采用VSC-HVDC的海上風(fēng)電場柔性直流輸電系統(tǒng)控制策略研究

蔣辰暉，王志新，吳定國

（1.上海交通大學(xué)電子信息及電氣工程學(xué)院，上海 200240；2.無錫清源電氣科技有限公司，江蘇 無錫 214174）

直流輸電技術(shù)就是以直流電的方式實現(xiàn)電能的輸送，人類電力科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,最早就是從直流電開始的。到了19世紀(jì)80、90年代，由于交流電的發(fā)電、變壓、輸電、分配和使用都較當(dāng)時的直流電方便，從而使交流輸電和交流電網(wǎng)技術(shù)得到迅速發(fā)展，并很快取代了直流輸電占據(jù)了統(tǒng)治地位。但是隨著用電領(lǐng)域和地域的不斷擴(kuò)大，電網(wǎng)規(guī)模迅速膨脹，這直接導(dǎo)致了一系列交流輸電很難跨越的技術(shù)阻礙出現(xiàn)，如遠(yuǎn)距離電纜輸電、異步電網(wǎng)互聯(lián)等。而與此同時，由于高壓大功率換流技術(shù)的快速發(fā)展，使得直流輸電又重新為人們所重視[1]。

另外，隨著電力電子器件和控制技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了新型的半導(dǎo)體器件——絕緣柵雙極晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）。由于IGBT閥具有可控開通和關(guān)斷的能力，并隨著IGBT器件電壓和容量等級的不斷提升，這使得采用IGBT管構(gòu)成電壓源換流器來進(jìn)行直流輸電成為可能。對于這種新型的直流輸電技術(shù)，國內(nèi)很多專家建議將該技術(shù)簡稱為“柔性直流（HVDC-Flexible）”，以區(qū)別于采用晶閘管的常規(guī)直流輸電技術(shù)。

相對于交流輸電以及傳統(tǒng)的直流輸電技術(shù)，柔性直流輸電技術(shù)可以概括出以下優(yōu)點(diǎn)[1-4]：

1）有功無功快速獨(dú)立控制

2）潮流反轉(zhuǎn)方便快捷

3）提高現(xiàn)有交流系統(tǒng)的輸電能力

4）提高交流電網(wǎng)的功角穩(wěn)定性

5）事故后快速恢復(fù)供電

6）可以向無源電網(wǎng)供電

7）設(shè)計靈活，大部分設(shè)備安裝在室內(nèi)，施工工期短

本文所設(shè)計的海上風(fēng)電場柔性直流輸電系統(tǒng)，主電路采用實際工程中的三相兩電平結(jié)構(gòu)，SVPWM調(diào)制方式，和傳統(tǒng)晶閘管直流輸電相比，解決了向無源網(wǎng)絡(luò)供電的問題并提高了開關(guān)頻率；而相對于三電平或多電平結(jié)構(gòu)，又具有結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定等優(yōu)勢。最后采用雙閉環(huán)矢量控制方式，對整個直流輸電系統(tǒng)進(jìn)行仿真，并結(jié)合35 kW實驗平臺的實驗結(jié)果，驗證了系統(tǒng)的正確性。

1 柔性直流輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

柔性直流輸電系統(tǒng)作為直流輸電的一種新技術(shù)，也同樣由換流站和直流輸電線路構(gòu)成。本文所介紹的兩端直流輸電系統(tǒng)是只有一個整流站（送端）和一個逆變站（受端）的兩端直流輸電系統(tǒng)，它與交流系統(tǒng)只有兩個連接端口，是結(jié)構(gòu)最簡單的直流輸電系統(tǒng)。圖1為柔性直流輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 兩端柔性直流輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 System architecture diagram of the two ends flexible HVDC

柔性直流輸電系統(tǒng)換流站的主要設(shè)備一般包括：電壓源換流器（VSC）、相電抗器、聯(lián)結(jié)變壓器、交流濾波器、控制保護(hù)以及輔助系統(tǒng)（水冷系統(tǒng)、站用電系統(tǒng)等）。

