基于空間矢量調(diào)制的無功功率預(yù)測(cè)直接功率控制

基于空間矢量調(diào)制的無功功率預(yù)測(cè)直接功率控制

1傳統(tǒng)控制策略目前，隨著智能電網(wǎng)、分布能源和高壓直流供電（hvdc）技術(shù)的發(fā)展，沿海供電的柔性直流供電得到了廣泛的關(guān)注和研究。全控型器件(如InsulatedGateBipolarTransistor,IGBT)及數(shù)字信號(hào)處理器(DigitalSignalProcessor,DSP)的不斷發(fā)展與應(yīng)用,賦予了柔性直流輸電一些傳統(tǒng)HVDC不具備的特性,如可以向遠(yuǎn)離海岸的小島或偏遠(yuǎn)地區(qū)的無源網(wǎng)絡(luò)輸電,在功率自由雙向傳遞的同時(shí)可單獨(dú)控制有功和無功潮流,無需造價(jià)昂貴的變流變壓器,避免單獨(dú)對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行無功補(bǔ)償并改善電能質(zhì)量,可模塊化生產(chǎn)和安裝,節(jié)省了龐大的濾波器的占地面積,環(huán)境友好等。三相電壓型(VoltageSourceConverter,VSC)脈寬調(diào)制(Pulse-WidthModulation,PWM)變流器(PWM-VSC)是VSC-HVDC中的核心部件,其控制策略直接影響到系統(tǒng)是否能夠高效穩(wěn)定運(yùn)行。近年來,針對(duì)三相PWM-VSC的控制策略在文獻(xiàn)中不斷出現(xiàn),根據(jù)其采用的是電流內(nèi)環(huán)控制還是有功、無功功率控制方法,可將控制策略可大致分為兩類:電壓定向控制(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:即通過旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換,將交流側(cè)電流解耦成有功電流分量和無功電流分量,從而構(gòu)成電流內(nèi)環(huán)、直流電壓外環(huán)的雙閉環(huán)控制系統(tǒng),具有較高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和較低的靜態(tài)誤差等優(yōu)點(diǎn),但是其運(yùn)行性能很大程度上取決于系統(tǒng)參數(shù)的準(zhǔn)確性和復(fù)雜的電流內(nèi)環(huán)的控制策略;基于交流電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制思想的DPC方法無需復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系變換和電流內(nèi)環(huán)控制器,僅僅根據(jù)虛擬磁鏈預(yù)估瞬時(shí)有功、無功功率,通過查詢開關(guān)表(Look-UpTable,LUT)直接選擇合適的開關(guān)矢量,實(shí)現(xiàn)有功功率和無功功率的bang-bang控制,具有控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。但DPC的開關(guān)頻率不固定,不利于電力濾波器的優(yōu)化設(shè)計(jì),且DPC控制需要較高的采樣頻率,這就對(duì)控制器和A/D轉(zhuǎn)換器提出了更高的要求。這些問題的存在給傳統(tǒng)VOC、DPC的應(yīng)用帶來了一定的困難。為了克服上述不足,本文提出一種簡(jiǎn)單的基于瞬時(shí)功率理論三相空間矢量調(diào)制(SpaceVectorModulation,SVM)預(yù)測(cè)直接功率控制(PredictiveDirectPowerControl,P-DPC)方法。該方法采用無差拍預(yù)測(cè)控制(DeadbeatPredictiveControl,DPC)原理,對(duì)瞬時(shí)有功、無功功率在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)進(jìn)行預(yù)測(cè)控制,通過反推瞬時(shí)功率理論,得到變流器側(cè)下一個(gè)開關(guān)周期的電壓參考值,結(jié)合SVM轉(zhuǎn)化為開關(guān)頻率固定的開關(guān)矢量,達(dá)到了變流器預(yù)測(cè)直接功率控制目的。