基于PR 控制的VSC－HVDC 系統仿真研究

王水彬，殷旺洲，王 一，韓金銅，康金良，卞海波，徐 暉，畢宏圖

(1. 天津市電力公司 濱海供電分公司，天津300450;2. 北京供電公司，北京100078;3. 華能上安電廠，河北 石家莊050000)

0 引言

隨著電力半導體技術，尤其是絕緣柵雙極晶體管(IGBT)的快速發展，以全控型、可關斷器件構成的電壓源換流器以及PWM 控制技術為基礎的VSC－HVDC 輸電技術［1～2］得到了迅速發展。

VSC－HVDC 系統可獨立調節有功、無功功率并且實現四象限運行、可以向無源網絡供電，克服了傳統HVDC 的本質缺陷，并且具有易于構成多端直流系統、不需要交流側提供無功功率并能夠起到STATCOM 的作用、不會增加系統的短路容量等優點［3～5］。VSC － HVDC 把HVDC 系統的優勢擴展到整個配電網，拓寬了HVDC 在電力系統中的應用范圍，且應用前景廣闊。

本文首先闡述了傳統雙環PI 控制所存在的局限性，然后將PR 控制器引入到電流內環控制中，消除了傳統PI 電網前饋補償所帶來的局限性。最后在PSCAD / EMTDC 仿真軟件下進行了仿真驗證。

1 PR 控制策略的提出

在VSC－HVDC 控制系統中，由于單環控制的抗擾動能力很弱，所以一般采用電壓電流的雙環控制方案［6～7］。而雙環控制中電流內環一般采用電網前饋補償的PI (比例積分)控制。PI 控制方法具有算法簡單、可靠性高和易于實現的特點，因此廣泛的應用于工業控制［8］。但是在靜止坐標系下，常規的PI 控制對正弦參考電流存在零穩態誤差，為此，將三相量經過dq 變換轉換為直流量，進而使用PI 控制可以做到零穩態誤差。但是采用在dq 旋轉坐標系下的控制時，電流內環需要進行電壓前饋補償［9］，而電網前饋控制卻存在著局限性:

(1)由于逆變器存在延時作用和非線性因素，逆變器在“復制”電網電壓過程中引入了失真，影響前饋控制。因此前饋控制只能作用于電網電壓引起的低頻分量電流誤差控制，諧波頻率升高時前饋作用將隨之降低。

(2)電壓前饋控制的基礎是電網電壓的抵消效應，這依賴于交流電壓幅值和相位的準確檢測和反饋檢測，也即依賴于逆變輸入直流電壓和交流電壓的檢測度。

(3)前饋控制僅僅在于減小電網電壓引起的穩態誤差，不能改變電流反饋PI 控制所存在的開環增益受限問題，因而對于減小系統本身跟蹤給定量的穩態誤差、抑制由逆變開關死區時間和其它非線性因素引起的電流諧波，以及增強系統的動態響應能力等沒有作用。

為了解決上述問題，本文引入一種新型的控制器，即PR 控制器。該控制器可以在靜止坐標系下實現跟蹤正弦參考電流實現零穩態誤差［10～12］。從而不需要電壓前饋補償，消除了電壓前饋補償的局限性。同時也省去了繁瑣的abc－dq坐標變換的算法過程，優化了控制器的設計。

基于PR 控制器的傳遞函數表述如下:

式中:kp為比例系數;kr為諧振系數;ω0為諧振角頻率。

經典的PI 控制器傳遞函數如下:

式中:kp為比例系數;ki為積分時間系數。

PI 控制器中，將基波角頻率ω0代入公式(2)中得控制器的幅頻特性為

可知，此為一個有限值，系統存在穩態誤差。在VSC－HVDC 控制系統中，為了消除這個穩態誤差，需要加入電網前饋補償，但是電網前饋補償會存在上述問題。

PR 控制器中，將基波角頻率ω0代入式(1)可得控制器的幅頻特性為

由公式可以看出，這個值是無窮大。因此，PR 控制器可以實現系統的零穩態誤差，同時具有抗電網電壓干擾的能力。

2 PR 控制器

圖1 為兩端聯接有源網絡的VSC －HVDC 系統結構圖，在VSC －HVDC 系統中必須有一端控制直流電壓，充當整個直流網絡的有功功率平衡換流器;另一端的換流器作為功率控制器調節兩個有源系統之間功率的傳送。設圖1 中VSC1 為功率控制端，采用定有功功率和定無功功率控制方式，VSC2 為電壓控制控制端，采用定直流電壓和定交流電壓的控制方式。

