向孤立無(wú)源負(fù)荷供電的VSC-HVDC系統(tǒng)控制策略

黃世敢，朱曉青，彭賽莊，秦斌

(湖南工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 株洲 412007)

向孤立無(wú)源負(fù)荷供電的VSC-HVDC系統(tǒng)控制策略

黃世敢，朱曉青，彭賽莊，秦斌

(湖南工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 株洲 412007)

本文介紹了柔性直流輸電系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理，采用柔性直流輸電系統(tǒng)的雙閉環(huán)解耦控制策略，在MATLAB中創(chuàng)建了風(fēng)電場(chǎng)基于VSC輕型直流輸電系統(tǒng)向一個(gè)孤立的無(wú)源負(fù)荷供電的仿真模型。仿真結(jié)果表明，系統(tǒng)直流電壓值穩(wěn)定在給定值20KV。系統(tǒng)輸入，輸出電壓實(shí)現(xiàn)了協(xié)調(diào)配合，輸入輸出有功功率實(shí)現(xiàn)了協(xié)調(diào)控制和自動(dòng)平衡傳偷，各狀態(tài)量都符合理論值。在此基礎(chǔ)上，研究逆變器交流側(cè)線路的諧波，并給出相應(yīng)的濾波器結(jié)構(gòu)和對(duì)應(yīng)的選擇方式，仿真結(jié)果表明，所應(yīng)用的濾波器很好的抑制了逆變器交流側(cè)線路的諧波。

輕型直流輸電；電壓源型換流器；雙閉環(huán)解耦控制；諧波抑制

0 引言

柔性直流輸電技術(shù)(VSC-HVDC)的核心是電壓源型換流器(VSC)。VSC換流器的控制比較復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)困難；特別是當(dāng)電壓等級(jí)比較高時(shí)，多個(gè)換流器件之間的協(xié)調(diào)控制會(huì)更加困難，因此研究VSC換流器的控制方法是VSC-HVDC技術(shù)研究的重點(diǎn)[1]。文獻(xiàn)[2]利用VSC-HVDC的暫態(tài)數(shù)學(xué)模型，研究了混合仿真技術(shù)。文獻(xiàn)[3-5]通過(guò)分析dq0坐標(biāo)系的VSC模型，基于VSC-HVDC無(wú)功和有功是由交軸直流分量和直軸交流分量分別獨(dú)立控制的結(jié)論，設(shè)計(jì)了定交流電壓控制器和定直流電壓控制器，其控制系統(tǒng)比較靈活和簡(jiǎn)便。

在直接電流控制策略的基礎(chǔ)上，本文發(fā)送端VSC1換流站采用的控制方法是定直流電壓和定無(wú)功功率的組合，接收端VSC2換流站采用的控制方法是定有功功率和定無(wú)功功率的組合。在此基礎(chǔ)上，研究AC側(cè)線路的諧波，并給出相應(yīng)的濾波器結(jié)構(gòu)和對(duì)應(yīng)的選擇方式。使用MATLAB進(jìn)行建模仿真，仿真結(jié)果表明，所應(yīng)用的控制策略能夠很好地控制系統(tǒng)的穩(wěn)定，所應(yīng)用的濾波器也很好的抑制了AC側(cè)線路的諧波。

1 VSC—HVDC系統(tǒng)的基本原理和數(shù)學(xué)模型

新型柔性直流輸電技術(shù)(VSC-HVDC)以全控型、可關(guān)斷器件構(gòu)成的VSC為基礎(chǔ)。換流器中的傳統(tǒng)半控型晶閘管被全控型器件取代，使得柔性直流輸電系統(tǒng)對(duì)其所傳輸?shù)臒o(wú)功功率和有功功率可以同時(shí)進(jìn)行控制，以及其向孤立無(wú)援負(fù)荷供電可以成為現(xiàn)實(shí)。

圖1為VSC-HVDC輸電系統(tǒng)的單線原理圖，兩端的換流站都采用VSC結(jié)構(gòu)，它由換流站、換流電抗器、交流濾波器和直流電容器等部分組成。

建立VSC-HVDC系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型即是對(duì)電壓源換流器VSC進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。因?yàn)榻M成VSCHVDC系統(tǒng)的兩個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相同的VSC換流器，通過(guò)文獻(xiàn)[6]可知，它們能夠?qū)c與控制角δ這兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行同時(shí)控制，從而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)VSC-HVDC系統(tǒng)的無(wú)功功率和有功功率的獨(dú)立控制，使兩個(gè)VSC能夠分別作為VSC-HVDC系統(tǒng)中的功率的接收端和發(fā)送端，實(shí)現(xiàn)能量四象限傳輸。VSC-HVDC系統(tǒng)接收端和發(fā)送端都使用VSC進(jìn)行換流，從而整流側(cè)以及逆變側(cè)的電壓源型換流器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相同，如圖2所示。

