專利名稱：柔性直流輸電變流器的電流控制方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電力傳輸技術(shù)領(lǐng)域的電流控制方法及裝置，具體是一種海上 風(fēng)力發(fā)電電力傳輸?shù)娜嵝灾绷鬏旊娮兞髌鞯碾娏骺刂品椒把b置。
背景技術(shù)：
隨著海上風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模的日益擴(kuò)大，風(fēng)電場(chǎng)距離海岸的距離越來越遠(yuǎn)，容量也
提升到幾十乃至百萬千瓦。柔性直流輸電是一種以電壓源換流器(vsc)、絕緣柵
雙極晶體管(IGBT)和脈寬調(diào)制(P麗)技術(shù)為基礎(chǔ)地新型輸電技術(shù)，該技術(shù)具有可 向無源網(wǎng)絡(luò)供電、能實(shí)現(xiàn)輸電系統(tǒng)的有功功率和無功功率的獨(dú)立控制、無需額外 增加無功補(bǔ)償設(shè)備等優(yōu)點(diǎn)，符合海上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)長(zhǎng)距離輸電的要求，成為海上風(fēng) 電場(chǎng)聯(lián)網(wǎng)的首選技術(shù)。
采用傳統(tǒng)的高壓交流輸電系統(tǒng)將海上風(fēng)電場(chǎng)并入主電網(wǎng)的過程中，由于長(zhǎng)距 離海底交流電纜的分布電容作用導(dǎo)致電纜中的電容電流過大，而交流系統(tǒng)的無功 補(bǔ)償在海上難以實(shí)施，使得傳統(tǒng)的高壓交流輸電系統(tǒng)在海上風(fēng)電電力傳輸中無法 應(yīng)用。柔性直流輸電是一種以電壓源換流器、絕緣柵雙極晶體管和脈寬調(diào)制技術(shù) 為基礎(chǔ)地新型輸電技術(shù)，該技術(shù)具有可向無源網(wǎng)絡(luò)供電、能實(shí)現(xiàn)輸電系統(tǒng)的有功 功率和無功功率的獨(dú)立控制、無需額外增加無功補(bǔ)償設(shè)備等優(yōu)點(diǎn)，符合海上風(fēng)力 發(fā)電場(chǎng)長(zhǎng)距離輸電的要求，成為海上風(fēng)電場(chǎng)聯(lián)網(wǎng)的首選技術(shù)。海上風(fēng)電柔性直流 輸電變流器是海上風(fēng)電柔性直流輸電系統(tǒng)的關(guān)鍵裝置，主要作用是將風(fēng)電場(chǎng)交流 電能快速、準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)換為直流電能。在風(fēng)電場(chǎng)電壓穩(wěn)定的情況下，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)傳輸 功率的控制實(shí)際上是對(duì)風(fēng)電場(chǎng)輸出交流電流的控制，因此該部分的電流控制方法 及裝置決定了柔性直流輸電系統(tǒng)的性能指標(biāo)。
目前變流器的電流控制方法普遍采用間接電流控制方法，該方法通過P麗控 制，在變流器橋路交流側(cè)生成幅值相位受控的正弦P麗電壓；該P(yáng)謂電壓與交流 網(wǎng)側(cè)電動(dòng)勢(shì)共同作用于變流器交流側(cè)生成基波電流，諧波電流則由變流器網(wǎng)側(cè)電 感濾除。該方法通過控制橋路P麗電壓來間接地控制交流側(cè)輸出電流，因此有動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢，對(duì)參數(shù)敏感的缺點(diǎn)。針對(duì)間接電流控制的不足，有人提出了采用網(wǎng)側(cè) 電流閉環(huán)控制的直接電流控制方法，提高網(wǎng)側(cè)電流的動(dòng)、靜態(tài)性能。
經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)，Marian P， Kazmierkowski等人在IEEE Transactions on Industrial Electronics 上所發(fā)表的 Current Control Techniques for Three-Phase Voltage-Source P麵Converters (三相電壓源 P麗變流器電流控制技術(shù))，提出了四種采用網(wǎng)側(cè)電流閉環(huán)控制的直接電流控制 方法，可將這四種直接電流控制方法歸結(jié)為固定開關(guān)頻率P麗電流控制和滯環(huán)電 流P麗控制這兩類。其中，固定開關(guān)頻率P麗電流控制的物理意義清晰，實(shí)現(xiàn)方 便，由于開關(guān)頻率固定，因而網(wǎng)側(cè)變壓器及濾波電感設(shè)計(jì)較容易，并且有利于限 制開關(guān)損耗。但該方法的主要缺點(diǎn)是，在開關(guān)頻率不高的條件下，電流動(dòng)態(tài)響應(yīng) 較慢，且電流動(dòng)態(tài)偏差隨電流變化率而相應(yīng)地變化。