向孤立無源負荷供電的VSC-HVDC系統(tǒng)控制策略

黃世敢，朱曉青，彭賽莊，秦斌

(湖南工業(yè)大學 電氣與信息工程學院，湖南 株洲 412007)

向孤立無源負荷供電的VSC-HVDC系統(tǒng)控制策略

黃世敢，朱曉青，彭賽莊，秦斌

(湖南工業(yè)大學 電氣與信息工程學院，湖南 株洲 412007)

本文介紹了柔性直流輸電系統(tǒng)的系統(tǒng)結構及工作原理，采用柔性直流輸電系統(tǒng)的雙閉環(huán)解耦控制策略，在MATLAB中創(chuàng)建了風電場基于VSC輕型直流輸電系統(tǒng)向一個孤立的無源負荷供電的仿真模型。仿真結果表明，系統(tǒng)直流電壓值穩(wěn)定在給定值20KV。系統(tǒng)輸入，輸出電壓實現了協調配合，輸入輸出有功功率實現了協調控制和自動平衡傳偷，各狀態(tài)量都符合理論值。在此基礎上，研究逆變器交流側線路的諧波，并給出相應的濾波器結構和對應的選擇方式，仿真結果表明，所應用的濾波器很好的抑制了逆變器交流側線路的諧波。

輕型直流輸電；電壓源型換流器；雙閉環(huán)解耦控制；諧波抑制

0 引言

柔性直流輸電技術(VSC-HVDC)的核心是電壓源型換流器(VSC)。VSC換流器的控制比較復雜，實現困難；特別是當電壓等級比較高時，多個換流器件之間的協調控制會更加困難，因此研究VSC換流器的控制方法是VSC-HVDC技術研究的重點[1]。文獻[2]利用VSC-HVDC的暫態(tài)數學模型，研究了混合仿真技術。文獻[3-5]通過分析dq0坐標系的VSC模型，基于VSC-HVDC無功和有功是由交軸直流分量和直軸交流分量分別獨立控制的結論，設計了定交流電壓控制器和定直流電壓控制器，其控制系統(tǒng)比較靈活和簡便。

在直接電流控制策略的基礎上，本文發(fā)送端VSC1換流站采用的控制方法是定直流電壓和定無功功率的組合，接收端VSC2換流站采用的控制方法是定有功功率和定無功功率的組合。在此基礎上，研究AC側線路的諧波，并給出相應的濾波器結構和對應的選擇方式。使用MATLAB進行建模仿真，仿真結果表明，所應用的控制策略能夠很好地控制系統(tǒng)的穩(wěn)定，所應用的濾波器也很好的抑制了AC側線路的諧波。

1 VSC—HVDC系統(tǒng)的基本原理和數學模型

新型柔性直流輸電技術(VSC-HVDC)以全控型、可關斷器件構成的VSC為基礎。換流器中的傳統(tǒng)半控型晶閘管被全控型器件取代，使得柔性直流輸電系統(tǒng)對其所傳輸的無功功率和有功功率可以同時進行控制，以及其向孤立無援負荷供電可以成為現實。

圖1為VSC-HVDC輸電系統(tǒng)的單線原理圖，兩端的換流站都采用VSC結構，它由換流站、換流電抗器、交流濾波器和直流電容器等部分組成。

建立VSC-HVDC系統(tǒng)的數學模型即是對電壓源換流器VSC進行數學建模。因為組成VSCHVDC系統(tǒng)的兩個拓撲結構相同的VSC換流器，通過文獻[6]可知，它們能夠對Uc與控制角δ這兩個參數進行同時控制，從而可以實現對VSC-HVDC系統(tǒng)的無功功率和有功功率的獨立控制，使兩個VSC能夠分別作為VSC-HVDC系統(tǒng)中的功率的接收端和發(fā)送端，實現能量四象限傳輸。VSC-HVDC系統(tǒng)接收端和發(fā)送端都使用VSC進行換流，從而整流側以及逆變側的電壓源型換流器電路拓撲結構相同，如圖2所示。

圖1 向無源網絡供電的VSC-HVDC系統(tǒng)結構Fig. 1 Passive network powered VSC-HVDC system architecture

圖2 電壓源型換流器電路拓撲結構Fig. 2 Voltage source inverter circuit topology

圖中，三相電網電壓為Usa、Usb、Usc；三相對稱電網相電流為ia、ib、ic；VSC開關管開關信號為Sa、Sb、Sc；三對開關管的上下導通和關斷狀態(tài)相反，對于每一對開關管而言，當上橋臂的開關管導通時，下橋臂開關管關斷；Udc為直流側電壓；L、R分別是濾波電抗器電感和電阻；C表示直流側的電容；Uca、Ucb、Ucc表示VSC的輸入電壓。電壓源換流器VSC在dq0同步旋轉坐標系下數學模型由參考文獻[7]得知，具體如下：

式(1)中，ω表示系統(tǒng)的角頻率，Rs，Ls為AC側的電感參數，Ucd，Ucq，id，iq，Usd，Usq分別表示dq0旋轉坐標系下交流電壓電流電源的直軸和交軸分量，電壓源換流器側控制電壓直軸和交軸分量，輸入的是交流電流直軸和交軸分量。

