柔性直流輸電技術發展現狀及技術研究

吳美嫻

（國家電網福建仙游縣供電有限公司,福建 莆田 351200）

柔性直流輸電技術發展現狀及技術研究

吳美嫻

（國家電網福建仙游縣供電有限公司,福建 莆田 351200）

摘要：與傳統高壓直流輸電相比，基于電壓源換流器的高壓直流輸電（VSC-HVDC）是近年來發展起來的一種新型直流輸電技術。本文首先對柔性直流輸電系統的發展現狀及研究熱點進行了概述；總結了VSC-HVDC的技術特點；闡述了VSC-HVDC系統的組成部分及其相應的功能。其次，推導了VSC-HVDC系統的數學模型。最后，說明了VSC-HVDC系統的基本控制方式。

關鍵詞：柔性直流輸電；數學模型；瞬時無功功率理論

0　引言

當前，在能源緊缺和環境污染的問題日益嚴重的形勢下，我國在可再生能源發電方面的投入不斷擴大，如風力發電，太陽能發電等。但由于可再生能源發電存在發電容量較小、輸出功率不穩定、分布范圍廣泛和遠離負荷中心等特點，如果采用交流輸電技術或者是傳統的直流輸電技術，將存在有很多固有的缺陷。一些無源負荷，如小的島嶼、海上鉆探平臺等，目前大多采用本地發電裝置，這既不經濟，又將造成環境的污染；另外，隨著城市負荷的快速增長，擴充電網的容量勢在必行，但由于城市人口增加和人們對城區合理規劃要求的提高，一方面要求充分利用已有的輸電走廊，另一方面要將大量的配電網架空線路改為電纜轉入地下，采用VSC-HVDC可以很好地解決這些問題。

1　VSC-HVDC發展現狀

自1997年第一個工程開始試運行以來，VSC-HVDC技術在世界范圍內一直受到廣泛的關注。目前，其在基礎理論和工程實用化方面的研究都比較深入。前些年，國際大電網會議組織成立了專門研究VSC-HVDC的系列工作組，并進行了相應的研究工作，最近又成立了名為“B4-48”的工作組。這個工作組有我國專家牽頭，重點研究系統組件的試驗方法、應力模型等方面。為了解決實際工程中面臨的難題，目前的研究熱點有：如何提高VSC-HVDC的容量、降低造價和線路損耗、提高可靠性和安全性以及支持交流電網、與交流電網相互作用等。

由于VSC-HVDC采用由全控電力電子器件，其靈活性和可控性等諸多優點使它被看好成為傳統高壓直流輸電的理想替代品。國內VSC-HVDC的研究起步晚于國外，但是目前也成為了一個研究的熱點。2011年7月，上海南匯風電場VSC-HVDC工程投入正式運行，這成為我國第一條擁有完全自主知識產權的VSC-HVDC輸電線路[3]。

鑒于我國的研究缺乏足夠的工程經驗，進行VSC-HVDC系統的實驗研究仍然十分必要。目前以下一些問題仍值得深入的研究[4]：

（1）VSC-HVDC系統基本控制的內涵是VSC-HVDC系統穩態時的功率控制，一個雙入雙出的非線形、非解耦控制對象構成了其模型的主體，因此，加強穩態控制策略的研究有很大的實際意義。

（2）一定程度的不對稱性是配電網的常態，但微弱的不對稱性也會對VSC產生很大的影響，尤其是給直流線路電壓帶來二倍頻波動，這些波動會傳播到另一側的交流系統，從而使電能的質量和系統穩定性受到波及。因此，研究適當不對稱情況下的控制策略來適應配電網控制的需要顯得迫在眉睫。

（3）VSC-HVDC系統的保護問題目前還有很大的可提升空間。從換流器的角度看，VSC-HVDC換流器的直流側并聯有大電容，可視作電壓源，而傳統HVDC換流器的直流側串聯有大電感，可認定成電流源。這兩者的差異使得VSC-HVDC的直流側保護成為一個新的研究領域。

2　VSC-HVDC的技術特點

與傳統的HVDC相比，VSC-HVDC有以下技術特點[6]：

（1）VSC可以向無源網絡送電：傳統的HVDC受端必須是有源網絡，而VSC由于采用IGBT、GTO等具有可關斷能力的全控型器件，不需要提供外加換相電流，因此受端系統可以是無源網絡。VSC可以為遠距離的孤立負荷送電，克服了HVDC的不足。

（2）VSC控制功率更加靈活：傳統HVDC只有觸發角這一個控制量，有功功率與無功功率變化相互影響，而基于PWM的VSC有出口電壓基頻分量幅值與相位這兩個控制變量，可以實現在控制有功功率的同時，還可控制無功功率的交換，控制更加靈活方便。

