基于內模控制的VSC－HVDC風電并網系統控制策略研究

范帥軍，凌 穎，趙莉華

(四川大學，四川成都 610065)

0 前言

近年來，輕型直流輸電技術(voltage sourced converter HVDC，以下簡稱VSC－HVDC)作為一種新型輸電方式備受關注，它是一種電壓源型變換器，以IGBT等全控型器件和脈沖寬度調制(pulse－width modulation，PWM)技術為基礎。與傳統的交流輸電技術和以晶閘管為主控器件的傳統高壓直流輸電技術比較，VSC－HVDC技術具有很多優點，如能夠快速并且獨立控制系統有功功率和無功功率，靈活改變潮流方向，向交流系統提供緊急無功補償，易于實現多端直流系統并聯，換流站設備小型化和模塊化，系統可靠性更高等。所以，VSC－HVDC技術得到了日益廣泛的應用，尤其適合于新能源發電系統(如風力發電、燃料電池、光伏發電等分布式電源)的并網、城市配電系統供電、兩個交流系統之間的非同步運行，向孤島系統供電等場合。

在VSC－HVDC系統中，對電壓源型變換器的控制是關鍵，它將直接影響系統的運行性能。目前在VSC－HVDC系統中大多采用較成熟的PID控制技術，這種控制方式實現起來結構簡單，但系統需要整定的參數較多，整定復雜，而參數值整定的好壞直接影響控制效果。采用基于內模控制的PID控制方式，在控制器設計時只需要調節一個參數，使參數整定簡單快捷，容易實現，同時可以保留雙閉環PI控制系統的優良性能，使得系統同時具有良好的魯棒性和動態響應速度。通過對VSC－HVDC風電并網系統的仿真，結果表明，基于內模控制原理的一個參數整定的VSC－HVDC系統參數保有雙閉環PI控制系統的優良性能，系統魯棒性好，控制精度高，動態響應快。

圖1 PID控制系統原理框圖

1 內模PID控制基本原理

傳統PID控制原理框圖如圖1所示。圖1中，r(t)是系統輸入，c(t)是系統輸出，u(t)為控制信號，e(t)為系統的誤差信息，可知系統傳遞函數為

式中，Kp為系統的比例增益;Tl為積分時間常數;TD為微分時間常數。

在PID控制系統中，控制器參數KP、Tl、TD整定的好壞，直接影響控制效果。PID參數的整定有多種方法，這里采用基于內?？刂频姆椒ㄕ刂茀?。

圖2為內模控制原理框圖，圖中GC(s)為基于內?？刂频腜ID控制器，它除了包括傳統PID控制器Q(s)外，還包括了過程模型pm(s)，而Gp(s)表示被控對象，所以圖2中內環的傳遞函數GC(s)為

系統閉環響應為

圖2 內模PID控制原理框圖

將式(3)中的過程模型pm(s)分解為pm+(s)兩項和pm－(s)，則有

其中，pm+(s)是一個全通濾波器的傳遞函數，對于所有頻率ω，都滿足|pm+(jω)|=0，所以pm+(s)包含了內模中所有的時滯環節和右半平面的零點。pm－(s)是具有最小相位特征的傳遞函數，即穩定且不包含預測項。

內模PID控制器設計中，最重要的是設計理想內?？刂破鱍(s)，其設計的主要思想是使Q(s)=P－1m(s)，實際中在不考慮模型失配、約束條件和各種擾動情況下，可使Q(s)→P－1m(s)。為確保系統的穩定性和魯棒性，在Pm－(s)上增加一濾波器，則內?？刂破鳛閒(s)表示靜態增益為1的低通濾波器，Tf為濾波器時間常數，其大小決定了系統響應速度。Tf越大，則閉環輸出響應越慢，但C(s)對R(s)的跟蹤滯后越小，其大小應兼顧動態性能和系統的魯棒性。參數r為一正整數，取值應保證內?？刂破鱍(s)有理。|f(s)|的最大幅值為1時，系統有好的魯棒性能。當r大于1時，f(s)的濾波器能得到更好的輸出響應?？芍瑑饶ID控制器只有一個整定參數Tf，Tf的大小同時受系統動態性能與魯棒性的約束。所以采用內?？刂频腜ID控制器，其參數整定更為簡單、便捷。

