基于電壓下降方式的VSC-MTDC控制方式研究

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(四川大學電氣信息學院，四川 成都 610065)

0 引 言

隨著分布式能源的廣泛開發，新型直流輸電系統有著廣泛的應用，國際上許多的研究機構都在進行著相應的研發和建設，其中包括ABB公司在瑞典(Hellsion)搭建的工業試驗用VSC-HVDC系統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運行的VSC-HVDC系統等[1-3]。

國內外現在關于電壓源直流輸電系統的研究已經較為深入，技術也相當成熟，但在VSC-HVDC基礎上衍生出來的基于電壓源變流器多端直流輸電系統(VSC-MTDC)現在尚處于理論研究階段，世界上尚無任何已經投入運行的系統。目前國內外所有的多端直流輸電系統都是電流源變流器多端系統，它的直流側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運行。而電壓源變流器的直

流側可以等效成一個理想電流源，因此可以搭建環形、輻射形、網形以及混合型并聯直流網絡，因此對VSC-MTDC的研究，有著非同尋常的意義[4-6]。

VSC-MTDC可以在風力發電、分布式發電、海上風電場、城市中心配電等場合應用，在系統的靈活性和經濟性上面與兩端系統相比優勢明顯，但與此相應，在控制方式上也更加靈活多變，更加困難。

1 內外環控制方式

1.1 內環電流控制器

電壓源變流器由于采用的是正弦脈寬調制(SPWM)，所以變流器有延時為1/(1+Tws)，其中的Tw=1/2fs，fs是變流器的開關頻率[7-10]。對于典型的電壓源變流器來說，其時間常數τ=L/r比Tw大很多，因此在利用比例積分(PI)控制器進行閉環控制時，可以用其零點來消除外電路的主導極點。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，是由外環控制器提供的，內環電流控制

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。經過帕克反變換后得到的就是PWM調制用的正弦參考電壓Uaref、Ubref和Ucref。

1.2 外環電壓控制器

外環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學模型，可以得出

(2)

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

(3)

根據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為

(5)

該控制器是在定直流電壓控制器的基礎上改進而成，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升高，變流器的最大整流功率被限制為Pmax。當變流器的逆變功率等于Pmin時，d軸電流參考信號無法繼續降低，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

弱交流網絡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絡，需要設定變流器維持交流電壓恒定。

電力系統中有

(6)

(7)

將公式(7)帶入公式(6)，得

(8)

處于正交坐標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。當有功功率P不變時，其數學關系如下

(10)

交流電壓控制器的結構如圖1所示，其中，iq是內環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，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，為了保證系統的穩定運行，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特性使得系統功率可以在各個換流器間穩定地分配，各換流器P-V或I-V曲線的下降決定了系統功率分配特性的優劣。

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定值都不同，由于變流器間是并聯的，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，當功率平衡時，直流網絡電壓穩定。

圖2中第一行是應用電壓下降策略正常運行的一個三端系統。當變流器2和3降低電壓設定值時，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。根據變流器1的特性可知，電壓下降時它會增大輸入到直流網絡的功率使其在新的電壓下恢復平衡。類似的是當變流器1升高電壓設定值如圖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，導致變流器2和3的吸收功率增加，進而重新恢復平衡。

圖2 采用電壓下降控制方式的多端系統控制特性

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

采用電壓下降控制的多端系統具有良好的擴充性與運行的靈活性，但是隨著系統規模的擴大，直流系統的靜態穩定性會降低，因此不適合大規模的系統采用。

理論上，采用帶電壓下降特性控制方法的多端系統不需要上層控制進行定值協調，即可穩定運行。但是，由于采用該方法的多端系統仍然需要進行潮流調整，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調模塊。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調下，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，如圖3所示，VSC1、VSC2為逆變側，VSC3、VSC4、VSC5為整流側。

圖3 五端直流輸電系統并聯結構示意圖

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交流側發生單相接地故障，持續時間為0.1 s；在T=3 s時VSC3交流側發生接地故障，持續時間為0.1 s，由圖4可見，不管是整流側還是逆變側發生接地故障時均可以快速恢復穩定。

算例2：VSC5在T=1.5 s時發生短路故障,由圖5可見，逆變側VSC1功率下降，直流電壓下降，有效地阻止了系統不穩定的發生。

圖5 VSC5側短路故障情況下的仿真分析

4 結 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系統具有使用上層控制可以直接快速調節潮流分配，對于N-1系統而言，可以保持系統的穩定性，在失去1個電網或1臺機組的情況下仍然可以保證其他電網的穩定運行，這個在分布式能源的開發利用中有很大的優勢，因為，例如風電、太陽能發電等均具有隨一些不確定因素變化的特點，而應用電壓下降控制方式可以盡可能地忽略掉這些不穩定因素，而且采用電壓下降控制方式的VSC-MTDC具有良好的擴容性，可以在原系統上繼續添加柔性直流系統。

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