電壓注入型DCIPC中VSC的控制方式及運(yùn)行特性仿真研究

李 娟，嚴(yán)宇昕，聶 鵬，黃喜旺，吳 琪

(1．東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林省吉林市132012; 2．國(guó)網(wǎng)天津市電力公司城西供電分公司，天津300110)

電壓注入型DCIPC中VSC的控制方式及運(yùn)行特性仿真研究

李 娟1，嚴(yán)宇昕1，聶 鵬1，黃喜旺1，吳 琪2

(1．東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林省吉林市132012; 2．國(guó)網(wǎng)天津市電力公司城西供電分公司，天津300110)

針對(duì)于常規(guī)相間功率控制器靜態(tài)移相和調(diào)節(jié)過程產(chǎn)生功率振蕩等問題，在電壓注入型相間功率控制器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，將其移相功能由電壓源換流器實(shí)現(xiàn)，構(gòu)成移相角度連續(xù)可控的動(dòng)態(tài)可控相間功率控制器(DCIPC)。建立dq0坐標(biāo)下的DCIPC數(shù)學(xué)模型，闡述電壓源換流器的控制方式并采用間接電流控制策略實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓源換流器的控制，通過對(duì)PWM調(diào)制比M及移相角δ進(jìn)行控制，平穩(wěn)連續(xù)地改變電壓源換流器的注入電壓，從而實(shí)現(xiàn)帶IPC聯(lián)絡(luò)線功率及電壓的調(diào)節(jié)。以經(jīng)帶DCIPC聯(lián)絡(luò)線相連的兩機(jī)系統(tǒng)為例，驗(yàn)證了DCIPC能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)有效調(diào)節(jié)線路功率和電壓的功能。

相間功率控制器;電壓源換流器;移相環(huán)節(jié);間接電流控制策略

1 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和用戶對(duì)電能質(zhì)量要求的日益提高，大型電網(wǎng)互聯(lián)已經(jīng)成為電力系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì)，同時(shí)也將是提高電力系統(tǒng)運(yùn)行可靠性和電能資源配置的重要途徑。通過柔性交流輸電系統(tǒng)(Flexible Alternative Current Transmission Systems，F(xiàn)ACTS)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，可以有效地解決網(wǎng)絡(luò)損耗過大、潮流分配不合理、電力系統(tǒng)功率振蕩等問題［1］。

相間功率控制器(Interphase Power Controller，IPC)是一種可對(duì)有功功率和無功功率進(jìn)行控制的組合型FACTS器件，通過等效改變線路阻抗、移相角等參數(shù)的方式來實(shí)現(xiàn)線路輸送能力的調(diào)節(jié)，在改變線路的傳輸功率、增強(qiáng)線路潮流的可控性、限制短路電流等方面都具有優(yōu)良特性［2］。IPC的類型有常規(guī)IPC120、IPC240和電壓注入型IPC等，其中常規(guī)IPC僅由電感、電容和機(jī)械開關(guān)等常規(guī)器件組成，靜態(tài)移相不能實(shí)現(xiàn)靈活調(diào)節(jié)的功能，同時(shí)會(huì)引起功率振蕩。與常規(guī)IPC相比，電壓注入型IPC的移相變壓器容量、電感及電容支路的阻抗值和電能損耗都較小，同時(shí)電壓注入型IPC中采用電力電子技術(shù)，可解決常規(guī)IPC存在的實(shí)際問題［3］。

本文在研究電壓注入型動(dòng)態(tài)可控相間功率控制器(Dynamic Controlled Interphase Power Controller，DCIPC)功率控制原理的基礎(chǔ)上，分析DCIPC中電壓源換流器(Voltage Source Converter，VSC)的工作原理，建立DCIPC在dq0坐標(biāo)下的數(shù)學(xué)模型，闡述電壓注入型DCIPC中VSC的調(diào)制比M及移相角δ與聯(lián)絡(luò)線上潮流的關(guān)系，在此基礎(chǔ)上提出間接電流控制策略以實(shí)現(xiàn)對(duì)VSC的調(diào)節(jié)控制，并進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

2 電壓注入型IPC基本結(jié)構(gòu)

電壓注入型IPC的單相結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中只在電感支路應(yīng)用移相器，電容器直接連接在送端和受端之間，類似于傳統(tǒng)的串聯(lián)補(bǔ)償裝置［4］。

圖1中Us、Ur分別為IPC入口和出口的電壓值，φ為電感支路的移相角，δ為IPC兩側(cè)電壓相位差，XL、XC分別為IPC電感、電容支路的感抗和容抗。

由圖1可推導(dǎo)出經(jīng)IPC輸送的功率表達(dá)式為:

圖1 電壓注入型IPC結(jié)構(gòu)Fig．1 General circuit of voltage injection IPC

經(jīng)過帶IPC的線路電流為:

