設(shè)置新型雙開關(guān)表的VSC-HVDC系統(tǒng)DPC控制器設(shè)計與仿真

王東陽，付永良

(西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031)

設(shè)置新型雙開關(guān)表的VSC-HVDC系統(tǒng)DPC控制器設(shè)計與仿真

王東陽，付永良

(西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031)

利用VSC-HVDC系統(tǒng)直接功率控制(DPC)原理，針對傳統(tǒng)的開關(guān)表對有功功率的控制偏弱，導(dǎo)致直流電壓跟蹤給定值能力差問題，設(shè)計新型雙開關(guān)表，使用三電平滯環(huán)比較器，引入輔助電壓。該控制器能夠能夠快速準(zhǔn)確的控制系統(tǒng)的有功功率和無功補償，使系統(tǒng)的直流電壓傳輸盡可能的穩(wěn)定，增強了對直流電壓的控制性能，改善了VSC-HVDC系統(tǒng)的抗擾動性能。并且應(yīng)用Matlab/Simulink仿真軟件對設(shè)計的控制器進(jìn)行仿真實驗。

VSC-HVDC系統(tǒng);直接功率控制;新型雙開關(guān)表

1 引言

隨著可關(guān)斷電力電子器件和PWM技術(shù)的發(fā)展，基于電壓源換流器的輕型高壓直流輸電(VSC-HVDC)系統(tǒng)越來越受到人們的關(guān)注［1］。對于VSC-HVDC系統(tǒng)，電壓型換流站的控制器是系統(tǒng)正常工作的重要部分［2］。VSC-HVDC的換流站的DPC制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為直流電壓外環(huán)和功率控制內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu)，有功功率主要影響直流電壓，無功功率決定功率因數(shù)，有功和無功功率是根據(jù) θn、Sp和Sq在開關(guān)表中選擇Su、Sv、Sw實時調(diào)節(jié)的，則開關(guān)表是換流站DPC系統(tǒng)的核心。雙開關(guān)表DPC控制方法加強了有功功率調(diào)節(jié)能力，具有響應(yīng)速度快，控制算法簡單，利于硬件實現(xiàn)等優(yōu)點［2－6］。傳統(tǒng)開關(guān)表對有功功率的控制偏弱，使直流電壓跟蹤給定值能力差，進(jìn)而對直流電壓的控制力弱，使 VSCHVDC系統(tǒng)啟動性能和擾動性能變差。

針對以上問題，本文提出設(shè)置新型雙開關(guān)表的VSC-HVDC系統(tǒng)DPC控制器，首先具有傳統(tǒng)雙開關(guān)表的優(yōu)點，其次，在有功功率滯環(huán)比較器部分采用了三電平比較器，并在開關(guān)表設(shè)計中引入了輔助電壓矢量，加強了對直流電壓跟蹤給定值跟蹤能力，增強了對直流電壓的控制能力，改善了VSC-HVDC系統(tǒng)的擾動性能。

2 設(shè)置雙開關(guān)表的VSC-HVDC系統(tǒng)DPC策略

2.1 VSC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型

首先假設(shè):①電源是三相對稱正弦電壓源;②濾波電感為線性的，并不考慮飽和;③開關(guān)管是理想開關(guān)，沒有導(dǎo)通關(guān)斷延時和損耗。兩電平三相電壓型PWM整流器的主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 PWM整流器主電路結(jié)構(gòu)圖

圖中Su、Sv、Sw為整流器的開關(guān)函數(shù)，Sj是單極性二值邏輯開關(guān)函數(shù)，Sj(j=u、v、w)=1;當(dāng)上橋臂導(dǎo)通，下橋臂關(guān)斷時Sj=0，當(dāng)下橋臂導(dǎo)通，上橋臂關(guān)斷時，在兩相靜止αβ坐標(biāo)系中三相PWM整流器的數(shù)學(xué)模型為

2.2 設(shè)置雙開關(guān)表的VSC-HVDC系統(tǒng)DPC控制器

VSC-HVDC系統(tǒng)整流側(cè)和逆變側(cè)電壓型PWM整流器均采用設(shè)置雙開關(guān)表的直接功率控制策略［4］。結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，整流側(cè)給定無功功率和直流電壓，逆變側(cè)給定無功和有功功率，對有功和無功功率的同時控制，選擇Su、Sv、Sw的值，控制換流器工作狀態(tài)，進(jìn)而控制整個VSC-HVDC系統(tǒng)。

圖2 設(shè)置雙開關(guān)表的VSC-HVDC系統(tǒng)框圖

2.3 VSC-DPC 控制器原理［3］

(1)電壓、電流和功率的計算

采用兩相靜止αβ坐標(biāo)系中電壓型PWM整流器數(shù)學(xué)模型。

(2)電源電壓矢量扇區(qū)劃分

(3)功率滯環(huán)比較器

功率滯環(huán)比較器分為兩部分:有功功率滯環(huán)比較器與無功功率滯環(huán)比較器。輸入分別為有功功率的給定值與實際有功功率的差值Δp和無功功率的給定值與實際無功功率的差值Δq，輸出反映了實際功率偏離給定功率狀態(tài)的Sp和Sq［5，7］。