相比之下，滯環(huán)PBl電流控 制則具有較快的電流響應(yīng)速度，且電流動(dòng)態(tài)偏差由滯環(huán)寬度確定。但該方案的主 要不足體現(xiàn)在開關(guān)頻率隨電流變化率的波動(dòng)而變化，造成網(wǎng)側(cè)濾波電感設(shè)計(jì)困 難，功率開關(guān)管應(yīng)力及開關(guān)損耗增大。針對(duì)海上風(fēng)電柔性直流輸電變流器的大功 率應(yīng)用場(chǎng)合，要求電流控制的動(dòng)、靜態(tài)響應(yīng)迅速，開關(guān)頻率不宜太高，并且應(yīng)盡 可能地保持開關(guān)頻率固定，以減少開關(guān)應(yīng)力及開關(guān)損耗。因此這兩類直接電流控 制方法都難以直接應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種柔性直流輸電變流器的電 流控制方法及裝置。本發(fā)明采用了一種滯環(huán)寬度力可調(diào)的滯環(huán)比較器，將電流偏 差A(yù)i和滯環(huán)寬度力相比較，當(dāng)電流偏差A(yù)i超越滯環(huán)寬度力時(shí)，滯環(huán)比較器輸出 開關(guān)信號(hào)改變變流器橋路開關(guān)管狀態(tài)以減小電流偏差A(yù)人從而達(dá)到電流跟蹤控制 的目的；同時(shí)引入開關(guān)頻率閉環(huán)控制，通過動(dòng)態(tài)調(diào)整滯環(huán)寬度力來控制滯環(huán)比較 器輸出開關(guān)信號(hào)的相位及周期等于一個(gè)固定時(shí)鐘信號(hào)的相位和周期，使得開關(guān)信 號(hào)的頻率為一固定值。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的-
本發(fā)明所涉及的柔性直流輸電變流器的電流控制方法，包括如下步驟 第一步，檢測(cè)風(fēng)電場(chǎng)交流網(wǎng)側(cè)電壓及電流，并計(jì)算有功功率八無功功率ft 第二步，將有功功率A無功功率^與其相應(yīng)參考值/^,、 ^f比較后，經(jīng)PI調(diào)節(jié)器計(jì)算獲得有功—電流指令值i/與無功電流i/指令值；
第三步，將電流指令值i/、 i/經(jīng)兩項(xiàng)旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系到三相靜止abc坐標(biāo)系 的坐標(biāo)變換后，獲得三相電流指令值厶、J'二 J'/，將其與第一步檢測(cè)得到的網(wǎng) 側(cè)電流實(shí)際值力、厶、厶比較，獲得三相電流偏差信號(hào)」厶、j厶、」厶；
第四步，每相滯環(huán)比較器分別將各相電流偏差與各自的滯環(huán)寬度比較后輸出 開關(guān)信號(hào)；
第五步，將每相的開關(guān)信號(hào)《及一固定時(shí)鐘信號(hào)/;輸入到各自的滯環(huán)寬度
估計(jì)電路，得到各相滯環(huán)寬度的估計(jì)值A(chǔ);
第六步，每相各采用一個(gè)PLL鎖相環(huán)相位控制電路檢測(cè)其開關(guān)信號(hào)與一固定 時(shí)鐘信號(hào)的相位差0，經(jīng)PI調(diào)節(jié)器計(jì)算后得到滯環(huán)寬度的修正值A(chǔ);
第七步，將各相滯環(huán)寬度的估計(jì)值/t與修正值力p相加后獲得實(shí)際滯環(huán)寬度 值力，并反饋到各自的滯環(huán)比較器，控制其輸出開關(guān)信號(hào)的頻率為一固定值。結(jié) 束后，進(jìn)行下一次采樣計(jì)算。第二步所述的經(jīng)PI調(diào)節(jié)器計(jì)算獲得有功電流指令值i/與無功電流i'/指令 值，當(dāng)被控電流跟蹤其電流指令值時(shí)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)變流器傳輸有功功率的控制，以 及對(duì)風(fēng)電場(chǎng)無功功率的補(bǔ)償。
第四步所述的滯環(huán)比較器是一種可變滯環(huán)寬度的滯環(huán)比較器，它采用變限幅 電路，通過直接改變比較器輸出限幅來改變滯環(huán)寬度力。
第五步所述的固定時(shí)鐘信號(hào)，是一個(gè)占空比為1/2，頻率、周期固定不變的 單位方波信號(hào)。以該信號(hào)的頻率做為開關(guān)頻率的參考值，控制開關(guān)信號(hào)的相位和 周期與該方波信號(hào)的相位和周期相等，便可實(shí)現(xiàn)開關(guān)頻率的固定。
第五步所述的滯環(huán)寬度估計(jì)電路的目的是為了通過估計(jì)滯環(huán)寬度的大小來 控制開關(guān)周期穩(wěn)定為固定參考值，其原理是由滯環(huán)寬度與開關(guān)周期關(guān)系式-