此外，根據文獻[8]瞬時功率的理論，穩(wěn)態(tài)下，換流器的開關損耗，變壓器損耗和換流電抗器中的電阻忽略后，換流器VSC的AC側的有功功率以及無功功率可以分別由以下公式表示：

穩(wěn)態(tài)情況下，假設VSC-HVDC系統(tǒng)三相對稱運行，并令AC側A相的電壓初相角為零，若Us是三相對稱電源的相電壓的最大值，有：

把式(3)代入前面的式(2)中，由此可得：

通過式(4)可知，假若交流系統(tǒng)是無窮大系統(tǒng)，Us通常情況下維持恒定，流入換流器VSC的無功功率和有功功率分別與id和iq成線性關系，所以，通過分別控制無功電流和有功電流，即可獨立控制無功功率和有功功率。

2 VSC—HVDC系統(tǒng)的控制策略

VSC-HVDC系統(tǒng)控制策略由實現方式的不同可以分化為間接控制和直接控制,這兩種控制策略都是為了達到對換流器的調制比和輸出電壓相角的控制的目的。

基于同步旋轉坐標系(dq0)下的直接電流的控制策略原理如圖3所示。由圖3可知，其基本結構主要有內環(huán)的電流控制器、外環(huán)的功率控制器、觸發(fā)脈沖的生成環(huán)節(jié)和鎖相同步以及同步坐標變換等環(huán)節(jié)構成。對于外環(huán)的功率控制器，其主要形式為：無功功率控制器、有功功率控制器、直流電壓控制器、交流電壓控制器等。上述的控制器同時構成VSC-HVDC系統(tǒng)的基本控制方式。然而對于VSC-HVDC系統(tǒng)應用在不同的領域，例如電網的背靠背互聯、孤島供電、大容量的風電場接入、多端的柔性直流輸電并聯運行、VSC-HVDC和傳統(tǒng)的直流輸電混合運行、VSCHVDC和交流線路混合并聯運行等，它們具體的控制方式因情況而異。

定直流電壓控制方式是VSC-HVDC系統(tǒng)中一種常用的控制模式，VSC-HVDC系統(tǒng)兩端的有功功率要想維持平衡以及直流電壓要想穩(wěn)定，則需要兩端換流站種的其中一端使用直流電壓控制，其它換流站可以采用有功功率控制。所以說定直流電壓控制方式在VSC-HVDC中具有很大的作用。

圖3 柔性直流輸電系統(tǒng)的控制系統(tǒng)示意圖Fig 3 flexible HVDC system control system diagram

3 VSC-HVDC系統(tǒng)的諧波及其抑制

對于柔性直流輸電系統(tǒng)，換流站的整流和逆變環(huán)節(jié)是尤為重要。換流站換相過程中，DC側與AC側電流電壓中將產生很多的特征諧波，VSC的脈波數對特征諧波次數有影響，在理想情況下，系統(tǒng)沒有非特征諧波，只是含有特征諧波。但實際上，直流輸電運行中，并不是理想的，所以，非特征諧波是存在的。

對換流器VSC的AC側和DC側的電壓與電流的波形在通過傅立葉分析后便知道，一個換流器VSC的脈動數為p，在以上的假定情況下，AC側諧波次數是m=kp+1或n=kp-1，其中k是正整數，則m次為正序，n次為負序，kp為DC側諧波次數。

觸發(fā)角與換相角影響AC側的諧波電流，其有效值隨著諧波次數的增大而變小，而觸發(fā)角越小或者換相角越大，則諧波電流越小。

DC側特征諧波之電壓和換相角有關，觸發(fā)角越大，則其數值越大，換相角和換相電抗、觸發(fā)角以及直流電流有關。

所以，對6脈動的VSC和12脈動的VSC的諧波特性分析可知，12脈動的VSC更好。

在非理想情況下，DC側與AC側電流電壓中產生的諧波，除了特征諧波，其余的諧波統(tǒng)皆是非特征諧波，它的計算與分析相當復雜。

諧波危害大，輕則電能質量降低，重則電網事故被引發(fā)，電網設備被損壞，因此需要使用適當的措施，盡量阻止諧波產生，目前添加合適的濾波器為常用方法。

現在我們常用的濾波器有單調諧慮波器、雙調諧慮波器、雙調諧帶高通特性濾波器、二階之高通濾波器、三階之高通濾波器和C型之阻尼濾波器。

單調諧波器阻抗較小，適用于AC側幅值大的低次特征諧波。例如，單橋6次脈動換流器，5, 7, 11, 13次等諧波需要分別安裝這類諧波器。其余的高次諧波則采用高涌濾波器。

4 VSC-HVDC系統(tǒng)的仿真分析

4.1 VSC-HVDC 系統(tǒng)仿真模型

利用Matlab 7.10/Simulink，建立風電場向一個孤立的無源負荷供電的VSC-HVDC系統(tǒng)仿真模型如圖4所示，它由五部分組成：三相電源；VSC1(整流子系統(tǒng))；DC line(直流輸電線)；VSC2(逆變子系統(tǒng))和三相負載。

