输变电-高压直流并网矢量控制的分析与设计
吴广鲁，学生会员，IEEE，梁军，高级会员，CSEE，高级会员，IEEE，周晓欣研究员，CSEE，终身研究员，IEEE，李亚璐，高级会员，CSEE, Agusti egee - alvarez，会员，IEEE，李鸿英、张星，IEEE会员
摘要——基于柔性直流输电(VSC-HVDC)的电压源变换器被认为是整合可再生能源的最合适的技术之一。然而,将VSC连接到一个弱电网却是一个挑战，因为传统矢量控制在要求高功率的条件下会变得不稳定。本文提出了一种在应用于弱电网情况下，改进后的基于VSC系统的稳态和小信号分析的神经网络前馈分支矢量控制方法。前馈分支加快了无功响应，从而提高了VSC系统的稳定性。由于改进的矢量控制使用了与传统的矢量控制方法相同的内环路，因此该方法保留了故障电流抑制的功能。此外改进的矢量控制回路的外环控制参数不需要根据操作点的变化改变，这使其易于操作实现。前馈分支是通过求解一个非线性方程或使用一个查询表来实现的。短路比的估计误差对其控制性能的影响也被计算在内。通过小信号模型分析和时域仿真验证了改进的矢量控制方法的效果。
关键词——改进后的矢量控制，柔性直流输电，弱交流电网
1.介绍
近年来，可再生能源网络在全球范围内受到了广泛关注[1]–[5]。传统的基于HVDC (LCC-HVDC) 的换向换流器(LCC)特别适用于长距离和大容量电力传输，但连接到弱交流电网会面临问题[6]。相比之下,VSC-HVDCS(电压源转换器-高压直流输电)有许多优点，包括黑启动能力，能独立控制有功无功功率，更少的足迹，减少谐波成分，连接到弱交流电网有更好的性能[7]。根据IEEE标准1204-1997，直流电网当短路比(SCR) lt; 3时，被定义为弱电网；当短路比(SCR) lt; 2时，被定义为极弱电网。VSC被认为是一种适用于整合可再生能源到弱交流电网的技术，尽管其成本较高。
然而，将基于HVDCs的VSC连接到弱交流电网
仍然是一个具有挑战性的问题，详见[8]，[9]。可以看到，在[10]-[12]中，这个问题已经引起了许多人相当大的努力来提高VSC性能。基于由三个部分组成的传统矢量控制，这些研究可以分为三个领域。传统矢量控制的三个组成部分为：1)锁相环(PLL);2)由有功功率控制(APC)和无功功率控制(RPC)组成的外环;3)内部电流环
第一类认为这个问题源于PLL，并着重研究了锁相环参数对VSC系统性能的影响[13]-[16]，以及消除PLL的方法[8]，[17] -[19]。PLLs已经被相当充分的研究过，锁相环参数的整定方法也已经建立了[20]。
[14]的作者，[15]尝试通过减少其带宽来调整锁相环的参数以提高系统的整体稳定性。
虽然系统稳定了下来，但响应时间很短
并且缺乏稳定性。参考[13]建议同时调节
PLL参数与外环参数，或将锁相环测量用于无限人工总线。然而，这种技术仍然非常复杂。其他
研究人员专注于于如何通过对同步器固有的同步行为进行仿真来消除锁相环[8],[17]。然而采用这种控制策略的原因没有被明确说明。在[21]PLL
测量中被作为一个具有低等效网络阻抗的点来引用。
这些研究的第二类集中在外环。在[22]中，作者为变换器提出了一个多H1控制器的设计方案，应用于短路比为SCR = 1的弱交流电网。该方案的实现是在不同的操作点上通过查找表改变外环PI控制器的参数， VSC作为逆变器工作时可以达到1.0 标幺值功率，并且表现出良好的稳定性能，然而该方案的实现太复杂。
第三类关注的是内环的表现[23][24]。系统稳定性提高了，但是没有考虑到最大的有功功率发出/吸收。也有其他的研究是基于阻抗法[25]，其中[26]阻抗相位补偿法主要是解决网络谐波电流不稳定而不是系统功率和电压不稳定。另外，这个方法没有解释VSC系统连接到弱交流电网时不稳定的机理。
这里引用的工作主要是基于小信号的模型分析或使用试验和错误的方法进行时域仿真，而不分析潜在的机制。此外，它们需要复杂的步骤才能达到预期的效果。本文研究了在大功率条件下连接到弱交流电网时的的失稳机理以及设计了合适的VSC控制器来解决稳定性问题。本文组织如下。第二节介绍了常规电压源变频器的稳态分析。传统矢量控制的外环可行性分析是在第三部分。小信号建模与分析方法在第四节。提出了一种改进的矢量控制方法并验证在第五节，数字仿真结果在第六节，然后是第七节的结论。
