一種用于輕型直流輸電系統的控制方法
【專利摘要】一種用于輕型直流輸電系統的控制方法，其特征在于，在常規的PWM整流控制方式的基礎上，經過仿真分析進行改進，整流側采用定直流電壓控制方式，逆變側采用控制有功功率和無功功率的方式；為了保證逆變側功率單元之間的電壓平衡，將逆變側功率單元的平均電壓作為平衡控制環的電壓參考值，其PI輸出與有功給定相加作為電流環的有功參考值，平衡各功率單元直流電壓，減小功率單元因過壓或欠壓引起的故障，提高系統整體的可靠性、穩定性。
【專利說明】一種用于輕型直流輸電系統的控制方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用于功率單元串聯多電平型輕型直流輸電系統的控制方法。
【背景技術】
[0002]隨著國民經濟的高速增長，我國電力工業得到快速發展，根據國家能源局發布的數據顯示，2013年，全社會用電量累計53223億千瓦時，同比增長7.5%，全國發電設備累計平均利用小時為4511小時，分別居于世界第一位和第二位。與此同時，我國電網發展速度更快，截止2013年年底，全國電網220kV及以上輸電線路回路長度為52.75萬公里，公用變電設備容量為23.87億千伏安，位居世界第一。由于我國能源與負荷呈逆向分布，能源遠距離輸送現象突出，而直流輸電具有送電距離遠、送電容量大、控制靈活等特點，符合電力系統之間的網絡互聯及巨型水電、火電基地電力外送等，因而是目前我國電網發展中所迫切需要的技術。
[0003]柔性直流輸電(也就是輕型直流輸電，HVDC-Light)是在絕緣柵雙極晶閘管和電壓源換流器基礎上發展起來的一種新型直流輸電技術。自1999年連接瑞典大陸與哥特蘭島之間的第一條商業化輕型直流輸電線路投入運行以來，柔性直流輸電技術以其自身的優點得到工程界的高度重視和快速發展。傳統的換流器中晶閘管觸發后，只能在電流過零點才能自然關閉，而且兩端交流系統必須是有源的，而新型的電壓源換流器使用大功率門極關斷晶閘管，可自由地控制電流的導通或關斷，從而使換流器具有更大的控制自由度。
[0004]功率單兀串聯多電平型輕型直流輸電系統的結構不同于傳統系統的拓撲結構，功率單元串聯多電平型輕型直流輸電系統的整流側、逆變側均為多個單元串聯組成，每個單元的直流側也串聯組成一個整體直流側。系統的拓樸結構如圖1所示，整流側與逆變側采用相同的結構，控制方式上均采用PWM整流控制。但若都采用圖2所示的正常的PWM整流控制方式，則整流站與逆變站都將對直流側電壓進行控制，而整流側與逆變側并聯在同一母線，容易導致系統失控。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是提供一種用于輕型直流輸電系統的控制方法，采用整流側采用定直流電壓控制方式，逆變側采用控制有功功率和無功功率的方式；減小功率單元因過壓或欠壓引起的故障，提高系統整體的可靠性、穩定性。
[0006]為實現上述目的，本發明通過以下技術方案實現:
[0007]一種用于輕型直流輸電系統的控制方法，其特征在于，在常規的PWM整流控制方式的基礎上，經過仿真分析進行改進，整流側采用定直流電壓控制方式，逆變側采用控制有功功率和無功功率的方式；為了保證逆變側功率單元之間的電壓平衡，將逆變側功率單元的平均電壓作為平衡控制環的電壓參考值，其PI輸出與有功給定相加作為電流環的有功參考值，平衡各功率單元直流電壓，減小功率單元因過壓或欠壓引起的故障；具體控制過程如下所述:
[0008]整流側控制步驟如下:
[0009]I)直流母線電壓參考值Udref與測量值Ud的差值經PI調節后作為有功分量參考值 Idref ；
[0010]2)電網負載的無功分量作為無功參考值Iqref，換流器功率單元電流經PARK變換后得到有功分量Id和無功分量Iq做為電流反饋；
[0011]3)所述步驟I)的有功分量參考值Idref與有功分量Id的差值經PT調節后輸出；
