VSC在进入稳态工作方式前，必须采用合适的启动控制来对这些电容进行预充电。多台VSC的协调控制分为启动控制和稳态控制两部分；VSC的启动控制一般有他励启动和自励启动两种，稳态控制有对等控制和主从控制两种。本发明的启动控制采用自励预充电启动，包含不控充电和可控充电两个阶段；稳态控制采用主从控制。

本发明以三换流站动模系统为例，以下具体说明实现步骤：

步骤1：仿真平台搭建

如图1所示，在实时数字仿真设备RT-LAB中搭建的交流系统仿真模型，该模型含有两台同步发电机、若干变压器和交流负荷，仿真步长为20μs，其中Amp为四象限功率放大器，作为连接数字仿真和物理动模的接口，能够实现有功功率和无功功率的双向透明传输。VSC为换流器物理动模装置。整个系统是一个四象限数模混合仿真系统。

如图2所示，将RT-LAB与三台VSC物理动模装置通过功率接口连接起来，接口算法采用压型理想变压器算法。功率接口设备包含四象限功率放大器、A/D和D/A板卡等。

整个数模混合仿真的流程：首先，在RT-LAB上取三个节点作为交流系统的输出，通过D/A板卡转成模拟信号，经过功率放大器调理放大至动模装置所需求的电压传输到VSC物理动模装置，同时采集物理动模装置的电流，通过A/D板卡转换成数字信号反馈给RT-LAB，从而形成四象限数模混合仿真。

步骤2：工作模式选择

在三换流站动模系统中，采用主从控制，选定VSC1为主站，选定VSC2和VSC3为从站，换流器采用矢量控制。矢量控制是在同步旋转坐标系下建立换流器的数学模型，将abc坐标系下的三相交流量变换为dq坐标系下的两相直流量，简化了换流器的数学模型，适合用于对三相换流器进行控制。

如图3所示，矢量控制可以分解为内环电流控制器和外环电流控制器，外环可以为直流电压、有功功率或无功功率控制。

内环电流控制器的输出变量取值为：

其中，为d轴输出变量、为q轴输出变量、i_d为q轴状态变量、i_q为d轴状态变量，u_d为d轴交流电网电压前馈量、u_q为q轴交流电网电压前馈量，ωLi_d为d轴电压耦合补偿、ωLi_q为q轴电压耦合补偿，k_p1和k_p2分别为两个PI内环控制器的比例项系数，k_i1和k_i2分别为两个PI内环控制器积分项系数。

如图4和5所示，内环电流控制器的作用是让i_d和i_q跟踪其参考值，而外环控制器则根据有功功率和无功功率以及直流电压等参考值，计算内环电流参考值。为了抑制负序电流，防止电力电子器件过电流，可以将负序电流的参考值设为0。当负序电流为0时，根据有功和无功功率的参考值解出正序dq轴电流参考值分别为

其中，P^*和Q^*分别为有功和无功功率参考值，u_d为直流电压值。

如图6所示，当采用直流电压控制时，正序q轴电流参考值仍由公式(4)求得，正序d轴电流参考值可以根据直流电压参考值得到：

其中，为直流电压参考值，k_p3、k_i3为PI外环控制器参数。

主站分别控制直流电压和无功功率，从站分别控制有功功率和无功功率。待各VSC工作模式选定后，便可开始启动系统。

步骤3：自励预充电启动

如图7所示，U1为网侧电压，U2为阀侧电压，T为换流变压器，K1～K6为断路器，R1～R3为限流电阻，R1＝R2＝R3＝100Ω。

首先，启动RT-LAB和功率接口设备，待交流电压稳定后，开始进行预充电。在不控充电阶段，先将VSC1接入交流系统，为了限制产生过大的充电电流，闭合VSC1的断路器K4～K6，将限流电阻R1～R3接入电路；VSC2和VSC3不接入交流系统，其断路器K4～K6处于断开状态，此时交流系统只能通过图8中IGBT的反并联二极管给电容充电，然后依次将VSC2和VSC3的断路器K4～K6闭合，依次将VSC2和VSC3接入交流系统，从多端给系统中的电容充电。