2.传统电压源变换器研究
在对传统的矢量控制进行分析之前，必须要研究弱交流电网的稳态特性。
A．系统研究
典型VSC系统的拓扑结构如图1所示。在公共耦合(PCC)点，VSC通过变压器被集成进交流系统。Z是交流系统的等效阻抗。Zc是变压器的等效阻抗。电容Cf用于向可能是弱交流电网的电网的提供无功功率，。在本文中，短路比 SCR = 1时Cf被忽略以避免交流侧LCL滤波器的低频无源谐振。因此，所有的无功功率将由VSC提供。的交流系统参数和控制系统参数分别如表一及表二所示。
经典VSC系统的控制系统包括外环、内电流环和锁相环(PLL)。如图1所示。锁相环为控制系统提供一个参考相位，内环跟踪dq坐标系下的基准电流，外环为内环提供dq参考电流。外环包括有功功率控制(或直流电压控制)和交流电压控制(或无功控制)。这一节的分析是基于有功功率控制和无功功率控制(Q)控制，但也可应用于直流电压控制和交流电压控制。直流电压控制是可以被认在是在变换的参考有功功率P下的有功功率P控制。
交流电压控制被看作是在变化的参考无功功率Q下的无功功率Q控制。
B．稳态模型分析
在稳态下，PCC与VSC之间的功率流为P jQ，参考方向如图2所示。VSC和变压器可以作为等效电流源处理，它可以双向吸收或发出功率。式(1)、(2)为等效电路的潮流方程，其中U和E是PCC和无限大容量母线线B1上的电压等级，R和X表示交流系统的等效电阻和电抗,theta;是PCC上的电压相位角。本文中的所有的变量都是标幺值。
考虑到sin2theta; cos2theta;= 1,(3)可以由(1)和式(2)导出。当(4)满足时 ，式(3)的解可由(5)得出。式(5)表示PCC的电压是E ，R， X， P和 Q的函数。
在(6)中定义的LCC-HVDC系统中，短路比是交流系统相对强度的指标，Sc是交流系统的短路容量，Pn是VSC的额定功率, Un为交流系统额定电压，Zn为基阻抗，Znom为交流系统短路阻抗的实值，jZj为交流电网的阻抗模值.式(6)代入(4)(5)可得(7)(8)
C．短路比SCR对PCC电压特性的影响
根据(7)和(8)，当交流电网较强时，其中意味着短路比是一个较大的的值,∆asymp;E4和Uasymp;e .因此,PCC电压可视为常数。当交流电网不够强时，意味着SCR值较小，U是潮流和电路参数的函数，U = f(P; Q; SCR;)。偏微分方程(9)可以由式(7)和式(8)得到，其中P0、Q0、U0为取系统操作点的值。根据(9)，当短路比很小的时候，电压U对P,Q很敏感。
3.传统矢量控制外环的可行性分析
在本节中，用于传统矢量控制的外环设计过程的假设被提出并用于分析在弱交流电网状况下传统矢量控制的特点。在弱交流电网特点下的VSC失稳过程的分析已经被执行。
A.传统矢量控制外环
传统的矢量控制如图1所示，这是最广泛应用的VSCs控制方法。这个方法最初提出是为了控制电动机和VSC-HVDC系统。传统矢量控制的原则在(10)-(12)中有描述，其中下标d和q（如图1所示）指的是变量d轴和q轴分量。(12)和(13)中kp和ki不同下标的系数是图1中PI调节器的比例和积分增益。以瞬时PCC电压和电流表示的有功功率和无功功率可以使用Park 变换转换为式(10)。在稳定的状态Usq = 0并且(10)可以简化为(11)。假设在强交流电网下，Usd看作是常数，P和Q是解耦的，这意味着P正比于icd，Q成正比于icq。因此,外传统的矢量控制外环可由两个PI调节器实现，如图(12)和图1所示。
由于U控制可以看作是变换的Q参考系下的Q控制，上述分析也适用于外回路采用P、U控制。在弱交流电网情况下，U控制比Q控制[28],[29更受欢迎。因此，采用U控制分析以下内容。矢量控制的内环是基于PCC和VSC间电感模型进行设计的。内环的数学模型如(13)所示。
B.强弱交流电网情况下外环可行性分析
根据[27]，将VSC集成到弱交流电网的稳定性判据可表示为
根据(14)，临界稳定工作点满足=0，=0。当VSC集成到一个大短路比的强交流电网时，根据II-C节中分析，PCC电压为常数，(11)可以简化为(15)。
根据(15)，=Ud0 gt; 0表示(14)中的准则总是可以满足的。当P参考值发生阶跃变化时，传统的矢量控制的外环始终是稳定的如图3(a)所示。
