徐鵬，米建賓，蒙小飛，謝歡

基于RTDS的VSC控制參數(shù)分環(huán)擬合方法

徐鵬1，米建賓2，蒙小飛3，謝歡2

（1．國家電網(wǎng)公司華北分部，北京市 西城區(qū) 100045；2．國網(wǎng)冀北電力有限公司電力科學(xué)研究院，北京市 西城區(qū) 100045；3．華潤電力(溫州)有限公司，浙江省 溫州市 325000）

電壓源換流器(voltage source controller，VSC)作為風(fēng)電、光伏及換流站等設(shè)備的主要電力電子元器件，其控制方式和參數(shù)整定對系統(tǒng)運行有著重要的影響?；趯崟r數(shù)字仿真儀(real time digital simulator，RTDS)半實物仿真和純數(shù)字仿真，提出一種用于擬合實際VSC控制模型參數(shù)的方法。以典型VSC并網(wǎng)系統(tǒng)模型為例，首先，借鑒鎖相環(huán)原理提出一種具有自適應(yīng)性觀測坐標(biāo)系建立方法，用于對比擬合2種仿真模型的階躍響應(yīng)；其次，分別給出了VSC鎖相環(huán)、電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)的擬合方法，其中在電流內(nèi)環(huán)控制參數(shù)擬合過程中，利用觀測坐標(biāo)系在控制器鎖相環(huán)輸出角度未知時實現(xiàn)電流階躍；最后，通過不同控制環(huán)節(jié)模型參數(shù)擬合時的仿真對比分析，證明了所提方法的有效性。

電壓源換流器(VSC)；參數(shù)擬合；自適應(yīng)觀測坐標(biāo)系；鎖相環(huán)(PLL)

0 引言

隨著新能源發(fā)電并網(wǎng)、柔性直流輸電工程的不斷投產(chǎn)和擴(kuò)建，電力系統(tǒng)中電力電子元器件的數(shù)量也在不斷增加，給現(xiàn)代電網(wǎng)的穩(wěn)定運行帶來了新的挑戰(zhàn)。電壓源換流器(voltage source controller，VSC)[1-4]作為風(fēng)電、光伏及換流站等設(shè)備的主要電力電子元器件，其控制方式和參數(shù)整定對系統(tǒng)運行有著重要的影響。

然而，截至目前，VSC的內(nèi)部控制邏輯、參數(shù)設(shè)置等方面仍未有相關(guān)的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。受行業(yè)發(fā)展和制造工藝等因素的影響，不同廠家的VSC在參數(shù)整定和運行特性上均有較大差異，且出于企業(yè)核心機(jī)密的考慮，VSC內(nèi)部邏輯參數(shù)均未公開。研究人員只能根據(jù)其外特性來粗略估計VSC的控制邏輯和參數(shù)[5-8]，據(jù)此得出的分析結(jié)果也不盡如人意。

考慮VSC的典型模型結(jié)構(gòu)具有一定的通用性，因此，本文基于實時數(shù)字仿真儀(real time digital simulator，RTDS)閉環(huán)仿真系統(tǒng)，提出一種VSC控制參數(shù)分環(huán)擬合方法。該方法主要以鎖相環(huán)(phase-locked loop，PLL)、電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)為對象，首先建立一種獨立的觀測坐標(biāo)系，然后調(diào)整理論模型結(jié)構(gòu)和運行工況，并在觀測坐標(biāo)系下通過階躍響應(yīng)實現(xiàn)參數(shù)擬合，從而獲得實際物理控制器的整定參數(shù)，為調(diào)試研究人員提供幫助。最后，通過仿真對比驗證本方法的有效性。