將式(5)代入式(2)中可以得到內模PID控制器的傳遞函數為

2 基于內?？刂频碾娏骺刂破髟O計

VSC－HVDC系統原理圖如圖3所示，它由兩個PWM電壓源型換流器、直流傳輸線路、濾波電容等組成。圖中左側交流系統Es1為交流系統1，右側交流系統為交流系統Es2為交流系統2，與交流系統1相連的變換器為VSC1，與交流系統2相連的變換器為VSC2;R為換流器電阻;L為換流變壓器的電感，它連接換流器與交流系統，同時濾除交流諧波;4個濾波電容C為換流器提供直流側支撐電壓，同時減小直流側諧波。Es1n、Es2n分別為交流系統1、2的電壓，in1和in2為它們的電流;U1n、U2n分別為兩個變換器交流側電壓;Udc1、Udc2為兩個變換器直流側電壓，is1、is2為兩個換流器直流側電流(這里n=a、b、c)。

圖3 VSC－HVDC系統原理框圖

圖3中兩個變換器及兩側交流系統對稱，以交流系統1為例進行討論。列出交流側動態微分方程如下。

對式(8)進行d、q變換，得到方程組為

式中，Ud1、Uq1為變換器側三相交流電壓的d軸和q軸分量;Es1d、Es1q為交流系統1三相電壓的d軸和q軸分量;id1、iq1為交流系統1的三相電流d軸和q軸分量。從式(9)可知，電流id1、iq1不僅受VSC1側電壓Ud1、Uq1的影響，還受到交流系統1的三相電壓Es1d、Es1q和電流交叉耦合項ωLid1、ωLiq1的影響。為了實現對d、q軸的解耦，首先對式(1)采用前饋解耦控制算法，使電壓前饋，為了消除d軸、q軸之間的電流耦合和電網電壓擾動，令

式中，is1dref、is1qref分別為VSC1側有功電流和無功電流的參考值;kp1、ki1、kp2、ki2分別為 VSC1 內環電流 d、q軸PI控制器的比例積分系數。

于是，由式(9)、(10)得出

從式(11)可以看出，調節PI參數使之滿足式(11)，便可實現內環電流的d、q軸解耦控制，進而實現對Ud1、Uq1的控制。內環電流控制圖如圖4所示。

由于d、q軸電流各自的控制對象相同，因此控制系統結構和參數可以設置相同，這里僅以d軸電流控制器為例進行設計。

考慮到由于數字化控制帶來的控制周期的延遲以及PWM脈沖裝置的延遲時間，在控制器中加入一個小時間常數的一階慣性環節作為信號采樣延遲環節，控制框圖如圖5所示。

圖4 內環電流控制框圖

圖5 內環電流控制器傳遞函數等值框圖

由于VSC換流器開關頻率比較高，可將圖5系統進一步簡化為圖6所示。

圖6 簡化后的內環電流控制器傳遞函數等值框圖

即可得出

由此可以看出，對于VSC－HVDC內環電流控制簡化的一階系統而言，采用內?？刂圃硭惴ㄕ≒I參數，由公式(13)可知，積分系數kI為固定值，比例系數kp只需由濾波時間參數Tf確定，其大小需折中考慮動態性能和系統的魯棒性。所以，基于內模原理控制算法來對內環PI參數進行參數整定時，只需調節kp，即只需要整定一個參數即可。

