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并网电压源变换器的功率同步控制
摘要：本文提出了一种新型的并网电压源变换器控制方法。该方法可以普遍应用于所有的并网vsc，但在高压直流(HVDC)应用中可能是最重要的。与以往的控制方法不同，该方法利用了交流系统的内部同步机制，在原理上与同步机的工作原理相似。通过使用这种类型的功率同步控制，VSC避免了标准的锁相环在弱的ac系统连接中造成的不稳定性。此外，与普通同步电机一样，VSC端子可以为弱交流系统提供强大的电压支持。通过分析模型和时间仿真验证了该控制方法的有效性。
关键词：控制，转换器，高压直流，锁相环，电力系统，稳定性
1 引言
基于脉宽调制(PWM)的电压源变换器(VSC)技术得到了广泛的应用在并网应用中，如带有PWM整流器的调速驱动(ASDs)、电能质量改善、风力涡轮机等。近年来，由于额定功率的逐步提高和成本的降低，高压直流输电也采用了此技术。与传统的基于闸流管的高压直流相比，VSC-HVDC具有许多技术优点:对交流系统的无功功率支持，连接到非常弱的交流系统的可能性，黑启动能力，以及更低的电缆成本，仅举几例。
本文提出了几种并网vsc的控制方法。其中，功率角控制和矢量电流控制是研究最多的两种控制方式。功角控制原理简单，易于实现。有功功率由VSC与交流系统之间的相位角位移控制，而无功功率由变VSC电压幅值控制。功率角控制已被研究用于高压直流、静止同步-时间补偿器(STATCOM)和风力涡轮机应用。功率角控制的一个缺点是控制带宽受电网谐振频率的限制，另一个缺点是，控制系统没有能力限制电流流入转换器。后者是一个严重的问题，因为vsc通常没有过流能力。在大功率应用中，为了防止变频器在受到干扰时被阻塞(跳闸)，控制阀电流是非常重要的。
矢量电流控制是一种基于电流控制的技术。因此，它可以自然地限制在干扰期间流入转换器的电流。矢量电流控制的基本原理是通过快速的内部电流控制回路对瞬时有功功率和无功功率进行独立控制。通过采用以电网电压为相位基准的分解技术，内部电流控制回路将电流解耦为和分量，外部回路利用和分量控制有功功率或直流电压，外部回路利用和分量控制无功功率或交流电压。由于其在ASDs、双馈风力发电机(DFIG)等领域的成功应用，矢量电流控制已成为当今几乎所有应用中并网vsc的主要控制方法。
有趣的是，由于VSC应用于高压直流的最初目的之一是它可以连接到非常弱的交流系统，而传统的基于晶闸管的高压直流不适用，所以基于矢量电流控制的VSC-HVDC在弱交流系统连接中遇到了一些困难。其中一个问题是典型的低频共振。这会干扰快速内部电流控制回路，从而限制VSC控制性能。另一个与锁相环有关。在几乎所有连接到交流系统的vsc中，PLL用于获得与交流系统的精确同步。长期以来，这一直被认为是任何并网VSC的先决条件。然而，一些研究表明，在弱交流系统连接中，锁相环的动态特性可能会对VSC-HVDC的性能产生负面影响。
本文提出了一种新的同步方法，即功率同步，作为常规锁相环的替代方案。在某些方面，功率同步控制类似于功率角控制，利用相位角和电压幅值直接控制有功功率和无功功率。然而，一个主要的区别是在功率同步控制中不需要锁相环。此外，该控制方法还解决了典型的功率角控制问题，如电网频率处的谐振峰和变换器过流限制等。事实上，后者类似于矢量电流控制。
论文组织如下。第二部分以一个小型电力系统为例说明了功率同步的概念，并提出了一种适用于VSCs的功率同步控制律。第三部分推导了有功功率与负载角、无功功率与电压幅值的传递函数。第四部分介绍了基于功率同步的整体控制器设计。第五部分，通过PSCAD中的VSC-HVDC链路模型，对所提出的控制设计和分析模型进行了验证。
2 功率同步的概念
A.同步机之间的功率同步机制
在本小节中，将介绍交流系统中同步机（SMs）之间的电源同步机制。该机制由一个简单的系统说明，该系统由两个相互连接的SM组成，如图1所示。它作为发电机运行，而作为电动机运行。电抗是SM的电抗与两个SM互连的电抗的总和。忽略所有电阻和其他阻尼效果。
最初，假设两个SM在稳定状态下运行。两个相量分别代表两个SM的内部电动势的线到线等效值。假定这些电动势在任何时候都是恒定的（即使在瞬态过程中）。从传输的电功率为
