电压源转换器控制系统的制作方法

1.本公开涉及电压源转换器控制系统。


背景技术：

2.电压源转换器(vsc)或者转换器集群(例如，在风电厂或太阳能发电厂中)，如果总额定功率足够高，则可能会与其所连接的电网发生不稳定的互连。如果电网足够弱，即使电网阻抗是阻性
‑
感性，也可能导致不稳定性。如果存在次同步谐振或接近电网基频的超同步谐振，则不稳定的风险会进一步增加。
3.图1中示出了线路转换器的vsc的框图和电路图。电流控制器(cc)是针对vsc的控制系统的核心。cc可以被设计为使得从vsc的公共耦合点(pcc)看的cc的输入导纳变为无源。这样允许与任何无源电网阻抗实现稳定的互连。四个信号被馈入cc：i
s
、θ和i
ref
。
4.锁相环(pll)被配置为根据pcc电压来计算dq变换角θ，使得对应的经dq变换的pcc电压矢量v
p
在稳态下变为实值。
5.在图1中的电网侧上，v
s
是由vsc生成的电压，v
gs
是电网阻抗后面的刚性电网电压，并且l
c
是转换器
‑
滤波器电感，实际上它具有内部电阻。pcc处的任何附加滤波器分支可以通过包括在电网阻抗中来进行建模。
6.直流电压控制器(dvc)通过调整参考来调节vsc的直流总线电压v
d
，该参考是i
ref
的有功功率产生分量。比例积分(pi)控制器通常被用来实现此目的。针对p
d
和v
d
的信号被馈送到dvc。
7.p
d
是直流总线负载功率，并且c
d
是直流总线电容。
8.交流电压控制器(avc)通过调整i
ref
的无功功率产生分量的参考来调节pcc电压大小。纯积分控制器通常足以实现此目的，但是如果需要，可以添加比例部分。
9.然而，pll、dvc和avc破坏了到cc的输入导纳的无源性。在dq坐标系中的区域[0,ω
x
](所谓的负电导率区域)中，输入导纳不再是耗散的。
[0010]
原则上，ω
x
越大，不稳定的风险越大。添加有源阻尼器(ad)作为控制系统的附加外回路的目的是减小负电导率区域，从而使得vsc控制系统更坚固。
[0011]
在alawasa等人在ieee systems journal的“modeling,analysis,and suppression of the impact of full
‑
scale wind
‑
power converters on subsynchronous damping”中描述了一种针对ad的建议，其中被设置为电流参考矢量，其分量分别由dvc和avc设置。总参考矢量然后通过添加pcc电压的反馈来形成：
[0012][0013]
其中，b(s)(s＝d/dt)是带通滤波器。备选地，所添加的项可以简单地成比例。
[0014][0015]
其中v
ref
是pcc电压参考，并且g
a
可以被称为有源电导。
[0016]
在美国专利号us10170914中，表明随着pll带宽的增加，该方案的性能越来越恶化。ad因此无法实现其目的中的一个目的，即，无法补偿pll的不稳定影响。在us10170914中提出的解决方案是在ad中使用的矢量v
p
的计算中使用慢速pll。如us10170914中所示，这扩展了ad的范围并且在以其他方式丢失的情况下保持了稳定性。然而，由于慢速pll，该解决方案将导致不需要的慢速瞬态被添加到电压和电流。附加地，该解决方案不能补偿由dvc引起的类似劣化效应。


