范帥軍，凌 穎，趙莉華

(四川大學(xué)，四川成都 610065)

0 前言

近年來，輕型直流輸電技術(shù)(voltage sourced converter HVDC，以下簡稱VSC－HVDC)作為一種新型輸電方式備受關(guān)注，它是一種電壓源型變換器，以IGBT等全控型器件和脈沖寬度調(diào)制(pulse－width modulation，PWM)技術(shù)為基礎(chǔ)。與傳統(tǒng)的交流輸電技術(shù)和以晶閘管為主控器件的傳統(tǒng)高壓直流輸電技術(shù)比較，VSC－HVDC技術(shù)具有很多優(yōu)點，如能夠快速并且獨立控制系統(tǒng)有功功率和無功功率，靈活改變潮流方向，向交流系統(tǒng)提供緊急無功補償，易于實現(xiàn)多端直流系統(tǒng)并聯(lián)，換流站設(shè)備小型化和模塊化，系統(tǒng)可靠性更高等。所以，VSC－HVDC技術(shù)得到了日益廣泛的應(yīng)用，尤其適合于新能源發(fā)電系統(tǒng)(如風(fēng)力發(fā)電、燃料電池、光伏發(fā)電等分布式電源)的并網(wǎng)、城市配電系統(tǒng)供電、兩個交流系統(tǒng)之間的非同步運行，向孤島系統(tǒng)供電等場合。

在VSC－HVDC系統(tǒng)中，對電壓源型變換器的控制是關(guān)鍵，它將直接影響系統(tǒng)的運行性能。目前在VSC－HVDC系統(tǒng)中大多采用較成熟的PID控制技術(shù)，這種控制方式實現(xiàn)起來結(jié)構(gòu)簡單，但系統(tǒng)需要整定的參數(shù)較多，整定復(fù)雜，而參數(shù)值整定的好壞直接影響控制效果。采用基于內(nèi)模控制的PID控制方式，在控制器設(shè)計時只需要調(diào)節(jié)一個參數(shù)，使參數(shù)整定簡單快捷，容易實現(xiàn)，同時可以保留雙閉環(huán)PI控制系統(tǒng)的優(yōu)良性能，使得系統(tǒng)同時具有良好的魯棒性和動態(tài)響應(yīng)速度。通過對VSC－HVDC風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的仿真，結(jié)果表明，基于內(nèi)模控制原理的一個參數(shù)整定的VSC－HVDC系統(tǒng)參數(shù)保有雙閉環(huán)PI控制系統(tǒng)的優(yōu)良性能，系統(tǒng)魯棒性好，控制精度高，動態(tài)響應(yīng)快。

圖1 PID控制系統(tǒng)原理框圖

1 內(nèi)模PID控制基本原理

傳統(tǒng)PID控制原理框圖如圖1所示。圖1中，r(t)是系統(tǒng)輸入，c(t)是系統(tǒng)輸出，u(t)為控制信號，e(t)為系統(tǒng)的誤差信息，可知系統(tǒng)傳遞函數(shù)為

式中，Kp為系統(tǒng)的比例增益;Tl為積分時間常數(shù);TD為微分時間常數(shù)。

在PID控制系統(tǒng)中，控制器參數(shù)KP、Tl、TD整定的好壞，直接影響控制效果。PID參數(shù)的整定有多種方法，這里采用基于內(nèi)模控制的方法整定控制參數(shù)。

圖2為內(nèi)模控制原理框圖，圖中GC(s)為基于內(nèi)?？刂频腜ID控制器，它除了包括傳統(tǒng)PID控制器Q(s)外，還包括了過程模型pm(s)，而Gp(s)表示被控對象，所以圖2中內(nèi)環(huán)的傳遞函數(shù)GC(s)為

系統(tǒng)閉環(huán)響應(yīng)為

圖2 內(nèi)模PID控制原理框圖

將式(3)中的過程模型pm(s)分解為pm+(s)兩項和pm－(s)，則有

其中，pm+(s)是一個全通濾波器的傳遞函數(shù)，對于所有頻率ω，都滿足|pm+(jω)|=0，所以pm+(s)包含了內(nèi)模中所有的時滯環(huán)節(jié)和右半平面的零點。pm－(s)是具有最小相位特征的傳遞函數(shù)，即穩(wěn)定且不包含預(yù)測項。

內(nèi)模PID控制器設(shè)計中，最重要的是設(shè)計理想內(nèi)?？刂破鱍(s)，其設(shè)計的主要思想是使Q(s)=P－1m(s)，實際中在不考慮模型失配、約束條件和各種擾動情況下，可使Q(s)→P－1m(s)。為確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性，在Pm－(s)上增加一濾波器，則內(nèi)模控制器為f(s)表示靜態(tài)增益為1的低通濾波器，Tf為濾波器時間常數(shù)，其大小決定了系統(tǒng)響應(yīng)速度。Tf越大，則閉環(huán)輸出響應(yīng)越慢，但C(s)對R(s)的跟蹤滯后越小，其大小應(yīng)兼顧動態(tài)性能和系統(tǒng)的魯棒性。參數(shù)r為一正整數(shù)，取值應(yīng)保證內(nèi)?？刂破鱍(s)有理。|f(s)|的最大幅值為1時，系統(tǒng)有好的魯棒性能。當(dāng)r大于1時，f(s)的濾波器能得到更好的輸出響應(yīng)?？芍瑑?nèi)模PID控制器只有一個整定參數(shù)Tf，Tf的大小同時受系統(tǒng)動態(tài)性能與魯棒性的約束。所以采用內(nèi)?？刂频腜ID控制器，其參數(shù)整定更為簡單、便捷。

