基于PR 控制的VSC－HVDC 系统仿真研究

王水彬，殷旺洲，王 一，韩金铜，康金良，卞海波，徐 晖，毕宏图

(1. 天津市电力公司 滨海供电分公司，天津300450;2. 北京供电公司，北京100078;3. 华能上安电厂，河北 石家庄050000)

0 引言

随着电力半导体技术，尤其是绝缘栅双极晶体管(IGBT)的快速发展，以全控型、可关断器件构成的电压源换流器以及PWM 控制技术为基础的VSC－HVDC 输电技术［1～2］得到了迅速发展。

VSC－HVDC 系统可独立调节有功、无功功率并且实现四象限运行、可以向无源网络供电，克服了传统HVDC 的本质缺陷，并且具有易于构成多端直流系统、不需要交流侧提供无功功率并能够起到STATCOM 的作用、不会增加系统的短路容量等优点［3～5］。VSC － HVDC 把HVDC 系统的优势扩展到整个配电网，拓宽了HVDC 在电力系统中的应用范围，且应用前景广阔。

本文首先阐述了传统双环PI 控制所存在的局限性，然后将PR 控制器引入到电流内环控制中，消除了传统PI 电网前馈补偿所带来的局限性。最后在PSCAD / EMTDC 仿真软件下进行了仿真验证。

1 PR 控制策略的提出

在VSC－HVDC 控制系统中，由于单环控制的抗扰动能力很弱，所以一般采用电压电流的双环控制方案［6～7］。而双环控制中电流内环一般采用电网前馈补偿的PI (比例积分)控制。PI 控制方法具有算法简单、可靠性高和易于实现的特点，因此广泛的应用于工业控制［8］。但是在静止坐标系下，常规的PI 控制对正弦参考电流存在零稳态误差，为此，将三相量经过dq 变换转换为直流量，进而使用PI 控制可以做到零稳态误差。但是采用在dq 旋转坐标系下的控制时，电流内环需要进行电压前馈补偿［9］，而电网前馈控制却存在着局限性:

(1)由于逆变器存在延时作用和非线性因素，逆变器在“复制”电网电压过程中引入了失真，影响前馈控制。因此前馈控制只能作用于电网电压引起的低频分量电流误差控制，谐波频率升高时前馈作用将随之降低。

(2)电压前馈控制的基础是电网电压的抵消效应，这依赖于交流电压幅值和相位的准确检测和反馈检测，也即依赖于逆变输入直流电压和交流电压的检测度。

(3)前馈控制仅仅在于减小电网电压引起的稳态误差，不能改变电流反馈PI 控制所存在的开环增益受限问题，因而对于减小系统本身跟踪给定量的稳态误差、抑制由逆变开关死区时间和其它非线性因素引起的电流谐波，以及增强系统的动态响应能力等没有作用。

为了解决上述问题，本文引入一种新型的控制器，即PR 控制器。该控制器可以在静止坐标系下实现跟踪正弦参考电流实现零稳态误差［10～12］。从而不需要电压前馈补偿，消除了电压前馈补偿的局限性。同时也省去了繁琐的abc－dq坐标变换的算法过程，优化了控制器的设计。

基于PR 控制器的传递函数表述如下:

式中:kp为比例系数;kr为谐振系数;ω0为谐振角频率。

经典的PI 控制器传递函数如下:

式中:kp为比例系数;ki为积分时间系数。

PI 控制器中，将基波角频率ω0代入公式(2)中得控制器的幅频特性为

可知，此为一个有限值，系统存在稳态误差。在VSC－HVDC 控制系统中，为了消除这个稳态误差，需要加入电网前馈补偿，但是电网前馈补偿会存在上述问题。

PR 控制器中，将基波角频率ω0代入式(1)可得控制器的幅频特性为

由公式可以看出，这个值是无穷大。因此，PR 控制器可以实现系统的零稳态误差，同时具有抗电网电压干扰的能力。

2 PR 控制器

图1 为两端联接有源网络的VSC －HVDC 系统结构图，在VSC －HVDC 系统中必须有一端控制直流电压，充当整个直流网络的有功功率平衡换流器;另一端的换流器作为功率控制器调节两个有源系统之间功率的传送。设图1 中VSC1 为功率控制端，采用定有功功率和定无功功率控制方式，VSC2 为电压控制控制端，采用定直流电压和定交流电压的控制方式。