;4丄"7; t; 乂
式中，r,i/z;為開關(guān)信號(hào)周期的參考值(也即固定時(shí)鐘周期)；tt。為直流側(cè)
電壓值；Z為變流器交流電感值；e"為交流側(cè)電壓標(biāo)幺值；7>1/《為開關(guān)信號(hào)周 期的檢測(cè)值。
第六步所述的PLL鎖相環(huán)相位控制電路通過修正滯環(huán)比較器的滯環(huán)寬度，使得開關(guān)信號(hào)的相位與固定時(shí)鐘信號(hào)的相位保持同相。這種修正作用彌補(bǔ)了第五步 所述的滯環(huán)寬度估計(jì)的不足，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。第五步所述的滯環(huán)寬度估計(jì)電路與第六步所述的PLL鎖相環(huán)相位控制電路 并行處理，共同構(gòu)成開關(guān)頻率的閉環(huán)控制，在實(shí)現(xiàn)直接電流控制快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)同 時(shí)，保證了開關(guān)頻率的固定。本發(fā)明所涉及的柔性直流輸電變流器的電流控制裝置，包括交流電壓及電流 傳感器、DSP數(shù)字信號(hào)處理器、功率計(jì)算模塊、坐標(biāo)變換模塊、滯環(huán)比較器、滯 環(huán)寬度估計(jì)電路、低通濾波器、PLL鎖相環(huán)控制電路，其中交流電壓、電流傳感器檢測(cè)變流器交流網(wǎng)側(cè)三相電壓值及電流值，AD變換 后經(jīng)數(shù)字通道輸入DSP處理器；DSP處理器內(nèi)部的功率計(jì)算模塊通過電壓、電流的檢測(cè)值可計(jì)算出變流器交 流側(cè)的有功功率P和無功功率ft將其與相應(yīng)參考值/^八0^比較后獲得功率差 值，功率差值經(jīng)DSP內(nèi)部數(shù)字PI調(diào)節(jié)計(jì)算后得到有功電流指令值i/和無功電流 指令值人'，傳輸至內(nèi)部坐標(biāo)變換模塊；坐標(biāo)變換模塊將兩相電流指令值i/、 i/轉(zhuǎn)換為三相電流指令值i二廣、C 并將其與三相電流值厶、厶、人進(jìn)行比較，得到三相電流偏差值；DSP處理器將三相電流偏差值經(jīng)DA變換后以模擬信號(hào)形式輸出至滯環(huán)比較器；滯環(huán)比較器將電流偏差信號(hào)與滯環(huán)寬度比較后，輸出開關(guān)信號(hào)作用于變流器橋臂；同時(shí)滯環(huán)比較器輸出的開關(guān)信號(hào)與固定時(shí)鐘信號(hào)共同輸入至滯環(huán)寬度估計(jì) 電路，經(jīng)低通濾波器濾波后得到滯環(huán)寬度的估計(jì)值力sPLL鎖相環(huán)相位控制電路通過檢測(cè)開關(guān)信號(hào)與固定時(shí)鐘信號(hào)間的相位差0， 經(jīng)PI調(diào)節(jié)器計(jì)算后得到滯環(huán)寬度的修正值A(chǔ);上述滯環(huán)寬度的估計(jì)值A(chǔ)與修正 值A(chǔ)相加后產(chǎn)生滯環(huán)寬度實(shí)際值力，將力反饋給滯環(huán)比較器，形成開關(guān)信號(hào)頻率 的閉環(huán)控制。其中所述的滯環(huán)比較器采用可變滯環(huán)寬度的變限幅比較電路，通過直接改變比較 器輸出限幅來改變滯環(huán)寬度力，這樣力越大輸出開關(guān)信號(hào)的頻率越低。所述的滯環(huán)寬度估計(jì)電路采用一個(gè)單穩(wěn)態(tài)振蕩器，開關(guān)信號(hào)頻率《控制振蕩器輸出的脈沖周期為a,固定時(shí)鐘信號(hào)頻率《控制其輸出脈沖的寬度大小，當(dāng)
7;〉7;時(shí)無法達(dá)到脈寬調(diào)整，因此引入滯環(huán)寬度力的檢測(cè)增益iAr(其中ah)。這 樣單穩(wěn)態(tài)振蕩器輸出的脈沖周期為7;，脈沖的寬度為at;(小于7;)。該脈沖信號(hào) 用于控制一個(gè)模擬開關(guān)，通過占空比n/7;來調(diào)節(jié)滯環(huán)寬度的估計(jì)值a。
所述的低通濾波器與滯環(huán)寬度估計(jì)電路電路串聯(lián)，用于濾除滯環(huán)寬度估計(jì)值 ^中的的高頻擾動(dòng)分量，提高抗系統(tǒng)的抗干擾能力。
所述的pll鎖相環(huán)控制電路由pll相位檢測(cè)電路和一個(gè)pi調(diào)節(jié)器組成，作
用對(duì)象為滯環(huán)比較器，用于檢測(cè)開關(guān)信號(hào)與固定時(shí)鐘信號(hào)之間的相位差0,然 后通過pi調(diào)節(jié)器輸出滯環(huán)寬度的修正值力p。
根據(jù)本發(fā)明方法，只需要進(jìn)行一次坐標(biāo)變換就可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)交流側(cè)有功功
