基于空间矢量调制的无功功率预测直接功率控制

基于空间矢量调制的无功功率预测直接功率控制

1传统控制策略目前，随着智能电网、分布能源和高压直流供电（hvdc）技术的发展，沿海供电的柔性直流供电得到了广泛的关注和研究。全控型器件(如InsulatedGateBipolarTransistor,IGBT)及数字信号处理器(DigitalSignalProcessor,DSP)的不断发展与应用,赋予了柔性直流输电一些传统HVDC不具备的特性,如可以向远离海岸的小岛或偏远地区的无源网络输电,在功率自由双向传递的同时可单独控制有功和无功潮流,无需造价昂贵的变流变压器,避免单独对电网进行无功补偿并改善电能质量,可模块化生产和安装,节省了庞大的滤波器的占地面积,环境友好等。三相电压型(VoltageSourceConverter,VSC)脉宽调制(Pulse-WidthModulation,PWM)变流器(PWM-VSC)是VSC-HVDC中的核心部件,其控制策略直接影响到系统是否能够高效稳定运行。近年来,针对三相PWM-VSC的控制策略在文献中不断出现,根据其采用的是电流内环控制还是有功、无功功率控制方法,可将控制策略可大致分为两类:电压定向控制(VoltageOrientedControl,VOC)和直接功率控制(DirectPowerControl,DPC)。VOC是最常用的非直接功率控制方法:即通过旋转坐标变换,将交流侧电流解耦成有功电流分量和无功电流分量,从而构成电流内环、直流电压外环的双闭环控制系统,具有较高的动态响应和较低的静态误差等优点,但是其运行性能很大程度上取决于系统参数的准确性和复杂的电流内环的控制策略;基于交流电机直接转矩控制思想的DPC方法无需复杂的旋转坐标系变换和电流内环控制器,仅仅根据虚拟磁链预估瞬时有功、无功功率,通过查询开关表(Look-UpTable,LUT)直接选择合适的开关矢量,实现有功功率和无功功率的bang-bang控制,具有控制结构简单、动态响应快等优点。但DPC的开关频率不固定,不利于电力滤波器的优化设计,且DPC控制需要较高的采样频率,这就对控制器和A/D转换器提出了更高的要求。这些问题的存在给传统VOC、DPC的应用带来了一定的困难。为了克服上述不足,本文提出一种简单的基于瞬时功率理论三相空间矢量调制(SpaceVectorModulation,SVM)预测直接功率控制(PredictiveDirectPowerControl,P-DPC)方法。该方法采用无差拍预测控制(DeadbeatPredictiveControl,DPC)原理,对瞬时有功、无功功率在一个开关周期内进行预测控制,通过反推瞬时功率理论,得到变流器侧下一个开关周期的电压参考值,结合SVM转化为开关频率固定的开关矢量,达到了变流器预测直接功率控制目的。2瞬时功率预测模型由于海上风电场VSC-HVDC所用变流器常采用两端对称结构,本文以岸上电网侧变流器为例,分析说明P-DPC设计原理。其主电路结构如图1所示,对应的两相uf061uf062静止坐标系下的低频数学模型如式(1)和式(2)所示。式中,k为两相静止坐标系的下标k={α,β};ik为电流;ek为网侧电压;vk为变流器侧电压,有vk=dkudc;dk为开关函数;L为升压电抗器等效感抗;R为线路和电抗器等效阻抗;C为直流母线电容容量;udc为直流母线电压;iL为直流母线电流。与传统的DPC根据瞬时功率滞环误差进行查表的方法不同,本文所述P-DPC方法在每个开关周期Ts开始时,计算出下一个开关周期内变流器侧平均电压矢量vαβ,从而消除采样时刻得到的测量瞬时功率与预测功率之间的跟踪误差,达到预测直接功率控制的目的。