1 基于RTDS的VSC理論控制模型

1.1 模型簡介

自加拿大McGill大學(xué)的Boon-Teck Ooi等人首次提出VSC-HVDC技術(shù)以來，VSC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究一直是學(xué)術(shù)界研究的熱點，基于可控關(guān)斷器件和脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation，PWM)技術(shù)的VSC，近幾年已廣泛用于將可再生能源接入電網(wǎng)。典型的VSC并網(wǎng)系統(tǒng)一次電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 VSC并網(wǎng)系統(tǒng)一次接線圖

用于參數(shù)擬合的仿真模型包括半實物仿真模型和純數(shù)字理論模型。其中，半實物仿真模型是指用實際直驅(qū)風(fēng)機(jī)控制器與RTDS形成硬件閉環(huán)的仿真系統(tǒng)；純數(shù)字理論模型是指在RTDS中采用經(jīng)典控制模型結(jié)構(gòu)搭建的純數(shù)字仿真模型。2種模型一次結(jié)構(gòu)和參數(shù)完全一致，不同之處在于：半實物仿真模型中VSC觸發(fā)脈沖是由實際的物理控制器通過數(shù)據(jù)采集而生成，模型中沒有二次控制環(huán)節(jié)；純數(shù)字理論模型中包括有鎖相環(huán)、電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)等二次模型，VSC觸發(fā)脈沖是根據(jù)電流內(nèi)環(huán)輸出三相調(diào)制電壓生成。

考慮到直驅(qū)風(fēng)機(jī)并網(wǎng)穩(wěn)定性主要受網(wǎng)側(cè)VSC參數(shù)及控制方式的影響，因此，上述2種模型中對于直驅(qū)風(fēng)機(jī)機(jī)側(cè)模型進(jìn)行了等效，具體等效方法與所擬合的控制環(huán)有關(guān)。本文所提出的參數(shù)擬合方法中，當(dāng)對鎖相環(huán)、電流環(huán)進(jìn)行參數(shù)擬合時，直流側(cè)采用“電壓源等效”；當(dāng)對電壓環(huán)進(jìn)行參數(shù)擬合時，直流側(cè)采用“電流源等效”。用于參數(shù)擬合的仿真模型一次主電路如圖2所示。

在進(jìn)行鎖相環(huán)、電流環(huán)、外環(huán)的參數(shù)擬合中，圖2中方框內(nèi)元件參數(shù)和結(jié)構(gòu)保持不變。對于圖2中直流側(cè)、系統(tǒng)側(cè)模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，則根據(jù)不同的控制環(huán)擬合而進(jìn)行相應(yīng)修改。

一般情況下，用于可再生能源接入電網(wǎng)的VSC換流器，其外環(huán)控制包括直流電壓外環(huán)和無功功率外環(huán)，分別用于有功、無功功率控制；內(nèi)環(huán)控制由、軸電流環(huán)構(gòu)成，用于實現(xiàn)VSC交流側(cè)有功、無功的解耦控制[9]；鎖相環(huán)采用軸電壓定向方式，實現(xiàn)VSC與電網(wǎng)電壓的同步。

圖2 VSC參數(shù)擬合仿真模型一次結(jié)構(gòu)圖

1.2 鎖相環(huán)

作為一種常規(guī)的閉環(huán)同步方法，鎖相環(huán)為控制環(huán)節(jié)提供必要的坐標(biāo)變換相位角度。近幾年來，二階廣義積分型鎖相環(huán)(second-order generalized integrator PLL，SOGI-PLL)，改進(jìn)型鎖相環(huán)[10-12]等方法也引起了廣泛關(guān)注。為不失一般性，本文采用三相系統(tǒng)中常用的同步旋轉(zhuǎn)參考坐標(biāo)系鎖相環(huán)(synchronous reference frame PLL，SRF-PLL)，其模型結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 三相同步旋轉(zhuǎn)參考坐標(biāo)系鎖相環(huán)