表1給出了各個設(shè)備的主要功能[5-6]。

表1 柔性直流輸電系統(tǒng)設(shè)備主要功能Tab.1 The main functions of the flexible HVDC

2 主電路結(jié)構(gòu)

在柔性直流輸電系統(tǒng)中通常采用的是三相兩電平結(jié)構(gòu)的電壓源換流器，主電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 三相兩電平電壓源換流器主電路結(jié)構(gòu)Fig.2 Main circuit of the three-phase two-level VSC

三相兩電平電壓源換流器共有3個橋臂，每個橋臂均由兩組可關(guān)斷器件IGBT及其相應(yīng)的并聯(lián)續(xù)流二極管組成。直流側(cè)電壓與功率開關(guān)器件的開關(guān)狀態(tài)決定了電壓源換流器每相輸出[7]。

3 SVPWM調(diào)制

在變流器中，不控整流或相控整流引起的電網(wǎng)電壓波形畸變，導(dǎo)致交流側(cè)功率因素低，向電網(wǎng)注入大量的諧波電流，造成電網(wǎng)的諧波污染。三相PWM整流器具有功率因數(shù)高，輸入電流為正弦的特點(diǎn)，是理想的DC-DC變流器方案。由于大功率三相電壓源變流器（VSC）工作時電流大，電壓高，因此系統(tǒng)和功率開關(guān)管的安全性，可靠性和運(yùn)行效率等成了我們面臨的重要問題。為了減小功率開關(guān)管應(yīng)力和開關(guān)損耗，應(yīng)該盡量保持變流器功率開關(guān)管的開關(guān)頻率固定。與傳統(tǒng)的電流滯環(huán)控制，相電流誤差SPWM調(diào)制等方式相比，基于空間電壓矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）不僅使電機(jī)脈動降低，電流波形畸變減小，且直流電壓利用率有很大提高并更利于數(shù)字化實現(xiàn)[8-9]。

SVPWM是以磁鏈跟蹤控制為目標(biāo)，使變流器瞬時輸出三相脈沖電壓合成的空間電壓矢量與期望輸出的三相正弦波電壓合成的空間電壓矢量相等。介紹SVPWM工作原理的相關(guān)文獻(xiàn)[10-12]很多，這里不再細(xì)述，以下給出算法步驟：

1）計算電壓空間矢量V*；

2）計算所在的扇區(qū)；

3）根據(jù)扇區(qū)分配矢量與作用時間；

4）生成三相PWM信號。

根據(jù)上述實現(xiàn)方法，構(gòu)造了如圖3所示Simulink仿真模型。

圖3 SVPWM仿真模型Fig.3 SVPWM simulink model

4 數(shù)學(xué)模型

雙端柔性直流輸電系統(tǒng)三相拓?fù)鋱D及各物理量參考方向如圖4所示。

圖4 雙端柔性直流輸電系統(tǒng)三相拓?fù)鋱DFig.4 Topology of the three-phase flexible HVDC

圖4中變流器采用前述的三相兩電平結(jié)構(gòu)，經(jīng)長距離直流輸電電纜連接，直流側(cè)并聯(lián)電容為VSC提供電壓支撐，緩沖橋臂關(guān)斷時的沖擊電流。Ps1，Ps2，Qs1，Qs2分別為風(fēng)電場側(cè)和電網(wǎng)側(cè)變流器輸入有功/無功功率。Ud1≈Ud2為直流電壓。

設(shè)風(fēng)電場交流母線電壓基波幅值為Us，變流器交流側(cè)電壓基波幅值為Uc，Us和Uc間相角差為δ，變壓器電抗值為X=ωL。若忽略換流變壓器損耗，則換流器從風(fēng)電場吸收的有功功率及無功功率滿足：

若Uc相位滯后Us，則換流器工作在整流狀態(tài)，吸收有功功率；若Uc相位超前Us，著換流器工作在逆變狀態(tài)向交流網(wǎng)絡(luò)注入有功功率。由式（1）（2）可知，Ps主要受δ影響，而Qs主要受Uc的影響。由于換流器采用自換相技術(shù)，可對δ和Uc靈活獨(dú)立控制，因而有功/無功功率可以靈活獨(dú)立控制[1，13-14]。

