应用于VSC-HVDC解耦和谐波抑制的控制策略

1、应用于VSC-HVDC解耦和谐波抑制的控制策略郭磊，张英敏，李兴源（四川大学 电气信息学院，成都 610065）摘要：常规内模控制下的柔性直流输电（VSC-HVDC）系统存在有功、无功功率解耦效果不理想，动态性能有待提高等问题，文章在原有内模控制基础上添加前馈控制器，构成一种二自由度内模对系统进行解耦控制。针对VSC-HVDC交流系统5、7、11、13次谐波含量比较高，本文采用二自由度内模控制与改进重复控制相结合的控制方式对系统谐波进行补偿和抑制。为验证该方法的正确性和有效性，在PSCAD/EMTDC中的一个两端VSC-HVDC系统模型进行仿真分析，结果表明该控制策略可以改善系统的跟随性能，实

2、现对有功和无功功率较好的解耦，较大程度地抑制低次谐波，提高VSC-HVDC系统的电能质量。关键词：VSC-HVDC；二自由度内模；解耦；跟随性能；重复控制；谐波含量中图分类号：TM933 文献标识码：A 文章编号：1001-1390（2015）00-0000-00A Kind of control strategy for VSC-HVDC system decoupling and harmonics suppressionGuo Lei, Zhang Yingmin, Li Xingyuan（School of Electrical Engineering and Information,

3、 Sichuan University, Chengdu 610065, China）Abstract：The VSC-HVDC system under the control of the normal internal model has the problems that decoupling effect of the active and reactive power is not ideal, dynamic performance needs to be improved et aland so on. Thus, a kind of two-degree-freedom in

4、ternal model for decoupling control of the VSC-HVDC system is made up, which is based on the normal one with a feedforward controller added in this paper. In allusion to the high harmonic content of the 5-, 7-, 11-, 13 order harmonics in the AC system of VSC-HVDC, a control strategy that two-degree-

5、freedom internal model controller combined with the modefied repetitive controller was used to compensate and supresssuppress the harmonics in the paper. To verify the correctness validity and availability of this control method, a VSC-HVDC system model of two terminals was simulated and researched

6、in PSCAD/EMTDC. The results verify that the control strategy can improve the performance of tracking and achieve a better decoupling performance of the active and reactive power, also, which can supresssuppress the low-order harmonics largely and improve the power quality of VSC-HVDC system. Key wor

7、ds：VSC-HVDC, two-degree-freedom internal model, decoupling, tracking performance, modified repetitive control, harmonic content0 引 言传统高压直流输电以其可以连接两个不同频率电网、长距离跨海输电、实现无功支撑，输电功率控制与提高电网稳定性等优势得到广泛应用1。但是它有换流站网侧谐波较大、逆变器只能实现有源逆变，无法向单纯负载点供电等缺点，使得传统直流系统在中小型容量和短距离输电中缺乏竞争力。VSC-HVDC系统具有能低功率运行、功率反转、孤岛运行、向无源网络供电等优

8、势弥补了这一不足，而得到成功的推广和应用2-3。VSC与有源交流网络相联时，它是一个双输入、双输出、非线性、非解耦的被控对象4，VSC-HVDC系统存在有功功率与无功功率的耦合作用，因此需要对其进行解耦控制。文献5-6分别应用双积分滑模解耦控制器、非线性解耦控制器对VSC-HVDC进行解耦，文献7-10对VSC-HVDC系统进行内模解耦控制研究，但都没有改善系统交流侧谐波含量。文献11应用PI与准PR级联控制实现对VSC-HVDC系统交流侧谐波抑制，但PR控制器对特定次谐波的滤除需要一系列PR控制器并联控制，结构比较复杂。文献12采用非线性控制的APF系统治理HVDC系统换流站谐波，但APF有

9、造价高、容量有限、滤波效果仍需提高等缺点。文献13采用三电平变换器减少HVDC系统谐波污染，但控制方法较复杂，谐波抑制效果不理想。常规内模控制下的VSC-HVDC系统存在有功、无功功率解耦效果不理想，动态性能有待提高等问题，于是文中在原有内模解耦控制基础上添加前馈控制器，构成一种二自由度内模对系统进行解耦控制。重复控制器被广泛应用于逆变器死区、永磁同步电机反电势引起的电流谐波、光伏并网逆变器和APF等谐波的抑制和补偿14-16。单独的内模控制只能实现直流分量的无静差调节11，本文采用二自由度内模控制与改进重复控制相结合的控制方式实现对VSC-HVDC系统5、7、11、13次谐波的补偿和抑制。1