率和無功功率的獨(dú)立控制；采用固定頻率滯環(huán)比較的方法，只需對(duì)有功功率、無
功功率進(jìn)行計(jì)算便獲得有功電流和無功電流指令值，而不需要對(duì)電流跟蹤做任何
數(shù)字計(jì)算，減少了dsp處理器的計(jì)算量和存儲(chǔ)空間，提升了整個(gè)系統(tǒng)的效率；采 取開關(guān)頻率閉環(huán)的控制方法，在保留原有滯環(huán)電流控制快速、連續(xù)、準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn) 的前提下，固定了開關(guān)頻率，減少了功率管的開關(guān)應(yīng)力和損耗。
將本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)比較，在相同的開關(guān)頻率和工作條件下，本發(fā)明結(jié)構(gòu)控
制的電流跟蹤響應(yīng)時(shí)間比固定開關(guān)頻率p觀電流控制結(jié)構(gòu)的電流響應(yīng)時(shí)間縮短 了30%;穩(wěn)態(tài)時(shí)，實(shí)際電流與電流指令值之間的誤差在±2.4%，其精度較固定 開關(guān)頻率p麗電流控制中的電流pi調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)提高了近一倍；網(wǎng)側(cè)電流諧波小， 相電流的諧波總畸變thd < 3.1%。在與滯環(huán)電流p麗控制結(jié)構(gòu)相同的電流響應(yīng) 速度和電流跟蹤精度條件下，本發(fā)明結(jié)構(gòu)中滯環(huán)比較器輸出的開關(guān)信號(hào)頻率穩(wěn)定 在100±0. 1%范圍內(nèi)；而滯環(huán)電流p麗控制結(jié)構(gòu)中滯環(huán)比較器輸出的開關(guān)信號(hào) 的頻率在30% 170%之間波動(dòng)。本發(fā)明還適用于海上風(fēng)電發(fā)電容量大到百萬千 瓦的電力傳輸。


圖l是本發(fā)明的方法流程圖2是柔性直流輸電變流器的主電路及本發(fā)明控制裝置的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3是本發(fā)明裝置中單相定頻滯環(huán)電流控制的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4是本發(fā)明裝置中可變寬度滯環(huán)比較器的示意圖；圖5是本發(fā)明裝置中滯環(huán)寬度估計(jì)電路的示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案 為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù) 范圍不限于下述的實(shí)施例。圖1所示為本發(fā)明的方法流程圖，包括如下步驟第一步，檢測(cè)風(fēng)電場(chǎng)交流網(wǎng)側(cè)電壓及電流，并計(jì)算有功功率八無功功率"第二步，將有功功率尸、無功功率。與其相應(yīng)參考值/^、 。^比較后，經(jīng)PI 調(diào)節(jié)器計(jì)算獲得有功電流指令值i/與無功電流i/指令值；第三步，將電流指令值i/、 i/經(jīng)兩相旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系到三相靜止abc坐標(biāo)系 進(jìn)行坐標(biāo)變換后，獲得三相電流指令值厶、厶 厶 再與第一步檢測(cè)得到的風(fēng) 電場(chǎng)交流網(wǎng)側(cè)電流實(shí)際值厶、厶、厶比較，獲得三相電流偏差信號(hào)」厶、4厶、^厶；第四步，每相滯環(huán)比較器分別將各相電流偏差與各自的滯環(huán)寬度比較后輸出 開關(guān)信號(hào)；第五步，將每相的開關(guān)信號(hào)《及一固定時(shí)鐘信號(hào)《輸入到各自的滯環(huán)寬度 估計(jì)電路，得到各相滯環(huán)寬度的估計(jì)值力K第六步，每相各采用一個(gè)PLL鎖相環(huán)相位控制電路檢測(cè)其開關(guān)信號(hào)與一固定 時(shí)鐘信號(hào)的相位差0，經(jīng)PI調(diào)節(jié)器計(jì)算后得到滯環(huán)寬度的修正值A(chǔ);第七步，將各相滯環(huán)寬度的估計(jì)值A(chǔ)與修正值A(chǔ)相加后獲得實(shí)際滯環(huán)寬度 值力，并反饋到各自的滯環(huán)比較器，控制其輸出開關(guān)信號(hào)的頻率為一固定值。結(jié) 束后，再進(jìn)行下一次采樣計(jì)算。