電壓源型高壓直流輸電系統(tǒng)建模與仿真研究

溫 宇

（四川省電力公司內(nèi)江電業(yè)局，四川內(nèi)江 641000）

傳統(tǒng)高壓直流輸電(HVDC)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，使其在遠(yuǎn)距離大功率輸電、海底電纜送電、交流系統(tǒng)之間的非同步聯(lián)絡(luò)等方面都具有廣泛的應(yīng)用前景。電壓源型高壓直流輸電(VSC-HVDC)技術(shù)是一種靈活、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、高效的輸配電技術(shù)，它以自關(guān)斷型電力電子器件和脈寬調(diào)制技術(shù)(PWM，Pulse Width Modulation)為基礎(chǔ)，使其既可以對(duì)VSC-HVDC傳輸?shù)挠泄Αo功功率實(shí)現(xiàn)四象限獨(dú)立控制，又可以在無源逆變方式下工作，實(shí)現(xiàn)向無源網(wǎng)絡(luò)供電，從而克服了傳統(tǒng)HVDC無法向無源網(wǎng)絡(luò)供電的根本缺陷;在潮流發(fā)生反轉(zhuǎn)時(shí)，直流電流方向發(fā)生反轉(zhuǎn)而直流電壓極性不變，并且換流器之間無需通信，從而有利于構(gòu)成多端直流輸電系統(tǒng)。因此，VSC-HVDC在向遠(yuǎn)距離負(fù)荷供電、連接分散小型發(fā)電廠(如風(fēng)能、太陽能發(fā)電等)、構(gòu)筑大城市直流配電網(wǎng)等領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用空間［1-3］。

文獻(xiàn)［3-4］提出的數(shù)學(xué)模型是基于靜止坐標(biāo)系建立的，其物理模型不明確，無法實(shí)現(xiàn)有功功率和無功功率的獨(dú)立控制;而其提出的控制策略是一種間接電流控制，該控制策略存在交流側(cè)電流動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢、對(duì)系統(tǒng)參數(shù)變化過于靈敏等缺點(diǎn)。文獻(xiàn)［5］提出了在dq0坐標(biāo)系下建立VSC-HVDC的穩(wěn)態(tài)模型，并設(shè)計(jì)了相關(guān)的PI控制器。上述文獻(xiàn)對(duì)VSC-HVDC的研究均未從仿真中驗(yàn)證VSC-HVDC的具體優(yōu)勢(shì)。

本文在同步dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，建立了VSCHVDC系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型及外環(huán)功率和內(nèi)環(huán)電流控制器，并針對(duì)雙端供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)了整流端和逆變端相關(guān)控制器。最后基于暫態(tài)仿真軟件PSCAD/EMTDC建立了VSC-HVDC雙端系統(tǒng)仿真模型，通過潮流發(fā)生反轉(zhuǎn)時(shí)的仿真結(jié)果，驗(yàn)證了所建立的數(shù)學(xué)模型及相關(guān)控制器的正確性和有效性。且相對(duì)獨(dú)立，現(xiàn)采用整流側(cè)換流器(VSC)進(jìn)行分析。如圖1所示三相兩電平換流器，其中usl、isl和vl(l=a，b，c)分別為交流系統(tǒng)母線電壓、電流及VSC交流側(cè)電壓基波量;udc、idc、id分別為VSC直流側(cè)的電壓值、輸出電流值以及注入到直流系統(tǒng)的直流電流值;P、Q、Pdc分別為VSC從交流系統(tǒng)吸收的有功、無功功率和VSC注入直流側(cè)的有功功率;R、L分別為包括開關(guān)損耗的換流器等效電阻和換流器等效電抗;C為直流側(cè)濾波電容。

圖1 VSC-HVDC換流站主電路

1 VSC-HVDC數(shù)學(xué)模型

由于VSC-HVDC雙端系統(tǒng)兩側(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對(duì)稱

交流系統(tǒng)平衡時(shí)，根據(jù)基爾霍夫定律可得在三相靜止坐標(biāo)系下VSC的低頻動(dòng)態(tài)模型［6］:

為便于對(duì)各物理量的分析與獨(dú)立控制，現(xiàn)通過Park變換將式(1)簡(jiǎn)化，得到在同步dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的 VSC 數(shù)學(xué)模型［7］:

式中 usl、isl、vl、Sl(l=d、q)分別為電網(wǎng)電壓、電網(wǎng)電流、VSC交流側(cè)基波電壓以及開關(guān)函數(shù)的d、q分量;ω為系統(tǒng)角頻率。

2 控制器設(shè)計(jì)

2.1 內(nèi)環(huán)電流控制器設(shè)計(jì)

由式(2)可以得到vd、vq量均具有強(qiáng)耦合性，因此為消除dq之間的耦合，式(1)可以變形為:

圖2 電流內(nèi)環(huán)離散控制器

2.2 外環(huán)功率控制器設(shè)計(jì)

在忽略電阻R后，由瞬時(shí)功率理論［7］可得:

在交流系統(tǒng)電壓平衡條件下，取d軸方向與交流電壓矢量Usl的方向一致，有Usd=Usl(Usl為整流側(cè)交流電壓矢量Usl的模值)，Usq=0;則式(4)可簡(jiǎn)化為

式中P*、Q*分別為VSC期望輸出有功功率與無功功率量。

在外環(huán)功率控制器中現(xiàn)引入數(shù)字PI控制器，從而消除被控量的穩(wěn)態(tài)誤差，結(jié)合式(5)可以得到有功功率和無功功率控制器，如圖3、圖4所示。

為平衡系統(tǒng)的有功功率并保持直流側(cè)電壓穩(wěn)定，本文在整流側(cè)換流器控制系統(tǒng)中采用定直流電壓控制器。

忽略電阻R后，由換流器VSC交直流兩側(cè)的有功功率應(yīng)保持平衡可得:

在系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)，圖1中直流側(cè)電容上的電壓微分值為0，即id=idc則式(6)可化簡(jiǎn)為

由式(7)可得如圖5所示的外環(huán)離散化定直流電壓控制器，其中K=2/3Us1。圖5中直流電壓與其期望值的偏差經(jīng)數(shù)字PI控制器調(diào)節(jié)后，得到的修正量Δi'sd與i'sd求和得到有功電流的參考值，其中修正量Δi'sd的引入可以改善控制器的響應(yīng)特性并消除靜差。

圖5 定直流電壓控制器

3 仿真與分析

3.1 雙端供電系統(tǒng)的仿真模型

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)控制器的正確性和有效性，利用電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD/EMTDC建立VSC-HVDC雙端系統(tǒng)仿真模型，進(jìn)行仿真驗(yàn)證。仿真模型中系統(tǒng)的主要參數(shù)為:整流側(cè)(VSC1)和逆變側(cè)(VSC2)交流系統(tǒng)的額定相電壓幅值Us1=10kV，Us2=6.6kV，系統(tǒng)的等效電抗和電阻分別為0.04Ω、1mH;換流電抗器等效損耗電阻和電抗分別為5.61mH、0.2Ω;直流側(cè)電容2C1=2C2=2000μF;兩側(cè)交流系統(tǒng)母線處采用二階高通濾波器，其參數(shù)為 Rf=2.8Ω、Lf=0.21mH、Cf=100.4μF。根據(jù)VSC-HVDC雙端系統(tǒng)的控制規(guī)律，整流側(cè)外環(huán)控制器采用定直流電壓(電壓設(shè)定值U=20kV)和定無功功率控制器，逆變側(cè)外環(huán)控制器采用定有功功率和定無功功率控制器。其中，仿真系統(tǒng)的采樣周期設(shè)定為Ts=10μs。

3.2 仿真結(jié)果分析

仿真模型中兩側(cè)換流器的無功功率設(shè)定值均為0Mvar，系統(tǒng)在0.25s秒發(fā)生潮流反轉(zhuǎn)(P*由6MW變?yōu)椋?MW)時(shí)的仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 逆變側(cè)有功功率指令階躍變化(6Mvar(－6Mvar)仿真波形

4 結(jié)論

本文建立了在同步dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下電壓源型高壓直流輸電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，針對(duì)向雙端供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)了相關(guān)控制器，并進(jìn)行了數(shù)字仿真。仿真結(jié)果表明:所推導(dǎo)的數(shù)學(xué)模型是正確的，而相關(guān)控制器能夠?qū)崿F(xiàn)有功功率和無功功率的獨(dú)立解耦控制;同時(shí)，在系統(tǒng)發(fā)生潮流反轉(zhuǎn)工程情況下，各被控量具有較好魯棒性和穩(wěn)定性。

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