圖1 兩端聯接有源網絡的VSC－HVDC 系統結構圖Fig．1 System structure of VSC－HVDC connected active network of both ends

圖2 和圖3 分別為電壓控制端采用PI 控制和PR 控制的原理框圖。由圖2 中可以看出，采用PI控制器需要將檢測到的電壓和電流信號均進行坐標旋轉變換，計算過程十分繁瑣。為實現d，q 軸電流的解耦，以提升系統的抗干擾能力，還需引入電網電壓和電流狀態反饋作為前饋補償。而圖3 中的PR 控制系統框圖只需將檢測得到的三相交流電流變換到兩相靜止坐標系下，與給定信號的偏差量作為PR 控制器的輸入量，PR 控制器的輸出做為電壓控制指令，該指令轉換成三相交流指令后，被送入PWM 調制單元生成PWM 信號送到VSC，從而控制功率器件的開斷，產生實際所需的交流電壓。

圖2 電壓控制端采用PI 器框圖Fig．2 Voltage control terminal PI block diagram

因此，PR 控制方式省去了PI 控制下的電流及電壓控制指令的坐標旋轉變換，省去了耦合項和前饋補償項，從而消除了電路參數和電網電壓對系統控制的影響，減小了控制算法的實現難度，提高了系統魯棒性。

圖3 電壓控制端采用PR 器框圖Fig．3 Voltage control terminal PR block diagram

圖4 功率控制端采用PR 器框圖Fig．4 Power control terminal PR block diagram

采用PR 控制的功率控制端框圖如圖4 所示，圖4 與圖3 不同之處在于方式的產生不同，此由控制目標函數決定。

3 仿真實驗及結果分析

3.1 仿真實驗

為驗證所提出控制策略的有效性，利用PSCAD/EMTDC 仿真軟件建立如圖1 所示的兩端接有源網絡VSC－HVDC 系統。交流系統1 側的電壓為13.8 kV，交流系統2 側的電壓為115 kV，容量為100 MVA，采用SPWM 調制方式，開關頻率為2 000 Hz;，直流電容為500 μF，直流側電壓定值為120 kV?？刂破鲄等绫?。

表1 控制器參數Tab．1 Controller parameters

(1)有功功率參考值不變。定有功功率側有功功率參考值為40 MW，無功功率參考值均為0。交流電壓的參考值為115 kV，直流電壓參考值為120 kV。仿真結果如圖5 所示。

圖5 參考值不變情況下仿真波形Fig．5 Simulation waveform when reference value unchanged

(2)有功功率參考值改變。直流電壓參考值為120 kV。定有功功率側有功功率的參考值在2 s時由40 MW 改變為60 MW，無功功率參考值為0。仿真結果如圖6 所示。

圖6 有功功率參考值變化情況下仿真波形Fig．6 Simulation waveform when reference value of active power unchanged

(3)潮流反轉。直流電壓參考值為120 kV，在2 s 時潮流發生反轉，即有功功率參考值值由60 MW 改變為－60 MW，無功功率參考值為0，仿真結果如圖7 所示。

圖7 潮流反轉情形下仿真波形Fig．7 Simulation waveforms of trend flip case

3.2 結果分析

(1)通過仿真可以看到，該控制器能夠在靜止αβ 坐標系下實現零穩態誤差控制。

(2)由圖6 可知，有功功率參考值變化時，有功功率能夠快速地跟蹤參考值的變化而變化。并且直流電壓的波動很小。

(3)由圖7 可知，即使是潮流反轉，有功功率和直流電壓也能得到很好的控制。

4 結論

本文首先介紹了傳統PI 控制的缺點，然后提出了一種PR 控制方式，并將其引入到電流內環控制中，該控制器消除了傳統PI 電網前饋補償所帶來的問題。最后在PSCAD / EMTDC 仿真軟件下進行了仿真驗證，仿真結果表明，該控制器能夠在靜止αβ 坐標系下實現零穩態誤差控制。在有功功率參考值和潮流反轉的情況下，具有良好的動態特性。

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