單次采樣計(jì)算流程，可實(shí)現(xiàn)功率、電流、開關(guān)頻率的三個(gè)閉環(huán)控制；滯環(huán)寬 度估計(jì)和PLL鎖相環(huán)相位控制實(shí)現(xiàn)并行處理，既提高了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，也提 高了電流控制的響應(yīng)速度；同時(shí)，開關(guān)頻率的閉環(huán)控制將開關(guān)頻率固定在一個(gè)給 定值實(shí)現(xiàn)固定頻率滯環(huán)電流的控制。如圖2所示，柔性直流輸電變流器的主電路結(jié)構(gòu)及本發(fā)明控制裝置的結(jié)構(gòu)， 其中柔性直流輸電變流器的主電路結(jié)構(gòu)包括風(fēng)電場(chǎng)三相網(wǎng)側(cè)電動(dòng)勢(shì)(ft、 &、 &)、交流濾波電感Z和三相等效電阻^組成變流器的交流網(wǎng)側(cè)電路；6只IGBT橋路開關(guān)(&, A=l 6)、 6只反向并聯(lián)續(xù)流二極管(KA， A=l 6)組成變流 器三相全控橋。
變流器三相橋路直流側(cè)經(jīng)海底電纜接到岸上受端變流器，同時(shí)，直流側(cè)并聯(lián) 濾波電容C(采用兩個(gè)電容值為2C的電容串聯(lián)以及中性點(diǎn)接地連接方式，使得 中性點(diǎn)電壓無波動(dòng)，提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性)。柔性直流輸電系統(tǒng)的直流側(cè)電壓 的穩(wěn)定性由岸上變流器的定直流電壓控制實(shí)現(xiàn)，因此，可將岸上變流器端等效為 一個(gè)穩(wěn)定的直流電動(dòng)勢(shì)。
所述的交流濾波電感Z、三相全控橋和直流濾波電容C對(duì)輸電系統(tǒng)的作用和 影響為
(1) 交流濾波電感VSC正常工作時(shí)，能量在交流網(wǎng)側(cè)和整流橋之間流動(dòng)， 部分能量存儲(chǔ)在電感上，然后通過整流橋釋放到直流側(cè)，實(shí)現(xiàn)PWM變流。電感是
保證三相vsc正常運(yùn)行的必要條件。
(2) 三相全控橋快速切換功率開關(guān)來產(chǎn)生交流側(cè)電壓，控制其基波的大小
和相位，從而獲得所期望的交流側(cè)電流和功率。
(3) 直流濾波電容為電壓型P麗變流器主要采用的元件。其作用是穩(wěn)定直
流側(cè)電壓，濾除直流電壓脈動(dòng)成分，保證變流器正常工作。三相vsc輸出直流母
線電壓中的"次諧波會(huì)經(jīng)過PWM調(diào)制后在網(wǎng)側(cè)輸入電流中產(chǎn)生/7+l次諧波，所
以，直流濾波電容也有助于減小輸入電流諧波的作用。
本發(fā)明控制裝置包括交流網(wǎng)側(cè)電壓及電流檢測(cè)傳感器、功率計(jì)算模塊、坐 標(biāo)變換模塊、單相定頻滯環(huán)控制模塊和開關(guān)驅(qū)動(dòng)，其中
所述的交流電壓、電流傳感器，采用瑞士LEM公司的非接觸式霍爾型電壓、
電流傳感器，用于檢測(cè)變流器交流網(wǎng)側(cè)的三相電壓、電流值。
所述的DSP處理器，是控制系統(tǒng)的核心控制單元，內(nèi)部編程實(shí)現(xiàn)功率計(jì)算模 塊、數(shù)字PI調(diào)節(jié)器和坐標(biāo)變換模塊。
所述的功率計(jì)算模塊，其原理是由公式P二"cos^、 2 = e/Sin^，其中e為
相電壓有效值；i為相電流有效值；5為電壓滯后于電流的相位差。
所述的坐標(biāo)變換模塊是兩相旋轉(zhuǎn)d-q坐標(biāo)系到三相靜止abc坐標(biāo)系的等量坐 標(biāo)變換模塊，用于將兩相電流的指令值i/、 i/變換為三相電流的指令值i7、廣、 i二其變換關(guān)系式如下<formula>formula see original document page 12</formula>
式中"為電流矢量與d軸間的夾角。
功率計(jì)算模塊、坐標(biāo)變換模塊由DSP處理器內(nèi)部編程實(shí)現(xiàn)。功率計(jì)算模塊通
過公式計(jì)算后得到有功功率值,和無功功率值。;將其分別與有功功率參考值尸w
和無功功率。w參考值比較后經(jīng)數(shù)字PI調(diào)節(jié)計(jì)算后得到有功功率指令值力'和無
功功率指令值《；通過兩相旋dq轉(zhuǎn)坐標(biāo)系到三相靜止abc坐標(biāo)系的坐標(biāo)變換模 塊計(jì)算后可得三相電流指令值i/、力\厶 在單相定頻滯環(huán)電流跟蹤控制作用 下，滯環(huán)比較器可輸出三相開關(guān)信號(hào)5L、 &、 &通過開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路改變變流器三 相橋路的開關(guān)狀態(tài)，使得三相電流值厶、厶、厶迅速跟隨其指令值i/、廣、厶'， 消除電路偏差^1厶、」厶、」厶，實(shí)現(xiàn)海上風(fēng)電柔性直流變流器控制風(fēng)電場(chǎng)有功功率
A無功功率。與其相應(yīng)參考值&/、 a^之間的無靜差跟隨控制。
