柔性直流輸電系統建模與仿真

孫宇斌，張建華，裘劍明，徐 虹

（華北電力大學電氣與電子工程學院，北京 102206）

0 引言

由于采用了全控型開關器件和高頻PWM調制技術，使得柔性直流輸電（HVDC-Flexible）在具備常規直流輸電所有的優點之外，還具備很多自身的特殊優點。例如：柔性直流輸電系統可以在其運行范圍內對有功和無功功率進行完全獨立的控制；其受端系統可以是無源網絡；在一定的控制策略下，可以消除交流系統的電壓閃變和特定次諧波等。因此，柔性直流輸電在新能源并網發電、向偏遠地區供電、提高電網電能質量等領域得到了廣泛應用［1］。

隨著我國能源緊缺和環境污染等問題的日益嚴峻，以及風能、太陽能等可再生能源利用規模不斷擴大，可以看到，在不久的將來柔性直流輸電將成為我國電網的重要組成部分［2］。在此背景下，研究HVDC-Flexible系統的結構、運行原理及控制策略，并對HVDC-Flexible進行建模與仿真，分析系統的穩態、動態特性等顯得非常重要。文獻［3］提出了一種柔性直流輸電系統向無源網絡供電的控制策略，并設計了相應的控制器；文獻［4］對向無源網絡供電的柔性直流輸電系統進行了建模與仿真，但其控制方法還有待完善；文獻［5］研究了電壓源換流器型直流輸電系統的電壓和電流的限幅控制，改善了其控制系統的動態響應速度；文獻［6］結合上海南匯柔性直流輸電示范工程介紹了柔性直流輸電控制及保護系統的工作原理。利用Matlab中的Simulink對HVDC-Flexible進行建模，并在此模型基礎上進行了系統的穩態和暫態故障的仿真，得出相應的仿真波形，驗證了該模型的有效性。

1 柔性直流輸電技術的結構與原理

1.1 系統結構

如圖1所示，柔性直流輸電系統的主要設備一般包括：聯接變壓器、交流濾波器、相電抗器、電壓源換流器、換流站的控制保護及輔助系統（水冷系統、站用電系統）、極設備和直流輸電線路等。

圖1 柔性直流輸電系統結構示意圖

聯接變壓器是帶抽頭的普通變壓器，其作用是為電壓源換流器提供合適的工作電壓；交流濾波器的作用是濾除換流器交流側諧波；相電抗器是電壓源換流器與交流系統進行能量交換的紐帶，也有濾波的作用；電壓源換流器包括換流電路和直流電容器，換流電路由一個或多個換流橋串聯（或并聯）組成，工程中換流橋多采用三相兩電平橋式、二極管鉗位式三電平橋式或模塊化多電平結構。

1.2 數學模型

典型的三相二電平VSC換流橋結構如圖2所示。圖中usa、usb、usc分別為交流系統側三相瞬時電壓，ua、ub、uc分別為換流站出口端三相瞬時電壓，ia、ib、ic分別為流入換流器的三相瞬時電流。根據基爾霍夫電路定律，利用輸入輸出法建立柔性直流輸電系統的數學模型，可得換流站交流系統微分方程組的矩陣矢量形式為：

在d-q旋轉坐標系下，當以a相電壓軸作為d軸時，即Usq=0，換流站與交流系統交換的有功功率ps和無功功率qs可表示為：

由式（3）可見，在d-q旋轉坐標系下分別控制id和iq便實現了換流站與系統交換的有功和無功功率的解耦控制。

圖2 電壓源換流器三相電路拓撲圖

1.3 控制原理

柔性直流輸電系統的控制主要采用脈寬調制技術（PWM）或者脈沖幅值調制技術（PAW）。PWM技術多應用于基于IGBT閥的柔性直流換流站控制，而PAW技術則多應用于基于GTO閥的柔性直流換流站的控制。

當不計相電抗器和聯接變壓器的電阻時，電壓源換流器與交流系統間交換的有功功率P和無功功率Q分別為：

式中：Xc為聯接變壓器和相電抗器的等效電抗值，Us為交流系統母線電壓基頻分量有效值，Uc為換流器交流側電壓基頻分量有效值，δ為Uc相對于Us的相角差。由式（4）和（5）可見，換流器控制系統可通過調節PWM的脈寬調制比M（換流器交流側輸出電壓基頻相電壓幅值與直流電壓的比值）以及移相角度δ實現對有功率P與無功功率Q的快速獨立控制。其具體實現過程如圖3所示。

圖3中Aref為有功功率類控制量，Bref為無功功率類控制量。整個控制系統由外環電壓控制器、內環電流控制器、鎖相同步環節和觸發脈沖生成等環節組成。外環電壓控制器主要用于根據柔性直流系統的控制目標實現定直流電壓控制、定有功功率控制、定頻率控制、定無功功率控制和定交流電壓控制等控制目標。內環電流控制器用于實現對換流器交流側電流幅值和相位的直接控制，以快速跟蹤參考電流。鎖相環節輸出的相位信號用于提供電壓矢量控制和觸發脈沖生成所需的基準相位。