式中：表示鎖相環(huán)對應(yīng)dq坐標(biāo)系中d軸與靜止坐標(biāo)a軸的夾角。各空間矢量、角度的關(guān)系如圖4所示。

綜上可知，鎖相環(huán)輸出角度與定向點電壓相位和角速度有關(guān)。對于不同的仿真系統(tǒng)，角速度一般都取工頻值(S=2pN)，而電壓相位則不盡相同。且對于混合仿真模型，實際VSC控制器內(nèi)的鎖相環(huán)輸出角度未知，難以實現(xiàn)其與理論模型仿真結(jié)果的對比分析。為此，本文提出了一種觀測坐標(biāo)系建立方法。

圖5 PLL模型圖

1.3 自適應(yīng)觀測坐標(biāo)系模型

除了仿真系統(tǒng)不同以外，一般設(shè)備生產(chǎn)廠家的控制器沒有內(nèi)部鎖相環(huán)輸出角度的外部接口，因此，通過建立自適應(yīng)觀測坐標(biāo)系，可以實現(xiàn)理論模型與實際控制器的參數(shù)擬合。本文所提出的自適應(yīng)觀測坐標(biāo)系屬于坐標(biāo)系的一種，其具有以下特點：

1）系統(tǒng)穩(wěn)定時，VSC交流側(cè)空間電壓矢量與觀測坐標(biāo)系的橫軸重合；

3）觀測坐標(biāo)系利用負(fù)反饋獲取坐標(biāo)變換角度，不受仿真初始相位影響，具有自適應(yīng)性。

觀測坐標(biāo)系的實現(xiàn)方法：1）穩(wěn)態(tài)時獲得一個在觀測軸坐標(biāo)系中能使Tq(并網(wǎng)點處交流電壓軸分量)為零的相位偏移角；2）將該偏移角疊加到工頻鋸齒波中，用于計算當(dāng)前仿真系統(tǒng)鎖相環(huán)輸出相位；3）鎖定，并基于此建立一個以工頻角速度旋轉(zhuǎn)的觀測坐標(biāo)系。觀測坐標(biāo)系的模型結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 觀測軸模型結(jié)構(gòu)圖

由圖6可以看出，觀測坐標(biāo)系類似于一個獨立的鎖相環(huán)，而與傳統(tǒng)鎖相環(huán)不同的是，只是用于使觀測坐標(biāo)系與鎖相環(huán)對應(yīng)的坐標(biāo)系在穩(wěn)態(tài)時重合，而當(dāng)并網(wǎng)點電壓發(fā)生變化時，觀測坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)速度和相位不變。當(dāng)在理論模型和混合仿真模型中均設(shè)立同樣一個觀測坐標(biāo)系時，就可以在不影響各控制環(huán)節(jié)的前提下，實現(xiàn)理論模型與混合仿真模型相應(yīng)控制環(huán)節(jié)的參數(shù)擬合，完成各系統(tǒng)電氣量的對比分析。

1.4 電流環(huán)

從式(2)不難看出，VSC交流側(cè)的軸電流存在交叉耦合項，為實現(xiàn)VSC交流側(cè)的有功與無功解耦控制[13]，令VSC電流環(huán)輸出的、軸電壓如下所示：

根據(jù)式(3)，在RTDS中搭建電流環(huán)控制模型如圖7所示。

在混合仿真模型中，由于電流環(huán)與功率外環(huán)結(jié)合在一起，不能像理論模型那樣可以直接通過改變電流給定值實現(xiàn)電流環(huán)階躍響應(yīng)。因此，若要完成混合仿真模型和理論模型的電流環(huán)控制參數(shù)擬合，需要采取以下2方面的措施：

1）2個仿真系統(tǒng)中引入一個相同的電流階躍信號。

2）對2個仿真系統(tǒng)中的直流側(cè)模型進(jìn)行統(tǒng)一修改，以達(dá)到在實現(xiàn)電流環(huán)階躍響應(yīng)時去掉電壓外環(huán)影響的目的。