2瞬時(shí)功率預(yù)測(cè)模型由于海上風(fēng)電場(chǎng)VSC-HVDC所用變流器常采用兩端對(duì)稱結(jié)構(gòu),本文以岸上電網(wǎng)側(cè)變流器為例,分析說明P-DPC設(shè)計(jì)原理。其主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示,對(duì)應(yīng)的兩相uf061uf062靜止坐標(biāo)系下的低頻數(shù)學(xué)模型如式(1)和式(2)所示。式中,k為兩相靜止坐標(biāo)系的下標(biāo)k={α,β};ik為電流;ek為網(wǎng)側(cè)電壓;vk為變流器側(cè)電壓,有vk=dkudc;dk為開關(guān)函數(shù);L為升壓電抗器等效感抗;R為線路和電抗器等效阻抗;C為直流母線電容容量;udc為直流母線電壓;iL為直流母線電流。與傳統(tǒng)的DPC根據(jù)瞬時(shí)功率滯環(huán)誤差進(jìn)行查表的方法不同,本文所述P-DPC方法在每個(gè)開關(guān)周期Ts開始時(shí),計(jì)算出下一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)變流器側(cè)平均電壓矢量vαβ,從而消除采樣時(shí)刻得到的測(cè)量瞬時(shí)功率與預(yù)測(cè)功率之間的跟蹤誤差,達(dá)到預(yù)測(cè)直接功率控制的目的。因此,首先需要建立一個(gè)瞬時(shí)功率預(yù)測(cè)模型。假設(shè)輸入變流器的電壓三相平衡,在兩相uf061uf062靜止坐標(biāo)系下可根據(jù)瞬時(shí)功率理論計(jì)算出瞬時(shí)有功功率p和瞬時(shí)無功功率q為式中,分別為網(wǎng)側(cè)線電壓、線電流在靜止αβ坐標(biāo)系下的分量。相對(duì)于網(wǎng)側(cè)電源電壓周期,若選定采樣周期Ts足夠小,可以認(rèn)為eαβ的值在相鄰的兩個(gè)開關(guān)周期內(nèi)不變,eαβ(k+1)=eαβ(k)。因此,相鄰兩個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的瞬時(shí)有功、無功功率的變化完全取決于線電流的變化,由式(3)可得若圖1所示的VSC中的阻抗R足夠小,可忽略其對(duì)系統(tǒng)的影響,并對(duì)式(1)進(jìn)行一階近似離散化,可得輸入電流變化方程將式(5)代入式(4)可得瞬時(shí)有功、無功功率在一個(gè)開關(guān)周期Ts內(nèi)的變化為由于瞬時(shí)功率預(yù)測(cè)控制的目標(biāo)是使在下一(k+1)采樣時(shí)刻處,輸入變流器的瞬時(shí)功率等于參考指令值:式中,p*、q*分別為瞬時(shí)有功、無功功率的參考指令值。將式(7)代入式(6)可以解出變流器側(cè)的平均輸入電壓vαβ為在VSC-HVDC的控制中,通常將無功功率的參考值q*從控制器外部直接給定為0,從而達(dá)到純有功功率傳輸并實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)運(yùn)行。但對(duì)于有功功率參考值p*的給定,通常取直流母線電壓作為控制器外環(huán)控制對(duì)象,采用PI閉環(huán)控制。PI調(diào)節(jié)器的輸出作為參考電流值,并與母線電壓值相乘得到有功功率參考值p*。相對(duì)而言,系統(tǒng)的電容時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)大于開關(guān)周期,因此可以認(rèn)為在相鄰的兩個(gè)開關(guān)周期內(nèi)直流母線電壓采樣值不變,故下一個(gè)采樣周期的瞬時(shí)有功功率參考值可以通過線性插值外推法得到,結(jié)合式(7)可得下一個(gè)(k+1)采樣時(shí)刻瞬時(shí)有功、無功功率預(yù)測(cè)值為綜上,由式(7)~式(9)可得兩相αβ靜止坐標(biāo)系下P-DPC功率內(nèi)環(huán)數(shù)字控制器方程為式中,△εp(k)、△εq(k)分別為瞬時(shí)有功、無功功率的實(shí)際跟蹤誤差。