VSC-HVDC的靜止坐標系下改進無差拍電流控制策略

韓　健，陳建衛，司　喆，操豐梅，許樹楷，黎小林

（1.北京四方繼保自動化股份有限公司，北京 100085；2.南方電網科學研究院，廣州 510080）

VSC-HVDC的靜止坐標系下改進無差拍電流控制策略

韓健1，陳建衛1，司喆1，操豐梅1，許樹楷2，黎小林2

（1.北京四方繼保自動化股份有限公司，北京 100085；2.南方電網科學研究院，廣州 510080）

為解決電網電壓不平衡時VSC-HVDC的有功功率以及直流母線電壓周期波動，無差拍電流控制算法存在的因一拍固有采樣延遲而導致的動態響應性能變慢，以及對交流側濾波電感變化魯棒性差等問題，提出兩相靜止坐標系下基于有功功率周期波動為零的正負序參考電流表達式的生成方法，進一步在無差拍電流控制算法中引入對電網電壓和對濾波電感變化具有較強魯棒性的網側電流的預測算法。給出了詳細的理論推導，并進行相應的仿真分析。結果驗證了所提改進方案的正確性和有效性。

電壓源換流器高壓直流輸電；靜止坐標系；不平衡電網；無差拍控制；采樣延遲

電壓源換流器高壓直流輸電VSC-HVDC（volt?age source converter based high voltage DC transmis?sion）系統因其具有交流電流畸變小，功率因數高、直流電壓恒定、快速動態響應性能等優點。在大規模風電并網、電網互聯、電力交易、城市配網增容及電能質量提高等方面都有著廣闊的應用前景［1-5］。

在VSC-HVDC系統中，需要對網側電流和直流母線電壓進行實時控制。現有方案中，一種經典的控制方案是基于旋轉坐標系下的矢量解耦控制策略。為解決交流電網電壓不平衡對VSC的影響，進一步提出了雙旋轉坐標系下的矢量控制策略［6，7］，這種方案能夠實現對正負序電流的獨立解耦控制，但是這種方案需要進行正負序電流的分離，需要引入延時環節或者陷波器，造成系統結構復雜，同時降低系統的動態性能。基于靜止坐標系下的電流閉環控制策略無需旋轉坐標變換和正負序電流分離環節，能顯著降低系統的復雜程度，獲得了廣泛關注［8-11］。在靜止坐標系下的VSC控制方案中，需要對交流電流直接控制。傳統比例積分控制器無法實現交流信號的誤差跟蹤，因此需要研究新的控制算法。一種方案是采用比例諧振控制，另一種方案是采用重復控制。這兩種方案理論上都能夠實現對交流信號的無靜差跟蹤，但是比例諧振控制只在諧振頻率處具有較好的控制性能，對被控信號頻率變化的魯棒性較差。采用準比例諧振控制能夠實現較好的頻率適應性，但造成增益下降，從而導致系統動態響應性能下降；重復控制由于以被控信號周期為控制周期，因此，造成動態響應性能較慢。

無差拍控制DBC（deadbeat control）以VSC的暫態數學模型為基礎，在每個控制周期直接獲得下個周期的控制信號，因此具有較快的動態響應性能和簡潔的算法，特別適合在VSC-HVDC系統中應用［12］。但是當系統采用數字化方案實現時，由于系統存在一拍固有采樣延遲，造成系統動態響應性能變慢，電流控制精度下降。

1　VSC-HVDC系統及其控制方案

VSC-HVDC系統的原理示意如圖1所示，發端換流站連接交流電網1，受端換流站連接電網2，兩個換流站通過直流輸電線相連。兩端換流站均采用運行在PWM調制方式下的VSC，La、Lb、Lc為每一相的換流電抗器，主要用以濾除網側電流的諧波分量。直流電容為換流站提供電壓支撐并減小直流電壓諧波。由于發端站與受端站采用相同結構的VSC，本文只給出了發端站的具體結構，只分析了發端站中VSC的控制策略，所提出的方案只需對其參考信號進行適當改動，即可應用于受端站。

圖1　VSC-HVDC系統原理示意Fig.1　Schematic of VSC-HVDC system

考慮到實際交流電網電壓會存在不平衡，為避免在直流母線電壓中產生周期波動，本文采用基于瞬時有功功率周期波動為0生成正負序電流參考的控制方案。下面分析網側電流參考波形的生成方案。考慮負序電網電壓的VSC的瞬時輸入有功功率pg和無功功率qg可以表示［10］為