對于第1個措施，可借助提出并建立的觀測坐標(biāo)系，在模型中繼續(xù)搭建用于生成電流階躍量的模型，如圖8所示。

圖8中，調(diào)整Ioffset、Ioffset可以改變電流階躍量在觀測坐標(biāo)系中、軸上的分量。在混合仿真模型和理論仿真模型中，觀測坐標(biāo)系對應(yīng)的并不一定相等，但只要2個模型中設(shè)置同樣的Ioffset、Ioffset，則由圖8生成的電流階躍擾動量在觀測坐標(biāo)系上對應(yīng)的、軸分量是相等的。

通過如圖9所示的介入方式將電流階躍擾動量與交流側(cè)電流測量值疊加，然后利用鎖相環(huán)輸出角度進(jìn)行Park變換，最后得到添加擾動后的電流環(huán)、軸輸入值2d、2q。

圖7 電流內(nèi)環(huán)解耦控制模型

圖8 生成電流階躍擾動信號模型圖

圖9所示電流擾動信號的介入方式，實際上是通過改變交流側(cè)電流的測量值而實現(xiàn)電流階躍的。需要注意的是，在系統(tǒng)穩(wěn)定點處，當(dāng)疊加的階躍量大于零時，表示實測值大于給定值，故在電流環(huán)產(chǎn)生的是一個“下階躍”的響應(yīng)，如圖10所示。

1.5 電壓外環(huán)

前已述及，本文所提出的參數(shù)擬合方法主要針對網(wǎng)側(cè)逆變器，因此在電壓外環(huán)參數(shù)擬合的仿真建模中，用等效電流源(電壓源串聯(lián)大電阻的形式)替代直流側(cè)模型，即設(shè)置圖1所示一次模型中的控制變量“modeSel”為1。電壓外環(huán)控制模型如圖11所示。

圖9 電流擾動信號的介入方式

圖10 電流擾動階躍響應(yīng)的觀測量

圖11 直流電壓外環(huán)控制模型圖

1.6 無功外環(huán)

為利于VSC并網(wǎng)的穩(wěn)定性，實際網(wǎng)側(cè)逆變器的無功外環(huán)PI控制中比例、積分增益一般取值較小，甚至有的直驅(qū)風(fēng)機(jī)廠家的控制器中無功外環(huán)只有一個較大時間常數(shù)(=5min)的積分環(huán)節(jié)，即無功外環(huán)相比其他控制環(huán)節(jié)的參數(shù)取值范圍較大。且考慮到無功外環(huán)的參數(shù)擬合模型及方法與直流電壓外環(huán)的擬合過程類似，故在此不再贅述。

2 參數(shù)擬合仿真分析

根據(jù)前述針對VSC不同控制環(huán)節(jié)的模型參數(shù)擬合方法，結(jié)合建立的觀測軸坐標(biāo)系，并通過不同的實驗方案分別對鎖相環(huán)、電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)進(jìn)行參數(shù)擬合，實現(xiàn)理論仿真模型和實際物理控制器的各控制環(huán)模型參數(shù)的仿真對比。

本節(jié)中給出的所有仿真對比結(jié)果中，黑色、紅色曲線分別代表理論仿真模型和實際物理控制器。

2.1 鎖相環(huán)參數(shù)擬合仿真分析

在對鎖相環(huán)進(jìn)行參數(shù)擬合時的試驗方案如表1所示。

對應(yīng)一次模型結(jié)構(gòu)如圖1所示，控制變量“modeSel”設(shè)置為“0”，可以忽略電壓外環(huán)的影響；交流側(cè)電感按短路容量比CR=15進(jìn)行取值。在進(jìn)行階躍試驗時，通過調(diào)整鎖相環(huán)PI參數(shù)，得到理論模型與混合仿真模型的對比結(jié)果如圖12所示。其中，I11、I11表示并網(wǎng)逆變器交流側(cè)電流在觀測坐標(biāo)系上的、軸分量；Td、Tq表示并網(wǎng)點電壓在觀測坐標(biāo)系上的、軸分量。