圖3 換流站控制原理示意圖

2 柔性直流輸電系統仿真模型

在Matlab中，利用Simulink對柔性直流輸電系統及其控制器建立仿真模型如圖4所示。該模型模擬風電場向孤島無源負荷進行供電。

圖4中，600 V、10 MVA風電場通過20 kV直流輸電線路與380 V、3 MVA、50 HZ的孤島無源負荷相連。電壓源換流器VSC1實現整流過程，其控制方式采用定直流電壓控制和定無功功率控制，該控制器仿真模型如圖5所示。 定直流電壓控制方式用以平衡系統中傳輸的有功功率，整定值設為20 kV；定無功功率控制方式可根據無功調度指令設定整定參數用以抑制電壓波動以提高系統的電壓穩定性。電壓源換流站VSC2實現逆變過程，其控制方式采用定頻率控制和定交流電壓控制，該控制器的仿真模型如圖6所示。

圖5為整流側控制器的內環電流控制器模型，它由2個PI調節環節構成。第一個環節為直流電壓控制環節，外環電壓控制器送來的id與整定值id_ref比較后的誤差經PI環節，參與到PWM脈沖觸發信號ud的形成過程中。第二個環節為無功功率控制環節，外環電壓控制環節送來的iq與整定iq_ref比較后的誤差經PI環節，參與到PWM脈沖觸發信號uq的形成過程中。最后PWM脈沖發生器根據ud和uq來控制換流器以實現整流側定直流電壓與定無功功率的控制目標。

圖6為逆變側控制器的模型，它由1個PI調節環節構成。在該環節中，母線送來的測量值Uabc經park變換得到的ud和uq，它們與整定值ud_ref、uq_ref比較后的誤差經PI環節，參與到PWM脈沖觸發信號Uabc_inv的形成過程中。換流器輸出交流電壓相位和頻率由鎖相器PLL的整定參數所決定。最后PWM脈沖發生器根據Uabc_inv來控制換流器以實現逆變側定交流電壓與定頻率的控制目標。

圖4 柔性直流輸電系統仿真模型

圖5 整流側內環電流控制器仿真模型示意圖

圖6 逆變側控制器仿真模型示意圖

3 仿真結果分析

基于圖4所示的仿真模型，分別對系統穩態、直流線路故障、逆變側交流故障進行仿真，仿真結果如下。

3.1 系統穩態仿真

仿真后逆變器交流側電壓和直流側電壓的波形如圖7所示。由仿真波形可見，逆變器交流側電壓在0.12 s后便可以穩定的運行于額定狀態，而由于對穩壓電容充電的原因，直流側電壓進入穩定的額定運行狀態則至少需要1 s的時間。實驗結果表明本仿真模型所采用的控制策略是有效的。

圖7 系統穩態仿真波形示意圖

3.2 直流線路故障仿真

本次仿真模擬逆變器直流側在2.5 s時發生直流線路接地故障，2.6 s時故障消除，接地時間0.1 s。仿真后的直流電壓和直流電流的波形如圖8所示。由仿真波形可見，直流線路的接地故障導致了直流電壓瞬間跌落至0，而穩壓電容器通過接地點以及接地極形成的通路放電導致了直流電流瞬間達到了35倍的額定值。在故障消失后，直流電壓與電流均經歷了較長時間的振蕩才重新回到了額定運行狀態。可見直流線路接地故障對整個柔性輸電系統造成的影響是巨大的，因此在實際柔性直流工程中一般采用電纜輸電來降低直流線路的故障率。

圖8 直流線路故障仿真波形示意圖

3.3 逆變側交流故障仿真

本次仿真模擬逆變器交流側在3.0 s時發生a，b兩相接地故障，3.1 s時故障消除，故障持續0.1 s。仿真后逆變器交流側電壓和直流側電壓的波形如圖9所示。由仿真波形可見，故障時逆變器直流側電壓及交流側線電壓均出現了擾動。故障清除后，直流側電壓和交流側電壓均經小幅振蕩后回歸正常。結果表明，本文所提的控制策略具有較強的抗交流故障能力。

圖9 直流線路故障仿真波形示意圖

4 結語

隨著我國堅強智能電網的建設，以及風能、太陽能等清潔能源利用規模的不斷擴大，柔性直流輸電必將因其獨有的優點成為我國電網的重要組成部分。所以HVDC-Flexible的建模與仿真，將對電力系統的設計、規劃和運行起著重大的作用。本文利用Matlab的Simulink對柔性直流輸電系統及其控制器進行了建模，并在此模型的基礎上進行了穩態和一系列暫態故障的仿真。 仿真結果表明該模型可靠有效，符合工程實際情況；所提出的控制策略具有較快的響應速度并對交流側故障有一定的抵抗能力。