因此,首先需要建立一个瞬时功率预测模型。假设输入变流器的电压三相平衡,在两相uf061uf062静止坐标系下可根据瞬时功率理论计算出瞬时有功功率p和瞬时无功功率q为式中,分别为网侧线电压、线电流在静止αβ坐标系下的分量。相对于网侧电源电压周期,若选定采样周期Ts足够小,可以认为eαβ的值在相邻的两个开关周期内不变,eαβ(k+1)=eαβ(k)。因此,相邻两个开关周期内的瞬时有功、无功功率的变化完全取决于线电流的变化,由式(3)可得若图1所示的VSC中的阻抗R足够小,可忽略其对系统的影响,并对式(1)进行一阶近似离散化,可得输入电流变化方程将式(5)代入式(4)可得瞬时有功、无功功率在一个开关周期Ts内的变化为由于瞬时功率预测控制的目标是使在下一(k+1)采样时刻处,输入变流器的瞬时功率等于参考指令值:式中,p*、q*分别为瞬时有功、无功功率的参考指令值。将式(7)代入式(6)可以解出变流器侧的平均输入电压vαβ为在VSC-HVDC的控制中,通常将无功功率的参考值q*从控制器外部直接给定为0,从而达到纯有功功率传输并实现单位功率因数运行。但对于有功功率参考值p*的给定,通常取直流母线电压作为控制器外环控制对象,采用PI闭环控制。PI调节器的输出作为参考电流值,并与母线电压值相乘得到有功功率参考值p*。相对而言,系统的电容时间常数远大于开关周期,因此可以认为在相邻的两个开关周期内直流母线电压采样值不变,故下一个采样周期的瞬时有功功率参考值可以通过线性插值外推法得到,结合式(7)可得下一个(k+1)采样时刻瞬时有功、无功功率预测值为综上,由式(7)~式(9)可得两相αβ静止坐标系下P-DPC功率内环数字控制器方程为式中,△εp(k)、△εq(k)分别为瞬时有功、无功功率的实际跟踪误差。根据式(10)可对瞬时功率进行预测控制,通过不断修正实际跟踪误差,调整下一个周期变流器侧输入电压的平均值,最终达到瞬时功率的无差拍控制。3变流器控制方案设计为了简化起见,不考虑桥路功率器件的开关损耗,直流母线电压恒定,系统工作于稳态且处于单位功率因数运行状态,将式(2)两边同时乘以直流母线电压Udc可得电容和负载侧的瞬时有功功率为式(11)中的PT正是PWM-VSC在直流母线上所传递的瞬时有功功率。动态时,PT向电容充放电并提供负载瞬时有功功率;稳态时,电容电压恒定,PT只向负载提供瞬时有功功率。如果直流母线电压的给定值为u*dc,在工作点处进行线性化处理,设,并将其代入式(11)中可得由此可得直流母线电压udc与母线上所传递的PT的动态模型,即传递函数为可见式(13)为典型的一阶惯性环节,故直流母线电压udc的控制可采用常规的PI调节器,其传递函数为另外,为了消除直流母线电压的纹波,可设计一个简单的一阶低通滤波器,选择截止频率fc在1/2基频以下,其传递函数为功率内环中PWM开关频率较高,故功率内环也可用一阶小惯性环节代替,即式中,Tp为功率内环等效时间常数。由此可得电压外环的开环传递函数为对应的直流母线电压外环闭环传递函数如图2所示。结合本文第二部分P-DPC内环控制器的设计,可得VSC-HVDC变流器总体控制方案如图3所示。由于VSC-HVDC常采用两端对称结构,图3仅仅给出岸上电网侧变流器详细的控制原理部分,海上风场侧变流器的控制方法类似,此处省略。VSC-HVDC主要有四种基本控制方式:定直流电压控制、定直流电流(或功率)控制、定交流电压控制、黑启动控制方式。