10、VSC-HVDC系统数学模型图1 VSC-HVDC系统模型Fig.1 System model of VSC-HVDC图1为一个2端VSC-HVDC系统，其网侧三相交流电压为、，交流电流为、，功率为、，包括换流器开关损耗的等效电阻和换流电抗器等效电感分别为、，流入换流站的功率为、，为直流侧的电容，为直流电流，直流输电线电阻为，换流站1、2侧直流电压分别为、。由图1可得VSC-HVDC在abc坐标下的数学模型为： （1）将abc坐标下的数学模型转换为dq0坐标下： （2）式中、为系统网侧电压，、为系统网侧电流，、为换流站侧的交流电压。2控制器设计2.1二自由度内模控制器图2为一自由度内模等效控制

11、原理图17。图2 一自由度内模等效控制原理图Fig.2 Equivalent block diagram of one-degree-freedom internal model control图2中，为内模控制器，为内模，为和并行后的传递函数，为被控对象，为控制系统的输入信号，为输出信号，为干扰信号。有，包含中纯滞后环节和右半平面的零点，为被控对象的最小相位部分17-19。由图2得， （3）（2）式经拉氏变换后得， （4）令： （5）则: （6）由图2知，当时，则 （7）根据内模设计方法19知，其中为低通滤波器，为滤波时间常数。考虑到VSC-HVDC系统的传递函数无右半平面的零点，故电流环可

12、以近似为一阶系统，则低通滤波器中取1。当模型精确匹配时，则： （8）在一自由度内模控制基础上，添加用于调节系统解耦和跟随性能的前馈控制器，为低通滤波器，取，为滤波时间常数。则系统变为由组成的二自由度内模控制方式，由此可通过对中的调节，实现对有功功率和无功功率的更好解耦、调节系统的跟随性能。二自由度内模控制下VSC-HVDC系统电流环控制图如图3所示。图3 二自由度内模控制下VSC-HVDC系统电流环控制图Fig.3 Current loop control diagram of VSC-HVDC system in the control of two-degree-freedom inter

13、nal model 2.2PI与改进型重复控制器的并行联接二自由度内模控制可以实现VSC-HVDC系统有功和无功功率的解耦，并能一定程度上对静止坐标下的基波信号在同步坐标下进行跟踪，降低交流电流谐波含量，但是各次谐波含量仍较大，故提出一种应用于二自由度内模控制与改进重复控制器相结合的控制方式，实现对VSC-HVDC系统交流电流谐波的抑制。dq0同步旋转坐标和abc静止坐标之间存在一个网侧基波频率差11。即： （9）式中为静止坐标下的基频；为同步坐标下的基频；为网侧基频。谐波的频率取决于整流器的脉冲数，本文所用模型为6脉冲的，故在静止坐标下谐波含量为次，同步旋转坐标下谐波含量为次。对于VSC-H

14、VDC网侧交流系统，低次谐波含量比较大，主要是对5、7、11、13次谐波进行抑制。2.2.1改进型重复控制器设计重复控制是基于内模原理的一种控制策略，其可以对周期性误差进行跟踪和抑制。鉴于谐波补偿信号是周期性的、谐波频率是基波频率整数倍，在闭环系统稳定下，可以通过在重复控制器中引入周期信号保持器，其作用是在重复控制频率及其整数倍处有无穷大的增益和零相位差，跟踪系统工频整数倍频率，对这些频次的谐波进行补偿和抑制20-21。如图4所示为传统重复控制结构图。图4 传统重复控制器Fig.4 Traditional repetitive controller图4中，为重复控制延时环节；为一低通滤波器；为

15、重复环节；为幅值补偿增益；为超前补偿环节；为用于改善被控对象特性的补偿器。的传递函数为： （10）式中为重复控制周期，；为系统的网侧基频；，为滤波时间常数。在误差函数后增加一个正比于误差的比例系数，重复环节的前向通道添加一个可调增益构成改进型重复控制器。可以使控制器更快地响应误差的变化；可以提高控制器对工频整数倍信号的跟踪精度，抑制谐波干扰，可调增益与低通滤波器的参数有关。在二自由度内模控制基础上加入改进型重复控制器，可以保留二自由度内模的解耦效果和良好的动态性能，又可以通过重复控制器提高对谐波的补偿效果。两者相结合后的结构控制图如图5所示。图5 加入改进重复控制器的结构控制图Fig.5 Co

16、ntrol diagram with modified repetitive controller added3VSC-HVDC系统实验仿真分析为验证所采用控制策略的正确性，在PSCAD/EMTDC中一个两端的VSC-HVDC系统进行仿真实验。VSC-HVDC系统采用电压外环、电流内环的双闭环控制方式。换流站1侧电流环为定直流电压、定交流电压控制方式，换流站2侧电流环采用定有功功率、定无功功率控制方式。VSC-HVDC系统参数如表1。表1 VSC-HVDC系统参数Tab.1 VSC-HVDC system parameters换流站1、2侧参数数值额定容量/ MVA变压器变比/ kV额定频率/

