本發明涉及vsc-hvdc輸電系統的控制領域，特別是vsc-hvdc輸電系統中整流站變換器的穩定控制方法。

背景技術：

vsc-hvdc輸電系統具有可向無源網絡供電、有功與無功功率可獨立控制和無換相失敗風險等優點，被廣泛應用于離岸風電場并網、交流電網的異步互聯和向無源網絡供電等場合。然而，vsc-hvdc輸電系統是換流站變換器間通過直流輸電電纜構成的級聯系統，并且逆變站變換器會表現為恒功率負載，恒功率負載具有的負增量阻抗特性會導致系統動態特性變差，甚至發生振蕩失穩現象，這嚴重制約著vsc-hvdc輸電技術的推廣和應用。

學者們針對分布式直流供電系統和直流微電網等級聯系統的穩定性問題提出了多種解決方法，它們大致可分為無源方法和有源方法。無源方法是在負載變換器的lc輸入濾波器上加入無源阻尼支路，阻尼lc輸入濾波器的諧振峰，保證了系統的穩定，但是該方法會帶來額外的功率損耗，降低系統效率。有源方法主要是通過電壓或電流反饋控制，等效地在系統中增加阻尼支路，從而調節負載變換器的輸入阻抗或者源變換器的輸出阻抗，使得級聯系統的等效環路增益滿足nyquist穩定性判據，該方法不會引入額外的功率損耗。vsc-hvdc輸電系統相比于分布式直流供電系統和直流微電網，具有電壓等級高、線路較為復雜、功率等級大和變換器控制帶寬低的特點。低壓、小功率級聯系統的穩定控制方法難以直接適用于vsc-hvdc輸電系統。目前，vsc-hvdc輸電系統直流側的阻抗穩定性控制的研究較少。整流站變換器采用傳統虛擬電阻穩定控制在抑制vsc-hvdc輸電系統直流側振蕩會出現失效，原因是：整流站變換器的等效輸出阻抗在電壓控制帶寬外惡化為負電阻，從而減小了系統阻尼。因此傳統的虛擬電阻穩定控制不適用于vsc-hvdc輸電系統這種變換器電壓控制帶寬較低的場合。

技術實現要素：

本發明旨在提供一種vsc-hvdc輸電系統的穩定控制方法，校正整流站變換器的等效輸出阻抗為正電阻，從而提高系統阻尼，有效改善vsc-hvdc輸電系統的穩定性，并且不會影響逆變站變換器向負荷供電的動態性能。

為解決上述技術問題，本發明所采用的技術方案是：一種vsc-hvdc輸電系統的穩定控制方法，適用于vsc-hvdc輸電系統中整流站變換器的控制，包括以下步驟：

1)在每個采樣周期的起始點，控制器啟動a/d轉換器，對整流站變換器的直流輸出電流idcr、直流側輸出電壓vdcr、三相并網電流ia、ib、ic和三相電網電壓va、vb、vc分別進行采樣，所有采樣數據經a/d轉換器轉換后，通過并行接口送給控制器進行處理；

2)控制器將步驟1)所采集得到的三相電網電壓va、vb、vc送入鎖相環，得到三相電網電壓的相位角結合相位角對三相電網電壓va、vb、vc和三相并網電流ia、ib、ic進行abc/dq坐標旋轉變換，得到dq坐標系下三相電網電壓的d軸和q軸分量vd、vq和三相并網電流的d軸和q軸分量id、iq；

3)直流輸出電流idcr經虛擬阻感性阻抗穩定控制，得到直流側電壓外環的參考指令

4)將直流側電壓外環的參考指令和直直流側輸出電壓vdcr相減得到誤差值ev，將ev送入pi控制器，pi控制器的輸出經限幅后，獲得電壓外環控制的電流幅值指令iv^*；

5)通過輸出電流前饋控制，計算輸出電流前饋控制的電流幅值指令

6)將電壓外環控制的電流幅值指令iv^*和輸出電流前饋控制的電流幅值指令iff^*相加合成并網電流q軸分量幅值指令并令并網電流d軸分量幅值指令為零；

7)將并網電流q軸分量幅值指令d軸分量幅值指令分別與并網電流iq、id相減得到差值eiq、eid，通過前饋解耦控制，得到dq坐標系下spwm調制信號的d軸和q軸分量dq、dd；