根據(jù)式(10)可對(duì)瞬時(shí)功率進(jìn)行預(yù)測(cè)控制,通過不斷修正實(shí)際跟蹤誤差,調(diào)整下一個(gè)周期變流器側(cè)輸入電壓的平均值,最終達(dá)到瞬時(shí)功率的無差拍控制。3變流器控制方案設(shè)計(jì)為了簡(jiǎn)化起見,不考慮橋路功率器件的開關(guān)損耗,直流母線電壓恒定,系統(tǒng)工作于穩(wěn)態(tài)且處于單位功率因數(shù)運(yùn)行狀態(tài),將式(2)兩邊同時(shí)乘以直流母線電壓Udc可得電容和負(fù)載側(cè)的瞬時(shí)有功功率為式(11)中的PT正是PWM-VSC在直流母線上所傳遞的瞬時(shí)有功功率。動(dòng)態(tài)時(shí),PT向電容充放電并提供負(fù)載瞬時(shí)有功功率;穩(wěn)態(tài)時(shí),電容電壓恒定,PT只向負(fù)載提供瞬時(shí)有功功率。如果直流母線電壓的給定值為u*dc,在工作點(diǎn)處進(jìn)行線性化處理,設(shè),并將其代入式(11)中可得由此可得直流母線電壓udc與母線上所傳遞的PT的動(dòng)態(tài)模型,即傳遞函數(shù)為可見式(13)為典型的一階慣性環(huán)節(jié),故直流母線電壓udc的控制可采用常規(guī)的PI調(diào)節(jié)器,其傳遞函數(shù)為另外,為了消除直流母線電壓的紋波,可設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的一階低通濾波器,選擇截止頻率fc在1/2基頻以下,其傳遞函數(shù)為功率內(nèi)環(huán)中PWM開關(guān)頻率較高,故功率內(nèi)環(huán)也可用一階小慣性環(huán)節(jié)代替,即式中,Tp為功率內(nèi)環(huán)等效時(shí)間常數(shù)。由此可得電壓外環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)為對(duì)應(yīng)的直流母線電壓外環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)如圖2所示。結(jié)合本文第二部分P-DPC內(nèi)環(huán)控制器的設(shè)計(jì),可得VSC-HVDC變流器總體控制方案如圖3所示。由于VSC-HVDC常采用兩端對(duì)稱結(jié)構(gòu),圖3僅僅給出岸上電網(wǎng)側(cè)變流器詳細(xì)的控制原理部分,海上風(fēng)場(chǎng)側(cè)變流器的控制方法類似,此處省略。VSC-HVDC主要有四種基本控制方式:定直流電壓控制、定直流電流(或功率)控制、定交流電壓控制、黑啟動(dòng)控制方式。正常運(yùn)行方式中,兩端變流器可以各自獨(dú)立地控制其有功、無功潮流,岸側(cè)交流電網(wǎng)端VSC采用直流電壓控制模式,海側(cè)風(fēng)場(chǎng)端VSC采用有功功率控制,如Gotland工程的控制方式。在故障運(yùn)行時(shí),VSC-HVDC兩端變流器可改變運(yùn)行策略,如維持直流電壓穩(wěn)定運(yùn)行改為維持交流電網(wǎng)電壓穩(wěn)定運(yùn)行,在故障解除后恢復(fù)為原維持直流電壓穩(wěn)定運(yùn)行模式等。故本文將直流母線電壓作為外環(huán)控制對(duì)象,變流器瞬時(shí)有功功率作為內(nèi)環(huán)控制對(duì)象。直流母線電壓udc經(jīng)PI調(diào)節(jié)器的輸出與直流母線電壓相乘,可以得到瞬時(shí)有功功率的給定參考值;在單位功率因數(shù)運(yùn)行條件下瞬時(shí)無功功率的給定一般直接設(shè)置為0。通過式(10)計(jì)算得到變流器側(cè)輸入指令電壓平均值vuf061uf062,從而實(shí)現(xiàn)無差控制。與傳統(tǒng)基于虛擬磁鏈定向的直接功率控制方法不同,本方法在兩端都采用了電壓傳感器,當(dāng)出現(xiàn)電壓擾動(dòng)時(shí),可以通過對(duì)vuf061uf062進(jìn)行前饋補(bǔ)償,如圖3點(diǎn)劃線框內(nèi)所示,保證了系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。