VSC-HVDC輸電系統的性能分析

姜建國 顏廷閣

(東北石油大學電氣信息工程學院，黑龍江 大慶 163318)

0 引言

隨著電力電子技術的發展，電壓源型高壓直流輸電(voltage sourced converter based high-voltage direct current，VSC-HVDC)技術已被應用于海上風力發電等特殊的場合[1－2]。由于其在結構上與傳統的HVDC有所不同，導致兩者在性能上的差異。

VSC-HVDC輸電技術具有以下幾個優點[3]：①整流站和逆變站可以發出和吸收無功，它們之間可以不用進行通信;②能夠向無源網路供電;③響應速度有所提高;④對環境的影響很小。

1 原理與設計

1.1 VSC輸電系統原理

VSC-HVDC輸電系統電路結構如圖1所示。

圖1 VSC-HVDC電路結構示意圖Fig.1 Schematic of VSC-HVDC circuit structure

圖1中，AC表示交流輸電線路，DC表示直流輸電線路。三相電抗器通過DC線路連接到AC輸電網路的電壓源端。

忽略變壓器阻抗，得到換流器和交流電網之間傳輸的有功功率P及無功功率Q：

有功功率和無功功率被定義為正的情況有以下幾種[5]：①功率潮流由AC電網流向換流器，且相位角δ是正向的;②換流器輸出電壓相位落后于AC電壓相位。

式(1)表示有功功率與DC電流及電壓成正比，同時它也受相位角δ影響。正相位角使得有功功率潮流由AC電網流向換流器。但由式(2)所得的無功功率主要取決于AC母線電壓與換流器輸出電壓的大小，并且由較高電壓反饋到較低的電壓。

以上這些特征是VSC的主要優點。這些優點保證了無功功率及有功功率的獨立調節。如圖2所示的是有功功率-無功功率(P－Q)圖。

圖2 P-Q圖Fig.2 P-Q diagram

圖2中的P、Q均采用標幺值形式表示。

由式(3)可知，由于VSC是一個線性整流換流器，因此該圓的中心并不定位在原點。在理想狀態下P和Q的工作區域是以為原點、以ULUV1/XL為半徑的四象限圓形區域[6]。

1.2 系統描述

采用一個200 MV(±100 kV)VSC將一個230 kV、2 000 MV、50 Hz的系統傳輸到另一個相同的AC系統。主電路交流側部分首先經過變壓器降壓至10 kV，然后經電抗器接入三電平VSC。變壓器與電抗器間還裝有27次和54次濾波器;直流側除了直流電容，還有RLC濾波器及平波電抗器。

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整流器與逆變器是三電平中性點鉗位，VSC換流器采用封閉式IGBT/DIODES。整流器與逆變器通過一個75 km電纜和2個8 mH的平滑電抗器連接，正弦脈寬調制(PWM)采用一個27倍次基準頻率的單相三角波載波作為調制信號。為滿足交流系統規范標準，AC濾波器是這個規劃的重要組成部分。該濾波器可以在AC系統側或換流變壓器換流側作為并聯部分連接。由于只有高次諧波，因此并聯濾波器相對于換流器等級來說是比較小的。

1.3 鎖相環

鎖相環(phase-locked loop，PLL)是使電路的輸出信號能夠跟蹤其輸入信號的相位檢測電路[8－9]。在電力系統中廣泛應用的鎖相環電路結構與應用于其他領域的結構有所不同。電力系統中的鎖相環電路利用三相系統的特點，采用同步旋轉坐標變換的辦法，通過控制q軸(或d軸)電壓為零來獲得同步相位。它能夠使控制器與線電壓同步，并計算在d-q轉換中的轉換角度。PLL塊用來測量系統的頻率和，從而為d-q變換模塊提供同步角。

1.4 外環控制

有功功率或DC電壓由控制角控制，無功功率由調制系數(m)控制，逆變器閥側瞬時有功功率與無功功率可以用d-q坐標系下的電流與電壓表示。

式中：ufd、ufq為電網電壓的 d、q 軸分量;ivd、ivq為電網電流的d、q軸分量。

如果將d-q體系作為基準，則得到的電壓正交分量是非常小的，可忽略不計(uLq≈0)。式(4)與式(5)表明，有功功率與無功功率分別與d-q分量成正比。相應地，可以通過控制電流分量ivd和ivq來分別控制有功功率(或者DC電壓或電流)和無功功率(或者AC母線電壓)。