8)對dq坐標系下的spwm調制信號dq、dd進行dq/abc坐標旋轉變換，得到abc坐標系下的spwm調制波da、db、dc；

9)對spwm調制波da、db、dc和三角載波進行雙極性調制，得出整流站變換器開關管的占空比信號，經整流站變換器的驅動電路，控制整流站變換器開關管的開通與關斷。

步驟3)中，虛擬阻感性阻抗穩定控制的控制方程為：其中，vdcn為整流站變換器的直流側空載電壓值；rv為虛擬電阻值；lv為虛擬電感值。

rv取值范圍為0.05ω≤rv≤5ω，lv取值范圍為0.1mh≤lv≤20mh。

步驟4)中，pi控制器的傳遞函數gv(s)表達式為：gv(s)＝kvp+kvi/s；其中，kvp是pi控制器的比例系數，kvi是pi控制器的積分系數，s為復頻率。

kvp取值范圍為0.005≤kvp≤0.5，kvi取值范圍為5≤kvi≤500。

步驟5)中，電流前饋控制的電流幅值指令iff^*表達式為：

步驟7)中，dq坐標系下spwm調制信號的d軸和q軸分量dq、dd的表達式為：其中，gi(s)為pi控制傳遞函數，gi(s)＝kip+kii/s，kip是比例系數，kii是積分系數，ω為電網角頻率，l為整流站變換器的濾波器電感值。

kip取值范圍為0.00006≤kip≤0.006，kii取值范圍為0.006≤kii≤0.6。

與現有技術相比，本發明所具有的有益效果為：本發明的vsc-hvdc輸電系統的穩定控制方法中虛擬阻感性阻抗穩定控制是得到一個相角超前的虛擬阻抗，能校正整流站變換器在電壓控制帶寬外的等效輸出阻抗為正電阻，從而提高系統阻尼，可有效改善vsc-hvdc輸電系統的穩定性；另外，輸出電流前饋控制可減小受端負荷功率突變對直流母線電壓的影響，提升系統的暫態響應性能；采用電壓電流雙閉環控制，能無靜差地跟蹤直流電壓指令并保證較低的電網電流畸變率；可有效改善vsc-hvdc輸電系統的穩定性，并且不會影響逆變站變換器向負荷供電的動態性能。

附圖說明

圖1為本發明一實施例向無源網絡供電的vsc-hvdc輸電系統結構圖；

圖2為本發明一實施例應用于整流站變換器的vsc-hvdc輸電系統的穩定控制方法框圖；

圖3為本發明一實施例并網電流前饋解耦控制框圖；

圖4(a)為逆變站變換器的直流側輸入電壓vdci的仿真波形，圖4(b)為逆變站變換器的交流輸出電壓voa、vob和voc的仿真波形，圖4(c)為逆變站變換器的交流輸出電流ioa、iob和ioc的仿真波形；

圖5(a)為逆變站變換器的直流側輸入電壓vdci的仿真波形，圖5(b)為逆變站變換器的交流輸出電壓voa、vob和voc的仿真波形，圖5(c)為逆變站變換器的交流輸出電流ioa、iob和ioc的仿真波形。

具體實施方式

圖1為本發明一實施例向無源網絡供電的vsc-hvdc輸電系統結構圖，包括交流電網、整流站變換器的濾波電感l、濾波電感l的等效串聯電阻r、整流站變換器、整流站變換器的直流側儲能電容cdcr、整流站變換器的采樣調理電路、控制器、驅動電路、直流輸電電纜、逆變站變換器的直流側儲能電容cdci、逆變站變換器、逆變站變換器輸出濾波電感lf和濾波電容cf、變換器控制電路系統和無源網絡。所述控制器與驅動電路輸入端、采樣調理電路輸出端連接；所述驅動電路驅動所述整流站變換器中的全控型功率器件；控制器進行算法及運算處理。

圖2為本發明一實施例應用于整流站變換器的vsc-hvdc輸電系統的穩定控制方法框圖，vsc-hvdc輸電系統的穩定控制系統主要由虛擬阻感性阻抗穩定控制、電壓電流雙環控制模塊、輸出電流前饋控制模塊、鎖相環pll模塊、spwm信號生成模塊組成；所述電壓電流雙環控制模塊由電壓外環pi控制，并網電流前饋解耦控制組成；所述并網電流前饋解耦控制詳細框圖如圖3所示。

本發明的一種vsc-hvdc輸電系統的穩定控制方法如下：

1)在每個采樣周期的起始點，dsp控制器啟動a/d轉換器，對整流站變換器的直流輸出電流idcr、直流側輸出電壓vdcr、三相并網電流ia、ib、ic和三相電網電壓va、vb、vc分別進行采樣，所有采樣數據經a/d轉換器轉換后，通過并行接口送給dsp控制器進行處理；

