基于VSC的多端直流輸電系統的仿真研究

馮媛碩，宋吉江

(山東理工大學 電氣與電子工程學院，山東 淄博 255000)

傳統的直流輸電系統多為雙端系統，只能實現點對點功率的傳送，如果幾個交流系統需要直流互聯時，則應考慮采用多端直流輸電系統(Multi－Terminal HVDC，MTDC)［1］。因換流器形式不同，多端直流輸電系統可以分為三種形式:基于電流源型換流器的多端直流輸電系統(Current Source Converter Based Multi－Terminal HVDC，CSC －HVDC)、基于電壓源換流器的多端直流輸電系統(Voltage Source Converter Based Multi－Terminal HVDC，VSCHVDC)和混合型多端直流輸電系統(Hybrid－MTDC)。因為電壓源型換流設備在發生潮流反轉時，直流電壓極性不改變。所以，VSC－MTDC比傳統CSC－HVDC能夠更加靈活地控制有功功率，并且具有供電高可靠性。VSC－MTDC的控制運行方式主要采用以下兩種模式:電壓下降方式、主從式控制方式［2］。

電壓下降方式，即將所有換流器與有源交流系統聯接，其直流側均工作在電壓源模式下，其輸出電壓隨輸出電流的增加而降低。

主從式控制方式，系統中與有源交流系統聯接的換流器，只有一個換流器對直流電壓進行控制，而其它換流器都運行于直流電流或直流功率控制方式［3］。

前者直流電壓控制質量差，對于單個換流器無法實現定有功功率的控制，而后者雖然直流電壓調節和功率控制等性能都具有很好的剛性，但它需具備上層控制模塊和高速的通信條件，且系統的運行可靠性不高，不適用于長距離輸電的風電并網系統［4］。所以，本文首先分析了VSC－MTDC系統的基本原理，在MATLAB中建立基于VSC的三端及五端直流輸電系統的模型，并對控制系統進行設計研究?？刂葡到y采用雙環控制方式，即外環電壓控制及內環電流控制方式。同時通過仿真試驗驗證了本控制系統的正確性及可靠性。

1 VSC－MTDC系統的基本原理及結構

多端直流輸電系統通常采用一個換流器作為整流器設備，只有這一個換流器與有源交流側聯接，其他的換流器都作為逆變器設備使用，用于向無源網絡或者負荷供電［5］。對于單電源供電多端系統的原理與無源網絡雙端供電系統是類似的，相對都比較簡單。

VSC－MTDC系統通常采用兩種接線方式，一種是環狀接線方式，另一種是樹枝狀接線方式，相對而言第一種更有優勢［6］，兩種常用接線方式如圖1所示。多端直流輸電系統的基本結構如圖2所示，其中，換流器設備均采用三相六橋的電壓源結構［7］。

圖1 VSC－MTDC系統接線方式Fig.1 VSC－MTDC system wiring mode

圖2 多端直流輸電系統結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of multi－terminal DC transmission system structure

圖2(a)中有三個換流器，每一個換流設備都是基于電壓源控制的，直流側通過直流線路與其相連接，只有兩個換流器是與有源交流系統聯接的。圖2(b)的五端系統中有3個換流器分別經換流電抗器與3個獨立的有源交流網絡相聯接。換流設備中有一個作為功率平衡節點控制直流電壓穩定，其余換流器可以運行在整流或者逆變狀態實現功率分配，這樣就構成了多電源控制的VSC－MTDC輸電系統。與傳統的兩端系統相比，采用這種多端供電結構，可以提高輸電系統的穩定性及靈活性。

2 VSC的控制器設計

在基于VSC的多端直流輸電系統中，換流器設備的控制主要是定直流電壓控制，有功功率調節及交流電壓控制。而對于聯接無源網絡端的換流站，只能使用定交流電壓控制方式［8］。

