基于VSC的三端柔性直流輸電技術(shù)研究

郭旭 金晅宏

摘 要：依據(jù)柔性直流輸電技術(shù)的獨(dú)有特點(diǎn)，針對(duì)同一網(wǎng)絡(luò)中連接無源和有源網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性分析，首先建立換流站數(shù)學(xué)模型，將abc三相坐標(biāo)系的模型轉(zhuǎn)化為dq0坐標(biāo)系，推導(dǎo)出換流站的等效數(shù)學(xué)表達(dá)式，并對(duì)其運(yùn)行原理和工作特性進(jìn)行理論分析；其次建立dq0坐標(biāo)系下的電流控制環(huán)，通過設(shè)計(jì)PI控制器控制交流系統(tǒng)和電壓源換流器之間的有功功率及無功功率。利用Matlab軟件成功對(duì)這個(gè)三端系統(tǒng)進(jìn)行模擬，對(duì)其性能進(jìn)行分析，體現(xiàn)三端直流輸電系統(tǒng)的靈活性、可控性、智能性等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：三端柔性；直流輸電；電壓源換流器；Matlab

DOI：10.11907/rjdk.172484

中圖分類號(hào)：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-7800（2018）004-0184-04

Abstract：Based on the unique characteristics of flexible HVDC technology， according to the analysis of the stability of the passive and active network connection in the same network， firstly establish the mathematical model of three-phase abc converter， the coordinates of the model into the dq0 coordinate system， equivalent mathematical expressions are derived for converter station， and the operating principle and working characteristics are analyzed.

Then， the current loop control loop is established in the dq0 coordinate system， and the designed PI controller is used to control the active power and reactive power between the AC system and the voltage source converter. Matlab software is used successfully to simulate the three terminal system， and its performance is analyzed. It embodies the advantages of flexibility， controllability and intelligence of the three terminal HVDC system.

Based on the unique characteristics of flexible HVDC technology， the analysis of the stability of the passive and active network connection in the same network is done. Firstly the mathematical model of three-phrase abc converter is established and the converter model of abc three-phase coordinate system is transformed into dq0 coordinate system of which equivalent mathematical expressions are derived. The operating principle and working characteristcs are analyzed. Then the current control loop is established in the dq0 coordinate system， and the designed PI controller is used to control the active and reactive power between the AC system and the voltage source converter. Matlab software is used to successfully to simulate the three-trminal system， and its performance is analyzed. It embodies the advantages of flexibility， controllability and intelligence of the three-terminal HVDC system.

Key Words：three terminal flexible； DC transmission； voltage source converter； Matlab

0 引言

在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的時(shí)代，人口密集型大中城市對(duì)于用電質(zhì)量的需求與日俱增。我國地域廣闊，擁有豐富的自然資源，但能源分布與負(fù)荷分布卻不均衡，越來越多的人考慮到需要更加合理地利用可再生能源滿足客觀需求。柔性直流輸電系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于分布式電源、風(fēng)力發(fā)電、水電并網(wǎng)、大負(fù)荷供電等復(fù)雜系統(tǒng)中，能夠平衡能源與負(fù)荷分布需求。

此外，采用大功率晶閘管設(shè)計(jì)的換流器將使得輸出的電壓摻雜諧波，降低電能質(zhì)量，而對(duì)系統(tǒng)增設(shè)相應(yīng)的濾波裝置，將增加工程造價(jià)以及施工復(fù)雜性。本系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)輸電最大不同點(diǎn)在于創(chuàng)新性地采用開關(guān)速度高、功耗小、耐脈沖電流沖擊、通態(tài)壓降較低、適合大電流環(huán)境、同時(shí)保持著較高開關(guān)頻率等特點(diǎn)的全控型開關(guān)器件——絕緣柵雙極晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）構(gòu)建電壓源換流器（Voltage Source Converter，VSC），可實(shí)現(xiàn)雙向潮流，性能可控，穩(wěn)定性好。