其中，

按照式（4）的網側電流給定指令向交流電網注入適當的負序電流，如果網側電流正、負序分量均能夠無靜差地跟蹤其給定指令，瞬時有功功率的脈動分量就可以得到有效抑制。

兩相靜止坐標系下的電流參考表達式為

短路保護是指在電路發生不經過負載或導線電阻幾乎忽略不計等故障時，瞬間產生極大的電流提供切斷電源，防止設備損壞而造成事故的保護方式。在正常供電的電路中，電流的流經路徑形成一個閉合回路，如果在電流通過的電路中，兩導線相觸碰或者被另一小電阻物質短接引起短路現象。如果短路保護出現故障，低壓配電系統的正常運行將會受到阻礙，人們正常生活和工作也將受到一定地影響。

由此通過無差拍電流控制策略即可實現對實際電流的控制，整個系統的原理示意如圖2所示。先通過鎖相環PLL（phase-locked loop）獲得交流電網電壓正序矢量的相角，將交流電網電壓和電流變換到兩相靜止坐標系下。直流母線電壓經過比例積分PI控制器后其輸出與實際直流電壓相乘作為平均有功功率的給定。將功率給定經過式（3）獲得旋轉坐標系下的正負序電流參考值，經過式（5）的坐標反變換環節獲得兩相靜止坐標系下參考值，再通過DBC算法和電壓空間矢量調制SVPWM （space vector pulse width modulation）算法后獲得VSC各個開關器件的開關信號。

圖2　VSC控制系統原理示意Fig.2　Schematic of VSC control system

2　無差拍電流控制策略及其改進

由圖2可見，DBC的性能直接決定了實際網側電流的控制性能，本節重點分析DBC的原理及其改進方案。兩相靜止坐標系下VSC的交流側電壓方程為

式中：Lg為VSC交流側濾波電感；usα（t）、usβ（t）分別為逆變器輸出電壓在兩相靜止坐標系下的分量，將其離散化，得

式中：k為采樣點標號；Ts為采樣周期；iα，β（k）、iα，β（k+1）分別為第k、k+1個采樣點的α、β軸的網側電流值；分別為第［k，k+1］個周期的α、β軸的逆變器平均輸出電壓以及電網平均電壓。若希望在第k+1個采樣點的電流值iα，β（k+1）等于參考電流，可得該周期的平均逆變輸出電壓為

式（8）即為DBC的基本原理。對于數字系統，采樣時刻與逆變器輸出電壓的更新時刻的對應關系原理如圖3所示。由圖可知，采樣時刻與更新時刻之間存在一個采樣周期的延遲，在第k個采樣點計算獲得的逆變器輸出電壓在第［k+1，k+2］個周期才作用。為消除這一延遲，式（8）中的電網電壓以及網側電流值應采用下一個周期的值，同時有，則式（8）變為

圖3　數字系統采樣與控制時序原理Fig.3　Schematic of sample and control sequence of digital system

由此得到電網電壓的平均值為

對于網側電流，若仍然采用線性化估計方法，由于電感飽和等原因造成實際電感值發生變化，當實際值與模型中的值相差2倍以上時，系統將不穩定，為此采用一種具有較高魯棒性的電流預測方法。考慮第k個采樣點逆變電流實際值與預測值之間的誤差，引入權重因子L0，其預測方程為

由此得到新的逆變器輸出電壓為

對式（13）進行z變換，并進一步化簡得到如圖4所示的控制框圖。由圖4可得電流環的開環傳遞函數為

其閉環系統傳遞函數的特征方程為

圖4　z z域下網側電流魯棒預測無差拍控制框圖Fig.4　Control block diagram of grid current robust prediction with deadbeat control under z z domain

由Jury穩定判據可知，若保持系統穩定，應有

由此可求得電感值的允許變化范圍

由式（1）可知，由于L0＜1，則的最大允許值大于2，隨著L0的減小，電感偏差允許值隨之升高，說明實際電感值在較大范圍內變化時該預測算法均能保證系統穩定。

3　仿真驗證

本文在Matlab環境下搭建仿真模型，并進行了仿真驗證。為簡化仿真難度，只給出發端站向受端站輸出功率的工況，并將受端站等效為直流電阻。

表1　仿真模型參數Tab.1　Various parameters in simulation model

圖5　未加入改進算法的VSC控制系統仿真波形Fig.5　Simulation waveforms of VSC control system without improved method