在圖4中，若忽略三相間及直流側(cè)環(huán)流，則可簡化為圖5[15]。

圖5 變流器等效電路圖Fig.5 Equivalent circuit of VSC

圖中，usa，usb，usc為交流系統(tǒng)三相電壓，uca，ucb，ucc是等效電壓源，為變流器輸出的PWM電壓，0為零電位參考點(diǎn)，L，R分別是變流器等效輸入電抗和等效損耗電阻。

根據(jù)基爾霍夫電壓定律，可得三相交流側(cè)電壓動態(tài)方程為：

利用dq坐標(biāo)變換[16-17]，建立dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（坐標(biāo)以電網(wǎng)同步速ω速度旋轉(zhuǎn)）下的兩端柔性直流等效數(shù)學(xué)模型。abc三相靜止坐標(biāo)與dq坐標(biāo)的轉(zhuǎn)化過程有兩步：Clark變換與Park變換。變換后，設(shè)usd，usq分別為交流網(wǎng)絡(luò)d，q軸分量；ucd，ucq分別為變流器輸出的PWM電壓d，q軸分量；id，iq為變換后線電流d，q軸分量。以d，q軸電流為狀態(tài)變量可得：

如式（4），基于dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為常系數(shù)微分方程，相對于三相靜止坐標(biāo)系下時變系數(shù)的微分方程，更加便于解析分析。另外，和三相靜止坐標(biāo)系相比，dq坐標(biāo)變換后電壓與電流量轉(zhuǎn)換為不隨電網(wǎng)頻率變化的直流有功與無功分量，這樣更有利于控制系統(tǒng)的研究。

5 雙閉環(huán)控制

柔性直流輸電系統(tǒng)的控制分為3個層次，按其功能由高到低依次為系統(tǒng)級控制、換流站級控制和換流器閥級控制。在三級控制中，換流站級控制是最核心的部分。目前柔性直流輸電系統(tǒng)廣泛采用的控制方式為雙閉環(huán)PI控制方法，即所謂直接電流控制。采用直接電流控制策略的柔性輸電系統(tǒng)兩端換流器的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對稱，主要由內(nèi)環(huán)電流控制器、外環(huán)電壓控制器、鎖相同步環(huán)節(jié)和觸發(fā)脈沖生成環(huán)節(jié)等組成。由風(fēng)電場側(cè)變流器控制直流電壓，電網(wǎng)側(cè)變流器控制有功功率，無功功率由兩端變流器分別獨(dú)立控制。外環(huán)電壓調(diào)節(jié)器及有功/無功功率均采用PI調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)器輸出為內(nèi)環(huán)有功電流（d軸），無功電流（p軸）給定值。直接電流控制的結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 直接電流控制結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Structure of direct current control

根據(jù)式（4）可知，系統(tǒng)的有功與無功電流是互相耦合的。因此，采用前饋解耦控制策略的電流內(nèi)環(huán)控制算法。當(dāng)電流內(nèi)環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器時換流器交流側(cè)期望輸出的基波電壓量為:

u′d，u′q分別是與isd，isq具有一階微分關(guān)系的電壓分量。通過引入d，q軸電壓耦合補(bǔ)償項u′d，u′q，使非線性方程實現(xiàn)解耦，這個解耦項可以采用比例積分環(huán)節(jié)來實現(xiàn)，以補(bǔ)償在等效電抗器上的電壓降。同時通過對電網(wǎng)擾動電壓usd，usd采取前饋補(bǔ)償。由上述分析可得圖7所示的電流內(nèi)環(huán)解耦控制器。

圖7 電流內(nèi)環(huán)解耦控制器Fig.7 Current inner loop decoupling controller

直接電流控制和間接電流控制（幅值相位控制方法）相比，基于同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系的雙閉環(huán)PI控制不僅可以實現(xiàn)有功無功的獨(dú)立控制，進(jìn)而實現(xiàn)換流站間功率的獨(dú)立控制及功率流的四象限運(yùn)行；而且提高了系統(tǒng)的動態(tài)性能和抗干擾能力。使用直接電流控制的柔性直流輸電可以獲得更快速且較高品質(zhì)的電流響應(yīng)。

