雙端VSC-HVDC系統建模及控制方法研究

梁 律，羅隆福，黃 肇，陳尚敏,3，林藝熙

(1.湖南大學 電氣與信息工程學院，湖南 長沙 410082；2.中國南方電網超高壓輸電公司廣州局，廣東 廣州510405；3.湖南省電力公司檢修公司，湖南 長沙 410004)

雙端VSC-HVDC系統建模及控制方法研究

梁 律1,2，羅隆福1，黃 肇1，陳尚敏1,3，林藝熙1

(1.湖南大學 電氣與信息工程學院，湖南 長沙 410082；2.中國南方電網超高壓輸電公司廣州局，廣東 廣州510405；3.湖南省電力公司檢修公司，湖南 長沙 410004)

在0坐標系下建立了雙端VSC-HVDC系統的數學模型，并基于該坐標系制定了相應的控制策略。所采用的控制器由外環控制器和內環控制器構成，外環控制器由基于常規PI調節器的定功率控制器/定電壓控制器構成，輸出為內環控制器的參考值；內環電流控制器采用電流反饋和電壓前饋的解耦控制策略，實現電流的快速跟蹤控制。此外，針對VSC-HVDC啟動時需要限流和限壓的要求，在啟動前投入限流電阻，確保系統能夠平穩快速的響應，系統達到穩態后切除限流電阻。最后，在PSCAD/EMTDC的仿真結果表明，所設計的控制器具有很好的調節性能。

VSC-HVDC；電流反饋；電壓前饋；解耦控制；PSCAD/EMTDC

基于電壓源換流器的高壓直流輸電(Voltaged-Source Based Converter of High Voltage Direct Current，VSC-HVDC)技術于1990年由加拿大McGill大學學者Boon-Teck Ooi等人首次提出。1997年，ABB公司首次實現了電壓源換流器高壓直流輸電實驗性工程 (Hallsjon工程)的成功運行。此后，VSC-HVDC獲得了較快的發展和應用。VSC-HVDC有以下技術優勢[1]：(1)有功功率和無功功率的快速獨立調節；(2)潮流反轉方便快捷；(3)提高交流系統的輸電能力；(4)提高交流電網的功角穩定性；(5)事故后快速恢復供電和黑啟動；(6)向無源電網供電；(7)PWM技術的使用在一定程度上限制了交流側的低次諧波。

VSC-HVDC作為新興的高壓直流輸電方式，從其誕生之日起就引起了學術界和工業界的極大興趣。國內外學者對其做了一些研究：文獻[2]推導了VSC-HVDC的穩態數學模型并設計了穩態逆模型控制器；文獻[3]推導了VSC-HVDC在0坐標下的穩態模型并提出了相應的控制方案；文獻[4]推導了0坐標下VSC-HVDC的連續時間狀態空間模型，并針對向有源和無源系統供電的2種情況提出了軸和軸解耦控制策略；文獻[5]基于同步旋轉坐標采用前饋補償法設計了解耦控制器以達到分別通過軸和軸分量來獨立調節有功和無功的目的；文獻[6]采用了反饋線性化的方法設計了非線性解耦控制器，表現出了良好的控制性能。

1 VSC-HVDC系統建模

1.1 VSC-HVDC系統的運行機理

雙端VSC-HVDC系統結構如圖1所示。該系統是一個典型的雙端兩電平六脈動系統。圖中，和分別為VSCHVDC兩側所接交流系統電壓基波向量；和分別為VSC換流器交流側電壓基波向量；δ1、δ2分別為和、和的相角差；和分別為VSC1和VSC2交流側的電流基波向量，和為兩側的換流變壓器；和分別為代表兩側的換流電抗器；和分別代表兩側換流電抗器和VSC各項損耗的等效電阻；和分別為VSC1和VSC2直流側電壓；和分別為VSC1和VSC2直流側電流；和為直流側電容器；和為流過直流線路的電流和直流線路上的電阻值；、和、分別為啟動限流電阻和開關。

可以看出圖1所示系統是對稱結構，取一側電路圖進行等效，可得到圖2所示的基波等效電路。

圖1 雙端VSC-HVDC系統結構圖

忽略聯接變壓器和相電抗器的等效電阻，VSC和交流系統之間交換的有功功率和無功功率可以表示為：

由式(1)可以得到以下結論：

1.2 dq0坐標系下系統的暫態數學模型

正常運行時，設系統三相電源對稱，主電路開關元件為理想元件，左側VSC為整流站，右側VSC為逆變站。以整流側為例，根據KVL，在abc坐標下VSC-HVDC整流側數學模型為(變量下標“1”表示其為整流側的參數)：

選取Park變換的矩陣為：

2 控制策略研究

在高壓大功率的直流輸電場合，VSC-HVDC常采用的控制方式是基于雙環(外環控制器和內環控制器)結構構成的直接電流控制，也稱為“矢量控制”。雙環結構具有快速的電流響應特性，并兼備了很好的內在限流能力。VSC-HVDC的控制系統由PLL、外環控制器、內環控制器、測量采樣環節、PWM觸發脈沖生成環節構成，控制系統結構如圖3所示。

2.1 外環控制策略

為了保證有功功率的傳送和維持系統直流電壓恒定，必須有一端采用定直流電壓控制。在兩端都聯結有源系統的情況下，需要采用一端定直流電壓控制，另一端定有功功率控制的策略。若一端聯結交流系統，另一端聯結無源網絡，聯結無源網絡那端就需要采用定交流電壓控制的策略，這樣能維持受端母線交流電壓在合乎要求的運行水平。

