一种电压源型换流器定直流电压控制器参数的计算方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及柔性高压直流输电技术领域，具体讲涉及一种电压源型换流器定直流 电压控制器参数的计算方法。
【背景技术】
[0002] 电压源型换流器(voltage source converter，VSC)在电能转换领域具有重要的 作用，其中VSC即可以是模块化多电平换流器(modular multilevel converter，MMC)形式， 也可以是两电平或三电平形式。基于VSC的柔性直流输电技术是继交流输电和常规直流输 电技术之后的一种新型输电技术，它的产生使得输电技术达到了一个新台阶。由于有功功 率和无功功率均可独立控制以及潮流翻转实现容易，在新能源发电并网和消纳、跨国电力 交易、异步电网互联、海上孤岛供电等方面具有重大技术优势。
[0003] 柔性直流输电技术中换流站的控制策略一般采用的是矢量控制方式，该控制方式 由一个外环控制器和一个内环控制器组成。外环控制器的输出值是内环控制器的参考值， 设计性能优良的控制器能够保证整个系统具有较好的动态性能，外环控制器一般使用的是 比例积分(proportional integral，PI)控制器，控制器的设计也是其参数的设计，即比例 系数和积分系数的设计。外环控制器一般可以概括为四类，即定直流电压控制、定有功功率 控制、定交流电压控制和定无功功率控制，其中定直流电压控制器的作用是维持整个直流 系统电压稳定，合适的定直流电压控制器参数是柔性直流输电和直流电网有效运行的前 提，具有非常重要的地位。
[0004] 基于VSC的柔性直流输电系统由两个及以上的换流站和直流输电线路构成，直流 输电系统在正常运行时，定直流电压站的外环采用的是定直流电压控制方式以保持整个系 统的直流电压在额定值范围内。在求解控制器参数时，电流内环闭环传递函数可等效为一 阶惯性环节，根据电流内环的期望带宽即可求出内环比例积分调节器的参数。但是对于电 压外环来说，换流器自身的非线性关系导致不能直接求取直流电压闭环传递函数，需要借 助换流器小干扰(小干扰:一般为某个物理量的波动值小于额定值的10%)数学模型才能建 立直流电压小干扰表达式。
[0005] 现有技术中忽略电压源型换流器内部的动态过程，只考虑VSC功率与直流电压之 间的关系。根据功率平衡原理，将交流侧输入VSC的有功功率等效为直流侧输出功率与电容 吸收功率之和，可以简化VSC动态行为特性的分析，有利于建立阶数较低的VSC小干扰线性 化数学模型，从而定量设计出定直流电压控制器参数，但是，在求取定直流电压外环控制器 参数时，有的忽略了直流电流对整个系统的影响，有的只给出了参数的选取范围，并没有对 控制器参数进行定量计算。
[0006] 为此，迫切需要一种控制器参数计算方法，使得计算得到的参数精确度更高，满足 对控制器参数精确度的要求。
【发明内容】
[0007] 为了解决现有技术中所存在的上述不足，本发明提供一种电压源型换流器定直流 电压控制器参数的计算方法，所述电压源型换流器等值模型包括三相等效电源电压、电网 等效电阻、电网等效电感与电压源型换流器，所述方法包括如下步骤：
[0008] I、建立电压源型换流器的简化等效模型；
[0009] II、建立所述等效模型的电磁暂态模型；
[0010] III、求所述电压源型换流器的有功功率小干扰线性化模型；
[0011] IV、建立所述电压源型换流器小干扰线性化戴维南等效模型；
[0012] V、建立电压源型换流器定直流电压控制器的等效直流系统模型和等效直流系统 小干扰模型；
[0013] VI、计算电压源型换流器定直流电压控制器的参数。
[0014] 优选的，所述步骤I电压源型换流器简化等效模型包括:并联的受控电流源和等效 电容；
[0015]用下式计算所述受控电流源id:
(1)
[0017]用下式表示电压源型换流器直流侧电压的数学模型：
(2)
[0019] 其中，Pc表示注入电压源型换流器的有功功率，idc为电压源型换流器输出的直流 电流，Ud。表示电压源型换流器的输出直流电压，C eq表示所述电压源型换流器的等效电容。
[0020] 优选的，所述步骤II的电磁暂态模型的建立包括：
[0021 ]电压源型换流器交流侧在dq坐标系下的电磁暂态模型如下式所示：
(3)
[0023] 其中，usd与uSq和isd与isq分别表不为交流系统电压和电流的d轴和q轴的分量;Req 和U分别表示为电压源型换流器交流侧等效电阻和电感；《表示基波角频率;ed与e q分别 表示为电压源型换流器交流侧电压的d轴和q轴的分量。
[0024] 优选的，所述步骤III求电压源型换流器的有功功率线性化模型包括:设计换流器 内环控制器和外环控制器，将外环控制器输出的电流参考值输入内环控制器，组成换流器 闭环控制系统；