作為未來電網(wǎng)的重要組成部分，直流輸電網(wǎng)絡(luò)的直流電壓控制是首要問題，穩(wěn)定的直流電壓可以為穩(wěn)定的直流功率輸送提供保障，間接體現(xiàn)系統(tǒng)整體運(yùn)行的穩(wěn)定性，因此系統(tǒng)穩(wěn)定的前提是維持恒定的直流電壓。采用并聯(lián)式三端柔性直流輸電系統(tǒng)可以在兩端系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)建，從而增加輸電網(wǎng)絡(luò)的靈活性和智能性。一個(gè)穩(wěn)定的三端直流輸電系統(tǒng)可以為有源網(wǎng)絡(luò)和無源網(wǎng)絡(luò)提供穩(wěn)定的能量輸送。

文獻(xiàn)[1]探討在電壓穩(wěn)定性方面增強(qiáng)傳輸限制的策略。文獻(xiàn)[2]著重討論直流電壓下垂控制策略和附加偏差補(bǔ)償控制，并且基于這兩種調(diào)壓策略在兩端配電網(wǎng)和三端環(huán)狀配電網(wǎng)進(jìn)行了運(yùn)行特性仿真分析。文獻(xiàn)[3]構(gòu)建VSC的數(shù)學(xué)模型，分析多端柔性直流系統(tǒng)的啟動(dòng)控制策略，構(gòu)建了三端有源換流輸電網(wǎng)絡(luò)。文獻(xiàn)[4-7]對(duì)兩端柔性直流輸電技術(shù)進(jìn)行探討并提出控制器設(shè)計(jì)包括控制方式和控制策略。文獻(xiàn)[8-11]介紹了PID參數(shù)整定。文獻(xiàn)[12]提出一種給無源網(wǎng)絡(luò)輸送電能的仿真模型，介紹了三端無源輸電網(wǎng)絡(luò)的逆變站和整流站設(shè)計(jì)策略。文獻(xiàn)[13-14]敘述了直流輸電換流站的設(shè)計(jì)思路。文獻(xiàn)[15]討論了雙端直流輸電仿真系統(tǒng)并且受端為有源端，簡述了定直流電壓控制和定有功功率控制，也對(duì)鎖相同步環(huán)節(jié)作了簡略的概述。文獻(xiàn)[16]給出了用于向無源網(wǎng)絡(luò)供電時(shí)采用的定交流電壓控制和適用于黑啟動(dòng)和風(fēng)電并網(wǎng)條件下的變頻率控制。

本文不同于單獨(dú)給有源網(wǎng)絡(luò)或者單獨(dú)給無源網(wǎng)絡(luò)輸送電能，在構(gòu)建三端柔性直流輸電系統(tǒng)中，采用主從控制策略，設(shè)計(jì)PI閉環(huán)控制器，整流站為定直流電壓控制，可以分別向定有功功率控制的一個(gè)有源網(wǎng)絡(luò)以及采用定交流電壓控制方式控制的一個(gè)無源網(wǎng)絡(luò)輸送電能，同時(shí)，3個(gè)換流站采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)，可以防止當(dāng)一個(gè)換流站出現(xiàn)問題時(shí)導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓，同時(shí)該模型適用于風(fēng)電并網(wǎng)等動(dòng)態(tài)仿真。

1 系統(tǒng)建模

換流站結(jié)構(gòu)如圖1所示。usa、usb、usc分別為交流側(cè)三相瞬時(shí)電壓，ua、ub、uc分別為換流站輸出端三相瞬時(shí)電壓[5]。

由式（4）～（5）可知，Ps和Qs與id、iq成線性關(guān)系，所以控制id、iq進(jìn)而可以控制有功功率和無功功率，得到在d軸和q軸方向上2個(gè)獨(dú)立的電流控制回路?；谶@兩個(gè)獨(dú)立的控制回路，設(shè)計(jì)基于可控變量的雙閉環(huán)解耦控制器，其中外環(huán)可控制功率（包括直流電壓和交流電壓等與功率相關(guān)的被控量），內(nèi)環(huán)控制電流。采用比例積分（Proportional Integral， PI）控制器用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的快速響應(yīng)和穩(wěn)定狀態(tài)。