圖3 VSC-HVDC控制系統結構圖

(1)定功率控制器

于是，有功功率和無功功率就可以由式(7)表示：

圖4 定有功功率控制器

(2)定電壓控制器

定直流(交流)電壓控制器的目標是維持直流側(交流側)電壓恒定，通常將設定值與實際值比較后，經過PI環節，得到有功電流參考值。定直流電壓控制器原理如圖5所示。

2.2 內環控制策略

內環控制器接收外環控制器輸出的電流參考值，用于實現換流器交流側電流波形和相位的直接控制，以快速跟蹤參考電流。其輸出信號為和，經過Park變換的逆變換后變為三項信號，直接輸入觸發脈沖生成環節，最后為IGBT/GTO提供門級觸發信號。

圖5 定電壓控制器

將式(3)變換成式(9)所示的形式：

做以下替代：

則式(9)可以寫成：

為了提高內環電流控制器的跟蹤速度和精度，引入電流反饋和電網電壓前饋。所謂電流反饋，就是將交流系統的電流通過測量采樣環節引入內環電流控制器，與外環控制器產生的軸和軸電流參考值進行比較，他們的差值再通過PI環節產生電壓量和'；所謂電壓前饋，就是將以電網電壓和引入內環電流控制器作為前饋補償，通過式(9)就構成了軸和軸的獨立解耦的反饋控制系統。內環電流控制器的結構如圖6所示。

圖6 內環電流控制器

2.3 鎖相同步環節

為了保證信號的實時性、坐標同步和對電壓矢量的定向控制，須加入鎖相同步環節對交流系統的電壓相位進行鎖定。鎖相同步環節通過鎖相環將輸入的參考正弦信號進行同步，使得振蕩器和參考的輸入量同頻同相，其原理圖如圖7所示。

圖7 鎖相同步環節

3 仿真分析

3.1 系統參數

為了驗證上述控制策略的正確性，本文采用電力系統電磁暫態仿真軟件PSCAD/EMTDC進行仿真分析。仿真中，采用的一些主要參數為：交流系統的線電壓峰值為；頻率為；換流變壓器容量為；變比為；換流電抗器電抗值為；等效電阻為；直流電容為；直流線路等效電阻值為=7 Ω；直流線路等效電抗值為=0.596 8 H；限流電阻值為；高通濾波器 HPF的電阻為=1 Ω，電感為=0.12 mH，電容為=5 μF；PWM開關頻率為=1 980 Hz。

VSC-HVDC系統啟動時，既要求系統的直流電壓能夠快速上升到接近正常工作時的電壓，但又不能產生過大的充電電流和電壓沖擊VSC閥體。因此，必須設計相應的啟動控制器使系統能夠快速平穩安全地啟動。為此，仿真時采取的措施是：對定控制端來說，通過串入限流電阻減小脈沖閉鎖時的過電流，當上升到一定值時再切除限流電阻；對定P控制端來說，先斷開直流線路，然后采用與定直流電壓控制端完全相同的啟動控制方式，當VSC2的直流電壓上升到額定值時再切換到正常的定P控制。

3.2 受端為有源系統

仿真時，兩個VSC交流側都聯結有源系統，采用的控制策略為：VSC1定直流電壓控制和定交流電壓控制，且；VSC2定有功功率控制和定交流電壓控制，且。

Case1：系統啟動時控制器的響應性

圖8所示為定電壓控制器和定功率控制器的響應性，仿真結果表明所設計的控制器能較快響應，且系統的電壓和功率都能較好地跟蹤參考值。

Case2：功率抬升

待系統啟動完畢運行達到穩態后，在=1.5 s時，將VSC2側有功功率設定值從抬升到?？梢钥闯鱿到y的有功功率響應很快，在設定值完成變化之后約0.05 s系統的功率就達到－250 MW，而且有功功率的抬升對無功功率幾乎沒有影響。同時，在定電壓控制器的作用下，系統的直流電壓和交流電壓受有功功率抬升的影響不大。圖9為功率抬升實驗的仿真示意圖。

Case3：功率翻轉

圖8 外環控制器響應

圖9 有功功率抬升50 MW實驗

4 結論

圖10 有功功率翻轉實驗

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Study of double-pointed VSC-HVDC system modeling and control strategies

A mathematical model of double-pointed VSC-HVDC system was established and its control strategy was draw up in0 coordinate system.The controller consisted of outer loop and inner loop.The outer loop,which combined power/voltage controller based on conventional PI regulator,its output was reference of inner controller.The inner current loop, which adopted current feed-back and voltage feed-forward, realizing the current's fast tracking.In consideration of the requirement of current and voltage's limitation in the process of start-up,resistors were inserted and made the system's response smooth and fast.They were cut off after the system's going to steady.Last,simulation tests realized by PSCAD/EMTDC were performed to verify the designed controllers have good response speed and recovery ability after fault.

VSC-HVDC;current feed-back;voltage feed-forward;decoupled control;PSCAD/EMTDC

TM 721

A

1002-087 X(2016)03-0675-05

2015-08-17

國家自然科學基金資助項目(50907018)；湖南省研究生科研創新項目(CX2012B127)

梁律(1986—)，男，廣西壯族自治區人，碩士生，主要研究方向為高壓直流輸電。