一种提高海上柔直系统直流端口稳定性的阻尼控制方法

本发明涉及电力电子领域，具体为一种提高海上柔直系统直流端口稳定性的阻尼控制方法。
背景技术：
：近年来，随着大容量海上柔性直流输电工程逐渐建立，其潜在的稳定性问题也日益凸显。海上柔直送出系统是多控制器耦合的复杂系统，任何直流端口存在不稳定的问题都将可能造成整个系统失稳甚至崩溃。其中送端换流器采用定直流电压控制方式，其直流侧阻抗中频段呈现出负阻抗特性，易引起直流端口出现振荡问题。而过大的谐振电流可能会导致直流断路器误动作，大大降低了系统运行的稳定性。提高柔直送出系统稳定性最常采用的措施为附加虚拟阻尼控制策略来改善直流系统的阻抗特性。但随着近年来海上柔性直流输电工程的建设，提供了大规模、远距离海上风电接入和输送的通道，其具有输送容量大、输送距离长，输电线路采用电容效应更强的海底电缆等特点。随着这种变化，传统的虚拟阻尼控制策略将存在一定的局限性。为了充分挖掘海上柔直送出系统在大规模新能源功率外送方面的优势，需要为提高海上柔直送出系统直流端口稳定性提供新的阻尼控制方法。技术实现要素：针对海上柔直送出系统定直流电压站在中低频段呈现弱阻尼特性，长距离海底电缆容易引发直流端口宽频振荡的问题，本发明提出一种提高海上柔直系统直流端口稳定性的阻尼控制方法，该方法利用海上柔直送出系统中定直流电压站自身的直流电压调节能力，通过在定直流电压站换流器桥臂附加一个仅对谐波分量起作用的虚拟电阻，改善了直流端口的阻抗特性，提高了系统的稳定运行能力。本发明是通过以下技术方案来实现：一种提高海上柔直系统直流端口稳定性的阻尼控制方法，包括以下步骤：步骤1、获取海上柔直送出系统中定直流电压站的mmc换流站输出三相交流电流实际值iabc，直流端口电压实际值vdc和直流端口电流实际值idc；步骤2、根据三相交流电流实际值iabc得到三相交流电流实际值d轴分量id和三相交流电流实际值q轴分量iq；步骤3、根据直流端口电压实际值vdc，并结合直流电压参考值通过电压外环控制器形成闭环控制获得三相交流电流参考值d轴分量步骤4、根据三相交流电流实际值d轴分量id和三相交流电流实际值q轴分量iq、三相交流电流参考值d轴分量和三相交流电流参考值q轴分量通过电流内环控制器获得调制信号的d轴分量md和调制信号的q轴分量mq，再根据调制信号的d轴分量md和调制信号的q轴分量mq获得初始调制信号mabc；步骤5、直流端口电流实际值idc经过阻尼控制器获得补偿调制信号△m；步骤6、根据初始调制信号mabc和补偿调制信号△m获得补偿后的调制信号m′abc，采用补偿后的调制信号m′abc驱动海上柔直系统中定直流电压站的换流器。优选的，步骤2中将三相交流电流实际值iabc进行派克变换，获取三相交流电流实际值d轴分量id和三相交流电流实际值q轴分量iq；派克变换的表达式如下：三相交流电流实际值d轴分量id和三相交流电流实际值q轴分量iq的表达式如下：优选的，步骤3中将直流电压参考值和直流端口电压实际值vdc相减，经过电压外环控制器后获得三相交流电流参考值d轴分量优选的，所述电压外环控制器的表达式如下：其中，hv(s)为电压控制器传递函数，kpv为电压外环控制器的比例系数kiv为电压外环控制器的的积分系数；三相交流电流参考值d轴分量表达式如下：优选的，步骤4中三相交流电流参考值q轴分量设为0，将三相交流电流参考值d轴分量与三相交流电流实际值d轴分量id相减，经过电流内环控制器，再减去三相交流电流实际值q轴分量iq与解耦系数kid的积，获得调制信号d轴分量md；将三相交流电流参考值q轴分量与三相交流电流实际值q轴分量iq相减，经过电流内环控制器，再加上三相交流电流实际值d轴分量id与解耦系数kid的积，获得调制信号q轴分量mq。优选的，所述电流内环控制器的表达式为其中，hi(s)为电流控制器传递函数，kip为电流内环控制器的比例系数，和kii为电流内环控制器的积分系数；优选的，所述调制信号的d轴分量md的表达式如下：调制信号q轴分量mq的表达式如下：其中，kid为解耦系数。优选的，所述初始调制信号mabc的表达式如下：其中，mdq为调制信号。优选的，步骤5中阻尼控制器的表达式如下：其中，rvir为虚拟电阻，ωh为高通滤波器截止频率，s是拉普拉斯算子；所述补偿调制信号△m的表达式如下：δm＝idc·hdamp(s)其中，idc为直流端口电流实际值。