3 電壓注入型DCIPC基本結(jié)構(gòu)及數(shù)學(xué)模型

3.1 電壓注入型DCIPC的基本結(jié)構(gòu)

相對(duì)于傳統(tǒng)的靜態(tài)IPC，電壓注入型DCIPC具有動(dòng)態(tài)可控的特性。利用VSC代替常規(guī)IPC的移相環(huán)節(jié)，通過電力電子技術(shù)改進(jìn)電感、電容支路器件，分別實(shí)現(xiàn)移相角和線路阻抗連續(xù)動(dòng)態(tài)的可控調(diào)節(jié)［5］。經(jīng)帶DCIPC交流弱聯(lián)系的兩互聯(lián)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

圖2 基于VSC的DCIPC的結(jié)構(gòu)模型圖Fig．2 Structure of improved IPC based on VSC

在圖2中，VSC作為電感支路中的移相控制器，Vpq為VSC向線路注入的接近正弦的補(bǔ)償電壓，與電感支路的電流IL正交，而且其直流電壓由電容器組構(gòu)成的直流儲(chǔ)能元件提供，因此除本身損耗外，一般與系統(tǒng)之間不存在有功功率的交換［6］。

聯(lián)絡(luò)線傳輸?shù)挠泄β逝cDCIPC兩端的電壓相位角有關(guān)。電感支路電壓Vpq的注入會(huì)使DCIPC兩端的電壓產(chǎn)生相位移動(dòng)，從而改變交流系統(tǒng)兩側(cè)的功率傳輸。本文僅針對(duì)VSC進(jìn)行調(diào)節(jié)，不考慮電感及電容的控制。

3.2 dq0坐標(biāo)下的DCIPC數(shù)學(xué)模型

本文以經(jīng)帶DCIPC聯(lián)絡(luò)線連接的兩側(cè)電網(wǎng)三相電路拓?fù)鋱D為例，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。DCIPC裝置中VSC的輸出電壓通過耦合變壓器串聯(lián)在輸電線路中，由IGBT的觸發(fā)脈沖來調(diào)節(jié)［7］。

圖3 含DCIPC的電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig．3 Power system containing DCIPC

根據(jù)電路基本原理可以得出DCIPC在abc三相靜止坐標(biāo)下的數(shù)學(xué)模型為:

式中，iLa，b，c，iCa，b，c分別為電感、電容支路電流瞬時(shí)值;ira，b，c為聯(lián)絡(luò)線電流瞬時(shí)值;Usa，b，c，Ura，b，c分別為送端電網(wǎng)和受端電網(wǎng)電壓的瞬時(shí)值;Upqa，b，c為VSC注入電壓瞬時(shí)值;UMa，b，c為M點(diǎn)電壓瞬時(shí)值。

將式(4)～式(6)通過派克變換，得到:

式中，iLd，iLq和iCd，iCq分別為電感支路和電容支路電流的d、q軸分量;isd，isq為聯(lián)絡(luò)線上電流的d、q軸分量;Usd，Usq和Urd，Urq分別為送端電網(wǎng)和受端電網(wǎng)電壓的d、q軸分量;Upqd，Upqq為VSC注入電壓的d、q軸分量;UMd，UMq是M點(diǎn)電壓的d、q軸分量。有功功率在dq0坐標(biāo)下的表達(dá)式為:

4 VSC的控制策略

4.1 控制目標(biāo)

DCIPC中VSC的控制目標(biāo)是向電感支路注入一個(gè)與支路電流正交的電壓，使其呈現(xiàn)電感/電容特性來改變支路的等效阻抗和線路兩側(cè)相位差，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)線路輸送功率的調(diào)節(jié)。

通過VSC內(nèi)部結(jié)構(gòu)和控制原理的研究分析，采用間接電流控制策略調(diào)節(jié)PWM的調(diào)制比M和移相角δ，實(shí)現(xiàn)對(duì)VSC注入電壓的控制，從而達(dá)到靈活快速地調(diào)節(jié)有功功率和交流電壓的目的。

4.2 電壓源換流器的PWM控制策略

性能優(yōu)異的VSC是脈寬調(diào)制和閉環(huán)控制策略與主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的完美結(jié)合，PWM脈寬調(diào)制是VSC與閉環(huán)控制的橋梁。

圖3中的VSC為三相兩電平電壓源換流器，每相的上橋臂和下橋臂的兩個(gè)功率開關(guān)器件可看作理想的單刀雙擲開關(guān)，其相應(yīng)的等效開關(guān)電路如圖4所示。

由圖4可得一組完整的兩電平VSC的開關(guān)函數(shù)模型:

圖4 兩電平變換器等效開關(guān)結(jié)構(gòu)圖Fig．4 Two level voltage source inverter equivalent switch structure

