[发明专利]适用于VSC‑MTDC系统的控制器装置

权利要求书

1.一种适用于VSC-MTDC系统的控制器装置，其特征在于，包括模型建立装置；

所述模型建立装置，用于建立三相VSC模型，具体如下：

三相VSC包括IGBT开关S1、S2、S3、S4、S5、S6，还包括直流电源；

直流电源之间并联有A相桥臂、B相桥臂、C相桥臂，其中，IGBT开关S1、S4构成A相桥臂，IGBT开关S2、S5构成B相桥臂，IGBT开关S3、S6构成C相桥臂；

IGBT开关S1、S2、S3、S4、S5、S6的IGBT开关函数分别为S₁、S₂、S₃、S₄、S₅、S₆；

将桥臂开关状态定义如下：

S_a表示A相桥臂开关函数，S_b表示B相桥臂开关函数，S_c表示C相桥臂开关函数；则A相、B相、C相桥臂开关函数的合成矢量S为：

S＝S_a+αS_b+α²S_c(4)

其中，α＝e^j2π/3，e为自然常数；

计算三相VSC输出电压矢量U_i，计算式为：

U_i＝SU_dc i＝0，1，2，…，7(5)

U_i表示第i个三相VSC输出电压矢量，U_dc表示直流电源的直流电压；

经过三相静止abc坐标系与二相静止αβ坐标系变换得到：

U_α表示沿二相静止αβ坐标系中α轴的三相VSC输出电压，U_β表示沿二相静止αβ坐标系中β轴的三相VSC输出电压；

由基尔霍夫电流定律得到如下暂态电流方程：

i_a、i_b、i_c分别表示A相、B相、C相电流，t表示时间，U_aN、U_bN、U_cN分别表示A相、B相、C相对中性点N的电压，e_a、e_b、e_c分别表示三相交流系统的A相、B相、C相电压，R表示电阻，L表示电抗；

假设三相电网平衡，上述暂态电流方程经过三相静止abc坐标系与二相静止αβ坐标系变换得到如下方程：

e_α表示沿二相静止αβ坐标系中α轴的三相交流系统电压分量，e_β表示沿二相静止αβ坐标系中β轴的三相交流系统电压分量，i_α表示沿二相静止αβ坐标系中α轴的电流，i_β表示沿二相静止αβ坐标系中β轴的电流；

还包括逆变侧控制器；

所述逆变侧控制器，用于实现如下功能：

将式(8)离散化，得到如下方程：

k表示当前时刻，k+1表示下一时刻，i_α(k+1)表示下一时刻沿α轴的电流，i_β(k+1)表示下一时刻沿β轴的电流，T_s表示采样时间，i_α(k)表示当前时刻沿α轴的电流，i_β(k)表示当前时刻沿β轴的电流，U_α(k)表示当前时刻沿α轴的三相VSC的输出电压，U_β(k)表示当前时刻沿β轴的三相VSC的输出电压，e_α(k)表示当前时刻沿α轴的三相交流系统电压分量，e_β(k)表示当前时刻沿β轴的三相交流系统电压分量；

对式(9)经过旋转变换可得dq两相旋转坐标系下的方程：

i_d(k+1)表示k时刻预测出的三相并网逆变器输出电流d轴分量，i_q(k+1)表示k时刻预测出的三相并网逆变器输出电流q轴分量，θ表示电网的空间角度；

通过以下方程预测得出(k+1)时刻的有功功率和无功功率：

P(k+1)表示(k+1)时刻的有功功率，Q(k+1)表示(k+1)时刻的无功功率，e_d表示d轴的三相交流系统电压分量，e_q表示q轴的三相交流系统电压分量；

计算第一价值函数g，计算式为：

g＝|(Q^*-Q(k+1)|+|(P^*-P(k+1)|(12)

P^*为给定的有功功率参考值、Q^*为给定的无功功率参考值；

计算出分别在8个三相VSC输出电压矢量U_i状态下的8个第一价值函数g，得到第一价值函数g的最小值g_min；得到对应于第一价值函数g的最小值g_min的最接近期望功率，从而得到对应的U_α(k)、U_β(k)的大小，将U_α(k)、U_β(k)分别代入式(6)中的U_α、U_β，得到该k时刻期望的开关函数，并将该期望的开关函数传递给下一时刻的桥臂开关状态，进而控制逆变侧变流器；其中，所述最接近期望功率是指令第一价值函数g的值最小的功率值Q(k+1)和P(k+1)，i＝0，1，2…7；

或者，还包括整流侧控制器；

所述整流侧控制器，用于实现如下功能：

建立整流侧三相VSC模型：

离散化式(13)得到预测电流函数：

k表示当前时刻，k+1表示下一时刻，i_α(k+1)表示下一时刻沿d轴的电流，i_β(k+1)表示下一时刻沿β轴的电流，T_s表示采样时间，i_α(k)表示当前时刻沿α轴的电流，i_β(k)表示当前时刻沿β轴的电流，U_α(k)表示当前时刻沿α轴的三相VSC的输出电压，U_β(k)表示当前时刻沿β轴的三相VSC的输出电压，e_α(k)表示当前时刻沿α轴的三相交流系统电压分量，e_β(k)表示当前时刻沿β轴的三相交流系统电压分量；

对式(14)经过旋转变换可得dq两相旋转坐标系下的方程：

通过以下方程预测得出(k+1)时刻的有功功率和无功功率：

P(k+1)表示(k+1)时刻的有功功率，Q(k+1)表示(k+1)时刻的无功功率，e_d表示d轴的三相交流系统电压分量，e_q表示q轴的三相交流系统电压分量；i_d(k+1)表示k时刻预测出的三相并网逆变器输出电流d轴分量，i_q(k+1)表示k时刻预测出的三相并网逆变器输出电流q轴分量；θ表示电网的空间角度；

计算第二价值函数g，计算式为：

g＝|(Q^*-Q(k+1)|+|(P_dc+P_i-P(k+1))|(15)

Q^*为给定的无功功率参考值，P_dc表示调节后的直流功率，P_i表示在多端直流输电系统中除整流侧变流器外第i个其他变流站消耗的有功功率，i＞0；

计算出分别在i个其他变流站消耗的有功功率P_i状态下的i个第二价值函数g，得到第二价值函数g的最小值g_min；得到对应于第二价值函数g的最小值g_min的最接近期望功率，从而得到对应的U_α(k)、U_β(k)的大小，将U_α(k)、U_β(k)分别代入式(6)中的U_α、U_β，得到该k时刻期望的开关函数，并将该期望的开关函数传递给下一时刻的桥臂开关状态，进而控制整流侧变流器；其中，所述最接近期望功率是指令第二价值函数g的值最小的功率值Q(k+1)和P(k+1)，i＞0；

或者，还包括协调控制器；

所述协调控制器，用于控制主变流器以及具有功率调节的变流器，具体如下：

当P₁(k+1)在功率允许调节范围内，即P_1min＜P₁(k+1)＜P_1max，，则令VSC2、VSC3工作在功率模式下；当VSC1功率调节不足或退出运行时，P₁(k+1)不在功率允许调节范围[P_1min，P_1max]内，则令VSC2的运行模式由功率模式切换至直流电压模式以承担功率缺额，VSC3工作在功率模式下；

其中：VSC1表示主变流器，VSC2为具有功率调节的变流器，VSC3为不具有调节能力的变流器；P_1min表示变流站出力下限，即最小出力，P₁(k+1)表示当前预测功率的值，P_1max表示变流站出力上限，即最大出力。