4瞬態(tài)響應(yīng)分析為了驗(yàn)證本文所提的控制方法,在仿真軟件Matlab?/Simulink7.4環(huán)境下構(gòu)建PWM-VSC系統(tǒng)仿真模型,對(duì)其進(jìn)行了仿真研究。由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)兩端對(duì)稱,其控制參數(shù)也一致,主要系統(tǒng)參數(shù)見表。以系統(tǒng)額定容量500kVA、線電壓有效值690V對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)幺化處理,經(jīng)調(diào)整后設(shè)置直流電壓調(diào)節(jié)器的PI參數(shù)為:kpv=0.78,kiv=16.93。THD=0.95%,P-DPC控制下穩(wěn)態(tài)響應(yīng)曲線如圖4所示。圖4a是通過功率內(nèi)環(huán)解算出來的在αβ靜止坐標(biāo)系下變流器側(cè)輸入vαβ波形,為兩個(gè)相位相差π/2幾乎為正弦的波形。從圖4b、圖4c可以看出瞬時(shí)有功、無功功率能快速跟蹤預(yù)設(shè)值,穩(wěn)態(tài)無靜差。圖4d為網(wǎng)側(cè)輸入電壓電流波形,可見輸入電流波形幾乎為純正弦波(THD=0.95%)且與輸入電壓同相位,達(dá)到了單位功率因數(shù)運(yùn)行。由式(6)可知,在開關(guān)頻率選定時(shí),瞬時(shí)功率唯一受到變流器輸入電抗器的影響,同樣由式(10)可知P-DPC的算法的準(zhǔn)確性取決于參數(shù)L,在實(shí)際運(yùn)行系統(tǒng)中,由于L會(huì)隨著外界環(huán)境和工作狀態(tài)的改變而發(fā)生變化,仿真結(jié)果表明在參數(shù)L發(fā)生uf0b120%變化時(shí),P-DPC可以維持系統(tǒng)穩(wěn)定,其穩(wěn)態(tài)特性與圖4所示基本相同。由于篇幅限制,此處不再重復(fù)給出。圖5為有功功率指令在0.35s時(shí)發(fā)生階躍,幅度為50%,然后在0.55s恢復(fù)原先設(shè)定值。從圖5a可以看出P-DPC可以快速跟蹤瞬時(shí)有功功率指令,超調(diào)量小于3%;無功功率始終保持為零,有功和無功功率已經(jīng)完全解耦,可以分別單獨(dú)控制。圖5b說明在有功功率發(fā)生階躍時(shí),電流可以快速調(diào)整,以適應(yīng)輸出功率的變化,調(diào)整過程中始終保持單位功率因數(shù)運(yùn)行。圖5c表明在有功功率發(fā)生階躍時(shí)直流母線電壓下降小于2%額定值,且可在5個(gè)基波周期內(nèi)恢復(fù)穩(wěn)定,當(dāng)傳輸功率指令減小50%時(shí),因?yàn)橹绷麟娙莸拇嬖?直流母線電壓出現(xiàn)超調(diào),超調(diào)量小于5%。當(dāng)海上風(fēng)速變化太大,引起風(fēng)電機(jī)組切出后,需要岸上電網(wǎng)為風(fēng)電場(chǎng)側(cè)供電,此時(shí),便會(huì)發(fā)生功率潮流翻轉(zhuǎn),圖6反映了在P-DPC方法下這一瞬態(tài)響應(yīng)過程。當(dāng)瞬時(shí)有功功率指令在0.35s由正0.5(pu)變?yōu)?0.5(pu)時(shí),圖6a顯示功率潮流發(fā)生了翻轉(zhuǎn),瞬時(shí)有功功率由正轉(zhuǎn)為負(fù),圖6b中網(wǎng)側(cè)電壓、電流相位也相應(yīng)從同相位(整流)轉(zhuǎn)化為反相位(逆變)運(yùn)行,切換過程比較快速平穩(wěn),圖6c直流母線電壓極性不變,電壓波動(dòng)范圍小于2.5%額定值,且可以在0.1s內(nèi)調(diào)整恢復(fù)穩(wěn)定。5電網(wǎng)控制特點(diǎn)本文在傳統(tǒng)直接功率控制方法的基礎(chǔ)上,結(jié)合預(yù)測(cè)無差拍控制,提出了一種基于瞬時(shí)功率理論的直接功率預(yù)測(cè)控制方法,并應(yīng)用于控制海上風(fēng)電柔性直流輸電變流器。相對(duì)于傳統(tǒng)直接功率控制,該方法具有以下特點(diǎn):(1)控制算法簡(jiǎn)單,無需電網(wǎng)電壓的相位信息