其中theta;是分隔两个电动势E1和E2的电角度。现在，SM1的机械扭矩Tm1在短时间内增加一定的量，然后恢复到其初始值。作为Tm1暂时增大的结果，SM1的转子的机械角前进，正如发电机模式摆动方程所预测的那样
其中J1是SM1轴系统的总惯量，omega;m1是转子速度，Te1是SM1的电磁转矩。由于同步电机的电动势紧密地连接到转子位置，因此，SM1的转子的机械角的提前不可避免地导致SM1的电动势的相位提前。由于E1的相位超前，两个SM的电动势之间的相位差增大。根据（2），这转化为从SM1到SM2传输的电功率的增加。功率的增加等于SM2的电磁转矩Te2的增加。假设SM2具有恒定的负载转矩Tm2，则SM2的转子开始加速，如
其中J2是SM2的轴系统的总惯性，omega;m2是SM2的机械角速度。随着SM2的转子开始加速，E2的相位也会发生相同的情况。E2相量的加速度导致两个SM的电动势之间的相位差减小。经过实际上涉及一定程度的阻尼的瞬变之后，两个SM的电动势之间的相位差又回到其初始值（作为传输的功率），并且系统再次处于稳定状态。
该示例显示，如果一个SM的电动势更改其角度位置，则另一个SM也会跟随以保持同步。所有电力系统专家都知道这种同步机制。但是，这里要进行的重要观察是，同步过程是通过瞬时功率传输来实现的。在互连的同步机器的大型系统中也出现了相同类型的同步。由于在矢量控制的VSC容易出现故障的情况下同步电机可以保持同步，因此建议基于同步过程的控制方法是有道理的，其中电力是通信介质。由于机械角速度是角位置的导数，因此（2）表示从转矩（或电功率）到角位置时的双重积分。即使具有相当大的阻尼，这种双积分固有地也会产生较差的相位裕度。因此，在下一个小节中，提出了一种基于功率同步的控制器，该控制器仅采用单个集成。
B. VSC的电源同步控制。
从前面小节的讨论中可以知道，交流系统中的SM通过功率同步即瞬态功率传输来保持同步。该功率传输涉及由互连网络确定的电流。通常，该电流是未知的。因此，如果应使用电源同步来控制VSC，则不能将其与需要已知电流基准的矢量电流控制器结合使用。如下所示，从VSC输出的有功功率直接由功率同步环路控制，而无功功率（或交流电压）则通过调整电压大小来控制。因此，内部电流环路不是必需的。唯一的例外是在严重的交流系统故障期间。在这种情况下，控制系统需要切换到电流控制模式，以防止转换器阀过电流。同时，使用备用PLL提供同步。第四节F中解决了此问题。现在提出了VSC的功率同步控制定律为
其中，Pref是有功功率的基准，P是从VSC测得的有功功率输出，Kp是控制器增益，∆theta;是控制器输出。如上所述，∆theta;直接为VSC提供同步。在正常运行期间，显然不需要额外的锁相环。使用功率同步控制的VSC的动态过程非常类似于互连的短消息。通过向前或向后移动VSC的输出电压相量来增加或减少发射功率。第四节详细描述了功率同步环路的设计。
提出的控制定律不是SM摆动方程的精确副本。在SM情况下，电角度相对于功率参考的变化涉及到调速器和涡轮转子动力学，而对于VSC，可通过简单的集成过程轻松实现。在图2中，示出了功率同步控制回路的框图。Jptheta;(s)是从∆theta;到∆P的交流系统传递函数。此传递函数在第III-A节中得出。
3 有功对负载角的传递函数和无功对电压幅度的传递
考虑一个交流系统，其中两个分别具有线电压E和V的节点通过线与电抗X互连。在稳态下，来自节点的电压为V的有功功率P和无功功率Q由众所周知的关系式给出
其中为两个节点之间的载荷角。有功功率与负荷角和无功功率与电压幅值是电力系统中两个最重要的动态关系。然而，由于历史原因和传统电力系统(电力电子设备的数量可以忽略不计)动态过程相对缓慢的原因，这两种动态关系常常使用所谓的准静态来分析方法用对(5)和(6)分别求偏微分。因此
准静态分析只适用于相对较慢的动态过程，并给出了定性的结果，因为方程中没有考虑网络电磁暂态。在分析电力电子器件等快速功率器件时，电磁暂态对其控制性能起着至关重要的作用。因此，需要更严格的数学传递函数。基于基尔霍夫电压定律和空间矢量理论，推导了有功功率随负载角的传递函数和无功功率随电压幅值的传递函数。图3展示了一个简化的VSC-ac系统连接，其中交流系统阻抗和VSC相电抗器被集中在一起，并用一个电感和一个电阻表示。给出了交流源电压和VSC电压的空间矢量