圖1 向無(wú)源網(wǎng)絡(luò)供電的VSC-HVDC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig. 1 Passive network powered VSC-HVDC system architecture

圖2 電壓源型換流器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig. 2 Voltage source inverter circuit topology

圖中，三相電網(wǎng)電壓為Usa、Usb、Usc；三相對(duì)稱電網(wǎng)相電流為ia、ib、ic；VSC開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)信號(hào)為Sa、Sb、Sc；三對(duì)開(kāi)關(guān)管的上下導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)相反，對(duì)于每一對(duì)開(kāi)關(guān)管而言，當(dāng)上橋臂的開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，下橋臂開(kāi)關(guān)管關(guān)斷；Udc為直流側(cè)電壓；L、R分別是濾波電抗器電感和電阻；C表示直流側(cè)的電容；Uca、Ucb、Ucc表示VSC的輸入電壓。電壓源換流器VSC在dq0同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下數(shù)學(xué)模型由參考文獻(xiàn)[7]得知，具體如下：

式(1)中，ω表示系統(tǒng)的角頻率，Rs，Ls為AC側(cè)的電感參數(shù)，Ucd，Ucq，id，iq，Usd，Usq分別表示dq0旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下交流電壓電流電源的直軸和交軸分量，電壓源換流器側(cè)控制電壓直軸和交軸分量，輸入的是交流電流直軸和交軸分量。

此外，根據(jù)文獻(xiàn)[8]瞬時(shí)功率的理論，穩(wěn)態(tài)下，換流器的開(kāi)關(guān)損耗，變壓器損耗和換流電抗器中的電阻忽略后，換流器VSC的AC側(cè)的有功功率以及無(wú)功功率可以分別由以下公式表示：

穩(wěn)態(tài)情況下，假設(shè)VSC-HVDC系統(tǒng)三相對(duì)稱運(yùn)行，并令A(yù)C側(cè)A相的電壓初相角為零，若Us是三相對(duì)稱電源的相電壓的最大值，有：

把式(3)代入前面的式(2)中，由此可得：

通過(guò)式(4)可知，假若交流系統(tǒng)是無(wú)窮大系統(tǒng)，Us通常情況下維持恒定，流入換流器VSC的無(wú)功功率和有功功率分別與id和iq成線性關(guān)系，所以，通過(guò)分別控制無(wú)功電流和有功電流，即可獨(dú)立控制無(wú)功功率和有功功率。

2 VSC—HVDC系統(tǒng)的控制策略

VSC-HVDC系統(tǒng)控制策略由實(shí)現(xiàn)方式的不同可以分化為間接控制和直接控制,這兩種控制策略都是為了達(dá)到對(duì)換流器的調(diào)制比和輸出電壓相角的控制的目的。

基于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(dq0)下的直接電流的控制策略原理如圖3所示。由圖3可知，其基本結(jié)構(gòu)主要有內(nèi)環(huán)的電流控制器、外環(huán)的功率控制器、觸發(fā)脈沖的生成環(huán)節(jié)和鎖相同步以及同步坐標(biāo)變換等環(huán)節(jié)構(gòu)成。對(duì)于外環(huán)的功率控制器，其主要形式為：無(wú)功功率控制器、有功功率控制器、直流電壓控制器、交流電壓控制器等。上述的控制器同時(shí)構(gòu)成VSC-HVDC系統(tǒng)的基本控制方式。然而對(duì)于VSC-HVDC系統(tǒng)應(yīng)用在不同的領(lǐng)域，例如電網(wǎng)的背靠背互聯(lián)、孤島供電、大容量的風(fēng)電場(chǎng)接入、多端的柔性直流輸電并聯(lián)運(yùn)行、VSC-HVDC和傳統(tǒng)的直流輸電混合運(yùn)行、VSCHVDC和交流線路混合并聯(lián)運(yùn)行等，它們具體的控制方式因情況而異。

定直流電壓控制方式是VSC-HVDC系統(tǒng)中一種常用的控制模式，VSC-HVDC系統(tǒng)兩端的有功功率要想維持平衡以及直流電壓要想穩(wěn)定，則需要兩端換流站種的其中一端使用直流電壓控制，其它換流站可以采用有功功率控制。所以說(shuō)定直流電壓控制方式在VSC-HVDC中具有很大的作用。

