VSC-HVDC并聯(lián)運行系統(tǒng)中零序環(huán)流的抑制

付子義，杜田雨

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VSC-HVDC并聯(lián)運行系統(tǒng)中零序環(huán)流的抑制

付子義，杜田雨

（河南理工大學 電氣工程與自動化學院，河南 焦作 454150）

采用共交直流母線并聯(lián)的VSC-HVDC系統(tǒng)可以提高其傳輸容量，但需要解決換流器模塊間電流分配不均及環(huán)流問題。分析了零序環(huán)流產(chǎn)生的原因，建立了逆變側并聯(lián)模塊的數(shù)學模型。在上述分析基礎上，提出一種基于旋轉坐標系的零序環(huán)流控制策略。通過模塊并聯(lián)以及載波移相技術，增加了系統(tǒng)的容量并提高了波形質量。仿真結果驗證了控制策略的有效性。

并聯(lián)運行；共直流母線；零序環(huán)流；載波移相

0 引言

近年來，隨著電力半導體技術迅速發(fā)展及計算機控制技術的應用[1]，以電壓源換流器(Voltage source converter, VSC)和IGBT為基礎的柔性直流輸電技術(VSC-HVDC)，把高壓直流輸電(high voltage direct current; HVDC)的容量延伸到了幾MW到幾十MW，這種小功率的柔性直流輸電技術有很好的應用前景[2-4]。采用電壓源型換流器（VSC）和脈沖寬度調(diào)制技術（Pulse Width Modulation; PWM）的新型高壓直流輸電技術得到了廣泛的研究。

隨著VSC-HVDC在新能源開發(fā)、電力系統(tǒng)等領域的應用日益廣泛，對其容量和可靠性提出了更高的要求。然而單純依賴增加串聯(lián)全控器件IGBT的數(shù)量來提高功率水平增加了實際工程運行的難度，并且增加了系統(tǒng)損耗，降低了系統(tǒng)可靠性[5]。

模塊化多電平拓撲的引入可提高系統(tǒng)功率等級[6]，但價格成本太高，系統(tǒng)也更加復雜。在風力發(fā)電、孤島供電、分布式發(fā)電等低壓領域[7]，常規(guī)的兩電平/三電平VSC仍被廣泛應用[8]。如何在低壓下實現(xiàn)大功率已成為一個急待解決的問題。

采用多模塊并聯(lián)方案可以在低壓的情況下滿足大功率的需求。通過模塊并聯(lián)可以提高系統(tǒng)的容量，同時提高系統(tǒng)的可靠性，實現(xiàn)了系統(tǒng)的冗余設計。但模塊并聯(lián)會引入零序環(huán)流問題。環(huán)流的存在會增加流過功率開關器件的電流，增加換流器的損耗甚至損壞換流器。文獻[9]提出了獨立直流母線的并聯(lián)策略，實現(xiàn)了零序環(huán)流的抑制。文獻[10]提出控制SVPWM算法中不同零矢量在每個PWM周期的作用時間來抑制環(huán)流，但實現(xiàn)比較復雜。文獻[11]提出了一種環(huán)流無差拍控制方法，但該策略需要額外使用通訊線，增加了系統(tǒng)的成本。文獻[12]對環(huán)流現(xiàn)象進行了分析，但提出的環(huán)流抑制方法需要較多的控制器。

本文首先推導了并聯(lián)VSC-HVDC系統(tǒng)逆變側的數(shù)學模型，以兩個模塊并聯(lián)為例，分析環(huán)流產(chǎn)生的原因，提出一種基于旋轉坐標系的零序環(huán)流控制策略。仿真結果表明該控制策略能夠有效降低系統(tǒng)中的零序環(huán)流，增強了系統(tǒng)的安全性、可靠性。