下面結(jié)合附圖3、附圖4和附圖5，以本發(fā)明方法和裝置實(shí)現(xiàn)單相定頻滯環(huán) 電流跟蹤控制的應(yīng)用為例，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述(單相分析 時(shí)相應(yīng)參量省略下角標(biāo)a、 b、 c)。
如圖3所示的單相定頻滯環(huán)電流控制結(jié)構(gòu)，包括了滯環(huán)比較器、滯環(huán)寬度估 計(jì)電路和PLL鎖相環(huán)相位控制電路。它用于輸出固定頻率的開關(guān)信號(hào)，通過變流 器橋路作用將電流偏差^li控制在滯環(huán)寬度力內(nèi)。當(dāng)開關(guān)頻率遠(yuǎn)大于電網(wǎng)頻率時(shí)， 可近似認(rèn)為一個(gè)開關(guān)周期7;內(nèi)電網(wǎng)電動(dòng)勢(shì)e恒定不變。若定義e"-2e/f^可推導(dǎo)
出7; 二4/2丄/f^(1-《)。其中乃為開關(guān)周期；Z為交流網(wǎng)側(cè)電抗值；tt。為直流 側(cè)電壓值。
可以看出，若滯環(huán)寬度力固定，而e。變化，則P麗開關(guān)周期一定變化。為了 使開關(guān)周期頻率不變，引入一個(gè)固定不變的參考基準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)，其頻率為《，
周期為7;。當(dāng)開關(guān)信號(hào)的周期/;二7;時(shí)，可得/^ ; ;(1—《)/4丄。顯然控制滯環(huán) 寬度力可以保持開關(guān)信號(hào)頻率
如圖4所示為可變寬度滯環(huán)比較器的示意圖，采用一個(gè)變限幅電路，通過直
接改變比較器輸出限幅就可以改變滯環(huán)寬度力，實(shí)現(xiàn)滯環(huán)寬度可控的滯環(huán)比較器，該電路力越大開關(guān)信號(hào)頻率《越低。
對(duì)于單相橋臂的固定頻率滯環(huán)電流控制，要使得開關(guān)頻率《等于一給定的固 定時(shí)鐘頻率/;，其滯環(huán)寬度力的控制應(yīng)從兩方面考慮 一方面，應(yīng)控制力使得開
關(guān)信號(hào)的周期y;與固定基準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)的周期7;相等；另一方面，應(yīng)控制力使得
開關(guān)信號(hào)的脈沖序列與固定基準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)脈沖序列的相位相等，也即相位差0=0。
所述的控制滯環(huán)寬度力使得開關(guān)信號(hào)的周期7;與固定基準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)的周期 t;相等，是通過圖5所示的本發(fā)明裝置中滯環(huán)寬度估計(jì)電路來實(shí)現(xiàn)的。所述的控
制滯環(huán)寬度力使得開關(guān)信號(hào)的脈沖序列與固定時(shí)鐘信號(hào)脈沖序列的相位差^二 o，是通過圖3中上方虛線框內(nèi)的pll鎖相環(huán)相位控制電路來實(shí)現(xiàn)的。 以下詳細(xì)闡述這兩個(gè)電路的
具體實(shí)施例方式
如圖5所示為本發(fā)明裝置中滯環(huán)寬度估計(jì)電路的示意圖，采用一個(gè)單穩(wěn)態(tài)蕩器，開關(guān)頻率/;控制其輸出的脈沖周期為7;，固定時(shí)鐘頻率/;控制其輸出脈 沖的寬度t;?？紤]到7;〉/;時(shí)無法實(shí)現(xiàn)脈寬控制，引入滯環(huán)寬度力的檢測(cè)增益
7/r(其中f〈7)。這樣單穩(wěn)態(tài)振蕩器輸出的脈沖周期為7;，脈沖的寬度為,7X7;。
該脈沖信號(hào)用于控制一個(gè)模擬開關(guān)，通過占空比,/;/7;來調(diào)節(jié)滯環(huán)寬度的估計(jì)值 力"圖中的濾波器采用低通濾波器，用于中的濾除滯環(huán)寬度的估計(jì)值/t高頻擾動(dòng)， 提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。將滯環(huán)寬度的估計(jì)值^反饋給滯環(huán)比較器從而形成一個(gè)周期的 閉環(huán)控制，使得滯環(huán)比較器輸出的開關(guān)信號(hào)周期穩(wěn)定在r"增加了整個(gè)系統(tǒng)的大 范圍穩(wěn)定性。
所述的pll鎖相環(huán)相位控制電路由pll相位檢測(cè)電路和一個(gè)pi調(diào)節(jié)器組成，
作用對(duì)象為滯環(huán)比較器，用于檢測(cè)開關(guān)信號(hào)與固定時(shí)鐘頻率信號(hào)之間的相位差 0，然后通過pi調(diào)節(jié)器輸出滯環(huán)寬度的修正值力p。將滯環(huán)寬度的修正值A(chǔ)與估 計(jì)值^相加后得到實(shí)際滯環(huán)寬度力輸入到滯環(huán)比較器，從而形成一個(gè)相位的閉環(huán)