2 控制器設(shè)計(jì)

2.1 換流器控制方式

本文構(gòu)建了三端柔性直流輸電系統(tǒng)的仿真結(jié)構(gòu)，分別采用有源網(wǎng)絡(luò)和有源、無源網(wǎng)絡(luò)輸電相結(jié)合的主從調(diào)控策略，對(duì)換流站采取了并聯(lián)形式，目的是增加系統(tǒng)的靈活性和穩(wěn)定性，系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

換流站1作為整流器，調(diào)控方式是定直流電壓模式，在每一個(gè)三端輸電控制中，總是需要保證有一個(gè)站是在定直流電壓調(diào)控模式下運(yùn)行的，這樣才能保證系統(tǒng)整流側(cè)的電壓恒定，同時(shí)也調(diào)控整個(gè)換流站傳輸?shù)浇涣鱾?cè)的無功功率。

換流站2作為逆變器，其控制方式是采取定直流電流模式（定有功功率控制），用于實(shí)現(xiàn)電壓源換流站之間傳輸?shù)墓恼{(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)潮流雙向流動(dòng)。

換流站3作為逆變器，其調(diào)控方式是定交流電壓模式。用于系統(tǒng)連接的是無源網(wǎng)絡(luò)，采用定交流電壓控制。

VSC通常采用正弦脈寬調(diào)制（Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM）技術(shù)，SPWM 的基本原理利用已知確定的正弦信號(hào)（期望輸出的電壓波形）與三角載波信號(hào)二者作比較產(chǎn)生的PWM波，決定每個(gè)由IGBT構(gòu)成的橋臂通斷狀態(tài)。

換流站1為整個(gè)系統(tǒng)提供穩(wěn)定的直流控制電壓，即滿足換流站1的能量輸出為其余換流站接收能量及系統(tǒng)能耗之和。

2.2 控制器仿真搭建

采用d-q解耦方法，控制器具有快速的電流響應(yīng)特性以及出色的內(nèi)部限流能力。外部控制環(huán)的控制變量可以根據(jù)給定的直流電壓、有功無功功率進(jìn)行調(diào)控，進(jìn)過PI模塊后產(chǎn)生內(nèi)環(huán)參考電流值Id_ref及Iq_ref，而實(shí)際d、q軸上的Id、Iq也跟蹤著內(nèi)部電流環(huán)的d、q軸參考電流，這樣就能快速調(diào)節(jié)整個(gè)控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)控作用。電壓裕度控制需要使得恒定電壓變化幅度維持在每個(gè)轉(zhuǎn)換器的期望值。

換流站1控制器如圖3所示。采用定直流電壓控制方式，設(shè)置參考電壓700kV，生成參考電流，內(nèi)環(huán)加入在dq0坐標(biāo)系中d軸和q軸方向上的電壓值作為參考值。

換流站2作為逆變側(cè)，連接有源網(wǎng)絡(luò)，控制器結(jié)構(gòu)如圖4所示。采用定有功功率控制，即為雙PI閉環(huán)外環(huán)提供參考功率值。

換流站3控制器如圖5所示[9]。定交流電壓控制，由于換流站3連接的是負(fù)載，也就是無源網(wǎng)絡(luò)，以給定的交流電壓值作為控制器的參考點(diǎn)。

3 算例分析

三端輸電系統(tǒng)設(shè)計(jì)針對(duì)受端為有源和無源兩種特殊負(fù)載且換流站采用并聯(lián)方式的輸電網(wǎng)絡(luò)，以是防止系統(tǒng)癱瘓以及達(dá)到快速響應(yīng)目的。通常情況下，換流站連接成多端結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定區(qū)域會(huì)略有下降，也會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)。然而控制方式不正確，則會(huì)使得系統(tǒng)不穩(wěn)定，進(jìn)而產(chǎn)生震蕩，引起輸電電能質(zhì)量摻雜諧波，引起電能質(zhì)量下降。