1 并聯(lián)VSC-HVDC系統(tǒng)結構

并聯(lián)VSC-HVDC系統(tǒng)結構如圖1所示，該系統(tǒng)由變壓器、交流濾波器、整流側換流器、逆變側換流器、直流電容器、串聯(lián)電抗器組成。換流器實現(xiàn)交流電與直流電的變換；變壓器為換流器提供適當?shù)碾妷汉拖辔坏慕涣麟娫?；串?lián)電抗器和交流濾波器濾除換流器產(chǎn)生的諧波；直流電容器為換流器提供直流電壓支撐和抑制直流電壓脈動。串聯(lián)電抗器也是實現(xiàn)有功功率與無功功率雙重控制的重要元件，電抗器兩端的基波電壓決定了交流電網(wǎng)與換流器交換的有功功率和無功功率[13]。載波移相并聯(lián)技術能夠提高系統(tǒng)總的容量，實現(xiàn)系統(tǒng)的冗余設計，減少輸出電流的開關波紋，使濾波電容和濾波電感大大減小。整流側換流器調(diào)節(jié)輸入系統(tǒng)的有功功率，逆變側換流器穩(wěn)定直流母線電壓以及控制交流側功率因數(shù)。

圖1 并聯(lián)VSC-HVDC系統(tǒng)結構

Fig 1 Parallel VSC-HVDC system structure

2 并聯(lián)VSC-HVDC系統(tǒng)一側的數(shù)學模型及環(huán)流分析

本文采用線路級并聯(lián)方案，如圖2所示。

圖2 逆變側換流器的拓撲結構圖

Fig 2 Topology diagram of the inverter-side converter

線路級并聯(lián)通常指各相橋臂串聯(lián)電抗器后再進行并聯(lián)[15]。取直流母線的負極為參考電壓，由基爾霍夫定律可得逆變側換流器在自然坐標系下的平均值模型：

對于單個VSC-HVDC系統(tǒng)，不存在環(huán)流通路，零序環(huán)流為零。但并聯(lián)VSC-HVDC系統(tǒng)兩側換流器共直流側母線，這為零序環(huán)流提供了通路。由于換流器開關狀態(tài)不同，2個換流器參數(shù)不完全一致，模塊1的電流可能在模塊2上流通，模塊2的電流可能在模塊1上流通。以A、B相為例只對環(huán)流通路進行分析。當A相上橋臂和B相下橋臂導通時，如圖3所示。

環(huán)流通路為P-A2-A-uN-B-B1-N-P;P-A2-A-uN-B- B2-N-P。若兩模塊不完全同步，即模塊1A相上橋臂導通，模塊2A相下橋臂導通時，則有環(huán)流通路為P-A1-A-A2-N-P, P-A2-A-A1-N-P。對于B相和C相之間，A相和C相之間，存在類似的環(huán)流通路[10]。環(huán)流在并聯(lián)換流器模塊之間流通，造成換流器不能均分電流。根據(jù)基爾霍夫電流定律，兩個模塊的零序環(huán)流大小相等，方向相反。定義環(huán)流為：

i1、i2分別為逆變側換流器模塊1、模塊2的零序環(huán)流。當系統(tǒng)并聯(lián)運行時，由于環(huán)流的存在，兩側三相電流不平衡。傳統(tǒng)的二維坐標系無法得到零軸分量，所以需要三維坐標變換。定義自然坐標系到旋轉坐標系的變換矩陣為：

其中為電網(wǎng)角頻率，則逆變側換流器在坐標系下的數(shù)學模型：

從（5）（6）式可以看出，變換后的軸、軸存在耦合，需要進行解耦控制。對于環(huán)流i，主要是由并聯(lián)換流器兩模塊z軸分量的占空比不同造成的。式中i1、i1分別為逆變側換流器模塊1輸出電流在坐標系下軸和軸分量；1為逆變側換流器模塊1串聯(lián)電抗器；d1、d1分別為逆變側換流器模塊1在A、B、C相橋臂導通占空比在坐標系下軸和軸分量；d1為逆變側換流器模塊1的z軸占空比；i1為逆變側換流器模塊1的z軸電流。i2、i2分別為逆變側換流器模塊2輸出電流在坐標系下軸和軸分量；2為逆變側換流器模塊2串聯(lián)電抗器，d2、d2分別為逆變側換流器模塊2在A、B、C相橋臂導通占空比在坐標系下軸和軸分量；d2為逆變側換流器模塊2的z軸占空比；i2為逆變側換流器模塊2的z軸電流；Dd為占空比之差。