（3）VSC能提高系統的電壓穩定性：VSC可以四象限運行，當故障發生時，VSC不僅可以向故障系統提供有功支援，還可以提供無功支持，起到靜止同步補償器的作用，從而提高系統的功角穩定性和電壓穩定性。

（4）可實現并聯多端直流系統：傳統HVDC潮流反轉時，電流方向不變而電壓反轉，因此并聯多端HVDC系統潮流控制不便，而串聯連接時可靠性又不高，不適用于大電網互聯。與傳統的HVDC恰恰相反，VSC潮流反轉時，其直流電流方向反轉而電壓極性保持不變，應用此特點設計的并聯多端直流系統，兼具潮流控制靈活、可靠性高的優勢，VSC系統擴建方便。

3　VSC-HVDC系統組成

VSC-HVDC系統主要由交流源、變壓器、電抗器、交流濾波器、VSC換流站、直流電容、直流電纜等幾部分組成。

4　VSC-HVDC系統數學模型

定義uca、ucb、ucc分別是換流器一側三相電壓的瞬時值，usa、usb、usc分別是交流側三相電壓的瞬時值，ia、ib、ic分別是流過換流器的三相電流，Udc是直流電壓，L是換流變壓器的電感，R是換流器和變壓器的等效電阻。由圖1可以得出交流側的動態微分方程：

寫成矩陣形式再整理成向量形式為：

上述模型是建立在三相靜止坐標系上的，但是由于所涉及的變量過多，解析的時候會有很大的難度，所以需要把它變換到dq坐標軸下方便我們研究。變換的方法就是尋找一個過渡矩陣，由于變換前后系統的功率是保持不變的，而我們根據研究對象的不同選擇不同的坐標系，使得經過變換后的新的坐標系下的表達式中一些變量會變成零，這樣就達到了降階并且解耦的目的。

實現三相靜止坐標系（abc）與兩相旋轉坐標系之間互相轉換矩陣為：

經變換后可得dq旋轉坐標系下的柔性直流輸電系統的數學模型為：

根據瞬時功率理論，通過向量定位，可以進一步簡化其數學模型。當d軸以電網電壓向量定位時，usq=0，則上式可以寫成：

在交流系統比較大時，usd為恒定值。由此可知，經過dq轉換后，可以通過控制id、iq、來分別控制有功功率和無功功率，達到了功率獨立解耦的目的。

5　VSC-HVDC系統基本控制方式

柔性直流輸電系統的根本任務就是在保證直流線路上有功平衡的基礎上實現兩端系統的功率交換，而且每個換流站都可以單獨控制無功潮流，這就能夠給系統提供無功支持。為了實現有功平衡，一個換流站必須利用直流控制器來控制直流電壓，而另外一個換流站則利用攻略控制器讓有功維持在一個恒定值左右。因為所采用的PWM控制技術能夠很好的完成有功、無功的獨立解耦，所以不用改變直流電壓而是通過控制站端交流電壓來控制無功功率。

利用矢量控制技術的柔性直流輸電系統的控制系統是采用雙閉環控制，也就是內環控制回路和外環控制回路。

外環控制的主要目的是給內環控制回路提供參考電流Idq_ref。其中的Id_ref能夠控制有功潮流和直流電壓，而Iq_ref能夠控制無功潮流和交流電壓。柔性直流輸電的控制方式一般有、定直流電壓控制、定交流電壓控制、定有功功率控制、定無功功率控制，不同的場合下應采用不同的控制方式。

內環控制主要是根據外環輸出的電流進行電流控制，以快速跟蹤和控制電流幅值和相位。將所產生的電壓信號輸送給PWM產生脈沖信號輸送給VSC，這樣就達到了控制整個輸電系統的目的。

6　結論

本文對柔性直流輸電系統的發展過程及其現實情況和VSC-HVDC的特性和構成做了闡述并以此為基礎推導出了VSC-HVDC系統在dq坐標系下的數學模型及算法。最后，對VSC-HVDC系統及此系統的雙閉環控制方式做了總結和歸納。

參考文獻：

[1]范心明，管霖，何健明.多電平柔性直流輸電定有功功率與頻率輔助控制[J].電網技術，2012，36（09）：182-186.

[2]胡兆慶，毛承雄，陸繼明，等.一種新型的直流輸電技術-HVDC Light[J].電工技術學報，2005，20（07）：12-16.

[3]何斌，張秀彬，趙興勇.電壓不對稱條件下電壓源換流器式高壓直流輸電的自適應無源控制[J].電網技術，2007，31（14）：68-73.

[4]吳俊宏，艾芊.多端柔性直流輸電系統在風電場中的應用[J].電網技術，2009，33（04）：22-27.

[5]康金良.基于VSC-HVDC的風電場聯網控制策略研究[D].華北電力大學，2011.

[6]劉洪濤.新型直流輸電的控制和保護策略研究[D].浙江大學，2003.