基于RTDS的VSC控制參數分環擬合方法

徐鵬，米建賓，蒙小飛，謝歡

基于RTDS的VSC控制參數分環擬合方法

徐鵬1，米建賓2，蒙小飛3，謝歡2

（1．國家電網公司華北分部，北京市 西城區 100045；2．國網冀北電力有限公司電力科學研究院，北京市 西城區 100045；3．華潤電力(溫州)有限公司，浙江省 溫州市 325000）

電壓源換流器(voltage source controller，VSC)作為風電、光伏及換流站等設備的主要電力電子元器件，其控制方式和參數整定對系統運行有著重要的影響。基于實時數字仿真儀(real time digital simulator，RTDS)半實物仿真和純數字仿真，提出一種用于擬合實際VSC控制模型參數的方法。以典型VSC并網系統模型為例，首先，借鑒鎖相環原理提出一種具有自適應性觀測坐標系建立方法，用于對比擬合2種仿真模型的階躍響應；其次，分別給出了VSC鎖相環、電流內環和電壓外環的擬合方法，其中在電流內環控制參數擬合過程中，利用觀測坐標系在控制器鎖相環輸出角度未知時實現電流階躍；最后，通過不同控制環節模型參數擬合時的仿真對比分析，證明了所提方法的有效性。

電壓源換流器(VSC)；參數擬合；自適應觀測坐標系；鎖相環(PLL)

0 引言

隨著新能源發電并網、柔性直流輸電工程的不斷投產和擴建，電力系統中電力電子元器件的數量也在不斷增加，給現代電網的穩定運行帶來了新的挑戰。電壓源換流器(voltage source controller，VSC)[1-4]作為風電、光伏及換流站等設備的主要電力電子元器件，其控制方式和參數整定對系統運行有著重要的影響。

然而，截至目前，VSC的內部控制邏輯、參數設置等方面仍未有相關的企業標準或行業標準。受行業發展和制造工藝等因素的影響，不同廠家的VSC在參數整定和運行特性上均有較大差異，且出于企業核心機密的考慮，VSC內部邏輯參數均未公開。研究人員只能根據其外特性來粗略估計VSC的控制邏輯和參數[5-8]，據此得出的分析結果也不盡如人意。

考慮VSC的典型模型結構具有一定的通用性，因此，本文基于實時數字仿真儀(real time digital simulator，RTDS)閉環仿真系統，提出一種VSC控制參數分環擬合方法。該方法主要以鎖相環(phase-locked loop，PLL)、電流內環和電壓外環為對象，首先建立一種獨立的觀測坐標系，然后調整理論模型結構和運行工況，并在觀測坐標系下通過階躍響應實現參數擬合，從而獲得實際物理控制器的整定參數，為調試研究人員提供幫助。最后，通過仿真對比驗證本方法的有效性。

1 基于RTDS的VSC理論控制模型

1.1 模型簡介

自加拿大McGill大學的Boon-Teck Ooi等人首次提出VSC-HVDC技術以來，VSC的拓撲結構研究一直是學術界研究的熱點，基于可控關斷器件和脈沖寬度調制(pulse width modulation，PWM)技術的VSC，近幾年已廣泛用于將可再生能源接入電網。典型的VSC并網系統一次電路結構如圖1所示。

圖1 VSC并網系統一次接線圖

用于參數擬合的仿真模型包括半實物仿真模型和純數字理論模型。其中，半實物仿真模型是指用實際直驅風機控制器與RTDS形成硬件閉環的仿真系統；純數字理論模型是指在RTDS中采用經典控制模型結構搭建的純數字仿真模型。2種模型一次結構和參數完全一致，不同之處在于：半實物仿真模型中VSC觸發脈沖是由實際的物理控制器通過數據采集而生成，模型中沒有二次控制環節；純數字理論模型中包括有鎖相環、電流內環和電壓外環等二次模型，VSC觸發脈沖是根據電流內環輸出三相調制電壓生成。

考慮到直驅風機并網穩定性主要受網側VSC參數及控制方式的影響，因此，上述2種模型中對于直驅風機機側模型進行了等效，具體等效方法與所擬合的控制環有關。本文所提出的參數擬合方法中，當對鎖相環、電流環進行參數擬合時，直流側采用“電壓源等效”；當對電壓環進行參數擬合時，直流側采用“電流源等效”。用于參數擬合的仿真模型一次主電路如圖2所示。

在進行鎖相環、電流環、外環的參數擬合中，圖2中方框內元件參數和結構保持不變。對于圖2中直流側、系統側模型的結構和參數，則根據不同的控制環擬合而進行相應修改。

一般情況下，用于可再生能源接入電網的VSC換流器，其外環控制包括直流電壓外環和無功功率外環，分別用于有功、無功功率控制；內環控制由、軸電流環構成，用于實現VSC交流側有功、無功的解耦控制[9]；鎖相環采用軸電壓定向方式，實現VSC與電網電壓的同步。