表1 鎖相環(huán)參數(shù)擬合試驗方案

圖12 等值交流電壓源幅值10%上階躍仿真結(jié)果對比

2.2 電流環(huán)參數(shù)擬合仿真分析

在對電流內(nèi)環(huán)進(jìn)行參數(shù)擬合時的試驗方案如表2所示。

表2 電流環(huán)參數(shù)擬合試驗方案

與鎖相環(huán)擬合類似，為忽略電壓外環(huán)對電流內(nèi)環(huán)參數(shù)擬合的影響，一次模型結(jié)構(gòu)中直流側(cè)仍用恒壓源等效。利用圖7所示的電流測量環(huán)節(jié)，通過電流階躍響應(yīng)完成電流內(nèi)環(huán)模型參數(shù)擬合。通過參數(shù)調(diào)整得到理論模型與混合仿真模型的對比結(jié)果如圖13所示。

圖13 Iq由0到-0.2下階躍仿真結(jié)果對比

2.3 電壓外環(huán)參數(shù)擬合仿真分析

在對電壓外環(huán)進(jìn)行參數(shù)擬合時的試驗方案如表3所示。

表3 電壓外環(huán)參數(shù)擬合試驗方案

通過改變直流側(cè)等效電流源中電壓源幅值的大小，改變直流側(cè)并聯(lián)電容的充電電流，從而間接引起直流電壓的變化，直流電壓誤差量經(jīng)電壓外環(huán)閉環(huán)控制后的直流電壓響應(yīng)可用于擬合該環(huán)節(jié)模型參數(shù)。通過參數(shù)調(diào)整得到的仿真結(jié)果如 圖14所示。

3 結(jié)論

根據(jù)實際生產(chǎn)和科學(xué)研究的需要，提出了一套用于VSC模型參數(shù)擬合的仿真分析方法，包括自適應(yīng)型觀測軸坐標(biāo)系建模、分環(huán)擬合時對應(yīng)的一次模型結(jié)構(gòu)調(diào)整等。該方法利用RTDS數(shù)字仿真與半實物仿真的對比分析，實現(xiàn)了對網(wǎng)側(cè)VSC實際控制器內(nèi)部未知控制參數(shù)的參數(shù)擬合，為進(jìn)一步分析逆變側(cè)VSC并網(wǎng)穩(wěn)態(tài)性提供參考。通過各控制環(huán)節(jié)的參數(shù)擬合仿真分析，證明了該方法的可行性和有效性。

圖14 直流側(cè)電流由0到0.3階躍仿真結(jié)果對比

[1]WU R，WEN J L，YU K S，et al．Power loss modeling of switching devices in voltage source converters

[J]．Proceedings of the CSEE，2012，32(21)：1-7．

[2]GAO R，JIA F M，LIAO Y H．Recent development of voltage source converter technology and its application to FACTS[J]．High Votage Apparatus，2016，52(11)：10-17．

[3]吳明哲，陳武暉．VSC-HVDC穩(wěn)定控制研究[J]．發(fā)電技術(shù)，2019，40(1)：28-39．

WU M Z，CHEN W H．Overview of research on stability and control of VSC-HVDC[J]．Power Generation Technology，2019，40(1)：28-39．

[4]李英彪，梁軍，吳廣祿，等．多電壓等級直流電力系統(tǒng)發(fā)展與挑戰(zhàn)[J]．發(fā)電技術(shù)，2018，39(2)：118-128．

LI Y B，LIANG J，WU G L，et al．Development and challenge of dc power system with different voltage levels[J]．Power Generation Technology，2018，39(2)：118-128．

[5]沈陽武，葛云霞，崔挺，等．基于阻抗比判據(jù)的永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)穩(wěn)定分析方法[J]．電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2017，45(18)：45-53．

SHEN Y W，GE Y X，CUI T，et al．A stability analysis method for the gird-connected permanent magnet synchronous generator based on impedance ratio criterions[J]．Power System Protection and Control，2017，45(18)：45-53．