仿真參數如表1所示。為便于對比分析，仿真波形中各個變量的單位均用標幺值（p.u.）表示。仿真條件為：在初始時刻，交流電網1的三相電壓保持平衡；在0.5 s時刻將c相電壓幅值突降為額定值的1/2，以模擬三相電網電壓不平衡的情況。相應的仿真波形如圖5和圖6所示，分別為未加入和加入改進DBC算法的仿真結果。由圖可見，2種方案中，在電網電壓產生不平衡時，網側電流隨之發生變化，其中c相電流最大，這是由于需要維持瞬時有功功率恒定造成的，而低次諧波均保持較小范圍，直流母線電壓中僅包含較小的2倍頻周期波動，波動幅值小于0.5%，經過20 ms左右系統即恢復穩定，說明基于瞬時有功功率周期波動為0來產生正負序電流和在兩相靜止坐標系下采用DBC對交流電流進行閉環控制的方案實現了電網電壓不平衡條件下的VSC的高性能控制，交直流側的電能質量均保持在較低諧波水平。

圖6　加入改進算法的VSC控制系統仿真波形Fig.6　Simulation waveforms of VSC control system with improved method

這2種方案的區別在于，在未加入改進DBC算法之前，由于采樣延遲的存在，造成電流控制精度下降，也導致了對負序電流的控制性能下降，造成網側電流總諧波畸變率THD（total harmonics distor?tion）有所增加，甚至超過了5%的相關標準。而在加入改進算法以后，由于提高了電流控制精度，使得負序電流得到了很好地控制，從而使網側電流THD降低了1.1%，滿足了相關標準的要求。同時直流母線電壓的周期波動幅值也有所下降，說明加入改進算法后進一步提高了VSC的交直流側的電能質量。

4　結語

本文給出了考慮電網電壓不平衡條件的兩相靜止坐標系下的基于瞬時有功功率波動為0的瞬時電流參考的生成方案，進一步給出了具有補償采樣延遲和增強交流濾波電感變化魯棒性的改進無差拍電流控制方案。仿真結果表明，所提出的方案很好地實現了電網電壓不平衡條件下的VSC的高性能控制問題，網側電流THD＜5%，直流母線電壓波動＜0.5%，并具有較快的動態響應性能，能夠滿足實際系統的要求，同時具有算法相對簡單，控制性能優良等優點，有利于在實際VSC-HVDC系統中獲得規模化的推廣應用。

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Strategy of Improved Deadbeat Current Control for VSC-HVDC in Stationary Frame

HAN Jian1，CHEN Jianwei1，SI Zhe1，CAO Fengmei1，XU Shukai2，LI Xiaolin2
（1.Beijing Sifang Automation Co.，Ltd.，Beijing 100085，China；2.Electric Power Research Institute，China Southern Power Grid，Guangzhou 510080，China）

In order to solve the problems of VSC-HVDC within unbalanced grid，such as active power and DC voltage periodic ripple，lower dynamic performance caused by the essential sampling delay in deadbeat current（DBC）control，and the inferior robustness against the change of AC filter inductor when DBC is used in the system，in this paper，a positive and negative sequence reference current generation method is proposed based on active power periodic ripple （equal to zero）in the two-phase stationary frame.Furthermore，the AC grid voltage and AC side current prediction algo?rithm with high robustness against the filter variation is introduced into the DBC.The detailed theoretical derivation and simulation are performed.Simulation results verify the accuracy and feasibility of the proposed method.

voltage source converter based high voltage DC transmission（VSC-HVDC）；stationary frame；unbalanced grid；deadbeat control（DBC）；sampling delay

TM721.1

A

1003-8930（2016）08-0111-06

10.3969/j.issn.1003-8930.2016.08.019

2014-10-16；

2015-12-11

韓健（1984—），男，碩士，工程師，研究方向為柔性直流輸電技術、儲能變流器應用、微網系統應用等。Email：hanji?an@sf-auto.com

陳建衛（1986—），男，碩士，工程師，研究方向為柔性直流輸電技術、直流穩壓電源、儲能變流器工程實用化應用等。Email：chenjianwei@sf-auto.com

司喆（1976—），男，碩士，高級工程師，研究方向為柔性直流輸配電技術。Email：sizhe@sf-auto.com