在不控充电阶段，电容电压的最大值与其额定电压之间的关系为：

其中，u_c0,max为电容电压在不控充电阶段的最大值，U_c0,rat为电容电压的额定值，k为电压调制比，U_m为交流侧相电压幅值，U_dc为直流电压。通常，电压调制比k取0.8～0.95，这说明模块电容最多只能充电到额定电压的69％～82％。

待不控充电阶段结束后，将各换流站的断路器K1～K3闭合，把限流电阻从阀侧切除，再进入可控充电阶段，此时解锁VSC1。在可控充电阶段，VSC1的电压控制采用斜率控制方式，使电容能量能够保持相对均衡并稳步上升，直到电容电压达到预定值为止。由于电容的充电功率表现为有功功率，故无功功率参考值设定为0。

步骤4：功率解锁

待系统直流母线电压稳定后，对于剩余各VSC依次解锁。先解锁VSC2，此时将其有功功率和无功功率的参考值设置为0，等到VSC2稳定工作后，再对有功功率和无功功率的参考值进行相应的调整。待系统的功率稳定后，然后再解锁VSC3，此时将其有功功率和无功功率的参考值设置为0，等到VSC3稳定工作后，再对有功功率和无功功率的参考值进行相应的调整。待系统的功率稳定后，最后对VSC1中的无功功率参考值进行相应的调整，系统进入稳态运行。

步骤5：闭锁停运

当系统要停止运行时，先将VSC3的有功功率和无功功率的参考值设置为0，等到系统中有功功率、无功功率、电压和电流等电气量稳定后，再闭锁VSC3；然后依次将VSC2、VSC1的有功功率和无功功率的参考值设置为0，等到有功功率、无功功率、电压和电流等电气量再次稳定，再依次闭锁VSC2、VSC1；最后RT-LAB和功率接口部分停止运行。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (14)

1.一种用于动态模拟平台多换流站的协调控制系统，其特征在于，所述协调控制系统包括：电压源换流器模块及功率接口模块；

所述电压源换流器模块经所述功率接口模块与交流系统相连；

所述电压源换流器模块包括：用于控制直流电压和无功功率的主站电压源换流器，及用于控制有功功率和无功功率的从站电压源换流器；

所述功率接口模块包括：用于双向传输有功功率和无功功率的功率放大器。

2.如权利要求1所述的协调控制系统，其特征在于，所述功率接口模块还包括：D/A板卡和A/D板卡；

所述D/A板卡经所述功率放大器与线性变压器相连；

所述线性变压器与所述电压源换流器模块中物理侧的输入端口母线相连；

所述物理侧的输出端口母线分别经电流互感器和电压传感器与所述A/D板卡相连。

3.如权利要求2所述的协调控制系统，其特征在于，所述功率放大器为四象限功率放大器。

4.一种如权利要求1-3任一所述用于动态模拟平台多换流站的协调控制方法，其特征在于，所述协调控制方法包括以下步骤：

1)建立交流系统仿真模型；

2)选择主站电压源换流器和从站电压源换流器的工作模式；

3)将所述主站电压源换流器和所述从站电压源换流器依次接入所述交流系统仿真模型；

4)当仿真模型中电容充电结束后，解锁所述从站电压源换流器；

5)当交流系统进入稳态运行后，闭锁所述主站电压源换流器和从站电压源换流器，实时数字仿真设备与功率放大器的接口端停止运行。

5.如权利要求4所述的协调控制方法，其特征在于，所述步骤2)中，所述主站电压源换流器控制直流电压和无功功率，所述从站电压源换流器控制有功功率和无功功率；

所述主站电压源换流器和所述从站电压源换流器均采用矢量控制。

6.如权利要求5所述的协调控制方法，其特征在于，将所述矢量控制分解为内环电流控制和外环电流控制；

按下所示计算所述内环电流控制的d轴电压输出量和q轴电压输出量：

$\left\{\begin{array}{c}{v}_d^{*}=u_d+{\mathrm{\ωLi}}_q-\[k_{p1}(i_d^{*}-i_d)+k_{i1}\∫(i_d^{*}-i_d)dt\]\\ v_q^{*}=u_q+{\mathrm{\ωLi}}_d-\[k_{p2}(i_q^{*}-i_q)+k_{i2}\∫(i_q^{*}-i_q)dt\]\end{array}\right.$