由式(11)～式(13)可知，脈寬調(diào)制作為觸發(fā)信號(hào)控制方式，可以改變電壓源換流器功率開關(guān)器件的通斷狀態(tài)，即建立相應(yīng)的開關(guān)函數(shù)模型，進(jìn)而達(dá)到調(diào)整電壓源換流器交流電壓Upq和電流i的目的。

4.3 間接電流控制機(jī)理分析

間接電流控制也稱為“直接控制”，實(shí)際上就是所謂的“電壓幅值相位控制”，即通過調(diào)節(jié)換流器交流側(cè)輸出電壓基波的幅值和相位來達(dá)到控制目標(biāo)。其主要原理是根據(jù)所控制物理量的偏差值輸入，直接由比例積分調(diào)節(jié)器得到相應(yīng)的調(diào)制比M和移相角δ兩個(gè)物理量，然后將其輸入到觸發(fā)脈沖發(fā)生環(huán)節(jié)以實(shí)現(xiàn)對(duì)換流器的控制調(diào)節(jié)，其原理如圖5所示。其中φ表示系統(tǒng)電壓和電流之間的相角差;比例積分調(diào)節(jié)器中Kp用來提高響應(yīng)速度，Ki用來消除穩(wěn)態(tài)誤差。

圖5 VSC系統(tǒng)間接電流控制原理圖Fig．5 Indirect current control diagram of VSC

(1)有功功率控制機(jī)理分析

有功功率控制的基本原理是利用有功功率測(cè)量值Psm與控制參考值Psref的差值，通過PI調(diào)節(jié)器控制調(diào)節(jié)PWM調(diào)制波的移相角δ，以使換流站注入到交流系統(tǒng)的有功功率達(dá)到其設(shè)定值，控制原理如圖6所示。當(dāng)有功功率差值很大時(shí)，為防止出現(xiàn)積分飽和現(xiàn)象，需要在積分環(huán)節(jié)中加相應(yīng)的限幅環(huán)節(jié);另外為防止有功功率控制器發(fā)生超調(diào)現(xiàn)象，在其輸出也需要移相角限幅環(huán)節(jié)。

圖6 有功功率控制器原理框圖Fig．6 Block diagram of active power controller

(2)交流電壓控制機(jī)理分析

交流電壓控制是利用測(cè)量值Usm與參考值Uref的差值，通過PI調(diào)節(jié)器控制調(diào)節(jié)PWM調(diào)制波的調(diào)制比M，以此調(diào)節(jié)注入到交流系統(tǒng)的無功功率，從而控制交流電壓的幅值達(dá)到其設(shè)定值，如圖7所示。

圖7 交流電壓控制器原理框圖Fig．7 Block diagram of AC voltage

因此，將實(shí)時(shí)采集的有功功率、交流電壓與系統(tǒng)相應(yīng)輸出物理量的參考值之間的偏差，輸入到相應(yīng)控制模塊中，并經(jīng)過比例積分調(diào)節(jié)器，得到與VSC有功功率、交流電壓相關(guān)基于PWM調(diào)制的移相角δ、調(diào)制比M，最終根據(jù)得到的M與δ生成觸發(fā)脈沖，進(jìn)而對(duì)換流器中的IGBT閥進(jìn)行控制。

根據(jù)上述間接電流控制原理，VSC控制原理如圖8所示，換流閥采用SPWM正脈寬調(diào)制，T1～T6為開關(guān)器件的脈沖觸發(fā)信號(hào)。

圖8 VSC間接電流控制器原理框圖Fig．8 Indirect current controller block diagram of VSC

5 功率和電壓控制的仿真分析

本文以圖9所示的經(jīng)帶DCIPC的互聯(lián)電網(wǎng)為例進(jìn)行仿真分析，通過間接電流控制策略對(duì)VSC的注入電壓進(jìn)行控制，驗(yàn)證DCIPC對(duì)系統(tǒng)傳輸?shù)挠泄β屎徒涣麟妷旱目刂菩Ч?/p>

電力系統(tǒng)由兩條220kV輸電線路相聯(lián)，其中一條線路中裝設(shè)DCIPC;系統(tǒng)的S1側(cè)和S2側(cè)分別裝設(shè)容量為200MVA和150MVA的發(fā)電機(jī)組，B2母線處設(shè)有300MW的動(dòng)態(tài)負(fù)載。調(diào)節(jié)DCIPC中VSC的注入電壓，對(duì)輸電線路的傳輸功率和B2母線處電壓瞬時(shí)值進(jìn)行測(cè)量。DCIPC電感支路感抗和電容支路容抗標(biāo)幺值分別為0.03pu和0.05pu，DCIPC移相環(huán)節(jié)的VSC有功功率控制器參數(shù)Kp=0.045、Ki=1.6，交流電壓控制器參數(shù)為 Kp=0.02、Ki= 0.95。