17、 HZ换流电抗器等效电感/ H损耗的等效电阻/直流输电电缆电阻/接地电容/1500420/230500.07240.57263.1阶跃仿真分析当换流站2侧的有功功率参考值在1s时刻从200MW阶跃上升到400MW，无功功率参考值在1.5s时刻从-17MVAr阶跃下降到-50MVAr时，换流站2侧的有功功率、无功功率和换流站1、2侧直流电压波形如图6所示。（a）换流站2侧有功功率（b）换流站2侧无功功率(c) 换流站1侧直流电压（d）换流站2侧直流电压图6 换流站功率和直流电压Fig.6 power and DC voltage of converter 从图6中可以看出，换流站1、2侧直流电压

18、、换流站2侧有功、无功功率都能够在启动过程中很快达到稳定状态。换流站2侧有功功率在1s时的阶跃会引起无功功率有MVAr左右的波动，波动很小，在0.01s后就恢复整定值-17MW；无功功率在1.5s时的阶跃会引起有功功率有+6MW左右的波动，波动也很小，0.1s后恢复整定值400MW。可见改进的内模控制可以实现有功、无功功率较好的解耦，系统也会快速跟随整定值达到稳定状态。同时，换流站1侧的直流电压由于2站有功功率的变化，1s时有+15kV的波动，但在定直流电压的控制下，0.1s后便恢复为参考值400kV。换流站2侧的直流电压由于有功和无功的变化，在1s时有+32kV的波动，1.5s时有+1kV的

19、波动，并很快恢复稳定。表明了二自由度内模控制具有良好的跟随性能，可以实现对有功和无功功率较好的解耦。3.2交流电流谐波分析图7所示为二自由度内模控制下换流站1网侧A相交流电流波形和各次谐波含量，图8为添加改进重复控制器下换流站1网侧A相交流电流波形和各次谐波含量。图7 未加改进重复控制A相电流波形和谐波含量Fig.7 Phase A current waves and harmonic contents without modified repetitive controller added图8 添加改进重复控制A相电流波形和谐波含量Fig.8 Phase A current waves an

20、d harmonic contents with modified repetitive controller added通过图7、8可以看出，在未加重复控制器时，换流站1侧A相交流电流波形不光滑，在波峰波谷处比较平直，波形畸变率较大。5、7、11、13、15次谐波含量依次为2.32%、1.18%、0.28%、0.23%、0.018%，总的谐波含量为为5.028%。在添加重复控制器后，波形比较光滑，各次谐波的畸变率大大减小。5、7、11次谐波含量依次为0.22%、0.076%、0.027%，总的谐波含量为0.323%。图9为在二自由度内模控制下换流站2网侧A相交流电流波形和各次谐波含量，图10

21、为添加改进重复控制器下换流站2网侧A相交流电流波形和各次谐波含量。图9 未加改进重复控制A相电流波形和谐波含量Fig.9 Phase A current waves and harmonic contents without modified repetitive controller added图10 添加改进重复控制A相电流波形和谐波含量Fig.10 Phase A current waves and harmonic contents with modified repetitive controller added通过仿真可以得到类似于换流站1侧的结果。由图9、10可得出，未加重复控制

22、器时，换流站1侧A相交流电流波形在波峰波谷处比较平直、正弦度比较差，2、5、7、11、13次谐波含量依次为0.0388%、0.978%、0.0545%、0.0699%、0.0744%，总的谐波含量为1.2156%。添加重复控制器后，波形比较光滑，2、5、7、11次谐波含量依次为0.0106%、0.1604%、0.0368%、0.024%，总的谐波含量为0.2318%。可见二自由度内模控制与重复控制器的复合联接较单独的二自由度内模控制可以更好地改善VSC-HVDC系统交流电流的波形，较大程度地减少各次谐波的含量。4结束语鉴于常规内模控制下的VSC-HVDC系统解耦效果和跟随性能不理想，文中在原有

23、内模解耦控制基础上添加前馈控制器，构成一种二自由度内模控制对系统进行控制。针对VSC-HVDC交流系统中5、7、11、13次谐波含量较高，在二自由度内模控制基础上添加改进重复控制器实现对交流电流波形的改善和网侧基频整数倍次谐波的抑制。在PSCAD/EMTDC中进行仿真分析，结果表明二自由度内模控制和改进重复控制的结合可以实现有功、无功功率的解耦控制，改善系统的仿真波形，减少了低次谐波的含量。为柔性直流输电系统的解耦和电能质量问题提供了一种新的方法，具有一定的借鉴价值。参 考 文 献汤广福. 基于电压源换流器的高压直流输电技术M. 北京: 中国电力出版社, 2010. 李庚银, 吕鹏飞, 李广凯

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