有功/無功功率和電壓環包括外環調節器。該調節器可以計算換流器電流矢量的參考值，并將這個電流矢量輸入到內部電流環[10]。

1.5 直流電壓平衡控制

直流電壓偏差控制是通過控制換流器直流側之間的電壓偏差來控制系統傳輸有功的大小和方向[11]。為說明其工作原理，設直流電壓平衡控制的是一個由換流站A和B構成的VSC-HVDC兩端系統，系統運行工作示意圖如圖3所示。

圖3 直流電壓平衡控制Fig.3 DC voltage balance control

圖3中，APR為有功功率調節器，UDCR為直流電壓調節器。圖3(a)和圖3(b)中的實線和虛線分別表示換流站A和B的工作特性，它們的交點就是系統的工作點。圖3(c)為兩個換流站所采用的外環控制器。對外環控制器，已知系統傳輸有功功率為P、直流側電壓為d、直流線路等效電阻為R時，可估算得到直流電壓偏差

在圖3(a)中，換流站 A控制直流電壓，此時圖3(c)中的開關置于“2”位，而換流站B的電壓調節器參考值要減去一個Δud，即圖3(c)中的開關置于“1”位。反之，如圖3(b)所示系統潮流反轉后，換流站B控制直流電壓，而換流站A的電壓調節器參考值需減去一個Δud。

在圖3(c)中，電壓調節器的下限值由有功調節器的輸出決定。它有兩種工作方式，一種是開關置于“1”位，此時若有功調節器的輸出值大于與電壓偏差值相對應的有功電流值，則控制器處于定有功功率控制狀態;反之，控制器處于定直流電壓控制。因此，Δud的大小決定了控制器處于定有功功率控制的范圍。另一種方式是開關置于“2”位，此時控制器始終處于定直流電壓控制，換流器相當于有功平衡節點。

控制直流側電壓差異是為了使DC側的三電平橋在穩定狀態下平衡。小的極電壓偏差有可能會發生在有功/無功功率變換器電流變化時，或者發生在非線性時脈沖寬度調制電橋電壓不精確的情況下。此外，極電壓偏差也可能是由于電路元件阻抗的不平衡而造成的。

2 試驗

為了檢驗VSC-HVDC調節器的動態響應，進行了以下的測試研究。

首先，設置“AC system1”中的電源電壓無波動，“station2”與“AC system1”之間無短路故障，研究VSC控制系統正常工況下的性能。在1.3 s時，有功功率階躍由1.0pu到0.5pu;在2.0 s時，無功功率階躍由0pu到 －0.3pu;在 2.5 s時，“station2”的直流電壓由1pu降為0.95pu，從而得到交流側無擾動的仿真結果，如圖4所示。其中，P、Q、U均采用標幺值形式表示。

由圖4可見，在1.3 s時，“station1”的有功功率指令發生突變，其實際的有功功率能夠迅速跟隨指令變化，在0.3 s內達到穩定;同時，“station2”的有功功率也相應變化。在2 s時，“station1”的無功功率指令發生突變，其實際的無功功率迅速發生相應的變化，而此時的直流電壓和有功功率的影響變化很小，由此說明控制系統的解耦性能良好。在2.5 s時，“station2”的直流電壓隨之發生變化，有功功率在短時波動后很快恢復到設定值，無功功率幾乎不受其影響。

圖4 交流側無擾動仿真結果Fig.4 Simulation results at the AC side with no disturbance

下面研究交流側擾動對VSC-HVDC的影響。在“AC system1”的電源中，設置其電壓幅值在1.3 s開始減小10%，持續5個周期;同時，設置三相短路，模塊在2.1 s時發生三相短路，持續6個周期得到交流側擾動仿真結果，如圖5所示。

圖5 交流側有擾動仿真結果Fig.5 Simulation results at the AC side with disturbance

在“AC system1”的電源電壓突降后，“station1”的無功功率會受到較大的影響，而其他幾個物理量變化較小，且能較快地恢復穩態。在“station2”交流側發生三相短路后，其輸出有功基本為零，直流電壓將上升。為此，“station1”需將定有功功率控制改為定直流電壓控制，以避免兩側功率不平衡所造成的電壓上升。在故障結束后，系統能夠迅速恢復故障前的運行狀態。

3 結束語

本文論述了在有功功率與無功功率階躍變化時基于VSC的HVDC輸電系統的穩態和動態特性。所提出的控制策略已被證明可以提供快速且令人滿意的動態響應，以達到新的平衡。仿真結果表明，有功功率和無功功率都達到了很好的解耦控制。當交流電網發生故障、出現短時的電壓跌落時，功率潮流降低，該系統能很好地快速恢復;當故障清除時，系統能夠重新達到穩態運行狀態。

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