基于VSC的三端柔性直流輸電技術研究

郭旭 金晅宏

摘 要：依據柔性直流輸電技術的獨有特點，針對同一網絡中連接無源和有源網絡的穩定性分析，首先建立換流站數學模型，將abc三相坐標系的模型轉化為dq0坐標系，推導出換流站的等效數學表達式，并對其運行原理和工作特性進行理論分析；其次建立dq0坐標系下的電流控制環，通過設計PI控制器控制交流系統和電壓源換流器之間的有功功率及無功功率。利用Matlab軟件成功對這個三端系統進行模擬，對其性能進行分析，體現三端直流輸電系統的靈活性、可控性、智能性等優點。

關鍵詞：三端柔性；直流輸電；電壓源換流器；Matlab

DOI：10.11907/rjdk.172484

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2018）004-0184-04

Abstract：Based on the unique characteristics of flexible HVDC technology， according to the analysis of the stability of the passive and active network connection in the same network， firstly establish the mathematical model of three-phase abc converter， the coordinates of the model into the dq0 coordinate system， equivalent mathematical expressions are derived for converter station， and the operating principle and working characteristics are analyzed.

Then， the current loop control loop is established in the dq0 coordinate system， and the designed PI controller is used to control the active power and reactive power between the AC system and the voltage source converter. Matlab software is used successfully to simulate the three terminal system， and its performance is analyzed. It embodies the advantages of flexibility， controllability and intelligence of the three terminal HVDC system.

Based on the unique characteristics of flexible HVDC technology， the analysis of the stability of the passive and active network connection in the same network is done. Firstly the mathematical model of three-phrase abc converter is established and the converter model of abc three-phase coordinate system is transformed into dq0 coordinate system of which equivalent mathematical expressions are derived. The operating principle and working characteristcs are analyzed. Then the current control loop is established in the dq0 coordinate system， and the designed PI controller is used to control the active and reactive power between the AC system and the voltage source converter. Matlab software is used to successfully to simulate the three-trminal system， and its performance is analyzed. It embodies the advantages of flexibility， controllability and intelligence of the three-terminal HVDC system.

Key Words：three terminal flexible； DC transmission； voltage source converter； Matlab

0 引言

在經濟快速發展的時代，人口密集型大中城市對于用電質量的需求與日俱增。我國地域廣闊，擁有豐富的自然資源，但能源分布與負荷分布卻不均衡，越來越多的人考慮到需要更加合理地利用可再生能源滿足客觀需求。柔性直流輸電系統廣泛應用于分布式電源、風力發電、水電并網、大負荷供電等復雜系統中，能夠平衡能源與負荷分布需求。

此外，采用大功率晶閘管設計的換流器將使得輸出的電壓摻雜諧波，降低電能質量，而對系統增設相應的濾波裝置，將增加工程造價以及施工復雜性。本系統相對于傳統輸電最大不同點在于創新性地采用開關速度高、功耗小、耐脈沖電流沖擊、通態壓降較低、適合大電流環境、同時保持著較高開關頻率等特點的全控型開關器件——絕緣柵雙極晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）構建電壓源換流器（Voltage Source Converter，VSC），可實現雙向潮流，性能可控，穩定性好。

作為未來電網的重要組成部分，直流輸電網絡的直流電壓控制是首要問題，穩定的直流電壓可以為穩定的直流功率輸送提供保障，間接體現系統整體運行的穩定性，因此系統穩定的前提是維持恒定的直流電壓。采用并聯式三端柔性直流輸電系統可以在兩端系統基礎上進行擴建，從而增加輸電網絡的靈活性和智能性。一個穩定的三端直流輸電系統可以為有源網絡和無源網絡提供穩定的能量輸送。

文獻[1]探討在電壓穩定性方面增強傳輸限制的策略。文獻[2]著重討論直流電壓下垂控制策略和附加偏差補償控制，并且基于這兩種調壓策略在兩端配電網和三端環狀配電網進行了運行特性仿真分析。文獻[3]構建VSC的數學模型，分析多端柔性直流系統的啟動控制策略，構建了三端有源換流輸電網絡。文獻[4-7]對兩端柔性直流輸電技術進行探討并提出控制器設計包括控制方式和控制策略。文獻[8-11]介紹了PID參數整定。文獻[12]提出一種給無源網絡輸送電能的仿真模型，介紹了三端無源輸電網絡的逆變站和整流站設計策略。文獻[13-14]敘述了直流輸電換流站的設計思路。文獻[15]討論了雙端直流輸電仿真系統并且受端為有源端，簡述了定直流電壓控制和定有功功率控制，也對鎖相同步環節作了簡略的概述。文獻[16]給出了用于向無源網絡供電時采用的定交流電壓控制和適用于黑啟動和風電并網條件下的變頻率控制。

本文不同于單獨給有源網絡或者單獨給無源網絡輸送電能，在構建三端柔性直流輸電系統中，采用主從控制策略，設計PI閉環控制器，整流站為定直流電壓控制，可以分別向定有功功率控制的一個有源網絡以及采用定交流電壓控制方式控制的一個無源網絡輸送電能，同時，3個換流站采用并聯結構，可以防止當一個換流站出現問題時導致系統癱瘓，同時該模型適用于風電并網等動態仿真。

1 系統建模

換流站結構如圖1所示。usa、usb、usc分別為交流側三相瞬時電壓，ua、ub、uc分別為換流站輸出端三相瞬時電壓[5]。

由式（4）～（5）可知，Ps和Qs與id、iq成線性關系，所以控制id、iq進而可以控制有功功率和無功功率，得到在d軸和q軸方向上2個獨立的電流控制回路。基于這兩個獨立的控制回路，設計基于可控變量的雙閉環解耦控制器，其中外環可控制功率（包括直流電壓和交流電壓等與功率相關的被控量），內環控制電流。采用比例積分（Proportional Integral， PI）控制器用于實現系統的快速響應和穩定狀態。