式中：为外环控制器d轴的输出变量、为外环控制器q轴的输出变量、i_d为d轴的状态变量、i_q为q轴的状态变量、u_d为交流电网d轴的电压前馈量、u_q为交流电网q轴的电压前馈量、ωLi_d为d轴的电压耦合补偿、ωLi_q为q轴的电压耦合补偿、k_p1和k_p2分别为第一PI内环控制器和第二PI内环控制器的比例项系数，k_i1和k_i2分别为第一PI内环控制器和第二PI内环控制器的积分项系数。

7.如权利要求6所述的协调控制方法，其特征在于，当负序电流为0时，按下式计算正序d轴和q轴的电流参考值：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_d^{*}=P^{*}/\left(1.5u_d\right)\\ i_q^{*}=-Q^{*}/\left(1.5u_d\right)\end{array}\right.$

其中，P^*为有功功率参考值、Q^*为无功功率参考值、u_d为直流电压值。

8.如权利要求6所述的协调控制方法，其特征在于，当采用直流电压控制时，按下式计算正序d轴的电流参考值：

$i_d^{*}=k_{p3}(U_{dc}^{*}-u_d)+k_{i3}\∫(U_{dc}^{*}-u_d)dt$

其中，为直流电压参考值，k_p3为第三PI内环控制器的比例项系数和k_i3为第三PI内环控制器的积分项系数。

9.如权利要求4所述的协调控制方法，其特征在于，所述步骤3)包括：

3.1)启动所述实时仿真设备和功率接口设备，当交流系统的电压稳定后，进行预充电；

3.2)在不控充电阶段，将所述主站电压源换流器接入交流系统，闭合其中设有限流电阻的断路器；

3.3)将所述从站电压源换流器接入交流系统，闭合其中设有限流电阻的断路器；

3.4)闭合不含限流电阻的断路器；

3.5)进入可控充电阶段后，解锁所述主站电压换流站。

10.如权利要求9所述的协调控制方法，其特征在于，

在所述不控充电阶段，电容电压的最大值与其额定值之间的关系如下所示：

$\mathrm{\η}=\frac{u_{c0,max}}{U_{c0,rat}}=\frac{\sqrt{3}}{2}k$

其中，u_c0,max为电容电压的最大值，U_c0,rat为电容电压的额定值，k为电压调制比。

11.如权利要求10所述的协调控制方法，其特征在于，所述电压调制比的计算公式如下所示：

$k=\frac{U_m}{U_{dc}/2}$

其中，U_m为交流侧相电压幅值，U_dc为直流电压。

12.如权利要求11所述的协调控制方法，其特征在于，在所述可控充电阶段，所述主站电压源换流器采用斜率电压控制方式。

13.如权利要求5所述的协调控制方法，其特征在于，所述步骤4)包括：

4.1)解锁从站电压源换流器，将所述从站电压源换流器的有功功率和无功功率的参考值设为0；

4.2)当所述从站电压源换流器稳定后，调整所述有功功率和无功功率的参考值；

4.3)当交流系统的功率稳定后，调整所述主站电压源换流器的无功功率参考值；

4.4)所述交流系统进入稳态运行。

14.如权利要求5所述的协调控制方法，其特征在于，所述步骤5)包括：

5.1)当交流系统停止运行时，将所述从站电压源换流器的有功功率和无功功率的参考值设为0；

5.2)当所述交流系统中电气量稳定后，闭锁所述从站电压源换流器；

5.3)将所述主站电压源换流器的有功功率和无功功率的参考值设为0；

5.4)当所述主站电压源换流器的电气量稳定后，闭锁所述主站电压源换流器；

5.5)所述实时数字仿真设备与功率放大器的接口端停止运行。