[0012]4)所述步驟2)的電網負載的無功參考值Iqref經換相處理后與無功分量Iq的差值經PI調節后輸出；
[0013]5)得到輸出電壓d軸和q軸分量Ucd，Ucq,再轉化為abc坐標，得到SPWM控制所需的調制波信號；
[0014]逆變側控制步驟如下:
[0015]I)逆變側CPU采集系統電流與網側電流，兩者做差計算出負載電流Ia_fbk，通過Park變換計算負載電流所含的有功電流分量Id和無功電流分量Iq ；CPU通過光纖將有功電流分量、無功電流分量發送給各功率單元；
[0016]2)各個功率單元把收到的有功電流分量、無功電流分量做為功率單元電流給定，電網負載的無功分量作為無功給定值Iqref，與所述無功電流分量Iq的差值經PI調節后輸出無功分量；
[0017]3)為了保證從站功率單元之間電壓的平衡，在控制中加入了單元直流側電壓平衡控制，將多個功率單元的平均電壓，作為平衡控制環的電壓參考值，與每個功率單元測得的電壓值相比較，其PI輸出與有功給定值Idref相加作為電流環的有功參考值，再與有功電流分量Id的差值經PI調節后輸出有功分量；
[0018]4)逆變側根據負載系統的特性選擇不同的控制方式，如果負載系統是無源系統，逆變側采用定交流電壓控制方式輸出有功功率和無功功率，輸出的有功功率和無功功率由負載特性來確定；如果負載系統是有源系統，逆變側應采用定直流電流控制方式輸出的有功功率和無功功率。
[0019]與現有技術相比，本發明的有益效果是:
[0020]I)整流側采用定直流電壓控制方式，逆變側采用控制有功功率和無功功率的方式；避免了整流側、逆變側整流站與逆變站都采用直流側電壓進行控制，容易導致系統失控的現象。
[0021]2)為了保證逆變側功率單元之間電壓的平衡，在控制中加入了功率單元直流側電壓平衡控制，減小功率單元因過壓或欠壓引起的故障，提高系統整體的可靠性、穩定性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]圖1是輕型直流輸電系統整體拓撲圖。
[0023]圖2是PWM調制原理及輸出波形圖。
[0024]圖3是PWM整流的各種狀態圖。
[0025]圖3-1是單位功率因數整流器的波形圖。
[0026]圖3-2是單位功率因數整流器的相量圖。
[0027]圖3-3是單位功率因數逆變器的波形圖。
[0028]圖3-4是單位功率因數逆變器的相量圖。
[0029]圖3-5是純電容特性運行的波形圖。
[0030]圖3-6是純電容特性運行的相量圖。
[0031]圖3-7是純電感特性運行的波形圖。
[0032]圖3-8是純電感特性運行的相量圖。
[0033]圖4是控制系統通訊結構圖。
[0034]圖5是整流側功率單元控制框圖。
[0035]圖6是逆變側功率單元控制框圖。
[0036]圖7是逆變側未加平衡控制單元的電流、電壓波形圖。
[0037]圖8是逆變側加平衡控制單元的電流、電壓波形圖。
[0038]圖9是采樣系統與控制系統的結構圖。
【具體實施方式】
[0039]下面結合附圖詳細敘述本發明控制方式的【具體實施方式】。
[0040]一種用于輕型直流輸電系統的控制方法，在常規的PWM整流控制方式的基礎上，經過仿真分析進行改進，整流側采用定直流電壓控制方式，逆變側采用控制有功功率和無功功率的方式；為了保證逆變側功率單元之間的電壓平衡，將逆變側功率單元的平均電壓作為平衡控制環的電壓參考值，其PI輸出與有功給定相加作為電流環的有功參考值，平衡各功率單元直流電壓，減小功率單元因過壓或欠壓引起的故障。
[0041]整流側采用用定直流電壓控制方式，逆變側采用控制有功功率和無功功率的方式；具體控制過程如下所述。
[0042]見圖5，整流側控制步驟如下:
[0043]I)直流母線電壓參考值Udref與測量值Ud (單元板卡DSPIC33EP256MU806內部AD采集)的差值經PI調節后作為有功分量參考值Idref ；
