[发明专利]适用于VSC‑MTDC系统的控制器装置

摘要

本发明提供了一种适用于VSC‑MTDC系统的控制器装置，包括整流侧本地控制器，用于对多端直流输电系统中起整流作用的变流站的控制；逆变侧本地控制器，用于对多端直流输电系统中起逆变作用的变流站的控制；协调控制器，用于对多端直流输电系统中各个变流站之间的功率、电流等电力物理量进行协调的控制器。本发明有效避免了传统双闭环控制的PI参数整定和计算，无需线性控制器和PWM调制，对变流器整流和逆变的控制复杂性大大降低；同时，基于P‑DPC的控制策略充分利用了离散化数学模型，计算简单，容易数字化实现。

主权项

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：Sa表示A相桥臂开关函数，Sb表示B相桥臂开关函数，Sc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＝Sa+αSb+α2Sc    (4)其中，α＝ej2π/3，e为自然常数；计算三相VSC输出电压矢量Ui，计算式为：Ui＝SUdc i＝0，1，2，…，7    (5)Ui表示第i个三相VSC输出电压矢量，Udc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：Uα表示沿二相静止αβ坐标系中α轴的三相VSC输出电压，Uβ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：ia、ib、ic分别表示A相、B相、C相电流，t表示时间，UaN、UbN、UcN分别表示A相、B相、C相对中性点N的电压，ea、eb、ec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：eα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，eβ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，iα表示沿二相静止αβ坐标系中α轴的电流，iβ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，iα(k+1)表示下一时刻沿α轴的电流，iβ(k+1)表示下一时刻沿β轴的电流，Ts表示采样时间，iα(k)表示当前时刻沿α轴的电流，iβ(k)表示当前时刻沿β轴的电流，Uα(k)表示当前时刻沿α轴的三相VSC的输出电压，Uβ(k)表示当前时刻沿β轴的三相VSC的输出电压，eα(k)表示当前时刻沿α轴的三相交流系统电压分量，eβ(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：id(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，iq(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，ed表示d轴的三相交流系统电压分量，eq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Ui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gmin；得到对应于第一价值函数g的最小值gmin的最接近期望功率，从而得到对应的Uα(k)、Uβ(k)的大小，将Uα(k)、Uβ(k)分别代入式(6)中的Uα、Uβ，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，iα(k+1)表示下一时刻沿d轴的电流，iβ(k+1)表示下一时刻沿β轴的电流，Ts表示采样时间，iα(k)表示当前时刻沿α轴的电流，iβ(k)表示当前时刻沿β轴的电流，Uα(k)表示当前时刻沿α轴的三相VSC的输出电压，Uβ(k)表示当前时刻沿β轴的三相VSC的输出电压，eα(k)表示当前时刻沿α轴的三相交流系统电压分量，eβ(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，ed表示d轴的三相交流系统电压分量，eq表示q轴的三相交流系统电压分量；id(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，iq(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)|+|(Pdc+Pi‑P(k+1))|    (15)Q*为给定的无功功率参考值，Pdc表示调节后的直流功率，Pi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Pi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gmin；得到对应于第二价值函数g的最小值gmin的最接近期望功率，从而得到对应的Uα(k)、Uβ(k)的大小，将Uα(k)、Uβ(k)分别代入式(6)中的Uα、Uβ，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P1min＜P1(k+1)＜P1max，，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[P1min，P1max]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；P1min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，P1max表示变流站出力上限，即最大出力。