控制，使得相位差0 = 0。
權(quán)利要求
1.一種柔性直流輸電變流器的電流控制方法，其特征在于，包括以下步驟第一步，檢測(cè)風(fēng)電場(chǎng)交流網(wǎng)側(cè)電壓及電流，并計(jì)算有功功率P、無功功率Q；第二步，將有功功率P、無功功率Q與其相應(yīng)參考值Pref、Qref比較后，經(jīng)PI調(diào)節(jié)器計(jì)算獲得有功電流指令值id*與無功電流iq*指令值；第三步，將電流指令值id*、iq*經(jīng)兩項(xiàng)旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系到三相靜止abc坐標(biāo)系的坐標(biāo)變換后，獲得三相電流指令值ia*、ib*、ic*，將其與第一步檢測(cè)得到的網(wǎng)側(cè)電流實(shí)際值ia、ib、ic比較，獲得三相電流偏差信號(hào)Δia、Δib、Δic；第四步，每相滯環(huán)比較器分別將各相電流偏差與各自的滯環(huán)寬度比較后輸出開關(guān)信號(hào)；第五步，將每相的開關(guān)信號(hào)fs及一固定時(shí)鐘信號(hào)fr輸入到各自的滯環(huán)寬度估計(jì)電路，得到各相滯環(huán)寬度的估計(jì)值hr；第六步，每相各采用一個(gè)PLL鎖相環(huán)相位控制電路檢測(cè)其開關(guān)信號(hào)與一固定時(shí)鐘信號(hào)的相位差φ，經(jīng)PI調(diào)節(jié)器計(jì)算后得到滯環(huán)寬度的修正值hp；第七步，將各相滯環(huán)寬度的估計(jì)值hr與修正值hp相加后獲得實(shí)際滯環(huán)寬度值h，并反饋到各自的滯環(huán)比較器，控制其輸出開關(guān)信號(hào)的頻率為一固定值，結(jié)束后，進(jìn)行下一次采樣計(jì)算。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性直流輸電變流器的電流控制方法，其特征是， 第二步所述的經(jīng)PI調(diào)節(jié)器計(jì)算獲得有功電流指令值i/與無功電流i/指令值，當(dāng) 被控電流跟蹤其電流指令值時(shí)，實(shí)現(xiàn)變流器傳輸有功功率的控制以及對(duì)風(fēng)電場(chǎng)無 功功率的補(bǔ)償。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性直流輸電變流器的電流控制方法，其特征是， 第四步所述的滯環(huán)比較器是采用變限幅電路實(shí)現(xiàn)的可變滯環(huán)寬度的滯環(huán)比較器。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性直流輸電變流器的電流控制方法，其特征是， 第五步所述的固定時(shí)鐘信號(hào)，是一個(gè)占空比為1/2，頻率、周期固定不變的單位 方波信號(hào)，以該信號(hào)的頻率做為開關(guān)頻率的參考值，控制開關(guān)信號(hào)的相位和周期 與該方波信號(hào)的相位和周期相等，實(shí)現(xiàn)開關(guān)頻率的固定。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性直流輸電變流器的電流控制方法，其特征是，第五步所述的滯環(huán)寬度估計(jì)電路通過估計(jì)滯環(huán)寬度的大小來控制開關(guān)周期穩(wěn)定 為固定參考值，第六步所述的PLL鎖相環(huán)相位控制電路通過修正滯環(huán)比較器的滯 環(huán)寬度，使得開關(guān)信號(hào)的相位與固定時(shí)鐘信號(hào)的相位保持同相，第五步所述的滯 環(huán)寬度估計(jì)電路與第六步所述的PLL鎖相環(huán)相位控制電路共同構(gòu)成開關(guān)頻率的 閉環(huán)控制，在實(shí)現(xiàn)直接電流控制快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)同時(shí)，保證了開關(guān)頻率的固定。