图1 两端联接有源网络的VSC－HVDC 系统结构图Fig．1 System structure of VSC－HVDC connected active network of both ends

图2 和图3 分别为电压控制端采用PI 控制和PR 控制的原理框图。由图2 中可以看出，采用PI控制器需要将检测到的电压和电流信号均进行坐标旋转变换，计算过程十分繁琐。为实现d，q 轴电流的解耦，以提升系统的抗干扰能力，还需引入电网电压和电流状态反馈作为前馈补偿。而图3 中的PR 控制系统框图只需将检测得到的三相交流电流变换到两相静止坐标系下，与给定信号的偏差量作为PR 控制器的输入量，PR 控制器的输出做为电压控制指令，该指令转换成三相交流指令后，被送入PWM 调制单元生成PWM 信号送到VSC，从而控制功率器件的开断，产生实际所需的交流电压。

图2 电压控制端采用PI 器框图Fig．2 Voltage control terminal PI block diagram

因此，PR 控制方式省去了PI 控制下的电流及电压控制指令的坐标旋转变换，省去了耦合项和前馈补偿项，从而消除了电路参数和电网电压对系统控制的影响，减小了控制算法的实现难度，提高了系统鲁棒性。

图3 电压控制端采用PR 器框图Fig．3 Voltage control terminal PR block diagram

图4 功率控制端采用PR 器框图Fig．4 Power control terminal PR block diagram

采用PR 控制的功率控制端框图如图4 所示，图4 与图3 不同之处在于方式的产生不同，此由控制目标函数决定。

3 仿真实验及结果分析

3.1 仿真实验

为验证所提出控制策略的有效性，利用PSCAD/EMTDC 仿真软件建立如图1 所示的两端接有源网络VSC－HVDC 系统。交流系统1 侧的电压为13.8 kV，交流系统2 侧的电压为115 kV，容量为100 MVA，采用SPWM 调制方式，开关频率为2 000 Hz;，直流电容为500 μF，直流侧电压定值为120 kV。控制器参数如表1。

表1 控制器参数Tab．1 Controller parameters

(1)有功功率参考值不变。定有功功率侧有功功率参考值为40 MW，无功功率参考值均为0。交流电压的参考值为115 kV，直流电压参考值为120 kV。仿真结果如图5 所示。

图5 参考值不变情况下仿真波形Fig．5 Simulation waveform when reference value unchanged

(2)有功功率参考值改变。直流电压参考值为120 kV。定有功功率侧有功功率的参考值在2 s时由40 MW 改变为60 MW，无功功率参考值为0。仿真结果如图6 所示。

图6 有功功率参考值变化情况下仿真波形Fig．6 Simulation waveform when reference value of active power unchanged

(3)潮流反转。直流电压参考值为120 kV，在2 s 时潮流发生反转，即有功功率参考值值由60 MW 改变为－60 MW，无功功率参考值为0，仿真结果如图7 所示。

图7 潮流反转情形下仿真波形Fig．7 Simulation waveforms of trend flip case

3.2 结果分析

(1)通过仿真可以看到，该控制器能够在静止αβ 坐标系下实现零稳态误差控制。

(2)由图6 可知，有功功率参考值变化时，有功功率能够快速地跟踪参考值的变化而变化。并且直流电压的波动很小。

(3)由图7 可知，即使是潮流反转，有功功率和直流电压也能得到很好的控制。

4 结论

本文首先介绍了传统PI 控制的缺点，然后提出了一种PR 控制方式，并将其引入到电流内环控制中，该控制器消除了传统PI 电网前馈补偿所带来的问题。最后在PSCAD / EMTDC 仿真软件下进行了仿真验证，仿真结果表明，该控制器能够在静止αβ 坐标系下实现零稳态误差控制。在有功功率参考值和潮流反转的情况下，具有良好的动态特性。

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