HVDC輸電系統控制方式對電壓穩定性的影響

黨 克，翟旭京，畢曉龍

(東北電力大學 電氣工程學院，吉林 吉林 132012)

在HVDC輸電系統中，換流站消耗的無功功率約為直流輸送有功功率的一半左右。無功功率大量缺額導致了電力系統電壓的不穩定，因此減少換流站的無功消耗對提高電力系統的電壓穩定性至關重要。HVDC輸電系統內換流器的控制方式和無功消耗有直接關系，所以根據負荷的變化以及電力系統狀態選擇合適的換流器控制方式，可以達到減小換流器無功損耗和提高電力系統的電壓穩定性的目的。本文采用定無功非線性變結構控制，在很大程度上提高了電力系統電壓穩定性。

1 HVDC輸電系統基本控制方式

在交直流混合系統中，對應不同的運行方式，換流器要采用不同的控制方式，換流器通常使用的控制方式如表1所示。由于電壓和有功弱耦合，與無功強耦合，因此確定了直流系統換流器控制方式對逆變側消耗無功功率的影響，也就確定了換流器控制方式對受端電網電壓穩定性的影響。

表1 換流器的控制方式Tab.1 converter control method

逆變側采用定電壓控制時，為了維持電壓恒定，需要提供大量的無功支持和投入大量的無功補償設備，雖然能保證電壓穩定，但是大大增加了無功補償設備投資費用［1］。當逆變側換流器采用定熄弧角控制時，則有:

式中:γs為熄弧角;Id為直流電流;Xc為直流系統的等值電抗;Ei為逆變側電壓;β為觸發越前角。

式中:φ為功率因數角;γ為熄弧角。由式(1)可得

當負荷容量增加使交流母線電壓Ei下降時，由式(2)可知，逆變側的功率因數降低，逆變側消耗的無功功率增加，形成惡性循環將導致交流母線電壓的進一步跌落，此種控制方式不利于受端電網的電壓穩定。

在傳統的HVDC輸電系統中，整流側的基本控制量是直流電流，整流側換流器通常采用定有功功率控制和定燃弧角控制;逆變側的基本控制量是直流電壓，整流側換流器通常采用定熄弧角控制和定直流電壓控制。若逆變側采用定熄弧角控制，當系統狀況惡化時會導致換流器換相失敗，從而會導致系統電壓崩潰;當逆變側采用定電壓控制時，為了維持電壓恒定［2］，需要消耗較多的無功功率，換流器的利用率較低，經濟性不高。

2 在逆變側采用非線性變結構控制器的定無功電流控制

傳統的逆變側控制方式是定熄弧角控制和定電壓控制，控制器的設計都是在穩態工作點附近對系統進行偏微分近似線性化，然后據此設計比例－積分(PI)控制器或比例－積分－微分(PID)控制器。當系統狀態發生較大變化時，這種控制器很難對系統起到有效的控制作用［3］。本文采用定無功電流非線性變結構控制，當系統的狀態發生較大變化時，能夠在較大范圍內對系統的電壓起到調節作用。

由系統的線性化模型，可以采用成熟的變結構控制理論設計切換函數，實現變結構控制，從而求得控制變量v1、v2。對多輸入的線性系統z·1=Az+BzV，可以簡化為

取線性切換函數為

切換函數表示為

且有

把向量分解可以得到變結構的控制規律為:

在原有控制方式的基礎上，整流側仍采用原有的定電流控制方式，逆變側改用定無功電流控制，提取無功電流作為反饋信號，能在很大程度上提高電力系統的電壓穩定性。在此基礎上，將非線性變結構控制器應用在換流器控制上，同時對所設計的控制律進行了計算機仿真，并與傳統PI調節器進行比較，以證明該控制器能更好地保持電壓穩定。

4 仿真試驗

在MATLAB中建立如圖1所示的仿真模型，該系統中有兩個等效的交流系統S1和S2通過變壓器接于交直流混合系統，AC line1、AC line2為500 kV交流輸電線路，AC line3為330 kV交流輸電線路，DC line為直流輸電線路，L為動態負荷模型。

圖1MATLAB的仿真模型框圖Fig.1 MATLAB simulation model

考察線路AC line2靠近T250 km的F1處發生三相短路故障，逆變側交流電壓下降的過程中，當逆變側換流器采用定熄弧角控制時，逆變站換流器吸收無功功率的情況如圖2所示;當逆變側換流器采用定無功電流控制時，逆變側換流器吸收無功功率的情況如圖3所示。

由圖2、圖3可知，在逆變側采用定熄弧角控制下，由于某種原因導致逆變側交流電壓降低時，逆變側吸取的無功功率反而增大，兩者變化趨勢相反，由電壓穩定理論可知，這將嚴重影響電力系統的電壓穩定性，甚至會導致電壓崩潰;在逆變側采用定無功電流控制方式下，由于某種原因導致逆變側交流電壓下降時，逆變站吸取的無功功率相應減少，顯然這會促進電力系統電壓穩定［4］。由此得出在逆變側換流器采用定無功電流控制能有效地促進電力系統電壓穩定［5］。

圖2 逆變側定熄弧角控制下無功功率的變化情況Fig.2 Situation changes of reactive power under constant extinction angle control in inverter side

圖3 逆變側定無功電流控制下無功功率的變化情況Fig.3 Situation changes of reactive power under constant reactive current control in inverter side

考察整流側在線路AC line2靠近T250 km的F1處發生三相短路故障，逆變側交流電壓下降的過程中，當逆變側換流器采用定熄弧角控制和定無功電流控制時，整流側及逆變側電壓電的變化過程如圖4、圖5所示。

考察整流側在線路AC line3靠近T250 km的F2處發生三相短路故障，逆變側交流電壓下降的過程中，當逆變側換流器采用定熄弧角控制和定無功電流控制時，整流側及逆變側電壓電的變化過程如圖6、圖7所示。

圖4 故障1時整流側交流電壓Fig.4 Fault 1 AC voltage in rectifier side

圖5 故障1時逆變側電壓Fig.5 Fault 1 voltage in inverter side

圖6 故障2時整流側電壓Fig.6 Fault 2 voltage in rectifier side

圖7 故障2時逆變側電壓Fig.7 Fault 2 voltage in inverter side

由仿真結果可以看出，不管是在整流側發生故障還是在逆變側發生故障，逆變側交流電壓波動都比較嚴重。在逆變側采用定無功電流控制后，改善了整流側和逆變側的交流電壓。而且采用非線性變結構控制能較傳統的PI控制使系統更快地在干擾后恢復穩定，使電壓的波動幅度減?。?］，提高系統的電壓穩定性。

4 結語

采用非線性變結構控制器的定無功控制方式能夠減小系統電壓波動，縮短電力系統電壓的恢復時間，改善電力系統電壓穩定性能。

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