技术实现要素：

[0017]
本发明的一个目标是补偿锁相环(pll)对电压源转换器(vsc)控制系统的有源阻尼器(ad)的低频劣化效应。
[0018]
根据第一方面，提出了vsc控制系统。vsc控制系统包括ad、直流电压控制器dvc和交流电压控制器avc。vsc控制系统被配置为控制vsc。avc被配置为通过计算针对vsc的电流参考矢量的q分量，使用积分器来调节vsc的交流总线电压。dvc被配置为通过计算电流参考矢量的d分量，使用积分器来调节vsc的直流总线电压。ad被配置为将交流总线电压与对应的参考之间的矢量差放大，并且将经放大的矢量差的q分量添加到电流参考矢量的q分量以及avc的积分器的输入。
[0019]
本发明的另一目标可以是补偿dvc对ad的低频劣化效应。
[0020]
ad还可以被配置为将直流总线电压与对应的参考之间的矢量差放大，并且将经放大的矢量差的d分量添加到电流参考矢量的d分量和dvc的积分器的输入。dvc可以被配置为将d分量直接添加到dvc的输出并且经由增益而添加到dvc的积分器的输入。增益可以被设置为dvc的闭环带宽。增益可以备选地被设置为低估dvc的闭环带宽。增益还可以被设置为高估dvc的闭环带宽。
[0021]
avc可以被配置为将q分量直接添加到avc的输出，以及经由增益而添加到avc的积分器的输入。
[0022]
vsc控制系统还可以包括锁相环pll，锁相环pll被配置为使用交流总线电压矢量的q分量作为输入信号来调节vsc的交流总线电压。avc中的增益可以被设置为pll的闭环带宽。增益可以备选地被设置为低估pll的闭环带宽。增益还可以被设置为高估pll的闭环带宽。pll还可以被配置为在稳态下，将vsc的公共耦合点pcc的交流总线电压调节为实值。
[0023]
vsc控制系统通过将信号路径分别引入到avc和dvc的积分器中来补偿由pll以及可能由dvc添加的动力。因此不需要要求慢速pll的控制系统，从而也防止了控制系统中不需要的慢速瞬态。
[0024]
通常，除非本文另外明确定义，否则在权利要求中使用的所有术语将根据其在技术领域中的普通含义来解释。除非另外明确说明，否则对“一/一个/所述元件、设备、部件、方法、步骤等”的引用应被公开地解释为指代元件、设备、部件、方法、步骤等中的至少一个实例。除非明确说明，否则本文所公开的任何方法的步骤不必以所公开的准确顺序来执行。
附图说明
[0025]
现在通过示例参考附图来描述各方面和实施例，其中：
[0026]
图1是示意性图示了线路转换器的电压源转换器的电路图和框图的图；
[0027]
图2是示意性地图示了添加有ad信号路径的avc的实施例的图；
[0028]
图3是示意性地图示了添加有ad信号路径的dvc的实施例的图；
[0029]
图4是示意性地图示了对图2中所示的avc和图3中所示的dvc均有用的ad的示例的图；以及
[0030]
图5是示意性地图示了对图2中所示的avc和图3中所示的dvc均有用的ad的另一示例的图。
具体实施方式
[0031]
现在将在下文中参考附图来更全面地描述本公开的各方面，在附图中示出了本发明的某些实施例。
[0032]
然而，这些方面可以以许多不同的形式来呈现，并且不应被解释为限制性的；相反，这些实施例通过示例的方式提供，使得本公开将是透彻和完整的，并且将本发明的所有方面的范围完全传达给本领域技术人员。整篇说明书中，相同的附图标记指代相同的元件。
[0033]
如在us10170914中提出的，在电压源转换器(vsc)控制系统中使用慢速锁相环(pll)的有源阻尼器(ad)具有两个缺点。慢速pll引入了固有地缓慢消失的瞬态。此外，直流电压控制器(dvc)的影响与pll相似。理想情况下，(2)中的的d分量和q分量分别为：
[0034][0035]
通过分析vsc控制系统，可以发现和分别由dvc和pll动力以相似的方式影响。实际获得的参考分量包括以下的(3)的高通滤波：
[0036][0037]
其中α
d
和α
p
分别是dvc和pll闭环带宽，并且是dvc和交流电压控制器(avc)的贡献。因此，在需要补偿的频率范围内，即，在[0,ω
x
]内，这种补偿由在d信号路径和q信号路径中近似表现为一阶高通滤波器的效果而被抑制。
[0038]
(4)中的用于高通滤波器效果的参考分量的缺点可以通过以下方式来矫正。
[0039]
高通滤波器的逆被插入到ad(3)的分量中，以补偿为
[0040][0041]
其中dvc分量是而pll分量是
[0042]
这些逆分别是有效的pi控制器，和因此补偿涉及向已存在的比例(p)信号路径并行添加积分(i)信号路径。然而，由于存在结束的风险，不推荐甚至不可能在控制系统中插入其他积分器。信号可以替代地被路由到dvc和avc中已存在的积分器中，从而获得图2和图3所示的结构。
[0043]
图2中图示了图1的avc 1的细节，其中低通滤波器可以被应用于所接收的pcc电压信号v
p
的绝对值。经滤波的信号然后从参考电压v
ref
中被减去来形成误差信号。误差信号此后被提供给p信号路径和i信号路径。
