本發(fā)明涉及數(shù)模混合仿真領(lǐng)域，具體涉及一種用于動態(tài)模擬平臺多換流站的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和進步，柔性直流輸電在解決遠距離、大容量輸電、新能源分布式電源接入及特大型交直流混合電網(wǎng)面臨的諸多問題時都展現(xiàn)出了其特有的優(yōu)勢。作為新一代直流輸電技術(shù)，柔性直流輸電為構(gòu)建直流電網(wǎng)和電網(wǎng)輸送電能方式的變革提供了有效的解決方案。

根據(jù)相似原理建立起來的電力系統(tǒng)物理模型，屬于電力系統(tǒng)的物理模擬，采用了與原型系統(tǒng)具有相同物理性質(zhì)且參數(shù)的標(biāo)幺值一致的模擬元件。柔性直流輸電系統(tǒng)的動態(tài)模擬有利于降低電力系統(tǒng)電壓等級，便于對柔性直流輸電系統(tǒng)的特性和出現(xiàn)的問題進行研究。

電壓源換流器(Voltage Source Converter，VSC)是換流站的核心部件，柔性直流輸電技術(shù)利用VSC中IGBT元件的可關(guān)斷特性，分別對有功功率、交流電壓、直流電壓和無功功率進行獨立控制，實現(xiàn)換流器的四象限運行。在柔性直流電網(wǎng)中，多臺換流器的協(xié)調(diào)控制是工程應(yīng)用中必然面臨關(guān)鍵性問題。其中，多臺換流站同時啟動會給整個輸電系統(tǒng)帶來巨大的電壓和電流沖擊，是一個急需解決的問題，且多臺換流器工作模式的選取對于輸電系統(tǒng)長期的穩(wěn)定運行也是至關(guān)重要的。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種用于動態(tài)模擬平臺多換流站的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)及方法，其協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)包括：電壓源換流器模塊及功率接口模塊；電壓源換流器模塊經(jīng)功率接口模塊與交流系統(tǒng)相連；電壓源換流器模塊包括：用于控制直流電壓和無功功率的主站電壓源換流器，及用于控制有功功率和無功功率的從站電壓源換流器；功率接口模塊包括：用于雙向傳輸有功功率和無功功率的功率放大器、D/A板卡和A/D板卡。D/A板卡經(jīng)功率放大器與線性變壓器相連。

線性變壓器與電壓源換流模塊中物理側(cè)的輸入端口母線相連；物理側(cè)的輸出端口母線分別經(jīng)電流互感器和電壓傳感器與所述A/D板卡相連。功率放大器為四象限功率放大器。

其協(xié)調(diào)控制方法包括以下步驟：1)在實時數(shù)字仿真設(shè)備中建立交流系統(tǒng)仿真模型；2)選擇主站電壓源換流器和從站電壓源換流器的工作模式；3)將主站電壓源換流器和從站電壓源換流器依次接入交流系統(tǒng)仿真模型；4)當(dāng)仿真模型中電容充電結(jié)束后，解鎖從站電壓源換流器；5)當(dāng)交流系統(tǒng)進入穩(wěn)態(tài)運行后，閉鎖主站電壓源換流器和從站電壓源換流器，實時數(shù)字仿真設(shè)備與功率放大器的接口端停止運行。

步驟2)中，主站電壓源換流器控制直流電壓和無功功率，從站電壓源換流器控制有功功率和無功功率；主站電壓源換流器和從站電壓源換流器均采用矢量控制。

將矢量控制分解為內(nèi)環(huán)控制和外環(huán)控制；內(nèi)環(huán)電流控制的d軸電壓輸出變量和q軸電壓輸出變量計算公式如下所示：

式中：為外環(huán)控制器d軸的輸出變量、為外環(huán)控制器q軸的輸出變量、i_d為d軸的狀態(tài)變量、i_q為q軸的狀態(tài)變量、u_d為交流電網(wǎng)d軸的電壓前饋量、u_q為交流電網(wǎng)q軸的電壓前饋量、ωLi_d為d軸的電壓耦合補償、ωLi_q為q軸的電壓耦合補償、k_p1和k_p2分別為兩個PI內(nèi)環(huán)控制器的比例項系數(shù)，k_i1和k_i2分別為兩個PI內(nèi)環(huán)控制器的積分項系數(shù)。