[6]蘇詠梅，王振宇，易善明．不同風(fēng)力發(fā)電機(jī)組同時并網(wǎng)穩(wěn)定性分析[J]．電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2017，45(6)：101-107．

SU Y M，WANG Z Y，YI S M. Stability analysis for wind power integration with different WTGS[J]．Power System Protection and Control，2017，45(6)：101-107．

[7]余秀月，宋少群，郭瑞鵬，等．含電壓源換流器的交直流混聯(lián)電網(wǎng)無功優(yōu)化模型[J]．電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2017，45(19)：148-153．

YU X Y，SONG S Q，GUO R P．Optimal reactive power flow model for AC/DC hybrid power grid with voltage source converters[J]．Power System Protection and Control，2017，45(19)：148-153．

[8]張興，張崇?。甈WM整流器及其控制[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012：115．

ZHANG X，ZHANG C W．PWM rectifier and its control[M]．Beijing：China Machine PRESS，2012：115．

[9]ZHU H，XI X，LI Y D．PI type dynamic decoupling control scheme for PMSM high speed operation[C]//Proceeding of the Applied Power Electronics Conference and Exposition(APEC)，Palm Springs，CA：IEEE，2010：1736-1739．

[10]KARIMI M G，IRAVANI M R．A new phase-locked loop (PLL) system[C]//44th IEEE Midwest Symposium on Circuits and Systems (MWSCAS)，2001：421-424．

[11]KARIMI M G，IRAVANI M R．A nonlinear adaptive filter for online signal analysis in power systems：applications[J]．IEEE Transactions on Power Delivery，2002，17(2)：617-622．

[12]ZHU C Y，SHI L，LI X P，et al．Lock threshold deterioration induced by antenna vibration and signal coupling effects in hypersonic vehicle carrier tracking system of Ka band[J]．Chinese Journal of Aeronautics，2018，31(4)：776-781．

[13]周克亮，王政，徐青山．光伏與風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)變換器[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012：128．

ZHOU K L，WANG Z，XU Q S．Grid-connected converters for photovoltaic and wind power generation systems[M]．Beijing：China Machine PRESS，2012：128．

Sub-parts Control Parameter Fitting Method of VSC Based on RTDS

XU Peng1, MI Jianbin2, MENG Xiaofei3, XIE Huan2

(1.North China Branch of State Grid Corporation of China, Xicheng District, Beijing 100045, China; 2. Electric Power Research Institute of State Grid Jibei Electric Power Company Limited, Xicheng District, Beijing 100045, China; 3.Huarun Power (Wenzhou) Co., Ltd., Wenzhou 325000, Zhejiang Province, China)

Voltage source converter (VSC) is the main power electronic components of wind power, photovoltaic and converter stations. It’s control mode and parameter setting have important influence on system operation. Based on real time digital simulator (RTDS) hardware-in-loop simulation and digital simulation, a new method of parameter fitting applied to characterize physical VSC was proposed. Taking a typical single VSC grid connected system model as an example, firstly, based on the principle of phase-locked loop (PLL), an adaptive observation coordinate system was proposed to compare and fit the step response of two simulation models. Then the fitting methods of PLL, current inner loop and DC voltage outer loop in VSC control system were introduced separately. Self-adaptive observational coordinate system was used in the process of current inner loop parameter fitting. Finally, the efficiency of the proposed method was verified by the comparative analysis of simulations.

voltage source controller (VSC); parameter fitting; self-adaptive observation coordinate system;phase-lockedloop (PLL)

10.12096/j.2096-4528.pgt.19079

TK 01; TM 461

國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFB0900502)；國家電網(wǎng)公司科技項目(520101180002)。

Project Supported by National Key Research and Development Program of China (2016YFB0900502); Science and Technology Program of State Grid Corporation (520101180002).

2020-05-17。

(責(zé)任編輯 辛培裕)