通過對VSC1側內環電流內模PI控制器和外環直流電壓PI控制器的設計，可以得到VSC1系統的定直流電壓和定無功功率控制系統結構圖如圖7所示。

3 系統仿真

對圖3所示系統進行仿真，主要仿真參數為:交流系統頻率f=50Hz，Es1=Es2=220kV，C=7500μF，R=0.8 Ω ，變壓器額定容量 S=200 MVA，直流電壓參考值為Udc=100 kV，直流線路長度為70 km的電纜，IGBT開關頻率為1 350 Hz。VSC1換流器采用定直流電壓控制Udc(pu)=1和定無功功率控制;VSC2換流器采用定有功功率控制p2(pu)=1和定無功功率控制。分別進行了對無功功率控制、潮流反向控制和三相故障的仿真。

圖7 VSC1直流電壓、無功功率控制系統結構圖

3.1 無功功率控制

仿真的目的是研究當系統送端風力充足全力輸出有功而受端處于不同負荷階段時，兩端換流站無功功率流入(流出)的調整情況。送端為定直流電壓控制且Udc(pu)=1，受端為定有功控制且P2(pu)=1，VSC1側輸出有功保持恒定。

仿真時，在t=1.5 s時刻，將VSC2側無功由Q2(pu)=0調整為－0.3;t=2 s時刻，VSC1側無功由Q1(pu)=0調整為0.3。仿真波形如圖8～圖11所示。從仿真波形可以看出，對VSC1和VSC2兩側在不同時間進行無功調節，換流器有功輸出和直流電壓都基本保持恒定，表明系統可根據受端網絡和送端網絡對無功功率的需求量，在各端靈活調整無功，以達到無功就地平衡的目的。就近補償無功功率，避免了無功功率遠距離傳輸，減少了網損。而且在受端系統換流站還可以減少對無功設備的投資，不需要根據負荷因數的變化不停地投切無功設備。

3.2 潮流反向

輕型直流輸電技術可以通過改變直流電流的方向，瞬時改變有功功率傳輸方向。

仿真時，t=1.5 s時刻，VSC2側輸入有功從 P(pu)=0.5調整為 －0.5，無功從 Q(pu)=0 調整為－0.2。仿真波形如圖13～圖17所示，可以看成，輕型直流輸電可以通過改變直流電流的方向，來實現有功功率的反向傳輸，而在系統潮流反向后，功率反向傳輸非常穩定，直流電壓有5%左右的變化。

圖8 整流側VSC1有功功率P波形

圖9 逆變側VSC2有功功率P波形

圖10 整流側VSC1無功功率Q波形

圖11 逆變側VSC2無功功率Q波形

圖12 直流電壓波形圖

3.3 三相故障

在t=1.5 s時，VSC2側負荷端發生三相短路故障，故障時間為0.1 s。各參考量仿真波形具體見圖17～圖21。

圖13 整流側VSC1有功功率P波形

圖14 逆變側VSC2有功功率P波形

圖15 整流側VSC1無功功率Q波形

圖16 直流電壓波形

圖17 整流側VSC1有功功率P波形圖

VSC2側負荷端發生三相接地故障，通過對比兩側有功波形及故障側的電壓、電流波形，可以得出VSC2系統故障期間，直流電壓出現15%的跌落，當故障切除0.1 s后，直流電壓恢復到故障前額定值。同時，VSC2側的交流電壓、有功、無功都降至為0。當故障切除0.1 s后，VSC1、VSC2有功、無功又恢復到故障前的穩定情況。

圖18 逆變側VSC2有功功率P波形圖

圖19 整流側VSC1 A相交流電流波形

圖20 逆變側VSC2側A相交流電流波形

圖21 三相故障直流電壓波形

4 結論

采用基于內模控制的PID控制算法，克服了傳統PI控制中參數多且整定復雜的缺點，在控制器設計時只需要調節一個參數，使參數整定簡單快捷，容易實現，同時可以保留雙閉環PI控制系統優良性能，使得系統同時具有良好的魯棒性和動態響應速度。通過對基于內模控制的PI控制構成的VSC－HVDC風電并網系統的仿真，仿真結果表明，基于內模控制原理的一個參數整定的VSC－HVDC系統參數保有雙閉環PI控制系統的優良性能，系統魯棒性好，控制精度高，動態響應快。

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