當(dāng)負序電流為0時，正序d軸和q軸的電流參考值計算公式如下所示：

其中，P^*為有功功率參考值、Q^*為無功功率參考值、u_d為直流電壓值。

當(dāng)采用直流電壓控制時，正序d軸的電流參考值計算公式如下所示：

其中，為直流電壓參考值，k_p3為第三PI內(nèi)環(huán)控制器的比例項系數(shù)和k_i3為第三PI內(nèi)環(huán)控制器的積分項系數(shù)。

步驟3)包括：3.1)啟動實時仿真設(shè)備和功率接口設(shè)備，當(dāng)交流系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定后，進行預(yù)充電；3.2)在不控充電階段，將主站電壓源換流器接入交流系統(tǒng)，閉合其中設(shè)有限流電阻的斷路器；3.3)將從站電壓源換流器接入交流系統(tǒng)，閉合其中設(shè)有限流電阻的斷路器；3.4)閉合不含限流電阻的斷路器；3.5)進入可控充電階段后，解鎖主站電壓換流站。

在不控充電階段，電容電壓的最大值與其額定值之間的關(guān)系為：其中，u_c0,max為電容電壓的最大值，U_c0,rat為電容電壓的額定值，k為電壓調(diào)制比。

電壓調(diào)制比的計算公式為：其中，U_m為交流側(cè)相電壓幅值，U_dc為直流電壓。

在可控充電階段，主站電壓源換流器采用斜率電壓控制方式。

步驟4)包括：4.1)解鎖從站電壓源換流器，將從站電壓源換流器的有功功率和無功功率的參考值設(shè)為0；4.2)當(dāng)從站電壓源換流器穩(wěn)定后，調(diào)整有功功率和無功功率的參考值；4.3)當(dāng)交流系統(tǒng)的功率穩(wěn)定后，調(diào)整主站電壓源換流器的無功功率參考值；4.4)交流系統(tǒng)進入穩(wěn)態(tài)運行。

步驟5)包括：5.1)當(dāng)交流系統(tǒng)停止運行時，將從站電壓源換流器的有功功率和無功功率的參考值設(shè)為0；5.2)當(dāng)交流系統(tǒng)中電氣量穩(wěn)定后，閉鎖所述從站電壓源換流器；5.3)將主站電壓源換流器的有功功率和無功功率的參考值設(shè)為0；5.4)當(dāng)主站電壓源換流器的電氣量穩(wěn)定后，閉鎖主站電壓源換流器；5.5)實時數(shù)字仿真設(shè)備與功率放大器的接口端停止運行。

與最接近的現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：

1、本發(fā)明提供的方法能夠在動態(tài)模擬平臺上實現(xiàn)多臺VSC的有序啟動，減小啟動時產(chǎn)生的電壓和電流沖擊，并對多臺VSC的工作模式進行合理的設(shè)置，實現(xiàn)多臺VSC的穩(wěn)定運行。

2、本發(fā)明設(shè)計的VSC的啟動順序和啟動方式，有效的減小了VSC啟動時對系統(tǒng)產(chǎn)生的沖擊電壓和電流。

3、本發(fā)明確定了各個VSC的工作模式及閉鎖順序，實現(xiàn)了多臺VSC合理穩(wěn)定地運行。

4、本發(fā)明適用于柔性直流電網(wǎng)多換流站系統(tǒng)，對實際工程中多換流站的啟動和運行具有一定的指導(dǎo)意義。

附圖說明

圖1是本發(fā)明三換流站動模系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；

圖2是本發(fā)明數(shù)?；旌戏抡娴墓β视布涌谑疽鈭D；

圖3是本發(fā)明的內(nèi)環(huán)電流控制圖；

圖4是本發(fā)明的有功功率控制圖；

圖5是本發(fā)明的無功功率控制圖；

圖6是本發(fā)明的直流電壓控制圖；

圖7是本發(fā)明單換流站中的閥側(cè)結(jié)構(gòu)圖；

圖8是本發(fā)明單個IGBT的模塊圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式作進一步的詳細說明。