[0044]2)電網負載的無功分量作為無功參考值Iqref，換流器功率單元電流經PARK變換后得到有功分量Id和無功分量Iq做為電流反饋；
[0045]3)所述步驟I)的有功分量參考值Idref與有功分量Id的差值經PT調節后輸出；
[0046]4)所述步驟2)的電網負載的無功參考值Iqref經換相處理后與無功分量Iq的差值經PI調節后輸出；
[0047]5)得到輸出電壓d軸和q軸分量Ucd，Ucq,再轉化為abc坐標，得到SPWM控制所需的調制波信號。
[0048]見圖6，逆變側控制步驟如下:
[0049]I)逆變側CPU采集系統電流與網側電流，兩者做差計算出負載電流Ia_fbk，通過Park變換計算負載電流所含的有功電流分量Id和無功電流分量Iq ；CPU通過光纖將有功電流分量、無功電流分量發送給各功率單元；
[0050]2)各個功率單元把收到的有功電流分量、無功電流分量做為功率單元電流給定，即所有單元發出的有功功率、無功功率相同，從而實現對從站電網的有功、無功功率的補償。電網負載的無功分量作為無功給定值Iqref，與所述無功電流分量Iq的差值經PI調節后輸出；
[0051]3)由于系統直流側采用的是串聯結構且單元之間的參數有所差異，為了保證從站功率單元之間電壓的平衡，在控制中加入了單元直流側電壓平衡控制，保證了各單元之間電壓的平衡。圖中Udcave為多個功率單元的平均電壓，作為平衡控制環的電壓參考值，與每個功率單元測得的電壓值相比較，其PI輸出與有功給定值Idref相加作為電流環的有功參考值，再與有功電流分量Id的差值經PI調節后輸出；
[0052]4)逆變側根據負載系統的特性選擇不同的控制方式，如果負載系統是無源系統，逆變側采用定交流電壓控制方式輸出有功功率和無功功率，輸出的有功功率和無功功率由負載特性來確定；如果負載系統是有源系統，逆變側應采用定直流電流控制方式輸出的有功功率和無功功率。
[0053]見圖9，本發明的整流側、逆變側的每個功率單元都采用各自獨立的控制器，控制器CPU采用單片機MCS-80C196，單元板卡DSPIC33EP256MU806、A/D轉換器組成的采樣系統，系統所有的輸入，輸出端口都采取了完善的隔離措施，確保系統安全和工作可靠。
[0054]系統選用Altera公司的EP2C20F256低功耗型FPGA作為A/D轉換的控制器，它具有18K個邏輯單元，240KB的嵌入式RAM，26個18*18的嵌入式乘法器，4個系統時鐘管理鎖相環，最大可以擁有315個I/O端口，模擬量數據采集由14bit的A/D與D/A組成。
[0055]見圖1、圖4，所述的輕型直流輸電系統，包括整流側和逆變側，整流側與逆變側采用相同的結構，均采用功率單元串聯多電平的結構，由多個功率單元(Powre Unit)組成，功率單元采用IGBT、GT0, IGCT、或IEGT全控型開關器件。每個功率單元都有獨立的控制系統，所述的控制系統包括CPU、采樣回路和保護回路；每個功率單元橋臂側通過電抗器連接到變壓器二次側的0.5kV繞組，功率單元直流側首尾連接，每個功率單元通過接收光纖和發送光纖與上位機CPU進行通信，上位機CPU對每個功率單元發送啟動、停止、復位、參數設置命令，同時上位機CPU接收所有功率單元的信息并對所有單元的信息進行綜合處理；整流側與逆變側之間通過設置于10公里之外的集控中心進行數據交換，當整流側發生故障后通過集控中心將故障信息傳遞給從站CPU，從站CPU給所有單元下發脈沖封鎖命令。
[0056]整流側、逆變側的變壓器的一次側通過斷路器KM2、KMl與電網相連接，且斷路器KM2的每一相都并聯有保護電阻；整流側、逆變側的直流側與直流電纜的連接處設有熔斷器FU、避雷器及電抗器L ;整流側、逆變側的功率單元橋臂側設有電流互感器CT。
