基于電壓下降方式的VSC-MTDC控制方式研究

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(四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川 成都 610065)

0 引 言

隨著分布式能源的廣泛開發(fā)，新型直流輸電系統(tǒng)有著廣泛的應(yīng)用，國際上許多的研究機構(gòu)都在進行著相應(yīng)的研發(fā)和建設(shè)，其中包括ABB公司在瑞典(Hellsion)搭建的工業(yè)試驗用VSC-HVDC系統(tǒng)以及后來的同樣位于瑞典哥特蘭(Gotland)島上的世界第一條投入商業(yè)運行的VSC-HVDC系統(tǒng)等[1-3]。

國內(nèi)外現(xiàn)在關(guān)于電壓源直流輸電系統(tǒng)的研究已經(jīng)較為深入，技術(shù)也相當(dāng)成熟，但在VSC-HVDC基礎(chǔ)上衍生出來的基于電壓源變流器多端直流輸電系統(tǒng)(VSC-MTDC)現(xiàn)在尚處于理論研究階段，世界上尚無任何已經(jīng)投入運行的系統(tǒng)。目前國內(nèi)外所有的多端直流輸電系統(tǒng)都是電流源變流器多端系統(tǒng)，它的直流側(cè)可以等效成一個受控電壓源，因此需要精確的電壓平衡才能并聯(lián)運行。而電壓源變流器的直

流側(cè)可以等效成一個理想電流源，因此可以搭建環(huán)形、輻射形、網(wǎng)形以及混合型并聯(lián)直流網(wǎng)絡(luò)，因此對VSC-MTDC的研究，有著非同尋常的意義[4-6]。

VSC-MTDC可以在風(fēng)力發(fā)電、分布式發(fā)電、海上風(fēng)電場、城市中心配電等場合應(yīng)用，在系統(tǒng)的靈活性和經(jīng)濟性上面與兩端系統(tǒng)相比優(yōu)勢明顯，但與此相應(yīng)，在控制方式上也更加靈活多變，更加困難。

1 內(nèi)外環(huán)控制方式

1.1 內(nèi)環(huán)電流控制器

電壓源變流器由于采用的是正弦脈寬調(diào)制(SPWM)，所以變流器有延時為1/(1+Tws)，其中的Tw=1/2fs，fs是變流器的開關(guān)頻率[7-10]。對于典型的電壓源變流器來說，其時間常數(shù)τ=L/r比Tw大很多，因此在利用比例積分(PI)控制器進行閉環(huán)控制時，可以用其零點來消除外電路的主導(dǎo)極點。如圖1所示，圖中id和ip分別是d軸和q軸電流控制器的參考電流，是由外環(huán)控制器提供的，內(nèi)環(huán)電流控制

圖1 VSC直接電流控制原理示意圖

器輸出的是d軸和q軸的參考電壓Vd和Vq。經(jīng)過帕克反變換后得到的就是PWM調(diào)制用的正弦參考電壓Uaref、Ubref和Ucref。

1.2 外環(huán)電壓控制器

外環(huán)控制器包括有功部分和無功部分，有功部分可以控制有功功率或者直流電壓，無功部分可以控制無功功率或者交流電壓。有功部分輸出信號是d軸電流參考值，無功部分輸出信號是q軸電流參考值。外環(huán)控制器一般同時包含有功控制和無功控制。這里采用的是直流電壓控制和交流電壓控制。

1.2.1 定直流電壓控制

定直流電壓變流站交直流功率必須平衡，所以有

PAC+PDC+Pcap=0

(1)

公式中的Pcap是電容上儲存的有功功率，利用dq做好以下的變流器數(shù)學(xué)模型，可以得出

(2)

其中，Idc-IDC=Icap是變流器直流側(cè)電容的電流。從公式(2)可以看出電容電流為

(3)

根據(jù)電容電壓得出的電容電流為

(4)

將公式(4)帶入式(3)得到直流電壓微分方程變?yōu)?/p>

(5)

該控制器是在定直流電壓控制器的基礎(chǔ)上改進而成，在定電壓控制器輸出端上添加了一個幅值限定器，其輸出的d軸電流參考值的上限均是定功率控制器決定的，所以當(dāng)變流器的整流功率為變流器額定功率時Pmax，d軸電流參考信號無法繼續(xù)升高，變流器的最大整流功率被限制為Pmax。當(dāng)變流器的逆變功率等于Pmin時，d軸電流參考信號無法繼續(xù)降低，變流器的最大逆變功率被限制為Pmin，且Pmin=-Pmax。

1.2.2 交流電壓控制

弱交流網(wǎng)絡(luò)的線路電阻和電抗較大，如果改變有功功率，這會造成明顯的電壓波動。因此如果變流器連接的是弱交流網(wǎng)絡(luò)，需要設(shè)定變流器維持交流電壓恒定。

電力系統(tǒng)中有

(6)

(7)

將公式(7)帶入公式(6)，得

(8)

處于正交坐標(biāo)軸上的有功和無功分量對合成電壓幅值Vc的影響很小。因此，可以忽略正交軸上的分量，則Vc可以近似為

(9)

在公式(9)中P是由所需有功功率決定的。因此通過無功補償可以維持交流電壓恒定Vc。當(dāng)有功功率P不變時，其數(shù)學(xué)關(guān)系如下

(10)