將式(5)代入式(2)中可以得到內(nèi)模PID控制器的傳遞函數(shù)為

2 基于內(nèi)模控制的電流控制器設(shè)計

VSC－HVDC系統(tǒng)原理圖如圖3所示，它由兩個PWM電壓源型換流器、直流傳輸線路、濾波電容等組成。圖中左側(cè)交流系統(tǒng)Es1為交流系統(tǒng)1，右側(cè)交流系統(tǒng)為交流系統(tǒng)Es2為交流系統(tǒng)2，與交流系統(tǒng)1相連的變換器為VSC1，與交流系統(tǒng)2相連的變換器為VSC2;R為換流器電阻;L為換流變壓器的電感，它連接換流器與交流系統(tǒng)，同時濾除交流諧波;4個濾波電容C為換流器提供直流側(cè)支撐電壓，同時減小直流側(cè)諧波。Es1n、Es2n分別為交流系統(tǒng)1、2的電壓，in1和in2為它們的電流;U1n、U2n分別為兩個變換器交流側(cè)電壓;Udc1、Udc2為兩個變換器直流側(cè)電壓，is1、is2為兩個換流器直流側(cè)電流(這里n=a、b、c)。

圖3 VSC－HVDC系統(tǒng)原理框圖

圖3中兩個變換器及兩側(cè)交流系統(tǒng)對稱，以交流系統(tǒng)1為例進行討論。列出交流側(cè)動態(tài)微分方程如下。

對式(8)進行d、q變換，得到方程組為

式中，Ud1、Uq1為變換器側(cè)三相交流電壓的d軸和q軸分量;Es1d、Es1q為交流系統(tǒng)1三相電壓的d軸和q軸分量;id1、iq1為交流系統(tǒng)1的三相電流d軸和q軸分量。從式(9)可知，電流id1、iq1不僅受VSC1側(cè)電壓Ud1、Uq1的影響，還受到交流系統(tǒng)1的三相電壓Es1d、Es1q和電流交叉耦合項ωLid1、ωLiq1的影響。為了實現(xiàn)對d、q軸的解耦，首先對式(1)采用前饋解耦控制算法，使電壓前饋，為了消除d軸、q軸之間的電流耦合和電網(wǎng)電壓擾動，令

式中，is1dref、is1qref分別為VSC1側(cè)有功電流和無功電流的參考值;kp1、ki1、kp2、ki2分別為 VSC1 內(nèi)環(huán)電流 d、q軸PI控制器的比例積分系數(shù)。

于是，由式(9)、(10)得出

從式(11)可以看出，調(diào)節(jié)PI參數(shù)使之滿足式(11)，便可實現(xiàn)內(nèi)環(huán)電流的d、q軸解耦控制，進而實現(xiàn)對Ud1、Uq1的控制。內(nèi)環(huán)電流控制圖如圖4所示。

由于d、q軸電流各自的控制對象相同，因此控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)可以設(shè)置相同，這里僅以d軸電流控制器為例進行設(shè)計。

考慮到由于數(shù)字化控制帶來的控制周期的延遲以及PWM脈沖裝置的延遲時間，在控制器中加入一個小時間常數(shù)的一階慣性環(huán)節(jié)作為信號采樣延遲環(huán)節(jié)，控制框圖如圖5所示。

圖4 內(nèi)環(huán)電流控制框圖

圖5 內(nèi)環(huán)電流控制器傳遞函數(shù)等值框圖

由于VSC換流器開關(guān)頻率比較高，可將圖5系統(tǒng)進一步簡化為圖6所示。

圖6 簡化后的內(nèi)環(huán)電流控制器傳遞函數(shù)等值框圖

即可得出

由此可以看出，對于VSC－HVDC內(nèi)環(huán)電流控制簡化的一階系統(tǒng)而言，采用內(nèi)?？刂圃硭惴ㄕ≒I參數(shù)，由公式(13)可知，積分系數(shù)kI為固定值，比例系數(shù)kp只需由濾波時間參數(shù)Tf確定，其大小需折中考慮動態(tài)性能和系統(tǒng)的魯棒性。所以，基于內(nèi)模原理控制算法來對內(nèi)環(huán)PI參數(shù)進行參數(shù)整定時，只需調(diào)節(jié)kp，即只需要整定一個參數(shù)即可。

通過對VSC1側(cè)內(nèi)環(huán)電流內(nèi)模PI控制器和外環(huán)直流電壓PI控制器的設(shè)計，可以得到VSC1系統(tǒng)的定直流電壓和定無功功率控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。