圖3 柔性直流輸電系統(tǒng)的控制系統(tǒng)示意圖Fig 3 flexible HVDC system control system diagram

3 VSC-HVDC系統(tǒng)的諧波及其抑制

對(duì)于柔性直流輸電系統(tǒng)，換流站的整流和逆變環(huán)節(jié)是尤為重要。換流站換相過(guò)程中，DC側(cè)與AC側(cè)電流電壓中將產(chǎn)生很多的特征諧波，VSC的脈波數(shù)對(duì)特征諧波次數(shù)有影響，在理想情況下，系統(tǒng)沒(méi)有非特征諧波，只是含有特征諧波。但實(shí)際上，直流輸電運(yùn)行中，并不是理想的，所以，非特征諧波是存在的。

對(duì)換流器VSC的AC側(cè)和DC側(cè)的電壓與電流的波形在通過(guò)傅立葉分析后便知道，一個(gè)換流器VSC的脈動(dòng)數(shù)為p，在以上的假定情況下，AC側(cè)諧波次數(shù)是m=kp+1或n=kp-1，其中k是正整數(shù)，則m次為正序，n次為負(fù)序，kp為DC側(cè)諧波次數(shù)。

觸發(fā)角與換相角影響AC側(cè)的諧波電流，其有效值隨著諧波次數(shù)的增大而變小，而觸發(fā)角越小或者換相角越大，則諧波電流越小。

DC側(cè)特征諧波之電壓和換相角有關(guān)，觸發(fā)角越大，則其數(shù)值越大，換相角和換相電抗、觸發(fā)角以及直流電流有關(guān)。

所以，對(duì)6脈動(dòng)的VSC和12脈動(dòng)的VSC的諧波特性分析可知，12脈動(dòng)的VSC更好。

在非理想情況下，DC側(cè)與AC側(cè)電流電壓中產(chǎn)生的諧波，除了特征諧波，其余的諧波統(tǒng)皆是非特征諧波，它的計(jì)算與分析相當(dāng)復(fù)雜。

諧波危害大，輕則電能質(zhì)量降低，重則電網(wǎng)事故被引發(fā)，電網(wǎng)設(shè)備被損壞，因此需要使用適當(dāng)?shù)拇胧?，盡量阻止諧波產(chǎn)生，目前添加合適的濾波器為常用方法。

現(xiàn)在我們常用的濾波器有單調(diào)諧慮波器、雙調(diào)諧慮波器、雙調(diào)諧帶高通特性濾波器、二階之高通濾波器、三階之高通濾波器和C型之阻尼濾波器。

單調(diào)諧波器阻抗較小，適用于AC側(cè)幅值大的低次特征諧波。例如，單橋6次脈動(dòng)換流器，5, 7, 11, 13次等諧波需要分別安裝這類諧波器。其余的高次諧波則采用高涌濾波器。

4 VSC-HVDC系統(tǒng)的仿真分析

4.1 VSC-HVDC 系統(tǒng)仿真模型

利用Matlab 7.10/Simulink，建立風(fēng)電場(chǎng)向一個(gè)孤立的無(wú)源負(fù)荷供電的VSC-HVDC系統(tǒng)仿真模型如圖4所示，它由五部分組成：三相電源；VSC1(整流子系統(tǒng))；DC line(直流輸電線)；VSC2(逆變子系統(tǒng))和三相負(fù)載。

在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，整流站VSC1采用的控制策略是定無(wú)功功率和定有功功率的組合。逆變站VSC2采用的控制策略是定無(wú)功功率和定直流電壓和組合。

三相電源參數(shù)設(shè)置為：三相線電壓設(shè)為600V，頻率設(shè)為50Hz，三相短路功率設(shè)為30MVA；直流輸電線的總長(zhǎng)為27km；三相負(fù)載參數(shù)設(shè)置為：三相額定電壓線電壓設(shè)為380V，額定頻率設(shè)為50Hz，三相有功功率設(shè)為3MW，三相感性無(wú)功功率設(shè)為0，三相容性無(wú)功功率設(shè)為0。

直流電壓參考值設(shè)為20KV，有功功率的參考值設(shè)為30MW，無(wú)功功率參考值設(shè)為零，即單位功率因素控制。

如圖5所示為VSC-HVDC Light穩(wěn)態(tài)仿真波形。

系統(tǒng)的輸入及輸出電壓波形分別如圖5(a),(b)所示.從仿真圖中可知輸入電壓為600V，輸出電壓為380V，對(duì)比這兩個(gè)波形可知VSC-HVDC Light兩端電壓實(shí)現(xiàn)了協(xié)調(diào)配合，與理論值一致.