正常运行方式中,两端变流器可以各自独立地控制其有功、无功潮流,岸侧交流电网端VSC采用直流电压控制模式,海侧风场端VSC采用有功功率控制,如Gotland工程的控制方式。在故障运行时,VSC-HVDC两端变流器可改变运行策略,如维持直流电压稳定运行改为维持交流电网电压稳定运行,在故障解除后恢复为原维持直流电压稳定运行模式等。故本文将直流母线电压作为外环控制对象,变流器瞬时有功功率作为内环控制对象。直流母线电压udc经PI调节器的输出与直流母线电压相乘,可以得到瞬时有功功率的给定参考值;在单位功率因数运行条件下瞬时无功功率的给定一般直接设置为0。通过式(10)计算得到变流器侧输入指令电压平均值vuf061uf062,从而实现无差控制。与传统基于虚拟磁链定向的直接功率控制方法不同,本方法在两端都采用了电压传感器,当出现电压扰动时,可以通过对vuf061uf062进行前馈补偿,如图3点划线框内所示,保证了系统安全可靠运行。4瞬态响应分析为了验证本文所提的控制方法,在仿真软件Matlab®/Simulink7.4环境下构建PWM-VSC系统仿真模型,对其进行了仿真研究。由于系统结构两端对称,其控制参数也一致,主要系统参数见表。以系统额定容量500kVA、线电压有效值690V对系统进行标幺化处理,经调整后设置直流电压调节器的PI参数为:kpv=0.78,kiv=16.93。THD=0.95%,P-DPC控制下稳态响应曲线如图4所示。图4a是通过功率内环解算出来的在αβ静止坐标系下变流器侧输入vαβ波形,为两个相位相差π/2几乎为正弦的波形。从图4b、图4c可以看出瞬时有功、无功功率能快速跟踪预设值,稳态无静差。图4d为网侧输入电压电流波形,可见输入电流波形几乎为纯正弦波(THD=0.95%)且与输入电压同相位,达到了单位功率因数运行。由式(6)可知,在开关频率选定时,瞬时功率唯一受到变流器输入电抗器的影响,同样由式(10)可知P-DPC的算法的准确性取决于参数L,在实际运行系统中,由于L会随着外界环境和工作状态的改变而发生变化,仿真结果表明在参数L发生uf0b120%变化时,P-DPC可以维持系统稳定,其稳态特性与图4所示基本相同。由于篇幅限制,此处不再重复给出。图5为有功功率指令在0.35s时发生阶跃,幅度为50%,然后在0.55s恢复原先设定值。从图5a可以看出P-DPC可以快速跟踪瞬时有功功率指令,超调量小于3%;无功功率始终保持为零,有功和无功功率已经完全解耦,可以分别单独控制。图5b说明在有功功率发生阶跃时,电流可以快速调整,以适应输出功率的变化,调整过程中始终保持单位功率因数运行。图5c表明在有功功率发生阶跃时直流母线电压下降小于2%额定值,且可在5个基波周期内恢复稳定,当传输功率指令减小50%时,因为直流电容的存在,直流母线电压出现超调,超调量小于5%。当海上风速变化太大,引起风电机组切出后,需要岸上电网为风电场侧供电,此时,便会发生功率潮流翻转,图6反映了在P-DPC方法下这一瞬态响应过程。当瞬时有功功率指令在0.35s由正0.5(pu)变为-0.5(pu)时,图6a显示功率潮流发生了翻转,瞬时有功功率由正转为负,图6b中网侧电压、电流相位也相应从同相位(整流)转化为反相位(逆变)运行,切换过程比较快速平稳,图6c直流母线电压极性不变,电压波动范围小于2.5%额定值,且可以在0.1s内调整恢复稳定。5电网控制特点本文在传统直接功率控制方法的基础上,结合预测无差拍控制,提出了一种基于瞬时功率理论的直接功率预测控制方法,并应用于控制海上风电柔性直流输电变流器。相对于传统直接功率控制,该方法具有以下特点:(1)控制算法简单,无需电网电压的相位信息