[0057]下面將本發明與傳統技術作比較，進行論述。
[0058]該控制方法適用于功率單元串聯多電平型輕型直流輸電系統，其系統結構與傳統的直流輸電系統不同。
[0059]如圖2所示，傳統的輕型直流輸電系統，整流側與逆變側采用相同的結構，控制方式上均采用PWM整流控制。通過PWM整流，整流側與逆變側都可以運行在4種特殊工作狀態(如圖3所示):單功率因數整流、單功率因數逆變、純電感特性、純電容特性。
[0060]實際運行中，整流側與逆變側運行在混合的狀態，既控制有功也控制無功。直流側不傳導無功功率，只傳導有功功率，系統級控制的目標是控制整流站與逆變站的去掉傳輸損耗后，有功功率一致。無功功率不會影響系統直流側的電壓，因此只需要控制有功功率就可以控制直流側電壓，整流站與逆變站必須有一側采用定直流側電壓控制方式。
[0061]整流側采用定直流電壓控制方式，逆變側因為要配合整流側，所以不能也采用定直流電壓控制方式，逆變側的主控制方式采用定直流電流控制方式或定交流電壓控制方式，逆變側根據負載系統的特性選擇不同的控制方式，如果負載系統是無源系統，逆變側應該采用定交流電壓控制方式，輸出的有功功率和無功功率由負載特性來確定；如果負載系統是有源系統，逆變側應采用定直流電流控制方式輸出的有功功率和無功功率。
【權利要求】
1.一種用于輕型直流輸電系統的控制方法，其特征在于，在常規的PWM整流控制方式的基礎上，經過仿真分析進行改進，整流側采用定直流電壓控制方式，逆變側采用控制有功功率和無功功率的方式；為了保證逆變側功率單元之間的電壓平衡，將逆變側功率單元的平均電壓作為平衡控制環的電壓參考值，其PI輸出與有功給定相加作為電流環的有功參考值，平衡各功率單元直流電壓，減小功率單元因過壓或欠壓引起的故障；具體控制過程如下所述: 整流側控制步驟如下: 1)直流母線電壓參考值Udref與測量值Ud的差值經PI調節后作為有功分量參考值Idref ； 2)電網負載的無功分量作為無功參考值Iqref，換流器功率單元電流經PARK變換后得到有功分量Id和無功分量Iq做為電流反饋； 3)所述步驟I)的有功分量參考值Idref與有功分量Id的差值經PT調節后輸出； 4)所述步驟2)的電網負載的無功參考值Iqref經換相處理后與無功分量Iq的差值經PI調節后輸出； 5)得到輸出電壓d軸和q軸分量Ucd，Ucq,再轉化為abc坐標，得到SPWM控制所需的調制波信號； 逆變側控制步驟如下: 1)逆變側CPU采集系統電流與網側電流，兩者做差計算出負載電流Ia_fbk，通過Park變換計算負載電流所含的有功電流分量Id和無功電流分量Iq ;CPU通過光纖將有功電流分量、無功電流分量發送給各功率單元； 2)各個功率單元把收到的有功電流分量、無功電流分量做為功率單元電流給定，電網負載的無功分量作為無功給定值Iqref，與所述無功電流分量Iq的差值經PI調節后輸出無功分量； 3)為了保證從站功率單元之間電壓的平衡，在控制中加入了單元直流側電壓平衡控制，將多個功率單元的平均電壓，作為平衡控制環的電壓參考值，與每個功率單元測得的電壓值相比較，其PI輸出與有功給定值Idref相加作為電流環的有功參考值，再與有功電流分量Id的差值經PI調節后輸出有功分量； 4)逆變側根據負載系統的特性選擇不同的控制方式，如果負載系統是無源系統，逆變側采用定交流電壓控制方式輸出有功功率和無功功率，輸出的有功功率和無功功率由負載特性來確定；如果負載系統是有源系統，逆變側應采用定直流電流控制方式輸出的有功功率和無功功率。
【文檔編號】H02J3/36GK104348179SQ201410623489
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2014年11月6日 優先權日:2014年11月6日
【發明者】張朝龍 申請人:國網遼寧省電力有限公司鞍山供電公司, 國家電網公司