交流電壓控制器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中，iq是內(nèi)環(huán)無功電流控制器的參考輸入信號。

2 電壓下降控制方式

采用電壓下降控制方式的多端系統(tǒng)，其換流器的直流輸出端電壓隨輸出電流或者功率的不同而線性變化，為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，一般采用下降輸出的特性，即輸出直流電壓隨輸出有功功率或者直流電流的增加而下降，下降的P-V或I-V特性使得系統(tǒng)功率可以在各個換流器間穩(wěn)定地分配，各換流器P-V或I-V曲線的下降決定了系統(tǒng)功率分配特性的優(yōu)劣。

圖2中所有變流器都采用的是直流電壓下降控制器，但是每個變流器的直流電壓設(shè)定值都不同，由于變流器間是并聯(lián)的，忽略線路直流電壓下降，則變流器的直流電壓相等。因為每個變流器的特性不同，所以雖然直流電壓相同但直流功率不同，當(dāng)功率平衡時，直流網(wǎng)絡(luò)電壓穩(wěn)定。

圖2中第一行是應(yīng)用電壓下降策略正常運行的一個三端系統(tǒng)。當(dāng)變流器2和3降低電壓設(shè)定值時，如第二行所示，則P2和P3增大，由于變流器2和3是逆變站，所以功率不平衡，即

(11)

由于直流功率小于零，直流電容放電，所以直流電壓降低。根據(jù)變流器1的特性可知，電壓下降時它會增大輸入到直流網(wǎng)絡(luò)的功率使其在新的電壓下恢復(fù)平衡。類似的是當(dāng)變流器1升高電壓設(shè)定值如圖2中第三行所示時，由于變流器1是整流變流器，故功率不平衡為

(12)

此時直流電容充電，所以直流電壓升高，導(dǎo)致變流器2和3的吸收功率增加，進而重新恢復(fù)平衡。

圖2 采用電壓下降控制方式的多端系統(tǒng)控制特性

如果下降斜率較陡，那么功率分配特性較好，且不易發(fā)生功率振蕩，但是同時由于直流電壓下降較多，導(dǎo)致電壓質(zhì)量較差，而且直流電壓偏離額定值過多時也會使得系統(tǒng)無法保持穩(wěn)定運行；相反，如果曲線下降斜率比較平緩，那么電壓質(zhì)量較好，但是較小的斜率又使得系統(tǒng)的功率分配性能較差。因此采用電壓下降控制方式，最關(guān)鍵的就是要選擇合適的下降斜率，從而平衡電壓質(zhì)量和功率分配特性，確保系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運行。

采用電壓下降控制的多端系統(tǒng)具有良好的擴充性與運行的靈活性，但是隨著系統(tǒng)規(guī)模的擴大，直流系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性會降低，因此不適合大規(guī)模的系統(tǒng)采用。

理論上，采用帶電壓下降特性控制方法的多端系統(tǒng)不需要上層控制進行定值協(xié)調(diào)，即可穩(wěn)定運行。但是，由于采用該方法的多端系統(tǒng)仍然需要進行潮流調(diào)整，因此上層控制器仍然是必須的，所以可以只保留其中的潮流整定模塊，而忽略掉電流整定值協(xié)調(diào)模塊。采用這種方式運行時，各個換流站的控制具有一定的穩(wěn)定裕度，并且不需要高速通訊的支持；同時，各個換流器在上層控制器的協(xié)調(diào)下，不斷校正參考值。

3 仿真分析

采用PSCAD/EMTDC軟件建立五端直流系統(tǒng)，如圖3所示，VSC1、VSC2為逆變側(cè)，VSC3、VSC4、VSC5為整流側(cè)。

圖3 五端直流輸電系統(tǒng)并聯(lián)結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 單點-單相故障情況下的仿真分析

算例1：在T=2 s時VSC1交流側(cè)發(fā)生單相接地故障，持續(xù)時間為0.1 s；在T=3 s時VSC3交流側(cè)發(fā)生接地故障，持續(xù)時間為0.1 s，由圖4可見，不管是整流側(cè)還是逆變側(cè)發(fā)生接地故障時均可以快速恢復(fù)穩(wěn)定。

算例2：VSC5在T=1.5 s時發(fā)生短路故障,由圖5可見，逆變側(cè)VSC1功率下降，直流電壓下降，有效地阻止了系統(tǒng)不穩(wěn)定的發(fā)生。

圖5 VSC5側(cè)短路故障情況下的仿真分析

4 結(jié) 論

由以上仿真分析可以看出，采用電壓下降控制方式的VSC-MTDC系統(tǒng)具有使用上層控制可以直接快速調(diào)節(jié)潮流分配，對于N-1系統(tǒng)而言，可以保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在失去1個電網(wǎng)或1臺機組的情況下仍然可以保證其他電網(wǎng)的穩(wěn)定運行，這個在分布式能源的開發(fā)利用中有很大的優(yōu)勢，因為，例如風(fēng)電、太陽能發(fā)電等均具有隨一些不確定因素變化的特點，而應(yīng)用電壓下降控制方式可以盡可能地忽略掉這些不穩(wěn)定因素，而且采用電壓下降控制方式的VSC-MTDC具有良好的擴容性，可以在原系統(tǒng)上繼續(xù)添加柔性直流系統(tǒng)。

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