逆變器正斜率特性實現方法及系統穩定性分析

林勇

（廣東電網公司系統研究中心，廣州 510075）

逆變器正斜率特性實現方法及系統穩定性分析

林勇

（廣東電網公司系統研究中心，廣州 510075）

逆變器處于傳統的定熄弧角控制時，其負斜率的伏安特性可能與整流器外特性曲線有多個交點，導致高壓直流輸電系統處于不確定的運行狀態。介紹一種將逆變器定γ控制負斜率變為正斜率的方法，通過引入直流電流與其整定值的偏差量來修正定γ控制的斜率，建立了系統等值電路，并引入勞斯－胡爾維茨判據不計算特征值來判別系統的穩定性。分析結果表明逆變器定γ控制正斜率特性可以消除多個運行點的不確定性，增強控制系統的穩定性。

高壓直流；正斜率；穩定性；逆變器；勞斯-胡爾維茨判據

高壓直流HVDC（high voltage direct current）輸電在我國越來越多地得到應用，保證高壓直流輸電系統安全穩定地運行對現代電網顯得越來越重要[1～4]。

在HVDC的通用控制方式中，整流側一般控制電流，逆變側控制熄弧角或電壓[5]。當逆變器處于傳統意義下的定熄弧角控制[6]時，其伏安特性是一族平行的負斜率直線。這些負斜率的直線可能會與整流器外特性曲線有多個交點，形成多個工作點，使HVDC處于不確定的運行狀態[7]。為此在工程實踐上常采取某種措施將負斜率變為正斜率。HVDC是一個高度可控的閉環系統，其穩定性影響著整個系統的正常可靠運行，必須引起高度重視[8～10]。

本文介紹了工程上常用的將負斜率變為正斜率的方法[11]，并在此基礎上分析了正斜率特性[12]對HVDC系統穩定性的影響。

1 逆變器正斜率直線的實現方法

逆變器具有負斜率和正斜率的外特性分別如圖1和圖2所示。

圖3為一典型的HVDC系統示意。當整流器采用定α控制方式時，其伏安特性為

圖1 逆變器為負斜率的HVDC外特性Fig.1HVDC external characteristics with negative slope in inverter

圖2 逆變器為正斜率的HVDC外特性Fig.2HVDC external characteristics with positive slope in inverter

式中：Vd為直流電壓；Vdz為整流側換相電壓；Vdi0z為整流側空載直流電壓；α為觸發延遲角；dγz為整流側換相電阻；Id為直流電流。

圖3 HVDC系統示意Fig.3Schematic of HVDC system

逆變器采用定β和定γ控制方式時，其伏安特性為

式中：Vdn為逆變側換相電壓；Vdi0n為逆變側空載直流電壓；β、γ分別為觸發超前角和熄弧角；dγn為逆變側換相電阻。

顯然，當整流器和逆變器分別采用定α和定γ控制時其外特性均為負斜率的直線。在定γ控制方式下，逆變器外特性的負斜率與受端系統的短路電抗有關。如果受端系統比較弱，則其斜率將大于整流器定α特性的斜率，此時兩側系統的外特性將形成多個交點，當系統受到擾動時系統容易振蕩，嚴重威脅著系統的安全運行。因此，需對逆變器控制方式進行調整，使其具有正斜率特性。

式中，K′〉0。顯然對于某一控制目標γ，修正后的逆變器控制特性實現了正斜率，也就是說可以實現正斜率特性的定γ控制。對于圖3所示的HVDC系統，當整流側采用定α，逆變側采用正斜率定γ控制時，等值電路如圖4所示。

圖4 HVDC等值電路Fig.4Equivalent circuit of HVDC

2 逆變器正斜率特性對系統穩定性的影響

以下分析逆變器正斜率特性對系統穩定性的影響，分析中整流器采用定電流控制，逆變器采用具有正斜率特性的定γ控制。

整流器定電流控制原理如圖5所示，閉環系統如圖6所示，等值電路如圖7所示，系統的傳遞函數為

圖5 定電流控制原理Fig.5Principle schematic of constant current control

圖6 定電流控制閉環系統Fig.6Closed loop system of constant current control

圖7 閉環系統等值電路Fig.7Equivalent circuit of closed loop system

式中：GI（p）為電流調節器的開環傳遞函數，包括調節放大器、非線性環節、相位控制和觸發電路，忽略控制器時間常數時可表示為GI（p）=KI；Gd（p）為直流一次系統增益。由圖7可以求得

式中：R1=drz+Rdz+R/2，Rdz為整流器平抗電阻，R為線路電阻；L1=Ldz+L/2，Ldz為整流器平抗電感值，L為線路電抗；R2=K′+Rdn+R/2，Rdn為逆變器平抗電阻；L2=Ldn+L/2，Ldn為逆變器平抗電感值。

由式（7）、式（8）不難得出系統的特征方程為

式中：a0=L1L2C；a1=L1R2C+（R1+KI）L2C；a2=（R1+ KI）R2C+L1+L2；a3=R1+KI+R2。

根據系統穩定的勞斯-胡爾維茨判據[13]，有

將a0、a1、a2、a3代入式（11），由于R1、R2、KI均大于0，故3個條件均能滿足，因此維持系統穩定。

文獻[7]分析了逆變器采用定γ控制（負斜率）時，欲維持系統穩定必須使得

也就是說，與逆變器的負斜率特性相比，正斜率特性消除了系統不穩定的隱患。

3 結語

本文介紹了一種工程上使用的消除逆變器定γ控制負斜率特性的方法，該方法可在保證定γ控制的條件下實現正斜率特性。盡管從實現正斜率特性的本意來講是為了消除多個運行點帶來的問題，但本文分析結果也表明，逆變器的正斜率特性還可使系統特征根全部小于零，保證閉環系統的穩定性。

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Realization of Positive Slope Characteristic of Inverter and Analysis of Systematic Stability

LIN Yong
（Guangdong Power Grid Corporation System Research Center，Guangzhou 510075，China）

There will be multi-points of intersection between negative slope volt-ampere characteristic of high voltage direct current（HVDC）inverter and exterior characteristic curve of rectifier，when HVDC inverter is in the control of traditional constant arc extinguishing angle γ，which leads to HVDC system operate on the uncertain running state. This paper introduces a method of transforming negative slope characteristic into positive slope characteristic of constant γ control in HVDC inverter.The slope of constant γ control is corrected by the dispersion between direct current and its setting value of HVDC inverter.The systematic equivalent circuit of HVDC is established and systematic stability is analyzed by Routh and Hurwitz's criterion without solving the eigenvalues.Results show that positive slope characteristic of constant γ control can eliminate the uncertainty for multi-run points and enhance control systematic stability of HVDC system.

high voltage direct current（HVDC）；positive slope；stability；inverter；Routh and Hurwitz's criterion

TM723

A

1003-8930（2013）03-0130-03

林勇（1973—），男，碩士，高級工程師，從事電網規劃和運行工作。Email：309xt2008@163.com

2011-05-17；

2011-06-21