优选的，步骤6中调制信号m′abc的表达式如下：m＇k＝mk+δm(k＝a,b,c)与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：本发明提出一种提高海上柔直系统直流端口稳定性的阻尼控制方法，在海上柔直送出系统定直流电压站的基本调制信号加上基于直流电流的前馈控制，就可获得定直流电压站换流器调制信号。即只需一个阻尼系数环节和高通滤波环节构成的阻尼控制器；该阻尼控制器相当于在定直流电压站六个桥臂上分别串联一个虚拟电阻，起到改善频率阻抗特性的作用；其中高通滤波器可以有效减小阻尼控制器对换流器本身动态性能的影响。在海上柔性直流系统中直流端口发生扰动后产生振荡时，该控制方法能将直流电流的变化传递到调制信号的控制上，调制信号在变化时会相应的引起直流电压变化，抑制直流电流的低频振荡，不仅能够保持换流站的稳定运行，同时对直流端口的振荡提供了较好的抑制效果，保障了海上柔直送出系统的安全稳定运行。附图说明图1为典型海上柔性直流送出系统结构图；图2为本发明附加阻尼控制的定直流电压站控制系统结构图；图3为本发明海上柔直送出系统换流站主电路拓扑；图4为本发明不同虚拟电阻值的定直流电压站直流侧阻抗曲线；图5为fh＝10hz，rvir＝100的阻尼控制下海上柔直系统直流端口电流波形；图6为fh＝10hz，rvir＝300的阻尼控制下海上柔直系统直流端口电流波形；图7为fh＝10hz，rvir＝300的阻尼控制下直流电流的快速傅里叶分解频谱。图2中，为直流端口电压参考值，vdc根据直流端口电压实际值，idc为直流端口电流实际值，hv(s)为电压控制器传递函数，id为三相交流电流实际值d轴分量，iq为三相交流电流实际值q轴分量、为三相交流电流参考值d轴分量、为三相交流电流参考值q轴分量，hi(s)为电流控制器传递函数，kid为解耦系数，md为调制信号d轴分量，mq为调制信号q轴分量，ma、mb、mc为初始调制信号mabc在三相的分量，rvir为虚拟电阻，m′a、m′b、m′c为补偿后的调制信号m′abc在三相的分量。图3中rl为桥臂寄生电阻，l2为桥臂电感，l1为无源环流抑制电路(pccsc)滤波电感，c0为pccsc滤波电容，cm为子模块电容。iau、ibu、ibu分别为三相上桥臂电流，ial、ibl、ibul分别为三相下桥臂电流，va、vb、vc分别为三相交流侧电压。具体实施方式下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。一种提高海上柔直系统直流端口稳定性的阻尼控制方法，包括如下步骤：步骤1、采集海上柔直送出系统中定直流电压站的mmc换流站输出的三相交流电流实际值iabc和直流端口电压实际值vdc，以及直流端口电流实际值idc；图1示出了典型海上柔直送出系统结构图；该系统包含两个mmc换流站，与风电场直接相连的送端mmc换流站使用定交流电压控制方式，工作于整流模式；与交流电网直接相连的受端mmc换流站使用定直流电压控制方式，工作于逆变模式。图中受端mmc换流站的三相交流电流实际值iabc和直流侧电压实际值vdc，是与本发明实施例相关的需要采集的信号。步骤2、对于三相交流电流实际值iabc，通过派克变换获取三相交流电流实际值d轴分量id和三相交流电流实际值q轴分量iq；具体的，派克变换的表达式如下：三相交流电流实际值d轴分量id和三相交流电流实际值q轴分量iq的表达式如下：步骤3、对于直流端口电压实际值vdc，根据直流电压参考值并通过电压外环控制器形成闭环控制获得三相交流电流参考值d轴分量具体的，直流电压参考值和直流端口电压实际值vdc相减，经过电压外环控制器后获得三相交流电流参考值d轴分量其中，电压外环控制器包括比例系数kpv和积分系数kiv；电压外环控制器的表达式为三相交流电流参考值d轴分量表达式为图2示出了本发明实例提供的附加阻尼控制的定直流电压站控制系统结构图：该控制器包含直流电压控制、电流控制、派克变换模块和阻尼控制器。