由于柔性直流輸電系統(tǒng)中含有大量的儲能電容，所以VSC在進入穩(wěn)態(tài)工作方式前，必須采用合適的啟動控制來對這些電容進行預(yù)充電。多臺VSC的協(xié)調(diào)控制分為啟動控制和穩(wěn)態(tài)控制兩部分；VSC的啟動控制一般有他勵啟動和自勵啟動兩種，穩(wěn)態(tài)控制有對等控制和主從控制兩種。本發(fā)明的啟動控制采用自勵預(yù)充電啟動，包含不控充電和可控充電兩個階段；穩(wěn)態(tài)控制采用主從控制。

本發(fā)明以三換流站動模系統(tǒng)為例，以下具體說明實現(xiàn)步驟：

步驟1：仿真平臺搭建

如圖1所示，在實時數(shù)字仿真設(shè)備RT-LAB中搭建的交流系統(tǒng)仿真模型，該模型含有兩臺同步發(fā)電機、若干變壓器和交流負荷，仿真步長為20μs，其中Amp為四象限功率放大器，作為連接數(shù)字仿真和物理動模的接口，能夠?qū)崿F(xiàn)有功功率和無功功率的雙向透明傳輸。VSC為換流器物理動模裝置。整個系統(tǒng)是一個四象限數(shù)模混合仿真系統(tǒng)。

如圖2所示，將RT-LAB與三臺VSC物理動模裝置通過功率接口連接起來，接口算法采用壓型理想變壓器算法。功率接口設(shè)備包含四象限功率放大器、A/D和D/A板卡等。

整個數(shù)?；旌戏抡娴牧鞒蹋菏紫?，在RT-LAB上取三個節(jié)點作為交流系統(tǒng)的輸出，通過D/A板卡轉(zhuǎn)成模擬信號，經(jīng)過功率放大器調(diào)理放大至動模裝置所需求的電壓傳輸?shù)絍SC物理動模裝置，同時采集物理動模裝置的電流，通過A/D板卡轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號反饋給RT-LAB，從而形成四象限數(shù)?；旌戏抡?。

步驟2：工作模式選擇

在三換流站動模系統(tǒng)中，采用主從控制，選定VSC1為主站，選定VSC2和VSC3為從站，換流器采用矢量控制。矢量控制是在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下建立換流器的數(shù)學(xué)模型，將abc坐標(biāo)系下的三相交流量變換為dq坐標(biāo)系下的兩相直流量，簡化了換流器的數(shù)學(xué)模型，適合用于對三相換流器進行控制。

如圖3所示，矢量控制可以分解為內(nèi)環(huán)電流控制器和外環(huán)電流控制器，外環(huán)可以為直流電壓、有功功率或無功功率控制。

內(nèi)環(huán)電流控制器的輸出變量取值為：

其中，為d軸輸出變量、為q軸輸出變量、i_d為q軸狀態(tài)變量、i_q為d軸狀態(tài)變量，u_d為d軸交流電網(wǎng)電壓前饋量、u_q為q軸交流電網(wǎng)電壓前饋量，ωLi_d為d軸電壓耦合補償、ωLi_q為q軸電壓耦合補償，k_p1和k_p2分別為兩個PI內(nèi)環(huán)控制器的比例項系數(shù)，k_i1和k_i2分別為兩個PI內(nèi)環(huán)控制器積分項系數(shù)。

如圖4和5所示，內(nèi)環(huán)電流控制器的作用是讓i_d和i_q跟蹤其參考值，而外環(huán)控制器則根據(jù)有功功率和無功功率以及直流電壓等參考值，計算內(nèi)環(huán)電流參考值。為了抑制負序電流，防止電力電子器件過電流，可以將負序電流的參考值設(shè)為0。當(dāng)負序電流為0時，根據(jù)有功和無功功率的參考值解出正序dq軸電流參考值分別為