2 控制器設計

2.1 換流器控制方式

本文構建了三端柔性直流輸電系統的仿真結構，分別采用有源網絡和有源、無源網絡輸電相結合的主從調控策略，對換流站采取了并聯形式，目的是增加系統的靈活性和穩定性，系統拓撲結構如圖2所示。

換流站1作為整流器，調控方式是定直流電壓模式，在每一個三端輸電控制中，總是需要保證有一個站是在定直流電壓調控模式下運行的，這樣才能保證系統整流側的電壓恒定，同時也調控整個換流站傳輸到交流側的無功功率。

換流站2作為逆變器，其控制方式是采取定直流電流模式（定有功功率控制），用于實現電壓源換流站之間傳輸的功耗調節，實現潮流雙向流動。

換流站3作為逆變器，其調控方式是定交流電壓模式。用于系統連接的是無源網絡，采用定交流電壓控制。

VSC通常采用正弦脈寬調制（Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM）技術，SPWM 的基本原理利用已知確定的正弦信號（期望輸出的電壓波形）與三角載波信號二者作比較產生的PWM波，決定每個由IGBT構成的橋臂通斷狀態。

換流站1為整個系統提供穩定的直流控制電壓，即滿足換流站1的能量輸出為其余換流站接收能量及系統能耗之和。

2.2 控制器仿真搭建

采用d-q解耦方法，控制器具有快速的電流響應特性以及出色的內部限流能力。外部控制環的控制變量可以根據給定的直流電壓、有功無功功率進行調控，進過PI模塊后產生內環參考電流值Id_ref及Iq_ref，而實際d、q軸上的Id、Iq也跟蹤著內部電流環的d、q軸參考電流，這樣就能快速調節整個控制，進而實現動態調控作用。電壓裕度控制需要使得恒定電壓變化幅度維持在每個轉換器的期望值。

換流站1控制器如圖3所示。采用定直流電壓控制方式，設置參考電壓700kV，生成參考電流，內環加入在dq0坐標系中d軸和q軸方向上的電壓值作為參考值。

換流站2作為逆變側，連接有源網絡，控制器結構如圖4所示。采用定有功功率控制，即為雙PI閉環外環提供參考功率值。

換流站3控制器如圖5所示[9]。定交流電壓控制，由于換流站3連接的是負載，也就是無源網絡，以給定的交流電壓值作為控制器的參考點。

3 算例分析

三端輸電系統設計針對受端為有源和無源兩種特殊負載且換流站采用并聯方式的輸電網絡，以是防止系統癱瘓以及達到快速響應目的。通常情況下，換流站連接成多端結構，穩定區域會略有下降，也會產生波動。然而控制方式不正確，則會使得系統不穩定，進而產生震蕩，引起輸電電能質量摻雜諧波，引起電能質量下降。

在系統初始時，通用橋兩端并聯電容開始充電，電壓緩慢增加，由于站1是定直流電壓控制模式，電壓快速恢復到設定值。換流站1直流側電壓變化情況如圖6所示，直流電壓從0時刻開始電壓增加，0.06s時Udc增加到760kV。0.09s時Udc增加到750kV后，直流電壓Udc受到定直流電壓控制器PI閉環參數的調控作用，迅速進入穩定直流電壓運行狀態。

說明：啟動過程用時0.375s，PI整定時間也很迅速，系統并未出現大的波動，也沒有參雜其他諧波。啟動過程快速穩定達到預期效果。

對于初始狀態，并聯在換流站兩端的電容充電時，換流站1整流側輸出的直流電壓從零迅速提升到700kV以上，然后維持平穩，這種情況下，對于交直流側的沖擊都是較大的。而通加入整定動態的調控后，電壓恢復平穩值，避免了產生脈沖響應，這也是因為利用了IGBT耐脈沖的優良特點以及站1對于整流側電壓的動態調控能力，可以將Udc維持在設定值700kV。

圖7、圖8為3個換流站的單相交流電流及電壓，均受到了明顯的抑制作用，加入啟動控制策略后，單相交流電流值均被限制在0.3kA以內，單相交流電流的波動情況也被有效緩解。這樣做的目的是為了減輕啟動初期沖擊電流對于系統的交直流側干擾，防止系統震蕩，有效提升整體系統的運行可靠性。由于在換流站3右側連接的是負載，并且在仿真模型中添加了斷路器，用來保護電路，斷路器的初始狀態為打開，在0.25s時關斷。所以波形在0.25s時會出現轉折變化。

換流站1的整流側輸出功率如圖9所示，換流站作為控制的主輸出站，發出的有功功率可使整體系統能量保持均衡。系統有功功率階躍，規定交流系統輸送電能到換流器方向為正方向，逆變側有功定值0Mw，無功定值0Mvar。

4 結語

Simulink平臺搭建的系統仿真模型，能夠正常運行，采用IGBT構建的通用橋可以更快速、平穩地實現雙向換流，采用具有明顯優點的雙PI閉環控制器，使該仿真快速達到穩定狀態。

基于VSC三終端柔性直流輸電仿真系統，研究不同控制方式的三種PI控制器，并對其穩定運行進行仿真分析。測試結果表明：①模型滿足對于有源和無源網絡的運行控制，系統穩定性能良好；②能夠迅速達到穩定狀態，響應迅速；③對于大規模多端系統搭建以及電能的分布式支援有非常重要的參考意義。

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（責任編輯：劉亭亭）