3 系統(tǒng)仿真

對圖3所示系統(tǒng)進行仿真，主要仿真參數(shù)為:交流系統(tǒng)頻率f=50Hz，Es1=Es2=220kV，C=7500μF，R=0.8 Ω ，變壓器額定容量 S=200 MVA，直流電壓參考值為Udc=100 kV，直流線路長度為70 km的電纜，IGBT開關(guān)頻率為1 350 Hz。VSC1換流器采用定直流電壓控制Udc(pu)=1和定無功功率控制;VSC2換流器采用定有功功率控制p2(pu)=1和定無功功率控制。分別進行了對無功功率控制、潮流反向控制和三相故障的仿真。

圖7 VSC1直流電壓、無功功率控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.1 無功功率控制

仿真的目的是研究當(dāng)系統(tǒng)送端風(fēng)力充足全力輸出有功而受端處于不同負荷階段時，兩端換流站無功功率流入(流出)的調(diào)整情況。送端為定直流電壓控制且Udc(pu)=1，受端為定有功控制且P2(pu)=1，VSC1側(cè)輸出有功保持恒定。

仿真時，在t=1.5 s時刻，將VSC2側(cè)無功由Q2(pu)=0調(diào)整為－0.3;t=2 s時刻，VSC1側(cè)無功由Q1(pu)=0調(diào)整為0.3。仿真波形如圖8～圖11所示。從仿真波形可以看出，對VSC1和VSC2兩側(cè)在不同時間進行無功調(diào)節(jié)，換流器有功輸出和直流電壓都基本保持恒定，表明系統(tǒng)可根據(jù)受端網(wǎng)絡(luò)和送端網(wǎng)絡(luò)對無功功率的需求量，在各端靈活調(diào)整無功，以達到無功就地平衡的目的。就近補償無功功率，避免了無功功率遠距離傳輸，減少了網(wǎng)損。而且在受端系統(tǒng)換流站還可以減少對無功設(shè)備的投資，不需要根據(jù)負荷因數(shù)的變化不停地投切無功設(shè)備。

3.2 潮流反向

輕型直流輸電技術(shù)可以通過改變直流電流的方向，瞬時改變有功功率傳輸方向。

仿真時，t=1.5 s時刻，VSC2側(cè)輸入有功從 P(pu)=0.5調(diào)整為 －0.5，無功從 Q(pu)=0 調(diào)整為－0.2。仿真波形如圖13～圖17所示，可以看成，輕型直流輸電可以通過改變直流電流的方向，來實現(xiàn)有功功率的反向傳輸，而在系統(tǒng)潮流反向后，功率反向傳輸非常穩(wěn)定，直流電壓有5%左右的變化。

圖8 整流側(cè)VSC1有功功率P波形

圖9 逆變側(cè)VSC2有功功率P波形

圖10 整流側(cè)VSC1無功功率Q波形

圖11 逆變側(cè)VSC2無功功率Q波形

圖12 直流電壓波形圖

3.3 三相故障

在t=1.5 s時，VSC2側(cè)負荷端發(fā)生三相短路故障，故障時間為0.1 s。各參考量仿真波形具體見圖17～圖21。

圖13 整流側(cè)VSC1有功功率P波形

圖14 逆變側(cè)VSC2有功功率P波形

圖15 整流側(cè)VSC1無功功率Q波形

圖16 直流電壓波形

圖17 整流側(cè)VSC1有功功率P波形圖

VSC2側(cè)負荷端發(fā)生三相接地故障，通過對比兩側(cè)有功波形及故障側(cè)的電壓、電流波形，可以得出VSC2系統(tǒng)故障期間，直流電壓出現(xiàn)15%的跌落，當(dāng)故障切除0.1 s后，直流電壓恢復(fù)到故障前額定值。同時，VSC2側(cè)的交流電壓、有功、無功都降至為0。當(dāng)故障切除0.1 s后，VSC1、VSC2有功、無功又恢復(fù)到故障前的穩(wěn)定情況。

圖18 逆變側(cè)VSC2有功功率P波形圖

圖19 整流側(cè)VSC1 A相交流電流波形

圖20 逆變側(cè)VSC2側(cè)A相交流電流波形

圖21 三相故障直流電壓波形

4 結(jié)論

采用基于內(nèi)?？刂频腜ID控制算法，克服了傳統(tǒng)PI控制中參數(shù)多且整定復(fù)雜的缺點，在控制器設(shè)計時只需要調(diào)節(jié)一個參數(shù)，使參數(shù)整定簡單快捷，容易實現(xiàn)，同時可以保留雙閉環(huán)PI控制系統(tǒng)優(yōu)良性能，使得系統(tǒng)同時具有良好的魯棒性和動態(tài)響應(yīng)速度。通過對基于內(nèi)?？刂频腜I控制構(gòu)成的VSC－HVDC風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的仿真，仿真結(jié)果表明，基于內(nèi)?？刂圃淼囊粋€參數(shù)整定的VSC－HVDC系統(tǒng)參數(shù)保有雙閉環(huán)PI控制系統(tǒng)的優(yōu)良性能，系統(tǒng)魯棒性好，控制精度高，動態(tài)響應(yīng)快。

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