圖2 VSC參數擬合仿真模型一次結構圖

1.2 鎖相環

作為一種常規的閉環同步方法，鎖相環為控制環節提供必要的坐標變換相位角度。近幾年來，二階廣義積分型鎖相環(second-order generalized integrator PLL，SOGI-PLL)，改進型鎖相環[10-12]等方法也引起了廣泛關注。為不失一般性，本文采用三相系統中常用的同步旋轉參考坐標系鎖相環(synchronous reference frame PLL，SRF-PLL)，其模型結構如圖3所示。

圖3 三相同步旋轉參考坐標系鎖相環

式中：表示鎖相環對應dq坐標系中d軸與靜止坐標a軸的夾角。各空間矢量、角度的關系如圖4所示。

綜上可知，鎖相環輸出角度與定向點電壓相位和角速度有關。對于不同的仿真系統，角速度一般都取工頻值(S=2pN)，而電壓相位則不盡相同。且對于混合仿真模型，實際VSC控制器內的鎖相環輸出角度未知，難以實現其與理論模型仿真結果的對比分析。為此，本文提出了一種觀測坐標系建立方法。

圖5 PLL模型圖

1.3 自適應觀測坐標系模型

除了仿真系統不同以外，一般設備生產廠家的控制器沒有內部鎖相環輸出角度的外部接口，因此，通過建立自適應觀測坐標系，可以實現理論模型與實際控制器的參數擬合。本文所提出的自適應觀測坐標系屬于坐標系的一種，其具有以下特點：

1）系統穩定時，VSC交流側空間電壓矢量與觀測坐標系的橫軸重合；

3）觀測坐標系利用負反饋獲取坐標變換角度，不受仿真初始相位影響，具有自適應性。

觀測坐標系的實現方法：1）穩態時獲得一個在觀測軸坐標系中能使Tq(并網點處交流電壓軸分量)為零的相位偏移角；2）將該偏移角疊加到工頻鋸齒波中，用于計算當前仿真系統鎖相環輸出相位；3）鎖定，并基于此建立一個以工頻角速度旋轉的觀測坐標系。觀測坐標系的模型結構如圖6所示。

圖6 觀測軸模型結構圖

由圖6可以看出，觀測坐標系類似于一個獨立的鎖相環，而與傳統鎖相環不同的是，只是用于使觀測坐標系與鎖相環對應的坐標系在穩態時重合，而當并網點電壓發生變化時，觀測坐標系的旋轉速度和相位不變。當在理論模型和混合仿真模型中均設立同樣一個觀測坐標系時，就可以在不影響各控制環節的前提下，實現理論模型與混合仿真模型相應控制環節的參數擬合，完成各系統電氣量的對比分析。

1.4 電流環

從式(2)不難看出，VSC交流側的軸電流存在交叉耦合項，為實現VSC交流側的有功與無功解耦控制[13]，令VSC電流環輸出的、軸電壓如下所示：

根據式(3)，在RTDS中搭建電流環控制模型如圖7所示。

在混合仿真模型中，由于電流環與功率外環結合在一起，不能像理論模型那樣可以直接通過改變電流給定值實現電流環階躍響應。因此，若要完成混合仿真模型和理論模型的電流環控制參數擬合，需要采取以下2方面的措施：

1）2個仿真系統中引入一個相同的電流階躍信號。

2）對2個仿真系統中的直流側模型進行統一修改，以達到在實現電流環階躍響應時去掉電壓外環影響的目的。

對于第1個措施，可借助提出并建立的觀測坐標系，在模型中繼續搭建用于生成電流階躍量的模型，如圖8所示。

圖8中，調整Ioffset、Ioffset可以改變電流階躍量在觀測坐標系中、軸上的分量。在混合仿真模型和理論仿真模型中，觀測坐標系對應的并不一定相等，但只要2個模型中設置同樣的Ioffset、Ioffset，則由圖8生成的電流階躍擾動量在觀測坐標系上對應的、軸分量是相等的。

通過如圖9所示的介入方式將電流階躍擾動量與交流側電流測量值疊加，然后利用鎖相環輸出角度進行Park變換，最后得到添加擾動后的電流環、軸輸入值2d、2q。

圖7 電流內環解耦控制模型

圖8 生成電流階躍擾動信號模型圖

圖9所示電流擾動信號的介入方式，實際上是通過改變交流側電流的測量值而實現電流階躍的。需要注意的是，在系統穩定點處，當疊加的階躍量大于零時，表示實測值大于給定值，故在電流環產生的是一個“下階躍”的響應，如圖10所示。

1.5 電壓外環

前已述及，本文所提出的參數擬合方法主要針對網側逆變器，因此在電壓外環參數擬合的仿真建模中，用等效電流源(電壓源串聯大電阻的形式)替代直流側模型，即設置圖1所示一次模型中的控制變量“modeSel”為1。電壓外環控制模型如圖11所示。