2.1 定直流電壓控制器

定直流電壓控制器的設計，包括外環功率控制器和內環電流控制器二部分。

外環功率控制器的調節示意圖如圖3所示。

圖3 外環功率控制示意圖Fig.3 Schematic diagram of outer loop power control

當三相電壓平衡時，取電壓空間矢量方向為d軸的方向，得到usd=Us(Us為電網電壓的矢量模值)，usq=0。此時系統的功率表達式為

對于無窮大交流系統而言，Us是基本不變的，所以可通過對有功和無功電流進行控制，實現有功功率P和無功功率Q的調節。本文使用比例積分(PI)調節器。

內環電流控制器結構如圖4所示。

通過新設置的變量 xd、xq，使得電流 isd、isq與新變量xd、xq之間成線性關系，這樣可以實現對非線性方程式的解耦。通過對參數λ1和λ2的設定，可使內環控制器具有良好的動態性能，并基于空間矢量脈寬調制原理，得到換流器各個橋臂開關器件的觸發脈沖。

圖4 內環電流控制示意圖Fig.4 Schematic diagram of inner current control

將上述外環功率控制器與內環電流控制器綜合起來，定直流電壓控制器結構如圖5所示。

圖5 換流器的控制器結構圖Fig.5 Structure diagram of controller on converter

內環電流調節器可以準確跟蹤外環控制器的參考電流，對換流設備交流側系統的電流和相位的波形進行控制。

外環控制器使用負載電流前饋電壓下降方式進行控制，可使系統運行更加穩定，更加協調和準確，適用范圍廣泛。內環電流控制器采用線性化反饋解耦的直接電流控制策略，提高了控制器的響應特性和動態性能，它有助于MTDC系統的協調穩定控制。

2.2 定交流電壓控制器

在多端直流輸電系統中，對于聯接無源系統的換流器設備采用定交流電壓控制。本文采用基于同步坐標變換的穩態數學模型分析換流器的控制系統。設d軸方向為無源交流網絡母線處的電壓空間矢量的方向，則流入負荷的方向為電流參考方向，由式(1)得到:

式中，Us為無源網絡交流側電壓參考值。

對于交流控制器，加入比例積分環節后，調節電壓時誤差較小，系統電壓更趨穩定。定交流電壓控制器的基本結構如圖6所示。

圖6 定交流電壓控制器的基本結構Fig.6 Structure of constant AC voltage controller

本文采用一種改進的多點直流控制方式，對于多端直流輸電系統中的換流器設備采用定直流電壓控制方式，而無電源側采用定交流電壓控制方式。即使多個VSC并聯運行，也能保證在系統規模增大時，保持穩定運行。

3VSC－MTDC系統的仿真

3.1 三端直流輸電系統仿真

首先，建立基于VSC的三端直流輸電系統模型仿真系統，然后根據圖2(a)所示的結構在MATLAB/Simulink中建立其仿真系統模型。三端直流輸電系統中參數設置:有源交流側的額定電壓為380 V，額定功率為50 Hz，直流輸電線路長度為50 km，直流輸電線路的電壓為±700 V，無源系統側的額定電壓為300 V。整流側部分(VSC1側)及逆變側部分(VSC2)是使用定直流電壓控制器進行控制，而VSC3部分的后面接入無源負載，必須采用定交流電壓進行控制，控制系統的模型如圖7所示。系統中初始狀態的參數:VSC1的直流側電壓參考值為700 V，交流側有功功率為4.581×104W，而無功功率值為－200 VA;換流器設備VSC2的直流電流值為50 A，交流網絡的有功功率為－1.5321×104W，無功功率值為400 VA，換流器VSC3的直流電壓為50 A，交流系統側有功功率是－3.029×104W，無功功率值是－3200 VA。

圖7 三端VSC－HVDC控制系統仿真模型Fig.7 VSC－HVDC three terminal control system simulation models

對于本文采用的多點直流控制方式，要求所有連接于交流網絡的換流器都采用定直流電壓控方式，即三端直流輸電系統中的換流器VSC1和VSC2采用定直流電壓控制器(見圖7(a))。定直流電壓控制器主要由內環電流控制器、外環功率調節器和鎖相環節(PLL)等部分構成。內環電流控制器可以快速跟蹤外環控制器提供的參考電流，直接對換流器交流側的電流波形和相位進行控制，并且采用負載電流前饋的電壓下降方式進行控制，這種方式可以增加系統穩定性。

