柔性直流輸電系統(tǒng)建模與仿真

孫宇斌，張建華，裘劍明，徐 虹

（華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206）

0 引言

由于采用了全控型開關(guān)器件和高頻PWM調(diào)制技術(shù)，使得柔性直流輸電（HVDC-Flexible）在具備常規(guī)直流輸電所有的優(yōu)點(diǎn)之外，還具備很多自身的特殊優(yōu)點(diǎn)。例如：柔性直流輸電系統(tǒng)可以在其運(yùn)行范圍內(nèi)對(duì)有功和無功功率進(jìn)行完全獨(dú)立的控制；其受端系統(tǒng)可以是無源網(wǎng)絡(luò)；在一定的控制策略下，可以消除交流系統(tǒng)的電壓閃變和特定次諧波等。因此，柔性直流輸電在新能源并網(wǎng)發(fā)電、向偏遠(yuǎn)地區(qū)供電、提高電網(wǎng)電能質(zhì)量等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用［1］。

隨著我國能源緊缺和環(huán)境污染等問題的日益嚴(yán)峻，以及風(fēng)能、太陽能等可再生能源利用規(guī)模不斷擴(kuò)大，可以看到，在不久的將來柔性直流輸電將成為我國電網(wǎng)的重要組成部分［2］。在此背景下，研究HVDC-Flexible系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、運(yùn)行原理及控制策略，并對(duì)HVDC-Flexible進(jìn)行建模與仿真，分析系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)特性等顯得非常重要。文獻(xiàn)［3］提出了一種柔性直流輸電系統(tǒng)向無源網(wǎng)絡(luò)供電的控制策略，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的控制器；文獻(xiàn)［4］對(duì)向無源網(wǎng)絡(luò)供電的柔性直流輸電系統(tǒng)進(jìn)行了建模與仿真，但其控制方法還有待完善；文獻(xiàn)［5］研究了電壓源換流器型直流輸電系統(tǒng)的電壓和電流的限幅控制，改善了其控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度；文獻(xiàn)［6］結(jié)合上海南匯柔性直流輸電示范工程介紹了柔性直流輸電控制及保護(hù)系統(tǒng)的工作原理。利用Matlab中的Simulink對(duì)HVDC-Flexible進(jìn)行建模，并在此模型基礎(chǔ)上進(jìn)行了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)故障的仿真，得出相應(yīng)的仿真波形，驗(yàn)證了該模型的有效性。

1 柔性直流輸電技術(shù)的結(jié)構(gòu)與原理

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1所示，柔性直流輸電系統(tǒng)的主要設(shè)備一般包括：聯(lián)接變壓器、交流濾波器、相電抗器、電壓源換流器、換流站的控制保護(hù)及輔助系統(tǒng)（水冷系統(tǒng)、站用電系統(tǒng)）、極設(shè)備和直流輸電線路等。

圖1 柔性直流輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

聯(lián)接變壓器是帶抽頭的普通變壓器，其作用是為電壓源換流器提供合適的工作電壓；交流濾波器的作用是濾除換流器交流側(cè)諧波；相電抗器是電壓源換流器與交流系統(tǒng)進(jìn)行能量交換的紐帶，也有濾波的作用；電壓源換流器包括換流電路和直流電容器，換流電路由一個(gè)或多個(gè)換流橋串聯(lián)（或并聯(lián)）組成，工程中換流橋多采用三相兩電平橋式、二極管鉗位式三電平橋式或模塊化多電平結(jié)構(gòu)。

1.2 數(shù)學(xué)模型

典型的三相二電平VSC換流橋結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖中usa、usb、usc分別為交流系統(tǒng)側(cè)三相瞬時(shí)電壓，ua、ub、uc分別為換流站出口端三相瞬時(shí)電壓，ia、ib、ic分別為流入換流器的三相瞬時(shí)電流。根據(jù)基爾霍夫電路定律，利用輸入輸出法建立柔性直流輸電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，可得換流站交流系統(tǒng)微分方程組的矩陣矢量形式為：

在d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，當(dāng)以a相電壓軸作為d軸時(shí)，即Usq=0，換流站與交流系統(tǒng)交換的有功功率ps和無功功率qs可表示為：

由式（3）可見，在d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下分別控制id和iq便實(shí)現(xiàn)了換流站與系統(tǒng)交換的有功和無功功率的解耦控制。