圖9 電流擾動信號的介入方式

圖10 電流擾動階躍響應的觀測量

圖11 直流電壓外環控制模型圖

1.6 無功外環

為利于VSC并網的穩定性，實際網側逆變器的無功外環PI控制中比例、積分增益一般取值較小，甚至有的直驅風機廠家的控制器中無功外環只有一個較大時間常數(=5min)的積分環節，即無功外環相比其他控制環節的參數取值范圍較大。且考慮到無功外環的參數擬合模型及方法與直流電壓外環的擬合過程類似，故在此不再贅述。

2 參數擬合仿真分析

根據前述針對VSC不同控制環節的模型參數擬合方法，結合建立的觀測軸坐標系，并通過不同的實驗方案分別對鎖相環、電流內環和電壓外環進行參數擬合，實現理論仿真模型和實際物理控制器的各控制環模型參數的仿真對比。

本節中給出的所有仿真對比結果中，黑色、紅色曲線分別代表理論仿真模型和實際物理控制器。

2.1 鎖相環參數擬合仿真分析

在對鎖相環進行參數擬合時的試驗方案如表1所示。

對應一次模型結構如圖1所示，控制變量“modeSel”設置為“0”，可以忽略電壓外環的影響；交流側電感按短路容量比CR=15進行取值。在進行階躍試驗時，通過調整鎖相環PI參數，得到理論模型與混合仿真模型的對比結果如圖12所示。其中，I11、I11表示并網逆變器交流側電流在觀測坐標系上的、軸分量；Td、Tq表示并網點電壓在觀測坐標系上的、軸分量。

表1 鎖相環參數擬合試驗方案

圖12 等值交流電壓源幅值10%上階躍仿真結果對比

2.2 電流環參數擬合仿真分析

在對電流內環進行參數擬合時的試驗方案如表2所示。

表2 電流環參數擬合試驗方案

與鎖相環擬合類似，為忽略電壓外環對電流內環參數擬合的影響，一次模型結構中直流側仍用恒壓源等效。利用圖7所示的電流測量環節，通過電流階躍響應完成電流內環模型參數擬合。通過參數調整得到理論模型與混合仿真模型的對比結果如圖13所示。

圖13 Iq由0到-0.2下階躍仿真結果對比

2.3 電壓外環參數擬合仿真分析

在對電壓外環進行參數擬合時的試驗方案如表3所示。

表3 電壓外環參數擬合試驗方案

通過改變直流側等效電流源中電壓源幅值的大小，改變直流側并聯電容的充電電流，從而間接引起直流電壓的變化，直流電壓誤差量經電壓外環閉環控制后的直流電壓響應可用于擬合該環節模型參數。通過參數調整得到的仿真結果如 圖14所示。

3 結論

根據實際生產和科學研究的需要，提出了一套用于VSC模型參數擬合的仿真分析方法，包括自適應型觀測軸坐標系建模、分環擬合時對應的一次模型結構調整等。該方法利用RTDS數字仿真與半實物仿真的對比分析，實現了對網側VSC實際控制器內部未知控制參數的參數擬合，為進一步分析逆變側VSC并網穩態性提供參考。通過各控制環節的參數擬合仿真分析，證明了該方法的可行性和有效性。

圖14 直流側電流由0到0.3階躍仿真結果對比

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Sub-parts Control Parameter Fitting Method of VSC Based on RTDS

XU Peng1, MI Jianbin2, MENG Xiaofei3, XIE Huan2

(1.North China Branch of State Grid Corporation of China, Xicheng District, Beijing 100045, China; 2. Electric Power Research Institute of State Grid Jibei Electric Power Company Limited, Xicheng District, Beijing 100045, China; 3.Huarun Power (Wenzhou) Co., Ltd., Wenzhou 325000, Zhejiang Province, China)

Voltage source converter (VSC) is the main power electronic components of wind power, photovoltaic and converter stations. It’s control mode and parameter setting have important influence on system operation. Based on real time digital simulator (RTDS) hardware-in-loop simulation and digital simulation, a new method of parameter fitting applied to characterize physical VSC was proposed. Taking a typical single VSC grid connected system model as an example, firstly, based on the principle of phase-locked loop (PLL), an adaptive observation coordinate system was proposed to compare and fit the step response of two simulation models. Then the fitting methods of PLL, current inner loop and DC voltage outer loop in VSC control system were introduced separately. Self-adaptive observational coordinate system was used in the process of current inner loop parameter fitting. Finally, the efficiency of the proposed method was verified by the comparative analysis of simulations.

voltage source controller (VSC); parameter fitting; self-adaptive observation coordinate system;phase-lockedloop (PLL)

10.12096/j.2096-4528.pgt.19079

TK 01; TM 461

國家重點研發計劃項目(2016YFB0900502)；國家電網公司科技項目(520101180002)。

Project Supported by National Key Research and Development Program of China (2016YFB0900502); Science and Technology Program of State Grid Corporation (520101180002).

2020-05-17。

(責任編輯 辛培裕)