VSC-HVDC輸電系統(tǒng)的性能分析

姜建國 顏廷閣

(東北石油大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318)

0 引言

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電壓源型高壓直流輸電(voltage sourced converter based high-voltage direct current，VSC-HVDC)技術(shù)已被應(yīng)用于海上風(fēng)力發(fā)電等特殊的場合[1－2]。由于其在結(jié)構(gòu)上與傳統(tǒng)的HVDC有所不同，導(dǎo)致兩者在性能上的差異。

VSC-HVDC輸電技術(shù)具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)[3]：①整流站和逆變站可以發(fā)出和吸收無功，它們之間可以不用進(jìn)行通信;②能夠向無源網(wǎng)路供電;③響應(yīng)速度有所提高;④對環(huán)境的影響很小。

1 原理與設(shè)計(jì)

1.1 VSC輸電系統(tǒng)原理

VSC-HVDC輸電系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 VSC-HVDC電路結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic of VSC-HVDC circuit structure

圖1中，AC表示交流輸電線路，DC表示直流輸電線路。三相電抗器通過DC線路連接到AC輸電網(wǎng)路的電壓源端。

忽略變壓器阻抗，得到換流器和交流電網(wǎng)之間傳輸?shù)挠泄β蔖及無功功率Q：

有功功率和無功功率被定義為正的情況有以下幾種[5]：①功率潮流由AC電網(wǎng)流向換流器，且相位角δ是正向的;②換流器輸出電壓相位落后于AC電壓相位。

式(1)表示有功功率與DC電流及電壓成正比，同時(shí)它也受相位角δ影響。正相位角使得有功功率潮流由AC電網(wǎng)流向換流器。但由式(2)所得的無功功率主要取決于AC母線電壓與換流器輸出電壓的大小，并且由較高電壓反饋到較低的電壓。

以上這些特征是VSC的主要優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)保證了無功功率及有功功率的獨(dú)立調(diào)節(jié)。如圖2所示的是有功功率-無功功率(P－Q)圖。

圖2 P-Q圖Fig.2 P-Q diagram

圖2中的P、Q均采用標(biāo)幺值形式表示。

由式(3)可知，由于VSC是一個(gè)線性整流換流器，因此該圓的中心并不定位在原點(diǎn)。在理想狀態(tài)下P和Q的工作區(qū)域是以為原點(diǎn)、以ULUV1/XL為半徑的四象限圓形區(qū)域[6]。

1.2 系統(tǒng)描述

采用一個(gè)200 MV(±100 kV)VSC將一個(gè)230 kV、2 000 MV、50 Hz的系統(tǒng)傳輸?shù)搅硪粋€(gè)相同的AC系統(tǒng)。主電路交流側(cè)部分首先經(jīng)過變壓器降壓至10 kV，然后經(jīng)電抗器接入三電平VSC。變壓器與電抗器間還裝有27次和54次濾波器;直流側(cè)除了直流電容，還有RLC濾波器及平波電抗器。

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整流器與逆變器是三電平中性點(diǎn)鉗位，VSC換流器采用封閉式IGBT/DIODES。整流器與逆變器通過一個(gè)75 km電纜和2個(gè)8 mH的平滑電抗器連接，正弦脈寬調(diào)制(PWM)采用一個(gè)27倍次基準(zhǔn)頻率的單相三角波載波作為調(diào)制信號。為滿足交流系統(tǒng)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，AC濾波器是這個(gè)規(guī)劃的重要組成部分。該濾波器可以在AC系統(tǒng)側(cè)或換流變壓器換流側(cè)作為并聯(lián)部分連接。由于只有高次諧波，因此并聯(lián)濾波器相對于換流器等級來說是比較小的。

1.3 鎖相環(huán)

鎖相環(huán)(phase-locked loop，PLL)是使電路的輸出信號能夠跟蹤其輸入信號的相位檢測電路[8－9]。在電力系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的鎖相環(huán)電路結(jié)構(gòu)與應(yīng)用于其他領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)有所不同。電力系統(tǒng)中的鎖相環(huán)電路利用三相系統(tǒng)的特點(diǎn)，采用同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換的辦法，通過控制q軸(或d軸)電壓為零來獲得同步相位。它能夠使控制器與線電壓同步，并計(jì)算在d-q轉(zhuǎn)換中的轉(zhuǎn)換角度。PLL塊用來測量系統(tǒng)的頻率和，從而為d-q變換模塊提供同步角。