其中，P^*和Q^*分別為有功和無功功率參考值，u_d為直流電壓值。

如圖6所示，當(dāng)采用直流電壓控制時，正序q軸電流參考值仍由公式(4)求得，正序d軸電流參考值可以根據(jù)直流電壓參考值得到：

其中，為直流電壓參考值，k_p3、k_i3為PI外環(huán)控制器參數(shù)。

主站分別控制直流電壓和無功功率，從站分別控制有功功率和無功功率。待各VSC工作模式選定后，便可開始啟動系統(tǒng)。

步驟3：自勵預(yù)充電啟動

如圖7所示，U1為網(wǎng)側(cè)電壓，U2為閥側(cè)電壓，T為換流變壓器，K1～K6為斷路器，R1～R3為限流電阻，R1＝R2＝R3＝100Ω。

首先，啟動RT-LAB和功率接口設(shè)備，待交流電壓穩(wěn)定后，開始進行預(yù)充電。在不控充電階段，先將VSC1接入交流系統(tǒng)，為了限制產(chǎn)生過大的充電電流，閉合VSC1的斷路器K4～K6，將限流電阻R1～R3接入電路；VSC2和VSC3不接入交流系統(tǒng)，其斷路器K4～K6處于斷開狀態(tài)，此時交流系統(tǒng)只能通過圖8中IGBT的反并聯(lián)二極管給電容充電，然后依次將VSC2和VSC3的斷路器K4～K6閉合，依次將VSC2和VSC3接入交流系統(tǒng)，從多端給系統(tǒng)中的電容充電。

在不控充電階段，電容電壓的最大值與其額定電壓之間的關(guān)系為：

其中，u_c0,max為電容電壓在不控充電階段的最大值，U_c0,rat為電容電壓的額定值，k為電壓調(diào)制比，U_m為交流側(cè)相電壓幅值，U_dc為直流電壓。通常，電壓調(diào)制比k取0.8～0.95，這說明模塊電容最多只能充電到額定電壓的69％～82％。

待不控充電階段結(jié)束后，將各換流站的斷路器K1～K3閉合，把限流電阻從閥側(cè)切除，再進入可控充電階段，此時解鎖VSC1。在可控充電階段，VSC1的電壓控制采用斜率控制方式，使電容能量能夠保持相對均衡并穩(wěn)步上升，直到電容電壓達到預(yù)定值為止。由于電容的充電功率表現(xiàn)為有功功率，故無功功率參考值設(shè)定為0。

步驟4：功率解鎖

待系統(tǒng)直流母線電壓穩(wěn)定后，對于剩余各VSC依次解鎖。先解鎖VSC2，此時將其有功功率和無功功率的參考值設(shè)置為0，等到VSC2穩(wěn)定工作后，再對有功功率和無功功率的參考值進行相應(yīng)的調(diào)整。待系統(tǒng)的功率穩(wěn)定后，然后再解鎖VSC3，此時將其有功功率和無功功率的參考值設(shè)置為0，等到VSC3穩(wěn)定工作后，再對有功功率和無功功率的參考值進行相應(yīng)的調(diào)整。待系統(tǒng)的功率穩(wěn)定后，最后對VSC1中的無功功率參考值進行相應(yīng)的調(diào)整，系統(tǒng)進入穩(wěn)態(tài)運行。

步驟5：閉鎖停運

當(dāng)系統(tǒng)要停止運行時，先將VSC3的有功功率和無功功率的參考值設(shè)置為0，等到系統(tǒng)中有功功率、無功功率、電壓和電流等電氣量穩(wěn)定后，再閉鎖VSC3；然后依次將VSC2、VSC1的有功功率和無功功率的參考值設(shè)置為0，等到有功功率、無功功率、電壓和電流等電氣量再次穩(wěn)定，再依次閉鎖VSC2、VSC1；最后RT-LAB和功率接口部分停止運行。

最后應(yīng)當(dāng)說明的是：以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對其限制，盡管參照上述實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：依然可以對本發(fā)明的具體實施方式進行修改或者等同替換，而未脫離本發(fā)明精神和范圍的任何修改或者等同替換，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求保護范圍之內(nèi)。