在穩(wěn)態(tài)運行時，整流站VSC1采用的控制策略是定無功功率和定有功功率的組合。逆變站VSC2采用的控制策略是定無功功率和定直流電壓和組合。

三相電源參數設置為：三相線電壓設為600V，頻率設為50Hz，三相短路功率設為30MVA；直流輸電線的總長為27km；三相負載參數設置為：三相額定電壓線電壓設為380V，額定頻率設為50Hz，三相有功功率設為3MW，三相感性無功功率設為0，三相容性無功功率設為0。

直流電壓參考值設為20KV，有功功率的參考值設為30MW，無功功率參考值設為零，即單位功率因素控制。

如圖5所示為VSC-HVDC Light穩(wěn)態(tài)仿真波形。

系統(tǒng)的輸入及輸出電壓波形分別如圖5(a),(b)所示.從仿真圖中可知輸入電壓為600V，輸出電壓為380V，對比這兩個波形可知VSC-HVDC Light兩端電壓實現了協調配合，與理論值一致.

系統(tǒng)輸入及輸出有功功率和無功功率的波形分別如圖5(c)和(d)所示。從仿真圖中可知，系統(tǒng)輸入的有功功率能夠跟蹤所設定值30MW，無功功率為0。而系統(tǒng)輸出的有功功率比所設定的值30 MW略小，這是因為功率傳輸的過程中，直流輸電線以及換流橋等設備存在損耗。

直流電壓的仿真波形如圖5(c)所示，從圖中可以看出直流電壓和參考電壓基本一致.但由于存在濾波電容對其的影響，直流電壓有了非常細微的波動，但電壓值穩(wěn)定在20 kV。在定直流電壓的控制下，VSC1和VSC2實現了有功功率的協調控制，兩端也實現了有功功率自動平衡的傳輸。

圖4 VSC-HVDC系統(tǒng)仿真模型Fig 4 VSC-HVDC system simulation model

4.2 VSC交流側電壓濾波前后仿真

VSC交流側濾波器的參數設置，濾波電感電抗設為10mH，濾波電容三相額定線電壓設為3000V，額定頻率設為50Hz，三相容性無功功率設為3000var，仿真波形如下：

從圖7(a)和圖7(b)兩個仿真波形的對比可以看出，濾波前，輸出的電壓波形有大量的諧波分量，很不規(guī)范，正弦波形之輪廓很不明顯；濾波后，輸出電壓波形與標準的正弦波形基本接近，諧波分量幾乎沒有。

5 結論

仿真結果表明，系統(tǒng)直流電壓值穩(wěn)定在給定值20KV。系統(tǒng)輸入，輸出電壓實現了協調配合，輸入輸出有功功率實現了協調控制和自動平衡傳偷，各狀態(tài)量都符合理論值。在逆變器交流側線路所應用的濾波器也很好的抑制了該側的諧波。

圖5

圖6 交流側濾波器結構圖Fig. 6 AC side filter structure diagram

圖7

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Control Strategy of VSC-HVDC System Supplying Power for Isolated Passive Load

HUANG Shigan, ZHU Xiaoqing, PENG Saizhang, QIN Bin
(School of Electrical and Information Engineering, Hunan University of Technology, Zhuzhou 412007, China

This article describes system structure and working principle of the HVDC flexible system. Creating simulation model of VSC HVDC system that wind farm to supply power to an isolated passive load in MATLAB. The simulation results show that system stable DC voltage value at a given value 20KV, system input and output voltage to achieve the coordination, Input and output active power to achieve a coordinated control and automatic balance transfer stolen. The simulation results also show that the amount of each state are in line with the theoretical value. Researching harmonics of the inverter AC side line and giving corresponding filter structure and selection mode. The simulation results show that filter applied well suppressed Harmonics of the inverter AC side line.

HVDC Light; voltage source converter; dual-loop decoupling control; harmonic suppression

10.3969/j.issn.2095-6649.2015.03.08

: HUANG Shigan, ZHU Xiaoqing, PENG Saizhang, et al.. Control Strategy of VSC-HVDC System Supplying Power for Isolated Passive Load [J]. The Journal of New Industrialization, 2015, 5(3): 54?60.

湖南省自然科學基金(13JJ3110)。

黃世敢(1988-), 男, 漢族, 碩士研究生, 主要研究方向: 復雜機電系統(tǒng)的信息集成和協調控制; 朱曉青(1958-), 男,教授，研究生導師, 主要研究方向: 自動控制與檢測教學與研究; 彭賽莊(1988-), 男, 碩士研究生, 主要研究方向: 復雜機電系統(tǒng)的信息集成和協調控制; 秦斌(1963-), 男, 教授, 研究生導師, 主要研究領域為復雜系統(tǒng)建模與優(yōu)化控制。

黃世敢，朱曉青，彭賽莊，等．向孤立無源負荷供電的VSC-HVDC系統(tǒng)控制策略[J]．新型工業(yè)化，2015，5(3)：54-60