其中
定义为交流源的角同步频率。上标表示静止的参照系，即。，实轴与之对齐的参考系。因此，ac源的初始相位角为零，而VSC通过负载角来引导ac源。表示VSC的有功输出和无功输出，为VSC的交流矢量。
A由有功功率随负载角变化的传递函数
给出了VSC的电压控制规律
其中上标为转换器帧，即，旋转参照系，其轴与矢量对齐。式(11)是最简单的控制方式。物理上，它可以被解释为VSC简单地产生一个具有电压幅值的正弦波形。有功功率由功率同步律(4)通过使负载角向前或向后移动来控制。如果三相系统是对称的，则动态方程如图所示。可由基尔霍夫电压定律描述为
将式(12)转化为与轴对齐的旋转参照系。这是通过使用关系实现的
将(13)代入(12)，得到ac-源坐标系下的动态方程
转换器框架通过负载角领先于交流电源框架。如果忽略了开关时间延迟，并且假定不超过最大电压模量，则公式（14）可以组件形式编写。从而
使VSC的电压幅值保持恒定，即。如果（15）中的操作点用下标“0”表示，并且在操作点上和操作点周围添加小信号偏差部分，则发现
余弦和正弦函数线性化为
将（16）和（17）代入（15），仅保留偏差部分，即可得出（15）的线性化形式
根据数值模拟的经验忽略了其中的变化。通过对（18）进行拉普拉斯变换，对和的传递函数为
假设p.u.数量时，来自VSC的瞬时有功功率为
线性化（20）可得出有功功率偏差的表达式
或以组件形式
电流由下式给出
其中包含和组件
其中（23）中的阻力因简单而在（24）中被忽略。在大功率电子应用中，电阻通常很低，其影响往往可以忽略不计。乍一看，这并不意味着与（19）中的表达式和（19）中包含的表达式是一致的。然而，作为一个模拟电阻的高通电流控制器，我在后面介绍，保持在（19）中是有意义的。
在工作点处VSC电压矢量的和分量，可以表示为
电压偏差部分，并且可以由（14）导出。通过线性化并细分为实部和虚部，发现
也忽略了电阻，从而简化了表达式。将（19），（24），（25），（26）代入（22），得到有功功率与负载角的线性化动态关系为
其中
式（27）表明，通过功角控制，开环系统有一对位于左半平面的复极点
同样有趣的是，准静态（7）是（27）的一个特殊条件，如果并且在（27）中被替换。如果忽略（28）中的阻力。这意味着有两个对称的零点
极点只由电阻和电感决定。然而，系统零点的位置并不直接取决于系统的参数相反，和是决定性的数量的零的位置可以除以以下边界。
零点到达原点的边界。这相当于
在无穷远处有零的边界。这相当于
给出
具有实际零的边界。这相当于
给予
边界给出了零限制控制系统可实现带宽的程度，即使它不是“真实边界”。
图4显示了上述边界。对于连接到弱交流系统的VSC-HVDC，VSC的工作点可能在实际零点附近。如果忽略电阻，则有两个对称的零点，一个在左半平面（LHP），另一个在右半平面（RHP）。根据控制理论，LHP零点很容易被控制器补偿，但RHP中的LHP零点不容易被控制器补偿，后者总是表示一个额外的时间延迟。从图4可以清楚地看到VSC的负载角和电压大小如何影响零点的位置。基本上，较高的负载角和较高的VSC电压幅值对应于接近原点的零点，这意味着RHP零点向系统引入更多的时间延迟。通过跨越原点，也就是说，再也不可能通过负载角来控制有功功率，因为负载角增加将导致功率降低。
如前所述，在VSC-HVDC应用中，电阻通常很低。因此，（29）的电网频率谐振极以及交流系统中的其他谐振必须由控制系统阻尼。因此，将（11）中的电压控制律修改为
其中是由（37）描述的高通滤波器
通过使用（14）中的新电压控制律（36），发现新的有功功率与负载角传递函数包括
其中
图5中的Bode图显示了高通电流控制部分的阻尼效果，其基本上表现为“有源电阻”，为系统中的各种共振提供阻尼，但没有消耗能量。根据阻尼效应与相位裕度的折衷关系，选择了的参数。
通过分析功率同步环的传递函数，可以用它的开环传递函数来计算功率同步环的稳定裕度
图6示出PSL具有较低的带宽和较低的相位裕度以及较高
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