6. —種柔性直流輸電變流器的電流控制裝置，其特征在于包括交流電壓 及電流傳感器、DSP數(shù)字信號(hào)處理器、功率計(jì)算模塊、坐標(biāo)變換模塊、滯環(huán)比較 器、滯環(huán)寬度估計(jì)電路、低通濾波器、PLL鎖相環(huán)控制電路，其中交流電壓、電流傳感器檢測(cè)變流器交流網(wǎng)側(cè)電壓、電流，AD轉(zhuǎn)換后經(jīng)數(shù)字 通道將三相電壓值及電流值輸入DSP處理器；DSP處理器內(nèi)部的功率計(jì)算模塊計(jì)算出有功功率和無功功率后經(jīng)內(nèi)部數(shù)字 PI調(diào)節(jié)器計(jì)算出有功電流指令值和無功電流指令值，并傳輸至坐標(biāo)變換模塊；坐標(biāo)變換模塊將兩相電流指令值轉(zhuǎn)換為三相電流指令值，將其與三相電流檢 測(cè)值進(jìn)行比較，得到三相電流偏差值；DSP處理器將三相電流偏差值經(jīng)DA變換后以模擬信號(hào)形式輸出至滯環(huán)比較器；滯環(huán)比較器輸出開關(guān)信號(hào)作用于變流器三相橋臂，同時(shí)滯環(huán)比較器輸出的開 關(guān)信號(hào)與固定時(shí)鐘信號(hào)共同輸入至滯環(huán)寬度估計(jì)電路經(jīng)低通濾波器濾波后得到滯環(huán)寬度的估計(jì)值；PLL鎖相環(huán)相位控制電路檢測(cè)開關(guān)信號(hào)的相位以及固定時(shí)鐘信號(hào)的相位，并 通過其相位差計(jì)算出滯環(huán)寬度的修正值，上述滯環(huán)寬度的估計(jì)值與修正值相加后 產(chǎn)生滯環(huán)寬度實(shí)際值輸入至滯環(huán)比較器，形成開關(guān)信號(hào)頻率的閉環(huán)控制。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的柔性直流輸電變流器的電流控制裝置，其特征是， 所述滯環(huán)比較器，采用可變滯環(huán)寬度的變限幅比較電路，通過直接改變比較器輸 出限幅來改變滯環(huán)寬度，這樣滯環(huán)寬度越大輸出開關(guān)信號(hào)的頻率越低。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的柔性直流輸電變流器的電流控制裝置，其特征是， 所述的滯環(huán)寬度估計(jì)電路，采用一個(gè)單穩(wěn)態(tài)振蕩器，通過開關(guān)頻率信號(hào)控制其輸 出的脈沖周期，通過固定時(shí)鐘信號(hào)控制其輸出脈沖的寬度。該脈沖信號(hào)用于控制 一個(gè)模擬開關(guān)，通過占空比來調(diào)節(jié)滯環(huán)寬度的估計(jì)值。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的柔性直流輸電變流器的電流控制裝置，其特征是， 所述的PLL鎖相環(huán)控制電路，由PLL相位檢測(cè)電路和一個(gè)PI調(diào)節(jié)器串聯(lián)組成， 作用對(duì)象為滯環(huán)比較器，該電路檢測(cè)開關(guān)信號(hào)與固定時(shí)鐘頻率信號(hào)之間的相位 差，然后通過PI調(diào)節(jié)器計(jì)算輸出滯環(huán)寬度的修正值。
10. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的柔性直流輸電變流器的電流控制裝置，其特征 是，所述的滯環(huán)寬度的估計(jì)值和PI調(diào)節(jié)器計(jì)算出的滯環(huán)寬度的修正值相加后得 到實(shí)際的滯環(huán)寬度，將其輸入到滯環(huán)比較器，實(shí)現(xiàn)固定開關(guān)頻率的閉環(huán)控制。
全文摘要
一種柔性直流輸電變流器的電流控制方法及裝置，屬于風(fēng)力發(fā)電中電力傳輸技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明電流控制采用滯環(huán)寬度可調(diào)的滯環(huán)比較器，將電流偏差和滯環(huán)寬度比較，當(dāng)電流偏差超越滯環(huán)寬度時(shí)，滯環(huán)比較器輸出開關(guān)信號(hào)，改變變流器橋路開關(guān)管狀態(tài)，減小電流偏差，從而達(dá)到電流跟蹤控制的目的；同時(shí)對(duì)滯環(huán)比較器引入開關(guān)信號(hào)頻率的閉環(huán)控制，通過對(duì)滯環(huán)寬度的動(dòng)態(tài)調(diào)整來控制開關(guān)信號(hào)的相位及周期等于一個(gè)固定時(shí)鐘信號(hào)的相位和周期，使得開關(guān)信號(hào)的頻率為一固定值。本發(fā)明提高海上風(fēng)電柔性直流輸電變流器電流跟蹤控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和精度的同時(shí)，保持變流器功率管開關(guān)頻率的固定，減少了開關(guān)應(yīng)力及開關(guān)損耗，提高了傳輸效率。
文檔編號(hào)H02J3/38GK101295878SQ20081003854
公開日2008年10月29日 申請(qǐng)日期2008年6月5日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月5日
發(fā)明者響 李, 王志新 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)