圖9 仿真系統(tǒng)簡(jiǎn)易圖Fig．9 Simplified diagram of simulation system

(1)有功功率控制仿真分析

對(duì)互聯(lián)系統(tǒng)的傳輸功率進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，在0～0.3s期間線路中不施加控制，VSC參考電壓設(shè)置為0;當(dāng)0.3s時(shí)加入控制，將 VSC參考電壓設(shè)置為0.04pu，觀察DCIPC對(duì)B1和B2母線間線路傳輸有功功率的調(diào)節(jié)情況，如圖10所示。

圖10 VSC注入電壓和傳輸功率變化情況Fig．10 Situation of injection voltage and transmission power changes

通過Simulink仿真分析得知，在感性支路中裝設(shè)DCIPC，通過改變VSC注入電壓將線路兩端相角差由7.2°調(diào)至9.5°，進(jìn)而S1側(cè)發(fā)電機(jī)組經(jīng)聯(lián)絡(luò)線傳輸?shù)墓β孰S之發(fā)生變化，由 150MW 升高到200MW。然而在0.3s時(shí)由于相角變化引起了傳輸功率的振蕩。

(2)電壓調(diào)節(jié)仿真分析

在電壓調(diào)節(jié)過程中增大B2母線處的無功負(fù)荷，B2母線處電壓隨無功負(fù)荷的增大而降低。在0～0.3s期間線路中不施加調(diào)節(jié)，VSC參考電壓設(shè)置為0;當(dāng)0.3時(shí)將VSC參考電壓設(shè)置為0.14pu，觀察DCIPC對(duì)B2母線處電壓的調(diào)節(jié)情況，如圖11所示。

通過Simulink仿真分析得知，由于無功負(fù)荷的增大致使B2母線處電壓降低至0.8pu，經(jīng)過DCIPC調(diào)節(jié)后電壓恢復(fù)到1.0pu左右。同時(shí)間接電流控制策略的采用使電壓可以平滑過渡，避免了電壓階躍的情況，而且保持了良好的電壓波形。由上述分析可知，DCIPC可以有效地調(diào)節(jié)線路電壓，以確保電力系統(tǒng)設(shè)備安全運(yùn)行。

圖11 B2母線處電壓變化曲線Fig．11 Curve of voltage at bus B2

6 結(jié)論

本文將電壓注入型相間功率控制器中的移相環(huán)節(jié)采用VSC實(shí)現(xiàn)構(gòu)成DCIPC，VSC可以快速靈活地實(shí)現(xiàn)改變支路移相角的功能，并且損耗較小。

設(shè)計(jì)電壓注入型DCIPC中的VSC控制方式，建立了dq0坐標(biāo)下的DCIPC數(shù)學(xué)模型，采用間接電流控制對(duì)PWM調(diào)制的移相角δ、調(diào)制比M進(jìn)行調(diào)節(jié)。

以經(jīng)帶DCIPC的互聯(lián)電網(wǎng)為例進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明，本文采用的控制方式可以快速地控制VSC注入電壓，有效地調(diào)節(jié)帶IPC線路的傳輸功率，從而起到控制網(wǎng)絡(luò)中的功率分布的作用，而且在母線電壓降低時(shí)可以有效地改善母線電壓質(zhì)量。

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Modeling and simulation of VSC in DCIPC with voltage injection

LI Juan1，YAN Yu-xin1，NIE Peng1，HUANG Xi-wang1，WU Qi2
(1．School of Electrical Engineering，Northeast Dianli University，Jilin 132012，China; 2．State Grid Tianjin Chengxi Power Supply Corporation，Tianjin 300110，China)

Considering the issues of static phase shift and power oscillation of the conventional IPC，according to the analysis of the voltage injection interphase power controller，the voltage source converter is combined with Interphase Power Controller with Voltage Injection．Dynamic controlled interphase power controller is constituted where the phase shift transformer is replaced by the voltage source converter．DCIPC mathematical model is established under dq0 coordinates．The control mode of the voltage source converter is described and analyzed．At the same time，by using indirect current control strategy in the control of PWM modulation ratio M and phase angle δ，the injection voltage of voltage source converter is changed smoothly and continuously，thus power and voltage on the line with IPC are controlled．As an example of the system connecting two machine by DCIPC in line，the control of power and AC voltage on the line is verified．

interphase power controller;voltage source converter;phase shifting transformer;indirect current control strategy

TM76

:A

:1003-3076(2015)11-0037-06

2014-09-30

李 娟(1972-)，女，山東籍，教授，博士，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)運(yùn)行控制及FACTS研究;

嚴(yán)宇昕(1989-)，女，湖北籍，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)運(yùn)行控制及FACTS研究。