系統(tǒng)輸入及輸出有功功率和無(wú)功功率的波形分別如圖5(c)和(d)所示。從仿真圖中可知，系統(tǒng)輸入的有功功率能夠跟蹤所設(shè)定值30MW，無(wú)功功率為0。而系統(tǒng)輸出的有功功率比所設(shè)定的值30 MW略小，這是因?yàn)楣β蕚鬏數(shù)倪^(guò)程中，直流輸電線以及換流橋等設(shè)備存在損耗。

直流電壓的仿真波形如圖5(c)所示，從圖中可以看出直流電壓和參考電壓基本一致.但由于存在濾波電容對(duì)其的影響，直流電壓有了非常細(xì)微的波動(dòng)，但電壓值穩(wěn)定在20 kV。在定直流電壓的控制下，VSC1和VSC2實(shí)現(xiàn)了有功功率的協(xié)調(diào)控制，兩端也實(shí)現(xiàn)了有功功率自動(dòng)平衡的傳輸。

圖4 VSC-HVDC系統(tǒng)仿真模型Fig 4 VSC-HVDC system simulation model

4.2 VSC交流側(cè)電壓濾波前后仿真

VSC交流側(cè)濾波器的參數(shù)設(shè)置，濾波電感電抗設(shè)為10mH，濾波電容三相額定線電壓設(shè)為3000V，額定頻率設(shè)為50Hz，三相容性無(wú)功功率設(shè)為3000var，仿真波形如下：

從圖7(a)和圖7(b)兩個(gè)仿真波形的對(duì)比可以看出，濾波前，輸出的電壓波形有大量的諧波分量，很不規(guī)范，正弦波形之輪廓很不明顯；濾波后，輸出電壓波形與標(biāo)準(zhǔn)的正弦波形基本接近，諧波分量幾乎沒(méi)有。

5 結(jié)論

仿真結(jié)果表明，系統(tǒng)直流電壓值穩(wěn)定在給定值20KV。系統(tǒng)輸入，輸出電壓實(shí)現(xiàn)了協(xié)調(diào)配合，輸入輸出有功功率實(shí)現(xiàn)了協(xié)調(diào)控制和自動(dòng)平衡傳偷，各狀態(tài)量都符合理論值。在逆變器交流側(cè)線路所應(yīng)用的濾波器也很好的抑制了該側(cè)的諧波。

圖5

圖6 交流側(cè)濾波器結(jié)構(gòu)圖Fig. 6 AC side filter structure diagram

圖7

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Control Strategy of VSC-HVDC System Supplying Power for Isolated Passive Load

HUANG Shigan, ZHU Xiaoqing, PENG Saizhang, QIN Bin
(School of Electrical and Information Engineering, Hunan University of Technology, Zhuzhou 412007, China

This article describes system structure and working principle of the HVDC flexible system. Creating simulation model of VSC HVDC system that wind farm to supply power to an isolated passive load in MATLAB. The simulation results show that system stable DC voltage value at a given value 20KV, system input and output voltage to achieve the coordination, Input and output active power to achieve a coordinated control and automatic balance transfer stolen. The simulation results also show that the amount of each state are in line with the theoretical value. Researching harmonics of the inverter AC side line and giving corresponding filter structure and selection mode. The simulation results show that filter applied well suppressed Harmonics of the inverter AC side line.

HVDC Light; voltage source converter; dual-loop decoupling control; harmonic suppression

10.3969/j.issn.2095-6649.2015.03.08

: HUANG Shigan, ZHU Xiaoqing, PENG Saizhang, et al.. Control Strategy of VSC-HVDC System Supplying Power for Isolated Passive Load [J]. The Journal of New Industrialization, 2015, 5(3): 54?60.

湖南省自然科學(xué)基金(13JJ3110)。

黃世敢(1988-), 男, 漢族, 碩士研究生, 主要研究方向: 復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)的信息集成和協(xié)調(diào)控制; 朱曉青(1958-), 男,教授，研究生導(dǎo)師, 主要研究方向: 自動(dòng)控制與檢測(cè)教學(xué)與研究; 彭賽莊(1988-), 男, 碩士研究生, 主要研究方向: 復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)的信息集成和協(xié)調(diào)控制; 秦斌(1963-), 男, 教授, 研究生導(dǎo)師, 主要研究領(lǐng)域?yàn)閺?fù)雜系統(tǒng)建模與優(yōu)化控制。

黃世敢，朱曉青，彭賽莊，等．向孤立無(wú)源負(fù)荷供電的VSC-HVDC系統(tǒng)控制策略[J]．新型工業(yè)化，2015，5(3)：54-60