1.4 外環(huán)控制

有功功率或DC電壓由控制角控制，無功功率由調(diào)制系數(shù)(m)控制，逆變器閥側(cè)瞬時(shí)有功功率與無功功率可以用d-q坐標(biāo)系下的電流與電壓表示。

式中：ufd、ufq為電網(wǎng)電壓的 d、q 軸分量;ivd、ivq為電網(wǎng)電流的d、q軸分量。

如果將d-q體系作為基準(zhǔn)，則得到的電壓正交分量是非常小的，可忽略不計(jì)(uLq≈0)。式(4)與式(5)表明，有功功率與無功功率分別與d-q分量成正比。相應(yīng)地，可以通過控制電流分量ivd和ivq來分別控制有功功率(或者DC電壓或電流)和無功功率(或者AC母線電壓)。

有功/無功功率和電壓環(huán)包括外環(huán)調(diào)節(jié)器。該調(diào)節(jié)器可以計(jì)算換流器電流矢量的參考值，并將這個(gè)電流矢量輸入到內(nèi)部電流環(huán)[10]。

1.5 直流電壓平衡控制

直流電壓偏差控制是通過控制換流器直流側(cè)之間的電壓偏差來控制系統(tǒng)傳輸有功的大小和方向[11]。為說明其工作原理，設(shè)直流電壓平衡控制的是一個(gè)由換流站A和B構(gòu)成的VSC-HVDC兩端系統(tǒng)，系統(tǒng)運(yùn)行工作示意圖如圖3所示。

圖3 直流電壓平衡控制Fig.3 DC voltage balance control

圖3中，APR為有功功率調(diào)節(jié)器，UDCR為直流電壓調(diào)節(jié)器。圖3(a)和圖3(b)中的實(shí)線和虛線分別表示換流站A和B的工作特性，它們的交點(diǎn)就是系統(tǒng)的工作點(diǎn)。圖3(c)為兩個(gè)換流站所采用的外環(huán)控制器。對外環(huán)控制器，已知系統(tǒng)傳輸有功功率為P、直流側(cè)電壓為d、直流線路等效電阻為R時(shí)，可估算得到直流電壓偏差

在圖3(a)中，換流站 A控制直流電壓，此時(shí)圖3(c)中的開關(guān)置于“2”位，而換流站B的電壓調(diào)節(jié)器參考值要減去一個(gè)Δud，即圖3(c)中的開關(guān)置于“1”位。反之，如圖3(b)所示系統(tǒng)潮流反轉(zhuǎn)后，換流站B控制直流電壓，而換流站A的電壓調(diào)節(jié)器參考值需減去一個(gè)Δud。

在圖3(c)中，電壓調(diào)節(jié)器的下限值由有功調(diào)節(jié)器的輸出決定。它有兩種工作方式，一種是開關(guān)置于“1”位，此時(shí)若有功調(diào)節(jié)器的輸出值大于與電壓偏差值相對應(yīng)的有功電流值，則控制器處于定有功功率控制狀態(tài);反之，控制器處于定直流電壓控制。因此，Δud的大小決定了控制器處于定有功功率控制的范圍。另一種方式是開關(guān)置于“2”位，此時(shí)控制器始終處于定直流電壓控制，換流器相當(dāng)于有功平衡節(jié)點(diǎn)。

控制直流側(cè)電壓差異是為了使DC側(cè)的三電平橋在穩(wěn)定狀態(tài)下平衡。小的極電壓偏差有可能會發(fā)生在有功/無功功率變換器電流變化時(shí)，或者發(fā)生在非線性時(shí)脈沖寬度調(diào)制電橋電壓不精確的情況下。此外，極電壓偏差也可能是由于電路元件阻抗的不平衡而造成的。

2 試驗(yàn)

為了檢驗(yàn)VSC-HVDC調(diào)節(jié)器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，進(jìn)行了以下的測試研究。

首先，設(shè)置“AC system1”中的電源電壓無波動(dòng)，“station2”與“AC system1”之間無短路故障，研究VSC控制系統(tǒng)正常工況下的性能。在1.3 s時(shí)，有功功率階躍由1.0pu到0.5pu;在2.0 s時(shí)，無功功率階躍由0pu到 －0.3pu;在 2.5 s時(shí)，“station2”的直流電壓由1pu降為0.95pu，從而得到交流側(cè)無擾動(dòng)的仿真結(jié)果，如圖4所示。其中，P、Q、U均采用標(biāo)幺值形式表示。