当VSC集成到一个低短路比SCR的弱交流电网时，PCC电压不恒定，根据SectionⅡ-C的分析。.根据(11)，P控制与Q控制结合或者通过PCC电压进行交流电压控制。如(8)所示，当P的参考值有阶跃变化时，Icd的增加会导致P的增加而功率的增加会导致PCC电压U的降低而Q仍为常数。电压控制回路有时间延迟产生Q来维持电压，电压的暂态下降可能引起功率下降。如图3(b)的序列4中，导致part;P/part;i_cd lt; 0。因此，传统矢量控制的电压控制外环在弱交流电网情况下可能导致不稳定。今后将在下面的章节中对电压控制进行更多的研究。
4.小信号模型分析
为了定量分析连接到弱交流电网时引起VSCs不稳定的主要因素，我们建立了一个VSC系统的小信号模型，如图4所示。在有无传统矢量外环的情况下，根据系统小信号模型对VSC系统进行极点分析。模态参数的计算被用于量化正极点的不同状态变量的参数。
A.小信号建模与验证
VSC系统是一个非线性系统。利用小信号法研究其稳定性时，整个系统的动态微分方程需要被线性化。VSC系统的小信号模型需要使用不同的方法，比如输入/输出导纳，雅可比矩阵，完全状态空间，这些方法分别在[14]、[22]、[24]中讨论。这里使用的完全状态空间方法和更多的线性模型细节在[22]中有介绍。图4为如图1所示VSC系统的小信号模型框图。采用表I中短路比SCR = 5参数的电气系统。外环的比例增益和积分增益分别为kp1 =1.0times;10minus;5,ki1 = 5.0times;10minus;3,kp2 = 2.0times;10minus;2,ki2 =10. 其余控制系统参数与传统矢量控制的参数相同，如表2所示。为了验证小信号模型，功率和电压以0.1 标幺值阶跃变化，并被分别应用于t =2 s时的情况。小信号模型的仿真结果与VSC系统的一般模型具有相同的暂态响应(见图5)。
B.考虑内环路和锁相环的极点分析
无外环VSC系统的极点图如图6所示，使在没有外环的情况下对系统稳定性研究成为可能。可倒转或修正的最大功率在(SCR = 1, X/R比= 10)研究的情况下标幺值可由-1到0.89。因此,分析中的有功功率变化范围是[minus;1， 0.89]。接下来的极点图是基于相同的P变化范围。如图6所示，极点在复平面的左边。换句话说,即使在弱交流电网的情况下，如果参考电流给定恰当，，VSC系统在没有外部回路的情况下也可以稳定运行并得到稳态结果。
C.考虑内环路、锁相环和外环路的极点分析
为了研究系统的稳定性，包括内环路、锁相环和外环，计算了整个VSC系统的极点如图7所示。从图7中，我们可以看到一些极点在高功率要求下出现在复平面的右侧，而在图6中，我们看到没有正的极点。
因此，可以得出结论，当外回路功率需求较大时，会出现正极点。由于传统矢量控制的外环既包括P控制又包括Q控制，因此需要进行更多的研究来找出在高功率需求的弱交流电网条件下导致不稳定极点出现的关键因素。
D.模态参与因子分析
模态参与因子分析方法对quanti彻底每个状态变量特征值的贡献
或者是动态系统的极点。这些因子可以用式(16)计算，其中k为状态变量的序号，i为特征值的序号，li为特征值Ai的左特征向量，li。是1i[30]的第k个元素。(Ref })2(16)这={(Re () T一双复杂的波兰人;= 0.0111plusmn;0.0577,P = 0.8时存在与传统矢量控制部件。然后计算其参与因素如表三所示。在此表中，状态变量为变压器电流、VSC调制前的电压基准、内环路、外环路和锁相环的积分元素，按顺序排列。由表3可知，传统矢量控制外环电压控制的状态变量模态参与因子最大。因此，可以得出电压控制主要导致正特征值或失稳，这验证了第三- b节的分析，电压控制可能不适合弱交流电网，从而导致失稳。
5.改进的矢量控制
基于以上分析，需要对传统矢量控制(VC)外环电压控制进行改进，以适应弱交流电网条件。A.改进的矢量控制
根据稳态分析和(9)，在弱交流电网条件下，PC
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资料编号：[2310]
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