6 仿真驗證

為分析海上風(fēng)電場柔性直流輸電變流器系統(tǒng)的暫穩(wěn)態(tài)過程，驗證其轉(zhuǎn)變和輸送電能的能力，基于Matlab/Simulink建立了風(fēng)電場和變流器模型。

系統(tǒng)各項參數(shù)如表2所示。

系統(tǒng)各項PI調(diào)節(jié)器參數(shù)如表3所示。

系統(tǒng)兩側(cè)電壓電流波形如圖8，9所示，有功/無功相應(yīng)曲線如圖10所示。

表2 柔性直流輸電系統(tǒng)仿真參數(shù)Tab.2 The simulation parameters of the flexible HVDC power transmission system

表3 柔性直流輸電系統(tǒng)仿真PI調(diào)節(jié)器參數(shù)Tab.3 The simulation parameters of the PI regulators for flexible HVDC power transmission system

圖8 直流側(cè)波形Fig.8 Waveform on the DC side

圖9 交流側(cè)波形Fig.9 Waveform on the AC side

圖10 有功/無功功率響應(yīng)Fig.10 Active/reactive power response

如圖8~圖10所示，系統(tǒng)直流側(cè)電壓在開始工作階段上升迅速平穩(wěn)，并且超調(diào)不顯著。由于控制系統(tǒng)設(shè)計中引入了電流狀態(tài)反饋和網(wǎng)側(cè)電壓前饋補(bǔ)償，使得電流內(nèi)環(huán)能迅速準(zhǔn)確地跟蹤有功、無功電流指令值，在很短的時間內(nèi)完成電流調(diào)整過程；電壓外環(huán)的平穩(wěn)性設(shè)計使得直流側(cè)電壓過渡平穩(wěn)，系統(tǒng)表現(xiàn)出較快的動態(tài)響應(yīng)速度和較強(qiáng)的抗干擾能力。電網(wǎng)側(cè)電流趨于正弦化，諧波含量少。

7 實驗驗證

為分析海上風(fēng)電場柔性直流輸電變流器系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)過程，驗證其轉(zhuǎn)變和輸送電能的能力，建立了小功率樣機(jī)試驗驗證平臺。

各項參數(shù)如表4所示。

表4 實驗平臺參數(shù)Tab.4 The parameters of the test platform

實驗平臺波形如圖11~圖13所示。

實驗結(jié)果如表5所示。

8 結(jié)論

圖11 整流側(cè)波形Fig.11 Waveform on the rectifier side

圖12 逆變側(cè)波形Fig.12 Waveform on the converter side

圖13 直流側(cè)波形Fig.13 Waveform on the side of DC

表5 實驗結(jié)果Tab.5 The results of the test

本文針對海上風(fēng)電場直流輸電系統(tǒng)，研究了三相兩電平柔性直流輸電變流器。介紹了該變流器的工作原理、調(diào)制方式和控制方法。采用諧波含量小且直流電壓利用率較高,開關(guān)損耗較小的空間矢量PWM方法產(chǎn)生開關(guān)脈，使得交流側(cè)電壓能夠快速準(zhǔn)確地跟蹤控制系統(tǒng)輸出的電壓指定值。在控制方式上，介紹了交流側(cè)動態(tài)響應(yīng)較快的雙閉環(huán)直接電流控制方法。分析并推導(dǎo)了兩端柔性直流輸電系統(tǒng)基于dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下的數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行了Matlab/Simulink仿真以及3.5 kW實驗平臺的搭建。實驗結(jié)果表明，該方案控制效果良好，所設(shè)計的控制器具有較好的抗擾性、穩(wěn)態(tài)精度及較高的響應(yīng)速度；同時,提高了海上風(fēng)電場交流系統(tǒng)穩(wěn)定性、直流輸電系統(tǒng)傳輸效率和電能質(zhì)量。因此，基于dq坐標(biāo)系的直接電流控制方法適用于海上風(fēng)電柔性直流輸電系統(tǒng)。

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