由圖4可見，在1.3 s時(shí)，“station1”的有功功率指令發(fā)生突變，其實(shí)際的有功功率能夠迅速跟隨指令變化，在0.3 s內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定;同時(shí)，“station2”的有功功率也相應(yīng)變化。在2 s時(shí)，“station1”的無功功率指令發(fā)生突變，其實(shí)際的無功功率迅速發(fā)生相應(yīng)的變化，而此時(shí)的直流電壓和有功功率的影響變化很小，由此說明控制系統(tǒng)的解耦性能良好。在2.5 s時(shí)，“station2”的直流電壓隨之發(fā)生變化，有功功率在短時(shí)波動(dòng)后很快恢復(fù)到設(shè)定值，無功功率幾乎不受其影響。

圖4 交流側(cè)無擾動(dòng)仿真結(jié)果Fig.4 Simulation results at the AC side with no disturbance

下面研究交流側(cè)擾動(dòng)對VSC-HVDC的影響。在“AC system1”的電源中，設(shè)置其電壓幅值在1.3 s開始減小10%，持續(xù)5個(gè)周期;同時(shí)，設(shè)置三相短路，模塊在2.1 s時(shí)發(fā)生三相短路，持續(xù)6個(gè)周期得到交流側(cè)擾動(dòng)仿真結(jié)果，如圖5所示。

圖5 交流側(cè)有擾動(dòng)仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results at the AC side with disturbance

在“AC system1”的電源電壓突降后，“station1”的無功功率會受到較大的影響，而其他幾個(gè)物理量變化較小，且能較快地恢復(fù)穩(wěn)態(tài)。在“station2”交流側(cè)發(fā)生三相短路后，其輸出有功基本為零，直流電壓將上升。為此，“station1”需將定有功功率控制改為定直流電壓控制，以避免兩側(cè)功率不平衡所造成的電壓上升。在故障結(jié)束后，系統(tǒng)能夠迅速恢復(fù)故障前的運(yùn)行狀態(tài)。

3 結(jié)束語

本文論述了在有功功率與無功功率階躍變化時(shí)基于VSC的HVDC輸電系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)特性。所提出的控制策略已被證明可以提供快速且令人滿意的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，以達(dá)到新的平衡。仿真結(jié)果表明，有功功率和無功功率都達(dá)到了很好的解耦控制。當(dāng)交流電網(wǎng)發(fā)生故障、出現(xiàn)短時(shí)的電壓跌落時(shí)，功率潮流降低，該系統(tǒng)能很好地快速恢復(fù);當(dāng)故障清除時(shí)，系統(tǒng)能夠重新達(dá)到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)。

[1]Weimers L.HVDC light：a new technology for a better environment[J].IEEE Power Engineering Review，1998，18(8)：9 －20.

[2]Schettler F，Huang H，Christl N.HVDC transmission systems using voltage sourced converters design and applications[J].IEEE Power Engineering Society Summer Meeting，2000(2)：715 －720.

[3]趙畹君.高壓直流輸電工程技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，2004.

[4]丁冠軍，丁明，湯廣福，等.應(yīng)用于VSC-HVDC輸電系統(tǒng)中的新型混合脈寬調(diào)制技術(shù)[J].電網(wǎng)技術(shù)，2009，33(7)：8 －13.

[5]鄭超，周孝信，李若梅.電壓源換流器式高壓直流輸電的動(dòng)態(tài)建模與暫態(tài)仿真[J].電網(wǎng)技術(shù)，2005，29(16)：1 －5.

[6]梁艷，易映萍，姚為正，等.兩電平VSC在VSC-HVDC技術(shù)中的應(yīng)用[J].湖南工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，18(3)：29 －31.

[7]李遠(yuǎn)景，李志雄，湯雙清.基于單神經(jīng)元的VSC-HVDC控制器設(shè)計(jì)與研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2009，37(15)：10 －14.

[8]Hsieh G C，Hung J C.Phased-locked techniques-a survey[J].IEEE Transactions on Industrial electronic，1996，43(6)：609 －615.

[9]李彥棟，王凱斐，卓放，等.新型軟件鎖相環(huán)在動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器中的應(yīng)用[J].電網(wǎng)技術(shù)，2004，28(8)：42 －45.

[10]魏克新，杜吉飛，杜明星.基于單神經(jīng)元的三相PWM整流器外環(huán)控制方法的研究[J].華東電力，2010，38(10)：1546 －1549.

[11]陳海榮，徐政.適用于VSC-HVDC系統(tǒng)的直流電壓控制策略[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2006，30(19)：28 －33.