[0025] 所述外环控制器包括:定直流电压控制器、定交流电压控制器、定有功功率和定无 功功率控制器；
[0026] 电流内环控制器模型如下式所示： (4；
[0028]其中，和气与和'分别表不电压源换流器内部输出参考电压与输出参考电流 的d轴和q轴分量，usd与uSq和isd与isq分别表不为交流系统电压和电流的d轴和q轴的分量， k pi和ku分别表示内环PI控制器的比例与积分系数，s表示拉普拉斯算子，co表示基波角频 率，Leq表示电压源换流器交流侧等效电感；
[0029]电流内环闭环传递函数Hi(s)如下式所示：
[0031]式中，Req表示电压源型换流器交流侧等效电阻，式(5)采用零极点对消，即kn/kpi -Req/Leq ；
[0032]所述定直流电压控制器模型方程如下式表示：
C6)
[0034] 其中，kpdc表示外环控制器定直流电压PI控制器的比例系数，kid。表示外环控制器 定直流电压pi控制器的积分系数，^4表示定直流电压控制器的参考值，ud。表示实际直流电 压值；
[0035]所述定交流电压控制器模型方程如下式表示：
(7)
[0037] 其中，kpac表示外环控制器定交流电压PI控制器的比例系数，1^%表示外环控制器 定交流电压PI控制器的积分系数，表示定交流电压控制的参考值，uP。。表示实际交流电 压值；
[0038]所述定有功功率和定无功功率控制器在不使用PI控制器时，d轴和q轴内环电流的 参考值用下式计算：
[0040]式中，PlPf分别表示换流器外环控制器定有功功率和定无功功率控制器的参考 值，Cl为内环d轴电流参考值，Ci为内环q轴电流参考值；
[0041 ]注入电压源型换流器的有功功率p。用下式计算：
[0042] pc=l .5edisd+l .5eqisq (9)
[0043] 式中，ed和eq分别表不电压源型换流器内部输出电压在d轴和q轴的分量；
[0044]对式（2)_(9)进行小干扰线性化和拉普拉斯变换，得到所述有功功率p。线性化模 型用下式表示：
[0045] Apc(s) - LSF^AQs) +1 .5F2(s)aQs) + L5Isd0Au^(s) +1 .SI^Aii^s) ( 10)
[0046] 式中，s表示拉普拉斯变换算子，FKs)表示d轴参考电流小干扰到有功功率小干扰 模型的传递函数，F2(s)表示q轴参考电流小干扰到有功功率小干扰模型的传递函数，A Usq (s)表示PCC点q轴电压小干扰，Ausd(s)表示PCC点d轴电压小干扰，APc(s)表示有功功率小 干扰线性化表达，△〇)表示电流内环d轴参考电流的小干扰，表示电流内环q轴参考 电流的小干扰、A usd (s)表示PCC点d轴电压的小干扰，A Usq (s)表示PCC点q轴电压小干扰。 [0047]优选的，所述FKsWPFds)分别用下式计算：
[0048] Fl ( S ) = (Um-2ReqIsd0-LeqIsd0S )Hi (s) (11)
[0049] F2 ( S ) = - ( 2ReqIsqO+LeqIsqOS )Hi (s) (12)
[0050] 式中，Req表示电压源型换流器交流侧等效电阻，Leq表示电压源型换流器交流侧等 效电感，Hi (s)表示电流内环闭环传递函数，IsdQ和IsqQ分别表示交流系统电流d轴和q轴的分 量的稳态值，U m表示PCC点相电压幅值。
[0051] 优选的，所述步骤IV换流器小干扰线性化戴维南等效模型包括:换流器输出电压 等于串联的等效电压减去等效输出阻抗与换流器输出直流电流小干扰的乘积，所述换流器 输出电压A Udc；(S)用下式计算：
[0052] A Udc(s) = A Ueq_dc(s)-Z〇dc a idc(s) (13)
[0053] 式中，A Ueq_dc(s)表示换流器输出直流电压小干扰线性化戴维南等效模型的等效 电压，Zi表示换流器输出直流电压小干扰线性化戴维南等效模型的等效输出阻抗，A idc (s)表示换流器输出直流电流的小干扰。
[0054] 优选的，所述步骤IV电压源型换流器小干扰线性化戴维南等效模型分别在定直流 电压控制和定交流电压控制时、定直流电压控制和定无功功率控制时、定有功功率控制和 定交流电压控制时，以及定有功功率和定无功功率控制时的具体应用；
[0055] (1)在定直流电压控制和定交流电压控制时，换流器输出电压小干扰线性化模型 如下式所示：
[0057] 其中，mi~mi3表示各个多项式的系数，A(s)表示分母特征多项式，Gudc、Gupcc、G usd、 Gusq和Gidi别为直流参考电压小干扰如】。⑴、PCC交流参考电压小干扰、PCC点d轴 电压