2)控制器對步驟1)所采集得到的三相電網電壓va、vb、vc送入鎖相環，得到三相電網電壓的相位角結合相位角對電網電壓va、vb、vc和并網電流ia、ib、ic進行abc/dq坐標旋轉變換，得到dq坐標系下電網電壓的d軸和q軸分量vd、vq和并網電流的d軸和q軸分量id、iq，具體公式如下：

3)直流輸出電流idcr經虛擬阻感性阻抗穩定控制，得到直流側電壓外環的參考指令虛擬阻感性阻抗穩定控制的控制方程為：

其中，vdcn為整流站變換器的直流側空載電壓值；rv為虛擬電阻值，作用是提高整流站變換器等效輸出阻抗的阻性分量，rv取值范圍為0.05ω≤rv≤5ω；lv為虛擬電感值，作用是增大整流站變換器等效輸出阻抗的相位，能校正整流站變換器在電壓控制帶寬外的等效輸出阻抗為正電阻，lv取值范圍為0.1mh≤lv≤20mh；

4)將直流側電壓外環的參考指令和直流母線電壓vdcr相減得到誤差值ev，將ev送入pi控制器，pi控制器的輸出經限幅后，獲得電壓外環控制的電流幅值指令iv^*，pi控制的傳遞函數gv(s)表達式為：

gv(s)＝kvp+kvi/s

其中，kvp是pi控制器的比例系數，其取值范圍為0.005≤kvp≤0.5，kvi是pi控制器的積分系數，其取值范圍為5≤kvi≤500，s為復頻率；

5)通過輸出電流前饋控制，計算輸出電流前饋控制的電流幅值指令為：

其中，vdcr為整流站變換器的直流側電壓，vq為電網電壓的q軸分量。

6)將電壓外環控制的電流幅值指令iv^*和輸出電流前饋控制的電流幅值指令iff^*相加合成并網電流q軸分量幅值指令并令并網電流d軸分量幅值指令為零；

7)將并網電流q軸分量幅值指令d軸分量幅值指令分別與并網電流iq、id相減得到差值eiq、eid，通過前饋解耦控制，得到dq坐標系下spwm調制信號的d軸和q軸分量dq、dd為：

其中，gi(s)為pi控制傳遞函數，gi(s)＝kip+kii/s，kip是比例系數，其取值范圍為0.00006≤kip≤0.006，kii是積分系數，其取值范圍為0.006≤kii≤0.6，ω為電網角頻率，l為整流站變換器的濾波器電感值。

8)對dq坐標系下的spwm調制信號dq、dd進行dq/abc坐標旋轉變換，得到abc坐標系下的spwm調制波da、db、dc，具體計算公式如下：

式中，為鎖相環pll的輸出相位角；

9)對spwm調制波da、db、dc和三角載波進行雙極性調制，得出整流站變換器開關管的占空比信號，經整流站變換器的驅動電路，控制整流站變換器開關管的開通與關斷。

圖4(a)～圖4(c)為本發明一實施例在0.4s輸送功率由50mw增加到200mw，采用傳統虛擬電阻穩定控制時的仿真波形圖，圖4(a)為逆變站變換器的直流側輸入電壓vdci的仿真波形，圖4(b)為逆變站變換器的交流輸出電壓voa、vob和voc的仿真波形，圖4(c)為逆變站變換器的交流輸出電流ioa、iob和ioc的仿真波形。在0.4s之前，vsc-hvdc輸電系統的輸電功率為50mw，此時整個系統很穩定。在0.4s之后，vsc-hvdc輸電系統的輸電功率增加到200mw，此時電壓vdci出現振蕩，出現不穩定，逆變站變換器的交流輸出電壓和電流也出現崩潰，無法繼續向無源網絡供電。因此采用傳統虛擬電阻穩定控制，系統穩定性較差。

圖5(a)～圖5(c)為本發明一實施例在0.4s輸送功率由50mw增加到200mw，采用本發明控制時的仿真波形圖，圖5(a)為逆變站變換器的直流側輸入電壓vdci的仿真波形，圖5(b)為逆變站變換器的交流輸出電壓voa、vob和voc的仿真波形，圖5(c)為逆變站變換器的交流輸出電流ioa、iob和ioc的仿真波形。采用本發明控制方法下，當輸送功率為50mw和200mw時，系統都能夠穩定運行，只在傳送功率增加的時候出現了小幅的直流側電壓動態波動，對無源網絡的供電幾乎沒有影響。