3 基于z軸反饋的控制策略

對于并聯(lián)VSC-HVDC系統(tǒng)，采用雙閉環(huán)控制和脈沖寬度調(diào)制（）。并聯(lián)換流器的均流方案為將給定的電流折半后作為換流器兩個模塊各自的給定電流，來控制換流器的輸出電流。通過兩個發(fā)生模塊載波移相180度來實現(xiàn)系統(tǒng)二重化[17]。對于零序環(huán)流的抑制，采用z軸反饋控制策略。將z軸電流指令值設置為0，檢測換流器每個模塊的零序電流，指令值與實際零序電流值比較，通過調(diào)節(jié)器快速跟蹤指令值。然后將軸、軸和z軸電流調(diào)節(jié)器的輸出信號經(jīng)反變換，作為脈沖發(fā)生器的調(diào)制波來控制換流器的開斷。其控制系統(tǒng)結構框圖如圖4所示。

圖4 逆變側換流器的控制系統(tǒng)框圖

Fig 4 Block diagram of the control system of the inverter-side converter

1和2為軸電流指令值，由上一級控制器均分得到，1和2為軸電流指令值，由上一級控制器均分得到，1和2為z軸電流指令值，令其值等于零。該控制策略可以實現(xiàn)每個模塊的獨立控制，每個換流器模塊的輸入為上一級控制器（有功功率控制器、無功功率控制器、直流電壓控制器）的輸出。首先外環(huán)控制器輸出的電流指令值與實際的電流值比較，差值經(jīng)過電流內(nèi)環(huán)控制器得到換流器輸出的電壓信號。兩側換流器采用矢量控制，旋轉坐標系與電網(wǎng)電壓同步旋轉，且旋轉坐標系的d軸與電網(wǎng)側A相電壓重合，實現(xiàn)了解耦控制[13]-[16]。

4 仿真分析

為了驗證控制策略的可靠性，用Matlab/Simulink工具箱進行了仿真驗證。并聯(lián)VSC-HVDC系統(tǒng)的主要參數(shù)為：系統(tǒng)交流側線電壓為10 KV，直流側母線電壓為±10 KV，等效電阻損耗R1=R2=0.3 Ω，直流側電容C1=C2=500 μF。為了模擬實際情況下，換流器參數(shù)不均，串聯(lián)電抗器分別為10 mH、9 mH。

當系統(tǒng)沒有采用零序環(huán)流控制器時的仿真波形如圖5所示。由圖5（a）可以看出，兩個換流器沒有均流，電流波形存在畸變。圖5（b）為并聯(lián)系統(tǒng)中的環(huán)流波形，i1與i2方向相反，與前述分析一致。從圖5（c）可以看出，沒有加入零序環(huán)流控制器時，三相電流波形發(fā)生畸變，存在三相不對稱問題。

圖5 無環(huán)流控制器的仿真波形

當系統(tǒng)加入零序環(huán)流控制器后，仿真波形如圖6所示。由圖6（a）可以看出，系統(tǒng)加入環(huán)流控制器后，換流器輸出電流正弦性較好。由圖6（b）可以看出零序環(huán)流幅值大約為25A，與無環(huán)流控制器相比，零序環(huán)流大大減小，證明了所提出的環(huán)流抑制控制策略的有效性。從圖6（d）可以看出，采用環(huán)流控制器后，三相電流對稱，解決了畸變和均流問題且電流波形正弦性良好。

圖6 有環(huán)流控制器的仿真波形

Fig 6 Simulation waveform with loop controller

5 結語

本文主要研究并聯(lián)VSC-HVDC系統(tǒng)中的環(huán)流問題，通過分析環(huán)流產(chǎn)生的原因，提出了一種基于旋轉坐標系的零序環(huán)流控制策略。該控制策略實現(xiàn)簡單，可以有效抑制并聯(lián)所產(chǎn)生的環(huán)流問題，兩側換流器各模塊能夠實現(xiàn)獨立控制。仿真結果表明該策略適用于共交直流母線并聯(lián)的VSC-HVDC系統(tǒng)，具有一定的工程應用價值。

[1] 劉哲, 李永明, 周悅, 等. 基于OpenMP的多核并行技術在電力系統(tǒng)工頻電場計算中的應用[J]. 軟件, 2018, 39(3): 27-31.

[2] 徐政, 陳海榮. 電壓源換流器型直流輸電技術綜述[J]. 高電壓技術, 2007(01): 1-10.