[0044]
在i信号路径中，误差信号最初被放大，并且此后利用α’p
放大的来自ad的电流参考i
dref
的虚部i
q,dref
，被添加到经放大的误差，此后产生的信号被积分1/s。
[0045]
在p信号路径中，误差信号被放大，并且此后从p信号路径产生的信号、从i信号路径产生的信号以及来自ad的电流参考i
dref
的虚部i
q,dref
全部被相加在一起，以形成要被发送到cc的电流参考信号的虚部(q)。
[0046]
选择α’p
＝α
p
，即pll闭环带宽，直接补偿了pll的有害效应，而较大和较小的选择分别给出过补偿和欠补偿。
[0047]
参考v
ref
可能是恒定的，或者可能由反馈回路或多个反馈回路(图中未示出)来确定。
[0048]
图3中图示了图1的dvc 2的细节，其中低通滤波器可以被应用于所接收的直流总线电压信号v
d
。经滤波的信号然后从参考电压v
dref
中被减去，从而形成误差信号。误差信号此后被提供给p信号路径和i信号路径。
[0049]
在i信号路径中，误差信号最初被放大，并且此后利用α’d
放大的来自ad的电流参考i
dref
的实部i
d,dref
被添加到经放大的误差信号，此后产生的信号被积分1/s。
[0050]
在p信号路径中，误差信号被放大，并且此后从p信号路径产生的信号、从i信号路径产生的信号以及来自ad的电流参考i
dref
的实部i
d,dref
全部被相加在一起，以形成要被发送到cc的电流参考信号的实部(d)。
[0051]
选择α’d＝αd，即dvc闭环带宽，直接补偿了dvc的有害效应，而较大和较小的选择分别给出过补偿和欠补偿。
[0052]
根据本发明，从ad到avc和dvc的i路径的每个经放大的信号路径分别改进了vsc控制系统的稳定性。
[0053]
如图4中所示，ad对dvc 2的贡献可以从pcc电压v
pd
的实部(d)中减去参考电压v
ref
。然后在信号被发送到dvc 2之前，被减去的信号利用g
a
来放大。ad对avc 1的贡献在pcc电压的虚部(q)v
pq
被发送到avc 1之前，利用g
a
来放大pcc电压的虚部(q)v
pq
。原则上，g
a
的两个不同的值可以在两个信号路径中使用，但是使用相同的值通常是有利的。
[0054]
在图5中图示了ad 3的备选实施例。使用了与图4中相同的输入信号，但是d信号路径和q信号路径中的增益g
a
分别由滤波器g
add
(s)和滤波器g
aqq
(s)替换。此外，两个信号路径之间的交叉耦合由滤波器g
add
(s)和滤波器g
aqq
(s)引入。该实施例是图4的概括，因为它通过使得g
add
(s)＝g
aqq
(s)＝g
a
并且g
adq
(s)＝g
aqd
(s)＝0来简化为图4。
[0055]
已在有和没有本文提出的ad的情况下，模拟了从pcc看的，与短路比1.25的非常弱的感应电网连接的avc。电流和功率方向进入avc，其中有功功率参考增加(具有滞后)，即逆变器运算。在不具有ad的情况下，系统将不稳定，或者最多是非常接近不稳定。利用未经补偿的ad，可以获得稳定性，但稳定性裕度很低，这被视为低频振铃。将所提出的dvc和avc补偿添加到ad可以显著改进稳定性性质。
[0056]
参考图1至图5，提出了包括ad 3、dvc 2和avc 1的vsc控制系统的一个实施例。vsc控制系统被配置为控制vsc。
[0057]
avc 1被配置为通过计算针对vsc的电流参考矢量i
ref
的q分量，使用积分器1/s来调节vsc的交流总线电压v
ps
的大小。
[0058]
dvc 2被配置为通过计算电流参考矢量i
ref
的d分量，使用积分器1/s来调节vsc的直流总线电压v
d
。
[0059]
ad 3被配置为将交流总线电压与对应的参考之间的矢量差放大。经放大的矢量差的虚部(q)被添加到电流参考矢量的q分量和avc1积分器的输入。
[0060]
ad还可以被配置为将直流总线电压与对应的参考之间的矢量差放大。经放大的矢量差的实部(d)被添加到电流参考矢量的d分量和dvc的积分器的输入。d分量可以被直接添加到dvc的输出，并且经由增益α’d
而被添加到dvc的积分器的输入。
[0061]
增益α’d
可以被设置为dvc的闭环带宽。
[0062]
增益α’d
可以备选地被设置为低估或高估dvc的闭环带宽。
[0063]
avc可以被配置为将q分量直接添加到avc的输出，以及经由增益α’q
添加到avc的积分器的输入。
[0064]
vsc控制系统还可以包括pll 3，pll 3被配置为使用交流总线电压矢量的q分量作为输入信号来调节vsc的交流总线电压。pll可以被配置为在稳态下将交流总线电压调节为实值。
[0065]
增益α’q
可以被设置为pll的闭环带宽。
[0066]
增益α’q
可以被备选地设置为低估或高估pll的闭环带宽。
[0067]
以上已参考一些实施例及其示例主要描述了本公开的各方面。然而，如本领域技术人员容易理解的，在所附专利权利要求所限定的本发明的范围内，除以上所公开的实施例以外的其他实施例是同等可能的。