圖2 電壓源換流器三相電路拓?fù)鋱D

1.3 控制原理

柔性直流輸電系統(tǒng)的控制主要采用脈寬調(diào)制技術(shù)（PWM）或者脈沖幅值調(diào)制技術(shù)（PAW）。PWM技術(shù)多應(yīng)用于基于IGBT閥的柔性直流換流站控制，而PAW技術(shù)則多應(yīng)用于基于GTO閥的柔性直流換流站的控制。

當(dāng)不計(jì)相電抗器和聯(lián)接變壓器的電阻時(shí)，電壓源換流器與交流系統(tǒng)間交換的有功功率P和無功功率Q分別為：

式中：Xc為聯(lián)接變壓器和相電抗器的等效電抗值，Us為交流系統(tǒng)母線電壓基頻分量有效值，Uc為換流器交流側(cè)電壓基頻分量有效值，δ為Uc相對(duì)于Us的相角差。由式（4）和（5）可見，換流器控制系統(tǒng)可通過調(diào)節(jié)PWM的脈寬調(diào)制比M（換流器交流側(cè)輸出電壓基頻相電壓幅值與直流電壓的比值）以及移相角度δ實(shí)現(xiàn)對(duì)有功率P與無功功率Q的快速獨(dú)立控制。其具體實(shí)現(xiàn)過程如圖3所示。

圖3中Aref為有功功率類控制量，Bref為無功功率類控制量。整個(gè)控制系統(tǒng)由外環(huán)電壓控制器、內(nèi)環(huán)電流控制器、鎖相同步環(huán)節(jié)和觸發(fā)脈沖生成等環(huán)節(jié)組成。外環(huán)電壓控制器主要用于根據(jù)柔性直流系統(tǒng)的控制目標(biāo)實(shí)現(xiàn)定直流電壓控制、定有功功率控制、定頻率控制、定無功功率控制和定交流電壓控制等控制目標(biāo)。內(nèi)環(huán)電流控制器用于實(shí)現(xiàn)對(duì)換流器交流側(cè)電流幅值和相位的直接控制，以快速跟蹤參考電流。鎖相環(huán)節(jié)輸出的相位信號(hào)用于提供電壓矢量控制和觸發(fā)脈沖生成所需的基準(zhǔn)相位。

圖3 換流站控制原理示意圖

2 柔性直流輸電系統(tǒng)仿真模型

在Matlab中，利用Simulink對(duì)柔性直流輸電系統(tǒng)及其控制器建立仿真模型如圖4所示。該模型模擬風(fēng)電場向孤島無源負(fù)荷進(jìn)行供電。

圖4中，600 V、10 MVA風(fēng)電場通過20 kV直流輸電線路與380 V、3 MVA、50 HZ的孤島無源負(fù)荷相連。電壓源換流器VSC1實(shí)現(xiàn)整流過程，其控制方式采用定直流電壓控制和定無功功率控制，該控制器仿真模型如圖5所示。 定直流電壓控制方式用以平衡系統(tǒng)中傳輸?shù)挠泄β?，整定值設(shè)為20 kV；定無功功率控制方式可根據(jù)無功調(diào)度指令設(shè)定整定參數(shù)用以抑制電壓波動(dòng)以提高系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。電壓源換流站VSC2實(shí)現(xiàn)逆變過程，其控制方式采用定頻率控制和定交流電壓控制，該控制器的仿真模型如圖6所示。

圖5為整流側(cè)控制器的內(nèi)環(huán)電流控制器模型，它由2個(gè)PI調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)構(gòu)成。第一個(gè)環(huán)節(jié)為直流電壓控制環(huán)節(jié)，外環(huán)電壓控制器送來的id與整定值id_ref比較后的誤差經(jīng)PI環(huán)節(jié)，參與到PWM脈沖觸發(fā)信號(hào)ud的形成過程中。第二個(gè)環(huán)節(jié)為無功功率控制環(huán)節(jié)，外環(huán)電壓控制環(huán)節(jié)送來的iq與整定iq_ref比較后的誤差經(jīng)PI環(huán)節(jié)，參與到PWM脈沖觸發(fā)信號(hào)uq的形成過程中。最后PWM脈沖發(fā)生器根據(jù)ud和uq來控制換流器以實(shí)現(xiàn)整流側(cè)定直流電壓與定無功功率的控制目標(biāo)。