[3] 湯廣福, 賀之淵, 龐輝. 柔性直流輸電工程技術研究、應用及發(fā)展[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2013, 37(15): 3-14.

[4] 李興源, 曾琦, 王渝紅, 張英敏. 柔性直流輸電系統(tǒng)控制研究綜述[J]. 高電壓技術, 2016, 42(10): 3025-3037.

[5] 石新春, 周國梁, 付超. 直流側串聯(lián)的多VSC-HVDC并聯(lián)運行系統(tǒng)直流側電壓平衡控制方法[J]. 高壓電器, 2008(03): 200-202.

[6] 韋延方, 衛(wèi)志農(nóng), 孫國強, 孫永輝, 滕德紅. 適用于電壓源換流器型高壓直流輸電的模塊化多電平換流器最新研究進展[J]. 高電壓技術, 2012, 38(05): 1243-1252.

[7] 張宋彬, 楊光, 董大磊,等. 10 kV開關柜核相支架的研制[J]. 軟件, 2018, 39(2): 184-187.

[8] 周詩嘉, 林衛(wèi)星, 姚良忠, 文勁宇, 王少榮. 兩電平VSC與MMC通用型平均值仿真模型[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2015, 39(12): 138-145.

[9] 李瑞, 徐壯, 徐殿國. 直驅型變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)的獨立直流母線并聯(lián)策略[J]. 中國電機工程學報, 2012, 32(03): 56-66+15.

[10] 楊勇, 阮毅, 湯燕燕, 葉斌英, 張峰. 風力發(fā)電系統(tǒng)中并網(wǎng)逆變器并聯(lián)運行環(huán)流分析[J]. 高電壓技術, 2009, 35(08): 2012-2018.

[11] 張學廣, 王瑞, 徐殿國. 并聯(lián)型三相PWM變換器環(huán)流無差拍控制策略[J]. 中國電機工程學報, 2013, 33(06): 31-37+6.

[12] 李瑞, 徐壯, 徐殿國. 并聯(lián)型永磁直驅風電系統(tǒng)的環(huán)流分析及其控制[J]. 中國電機工程學報, 2011, 31(06): 38-45.

[13] 同向前, 伍文俊. 電壓源換流器在電力系統(tǒng)中的應用[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2012.

[14] 陳海榮, 徐政. 向無源網(wǎng)絡供電的VSC-HVDC系統(tǒng)的控制器設計[J]. 中國電機工程學報, 2006(23): 42-48.

[15] 陳謙, 唐國慶, 胡銘. 采用dq0坐標的VSC-HVDC穩(wěn)態(tài)模型與控制器設計[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2004(16): 61-66

[16] 李拓, 杜慶楠. 基于 TMS320F28335 的三相感應電機矢量控制系統(tǒng)的研究[J]. 軟件, 2018, 39(3): 130-135

[17] 平定鋼, 孔潔, 陳國柱. 載波移相SPWM并聯(lián)變流器及其環(huán)流問題的研究[J]. 電氣自動化, 2008, 30(4): 18-19+23.

Inhibition of Zero Sequence Circulation in VSC-HVDC Parallel Operation System

FU Zi-yi, DU Tian-yu

(School of Electrical Engineering and Automation, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454150, China)

The use of co-AC DC bus parallel VSC-HVDC system can increase its transmission capacity, but it needs to solve the problem of uneven current distribution and circulation between the converters. The causes of the zero-sequence circulation are analyzed, and the mathematical model of the inverting side parallel module is established. Based on the above analysis, a zero-sequence circulation control strategy based on rotating coordinate system is proposed. Through the use of parallel modules and carrier phase shift technology, system capacity has been increased and waveform quality has been improved. The simulation results verify the effectiveness of the control strategy.

Parallel operation; Common DC bus; Zero sequence current; Carrier phase shift

TM721

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2018.09.004

國家重點研發(fā)計劃專項資助(2016YFC0600906)

付子義(1958-)，男，教授，主要研究方向：電機拖動與控制、礦井綜合自動化；杜田雨(1995-)，男，研究生，主要研究方向：電力系統(tǒng)及其自動化。

本文著錄格式：付子義，杜田雨. VSC-HVDC并聯(lián)運行系統(tǒng)中零序環(huán)流的抑制[J]. 軟件，2018，39（9）：16-20