3.9 柔直换流器的控制系统在线视频

柔直系统是最先进的输电技术

就在于它可以灵活的控制有功和无功

在新能源接入、弱电网及无源网络供电

以及组建直流电网等方面有广阔的应用前景

一般柔直换流器

采用有功和无功可以解耦的直接电流控制策略

也称为矢量控制策略

其总体控制策略框图如图所示

矢量控制为内、外双闭环控制结构

内环为电流环

而外环根据系统需要可设为功率环或电压环

引入电流内环除了可以改善系统动态性能外

还能限制电流的最大值和变化率

有利于换流站安全工作

下面分别介绍内环和外环控制器的设计

内环电流控制器需根据外环控制给定的电流参考值

计算出VSC应输出的交流电压参考值

作为换流器PWM调制的参考电压信号

在前面讲述的柔直换流器建模中

给出了dq坐标系下柔直系统的等效电路

如图所示

由此可得换流器电压和电流的关系为

该式表明增大换流器电压Uc可以减小电流Ic

而减小换流器电压Uc可以增大电流Ic

但电流的dq轴分量之间存在一定耦合关系

与有功、无功和d、q轴电流的完全解耦不同

d、q轴的电流分量之间

仍然存在着交叉耦合项ωLcicd

ωLcicq

如仅需调节有功变化时

需调节d轴电流icd

而icd的改变会引起icq的变化

从而无功也随之改变

因此

设计内环电流的PI控制器时

需考虑电流的交叉耦合项

避免d、q轴电流在控制时的相互影响

因此

可以采用电压前馈解耦的PI控制

来计算换流器电压Uc的参考值

即其中电压解耦项为

由此可以得到基于同步旋转坐标的

电流内环解耦控制框图

有功电流和无功电流

分别经过并联的两个PI控制器

再引入解耦控制项

得到电压参考值

实现了有功功率和无功功率完全独立解耦控制

动态性能好且互不影响

内环控制中

限流环节还可以有效避免系统过流及潮流突变

当VSC交流侧有同步电网（有源网络）时

旋转坐标变换的角频率ω相位角

由锁相环PLL计算得出

若VSC连接的风电场侧没有交流电网（无源网络）时

坐标变换的相位角

由VSC的控制器自身决定

即VSC输出交流电压的相位和频率

是有自身控制器决定的

在同步旋转坐标系下

当d轴定向在系统电压Us上时

换流器输出到系统的瞬时有功和无功为

由此可知

控制电流的d、q轴分量isd、isq

即可分别控制换流器从电网吸收

有功功率和无功

从而实现有功和无功的解耦控制

分别将其称为

有功电流和无功电流

直流电压为

调节有功亦可控制直流电压

内环电流控制实现了对交流电流的

有功和无功分量的独立控制

而有功电流分量可以用来调节有功或直流电压

无功电流分量可以用来调节无功或交流电网电压

因此VSC换流站有多种不同的运行模式

外环控制器的控制目标

可以根据系统需求进行选择或自动切换

外环控制器根据系统级控制器下发的功率

或电压等参考值

计算内环所需要的dq轴电流参考值

外环分为有功环和无功环

这两个环是可以解耦控制的

因此是并联关系

分别为内环的电流控制器提供id和iq的参考指令

各换流站在直流系统中的作用并不相同

有功环控制器的功能

包括有功功率控制

直流侧电压控制和交流频率控制

根据需求选择其一

输出作为有功电流指令

无功环控制器

包括无功功率控制

功率因数控制和交流电压控制

根据需求选择其一

输出作为无功电流指令

一般根据有功环的控制模式

定义换流站的运行状态

可分为以下几种运行模式

（1）定直流电压模式

在柔直系统中

至少有一端换流器

应控制直流电压稳定

以确保直流网内的功率平衡

定直流电压控制其本质是通过调节有功实现的

因此控制器的输出

是内环控制器的有功电流分量id

当仅有一端控制直流电压时

可采用PI控制计算有功电流参考值

如果有多端参与电压控制时

则需要采用下垂控制进行协调

（2）定有功功率模式

当直流端所连接电网功率可控时

可工作在定功率模式

电网调度根据电网运行需求

确定该换流站的有功功率参考值

采用PI调节器或者直接计算出内环电流的参考值

考虑电网安全运行

需引入限幅环节以限制电流的变化率及最大值

（3）频率控制模式

当柔直系统连接孤岛系统时

其传输功率占比较大

对弱交流系统频率有一定影响

或所连接交流电网故障扰动情况下

需要功率支撑时

柔直换流器可采用频率控制

以保证所连接系统的频率稳定

和电网其他可控电源一样

频率控制一般采用下垂控制

（4）无源网络供电模式

当柔直系统用于风电场等新能源接入时

交流系统没有频率响应

频率由柔直换流器决定

此时柔直换流器工作在电压源模式

决定交流系统的电压和频率

而有功和无功

则由所接入的无源网络的运行工况决定

和传统直流不同

柔直系统的无功可以独立控制

既可以向系统发无功

也可以从系统吸收无功

从而起到STACOM的作用

有利于改善交流系统的电压质量

提高电压稳定性

如果换流站仅用于改善并网点的电压质量

可工作于定交流电压模式

一般经下垂控制确定内环无功电流参考值

如换流站需参与交流系统的无功-电压控制

则根据调度的无功指令

通过PI调节器确定无功电流分量

如对换流站没有无功或电压的调节需求

则换流站工作于单位功率因数模式即可

不从交流系统吸收或发出无功

下面以风电场通过柔直联网为例

说明换流器的内环和外环控制器的配合

风电场侧如果为无源网络

则风电场侧换流器工作与无源网络供电模式

输出电压的频率和相位有换流器内部决定

外环控制器

没有有功和无功的控制需求

可用于控制并网点电压

根据并网点电压的dq轴分量来确定内环电流参考值

电网侧换流器则需工作于定直流电压控制模式

维持系统稳定

接收风电场端换流器输送的功率

由于联结交流电网

由锁相环提供坐标变换的角度

无功环节可根据系统需求

工作与无功控制模式或者电压控制模式