對于換流器VSC3部分接入無源負載，采用定交流電壓控制，并根據上述定交流電壓控制器基本結構，建立控制系統模型(見圖7(b))。此控制器可以獲得較穩定平衡的正弦交流電壓，且系統的穩態誤差較小。

由換流器VSC3定交流電壓控制仿真試驗，得到此換流器功率波形及VSC2和VSC3交流側三相電壓波形，如圖8－圖11所示。

圖8 直流側輸出電壓波形Fig.8 DC side output voltage waveform

圖9 VSC1交流側U相電壓電流波形Fig.9 VSC1 AC side of U phase voltage and current waveform

圖10 VSC2交流側U相電壓電流波形Fig.10 VSC2 AC side of U phase voltage and current waveform

由圖8—圖11波形可以看出，對于換流器VSC3的直流側電壓輸出值(見圖8)與初始狀態相比變化并不明顯，最后都穩定在了700 V，這是整流側控制器對直流電壓進行控制的結果，使得輸出直流電壓更加穩定。但是可以看出換流站1、2的功率變化(見圖11)比較明顯，與初值比較都發生很大改變:P1=4.632×104W，Q1= －135 VA;P2= －8615 W，Q2=－405 VA;其因是交流側的電壓參考值變大，使得換流器3對于負載的功率需求量變大，這樣換流器1的功率輸出值就變大了，而系統總功率要求必須平衡，所以換流器2的功率就會下降，以保證系統穩定運行。同時，換流器1和2的電壓、電流波形(見圖9、圖10)全部穩定在初始值，也驗證了三個換流器設備之間的相互獨立性。

圖11 有功功率與無功功率波形圖Fig.11 Active power and reactive power waveform

3.2 五端直流輸電系統仿真

在上述三端直流輸電系統的仿真模型基礎上，由圖2(b)結構所示建立五端直流輸電系統仿真模型，控制系統模型同上。五端直流輸電系統仿真參數設置為:Z1=9.5+1.571 jΩ，Z2=8.0 Ω，L1=L2=L3=L4=L5=0.0056 H。在仿真系統中，換流設備中VSC1、VSC2及VSC3是采用定直流電壓控制方式，直流電壓的參考值為20 kV;VSC4和VSC5采用定交流電壓控制，交流母線處的相電壓參考值為6.6 kV。系統的開關頻率設為2 kHz。仿真結果如圖12—圖14所示。

仿真結果中isam(m=1～5)表示各個換流設備的交流側U相電流，usan(n=1～5)表示各個換流母線處的U相電壓，uDCk(k=1～5)是指換流器的直流電壓。

直流電壓控制的VSC1在0.06 s發生故障閉鎖，仿真結果如上述波形所示。由于采用多點直流電壓控制，當VSC1發生閉鎖(即VSC1與交流電網解列)，由VSC3來實現直流電壓的穩定和有功功率的平衡問題，使被隔離的MTDC系統仍能向無源負荷持續供電。另外，當整流器總容量按N/(N－1)×100%(N為整流器個數)的逆變器總容量來匹配和備用時，則在VSC1閉鎖后，VSC3不會發生過負荷問題。本文采用的控制系統，能夠提高VSC－MTDC系統的供電可靠性，對于系統的故障干擾有一定的抑制作用，所以適合應用在向重要負荷供電的工程方案中。

圖12 有功功率波形Fig.12 Active power waveform

圖13 直流電壓波形Fig.13 DC voltage waveform

圖14 交流電流波形Fig.14 AC current waveform

4 結論

本文利用MATLAB/Simulink建立基于VSC的三端及五端直流輸電系統的模型，對換流器的控制系統進行了詳細設計與分析，并通過仿真試驗得知，VSC－MTDC輸電技術，可以應用于以下幾個領域:

1)從新能源中心輸送功率到遠方的多個負荷中心。

2)幾個孤立的交流系統通過直流線路實現非同步聯網。

3)大城市直流供電的多落點受電。

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