步骤4、根据定直流电压站三相交流电流实际值d轴分量id和三相交流电流实际值q轴分量iq、三相交流电流参考值d轴分量三相交流电流参考值q轴分量通过电流内环控制器获得调制信号mdq，通过派克反变换获得初始调制信号mabc；具体的，三相交流电流参考值q轴分量一般设为0；三相交流电流参考值d轴分量与三相交流电流实际值q轴分量id相减，经过电流内环控制器，再减去三相交流电流实际值q轴分量iq与解耦系数kid的积，获得调制信号d轴分量md；电流内环控制器包含比例系数kip和积分系数kii；电流内环控制器的表达式为调制信号d轴分量md的表达式为三相交流电流参考值q轴分量与三相交流电流实际值q轴分量iq相减，经过电流内环控制器，再加上三相交流电流实际值d轴分量id与解耦系数kid的积，获得调制信号q轴分量mq；调制信号q轴分量mq的表达式为调制信号d轴分量md和调制信号q轴分量mq再通过派克反变换变成初始调制信号mabc；派克反变换的表达式为初始调制信号mabc的表达式为步骤5、直流端口电流实际值idc经过阻尼控制器获得补偿调制信号△m；具体的，阻尼控制器的表达式为补偿调制信号△m的表达式为δm＝idc·hdamp(s)(11)步骤6、将初始调制信号mabc与补偿调制信号△m相加，获得补偿后的调制信号m′abc，驱动海上柔直送出系统中定直流电压站的换流器，以实现提高柔直送出系统直流电流稳定性的阻尼控制。具体的，调制信号m′abc的表达式为m＇k＝mk+δm(k＝a,b,c)(12)其中高通滤波器和虚拟并联电阻rvir设计方法如下：图3示出了本发明实施例中使用的mmc拓扑，含有无源环流抑制电路(pccsc)，该拓扑能够有效地抑制桥臂环流。因此不需要在控制措施中引入额外的环流抑制器。图4绘制了不同虚拟电阻值rvir下的定直流电压站换流器mmc的直流侧阻抗曲线，表明阻尼控制方法可以有效地抑制mmc在中高频率范围内的负阻尼特性。值得一提的是，这种策略不能完全消除100hz附近的负阻尼特性，但可以有效地缩小负阻尼频带。如果互联系统的幅频曲线在此频段内不相交，则不会出现谐振问题。此外，还发现随着虚拟电阻值的增大，10hz以下的阻抗相位逐渐增大，并逐渐呈现负阻尼特性。因此，在设计虚拟电阻值时存在折中问题，应谨慎选择虚拟电阻值以避免引发更低频的振荡问题。本发明提供的一种提高海上柔直送出系统直流端口稳定性的阻尼控制方法，在海上柔直送出系统定直流电压站换流器的基本调制信号上叠加基于直流电流的前馈控制，即只需一个阻尼系数环节和高通滤波环节构成的阻尼控制器；该阻尼控制器相当于在定直流电压站换流器六个桥臂上分别串联一个虚拟电阻，起到改善频率阻抗特性的作用；其中高通滤波器可以有效减小阻尼控制器对换流器本身动态性能的影响。在海上柔直送出系统中直流端口发生扰动后产生振荡时，该控制方法将直流电流的变化传递到调制信号的控制上，调制信号在变化时会相应的引起直流电压变化，抑制直流电流的振荡，不仅能够保持换流站的稳定运行，同时对直流端口的振荡提供了较好的抑制效果，保障了海上柔性直流系统的安全稳定运行。实施例1以海上两端柔直送出系统为例，验证本发明提出的一种提高海上柔直系统直流端口稳定性的阻尼控制方法的有效性以及虚拟电阻值的取值折中问题。本实施例共分析以下两种情况：(1)fh＝10hz，rvir＝100；(2)fh＝10hz，rvir＝300。4s前系统运行稳定。在4s时刻，平波电抗器变为零，然后直流端口电流开始发散，系统进入不稳定状态。在第(1)种情况下，如图5所示，在4.3s时加入主动阻尼控制，系统恢复稳定，验证了该阻尼控制方法的有效性，在第(2)种情况下，如图6所示，在4.3s时加入阻尼控制，直流电流以10hz的频率连续振荡，系统仍不稳定，说明虚拟电阻过大会引发更低频的振荡。图7给出了第(2)种情况下直流电流的快速傅里叶分解谐波频谱。可以看到除了直流分量以外，10hz处也出现了一个高峰，这说明虚拟电阻值过大会引发更低频次的振荡。表1实施例主电路参数参数送端mmc受端mmc桥臂等效寄生电阻0.3ω0.3ω子模块电容8mf8mf每桥臂子模块个数244244桥臂电感44.44mh44.44mhpccsc滤波电感55.56mh55.56mhpccsc滤波电容22.8μf22.8μf表2实施例控制器参数控制环比例系数积分系数解耦系数电流控制器0.684.446×10-4交流电压控制器12500n/a直流电压控制器5800n/a以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。当前第1页12