在系統(tǒng)初始時(shí)，通用橋兩端并聯(lián)電容開始充電，電壓緩慢增加，由于站1是定直流電壓控制模式，電壓快速恢復(fù)到設(shè)定值。換流站1直流側(cè)電壓變化情況如圖6所示，直流電壓從0時(shí)刻開始電壓增加，0.06s時(shí)Udc增加到760kV。0.09s時(shí)Udc增加到750kV后，直流電壓Udc受到定直流電壓控制器PI閉環(huán)參數(shù)的調(diào)控作用，迅速進(jìn)入穩(wěn)定直流電壓運(yùn)行狀態(tài)。

說明：啟動(dòng)過程用時(shí)0.375s，PI整定時(shí)間也很迅速，系統(tǒng)并未出現(xiàn)大的波動(dòng)，也沒有參雜其他諧波。啟動(dòng)過程快速穩(wěn)定達(dá)到預(yù)期效果。

對(duì)于初始狀態(tài)，并聯(lián)在換流站兩端的電容充電時(shí)，換流站1整流側(cè)輸出的直流電壓從零迅速提升到700kV以上，然后維持平穩(wěn)，這種情況下，對(duì)于交直流側(cè)的沖擊都是較大的。而通加入整定動(dòng)態(tài)的調(diào)控后，電壓恢復(fù)平穩(wěn)值，避免了產(chǎn)生脈沖響應(yīng)，這也是因?yàn)槔昧薎GBT耐脈沖的優(yōu)良特點(diǎn)以及站1對(duì)于整流側(cè)電壓的動(dòng)態(tài)調(diào)控能力，可以將Udc維持在設(shè)定值700kV。

圖7、圖8為3個(gè)換流站的單相交流電流及電壓，均受到了明顯的抑制作用，加入啟動(dòng)控制策略后，單相交流電流值均被限制在0.3kA以內(nèi)，單相交流電流的波動(dòng)情況也被有效緩解。這樣做的目的是為了減輕啟動(dòng)初期沖擊電流對(duì)于系統(tǒng)的交直流側(cè)干擾，防止系統(tǒng)震蕩，有效提升整體系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。由于在換流站3右側(cè)連接的是負(fù)載，并且在仿真模型中添加了斷路器，用來保護(hù)電路，斷路器的初始狀態(tài)為打開，在0.25s時(shí)關(guān)斷。所以波形在0.25s時(shí)會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)折變化。

換流站1的整流側(cè)輸出功率如圖9所示，換流站作為控制的主輸出站，發(fā)出的有功功率可使整體系統(tǒng)能量保持均衡。系統(tǒng)有功功率階躍，規(guī)定交流系統(tǒng)輸送電能到換流器方向?yàn)檎较颍孀儌?cè)有功定值0Mw，無功定值0Mvar。

4 結(jié)語

Simulink平臺(tái)搭建的系統(tǒng)仿真模型，能夠正常運(yùn)行，采用IGBT構(gòu)建的通用橋可以更快速、平穩(wěn)地實(shí)現(xiàn)雙向換流，采用具有明顯優(yōu)點(diǎn)的雙PI閉環(huán)控制器，使該仿真快速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

基于VSC三終端柔性直流輸電仿真系統(tǒng)，研究不同控制方式的三種PI控制器，并對(duì)其穩(wěn)定運(yùn)行進(jìn)行仿真分析。測試結(jié)果表明：①模型滿足對(duì)于有源和無源網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行控制，系統(tǒng)穩(wěn)定性能良好；②能夠迅速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，響應(yīng)迅速；③對(duì)于大規(guī)模多端系統(tǒng)搭建以及電能的分布式支援有非常重要的參考意義。

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（責(zé)任編輯：劉亭亭）