(4)開關(guān)表

①電壓、電流矢量與功率的關(guān)系

在功率滯環(huán)比較器Hp、Hq規(guī)定范圍內(nèi)，瞬時功率為矢量，方向是垂直于u與i形成的平面，為分析簡便，將iq方向定為q方向［4］。

②開關(guān)表的形成

表1 有功功率開關(guān)表

表2 無功功率開關(guān)表

2 新型雙開關(guān)表的設(shè)計

因功率滯環(huán)比較器的寬度的大小，影響功率跟蹤能力，則影響控制器的控制效果，若負(fù)載較大，VSCHVDC系統(tǒng)無功功率失控現(xiàn)象比較嚴(yán)重。則在設(shè)計開關(guān)表時引入輔助電壓矢量，輔助電壓矢量相位角落后實際電壓矢量所在區(qū)域的住電壓矢量120°［8］。如在θ1與θ12區(qū)域，引入輔助電壓矢量，并且有功功率滯環(huán)比較器使用三電平滯環(huán)比較器，Sp和Sq的確定公式為:

則新型雙開關(guān)表設(shè)計為:

表3 新型有功功率開關(guān)表

表4 新型無功功率開關(guān)表

3 仿真驗證及分析

參數(shù)設(shè)置:電源相電壓峰值Um=10kV，頻率f=50Hz，交流側(cè)濾波電感L=0.002H，直流側(cè)電容C=9000μF，直流電壓給定值uDCR給定為25kV，占空比可調(diào)信號電路方波脈沖頻率fs=10kHz，有功功率給定值為1.25×107W無功功率給定值為0，PI控制器參數(shù)設(shè)置為Kp=5，Kt=150。

圖3 有功和無功功率發(fā)生階躍時系統(tǒng)仿真曲線

仿真實驗一:當(dāng)t=0.3s時，有功功率階躍為5.5×106W，當(dāng)t=0.4s時，無功功率階躍為 －3×106Var，仿真時間t=0.5s。

如圖3所示，當(dāng)在t=0.3s時，系統(tǒng)有功功率發(fā)生變化時，系統(tǒng)整流側(cè)直流電壓變化不明顯，逆變側(cè)直流電壓有明顯波動但在t=0.35s時恢復(fù)穩(wěn)定;整流側(cè)有功功率出現(xiàn)波動變大，在t=0.35s時恢復(fù)穩(wěn)定，無功功率變化不明顯;逆變側(cè)有功功率發(fā)生階躍變化，無功功率發(fā)生小幅度的階躍變化變大。當(dāng)t=0.4s時，系統(tǒng)無功功率發(fā)生變化時，系統(tǒng)整流側(cè)直流電壓變化不明顯，逆變側(cè)直流電壓變化不明顯;整流側(cè)有功功率發(fā)生小幅度變化變小，無功功率變化不明顯;逆變側(cè)有功功率發(fā)生小幅度階躍變小，無功功率也發(fā)生小幅度階躍變小。

仿真實驗二:當(dāng)t=0.3s時，在逆變側(cè)加入三相對稱接地故障，仿真時間t=0.5s。

如圖4，當(dāng)在t=0．3s時在逆變側(cè)加入三相對稱接地故障，整流側(cè)與逆變側(cè)的直流電壓無明顯變化;整流側(cè)有有功功率發(fā)生小幅度波動迅速恢復(fù)穩(wěn)定，無功功率無明顯變化;逆變側(cè)有功功率與無功功率發(fā)生明顯變化后迅速恢復(fù)穩(wěn)定。

圖4 逆變側(cè)接入三相對稱接地故障時系統(tǒng)仿真曲線

由仿真實驗一和二可以看出，設(shè)置新型開關(guān)表的VSC-HVDC直接功率控制系統(tǒng)能夠快速準(zhǔn)確的控制系統(tǒng)的有功功率和無功補償，使系統(tǒng)的直流電壓傳輸盡可能的穩(wěn)定，增強了對直流電壓的控制性能，改善了VSC-HVDC系統(tǒng)的抗擾動性能。

4 結(jié)論

本文利用VSC-HVDC系統(tǒng)的直接功率控制原理，設(shè)計出新型的雙開關(guān)表控制器。該控制器不僅具有傳統(tǒng)雙開關(guān)表的優(yōu)點，而且在有功功率滯環(huán)比較器部分采用了三電平比較器，并且在開關(guān)表設(shè)計中引入了輔助電壓矢量。通過仿真實驗一和二可以明顯看出新型雙開關(guān)表控制器加強了對直流電壓跟蹤給定值跟蹤能力，增強了對直流電壓的控制能力，改善了VSC-HVDC系統(tǒng)的擾動性能。

［1］ 徐政，陳海榮．電壓源換流器型直流輸電技術(shù)綜述［J］．高電壓技術(shù)，2007，33(1):1 －10．

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［6］ 黃崇鑫，王奔，錢碧甫，等．基于直接功率控制的并聯(lián)有源濾波器［J］．電測與儀表，2009，46(5):32 －35．

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［8］ 許伯強，張曉峰．基于新型開關(guān)表的PWM整流器直接功率控制［J］．電力科學(xué)與工程，2009，8(25)．

DPC Controller Design and Simulation of VSC-HVDC System Based on New Double Sw itch Table

WANG Dong-yang，F(xiàn)U Yong-liang
(School of Electrical Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China)

Using the principle of VSC-HVDC system direct power control(DPC)，for theweakness of the traditional table of switch control of active power，led to the DC voltage tracking problem of poor given value，design a new double switch table，using a three-level hysteresis comparator，and introducing auxiliary voltage．The controller can control the system’s active power and reactive power compensation quickly and accurately，make the transmission of system’s DC voltage as stable as possible，enhance the performance of the DC voltage control，improve the anti-disturbance performance of the VSC-HVDC system．In this article，using Matlab/Simulink simulation software to make simulation experiments for the design of the controller．

VSC-HVDC，direct power control(DPC)，new double switch table

TM571

B

1004－289X(2013)03－0037－04

2013－01－20

王東陽(1990－)，男，碩士研究生，研究方向柔性直流輸電控制。