圖6為逆變側(cè)控制器的模型，它由1個(gè)PI調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)構(gòu)成。在該環(huán)節(jié)中，母線送來的測量值Uabc經(jīng)park變換得到的ud和uq，它們與整定值ud_ref、uq_ref比較后的誤差經(jīng)PI環(huán)節(jié)，參與到PWM脈沖觸發(fā)信號(hào)Uabc_inv的形成過程中。換流器輸出交流電壓相位和頻率由鎖相器PLL的整定參數(shù)所決定。最后PWM脈沖發(fā)生器根據(jù)Uabc_inv來控制換流器以實(shí)現(xiàn)逆變側(cè)定交流電壓與定頻率的控制目標(biāo)。

圖4 柔性直流輸電系統(tǒng)仿真模型

圖5 整流側(cè)內(nèi)環(huán)電流控制器仿真模型示意圖

圖6 逆變側(cè)控制器仿真模型示意圖

3 仿真結(jié)果分析

基于圖4所示的仿真模型，分別對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)、直流線路故障、逆變側(cè)交流故障進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如下。

3.1 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)仿真

仿真后逆變器交流側(cè)電壓和直流側(cè)電壓的波形如圖7所示。由仿真波形可見，逆變器交流側(cè)電壓在0.12 s后便可以穩(wěn)定的運(yùn)行于額定狀態(tài)，而由于對(duì)穩(wěn)壓電容充電的原因，直流側(cè)電壓進(jìn)入穩(wěn)定的額定運(yùn)行狀態(tài)則至少需要1 s的時(shí)間。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本仿真模型所采用的控制策略是有效的。

圖7 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)仿真波形示意圖

3.2 直流線路故障仿真

本次仿真模擬逆變器直流側(cè)在2.5 s時(shí)發(fā)生直流線路接地故障，2.6 s時(shí)故障消除，接地時(shí)間0.1 s。仿真后的直流電壓和直流電流的波形如圖8所示。由仿真波形可見，直流線路的接地故障導(dǎo)致了直流電壓瞬間跌落至0，而穩(wěn)壓電容器通過接地點(diǎn)以及接地極形成的通路放電導(dǎo)致了直流電流瞬間達(dá)到了35倍的額定值。在故障消失后，直流電壓與電流均經(jīng)歷了較長時(shí)間的振蕩才重新回到了額定運(yùn)行狀態(tài)。可見直流線路接地故障對(duì)整個(gè)柔性輸電系統(tǒng)造成的影響是巨大的，因此在實(shí)際柔性直流工程中一般采用電纜輸電來降低直流線路的故障率。

圖8 直流線路故障仿真波形示意圖

3.3 逆變側(cè)交流故障仿真

本次仿真模擬逆變器交流側(cè)在3.0 s時(shí)發(fā)生a，b兩相接地故障，3.1 s時(shí)故障消除，故障持續(xù)0.1 s。仿真后逆變器交流側(cè)電壓和直流側(cè)電壓的波形如圖9所示。由仿真波形可見，故障時(shí)逆變器直流側(cè)電壓及交流側(cè)線電壓均出現(xiàn)了擾動(dòng)。故障清除后，直流側(cè)電壓和交流側(cè)電壓均經(jīng)小幅振蕩后回歸正常。結(jié)果表明，本文所提的控制策略具有較強(qiáng)的抗交流故障能力。

圖9 直流線路故障仿真波形示意圖

4 結(jié)語

隨著我國堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的建設(shè)，以及風(fēng)能、太陽能等清潔能源利用規(guī)模的不斷擴(kuò)大，柔性直流輸電必將因其獨(dú)有的優(yōu)點(diǎn)成為我國電網(wǎng)的重要組成部分。所以HVDC-Flexible的建模與仿真，將對(duì)電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、規(guī)劃和運(yùn)行起著重大的作用。本文利用Matlab的Simulink對(duì)柔性直流輸電系統(tǒng)及其控制器進(jìn)行了建模，并在此模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)和一系列暫態(tài)故障的仿真。 仿真結(jié)果表明該模型可靠有效，符合工程實(shí)際情況；所提出的控制策略具有較快的響應(yīng)速度并對(duì)交流側(cè)故障有一定的抵抗能力。