基于VSC的多端直流輸電系統(tǒng)的仿真研究

馮媛碩，宋吉江

(山東理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，山東 淄博 255000)

傳統(tǒng)的直流輸電系統(tǒng)多為雙端系統(tǒng)，只能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)功率的傳送，如果幾個(gè)交流系統(tǒng)需要直流互聯(lián)時(shí)，則應(yīng)考慮采用多端直流輸電系統(tǒng)(Multi－Terminal HVDC，MTDC)［1］。因換流器形式不同，多端直流輸電系統(tǒng)可以分為三種形式:基于電流源型換流器的多端直流輸電系統(tǒng)(Current Source Converter Based Multi－Terminal HVDC，CSC －HVDC)、基于電壓源換流器的多端直流輸電系統(tǒng)(Voltage Source Converter Based Multi－Terminal HVDC，VSCHVDC)和混合型多端直流輸電系統(tǒng)(Hybrid－MTDC)。因?yàn)殡妷涸葱蛽Q流設(shè)備在發(fā)生潮流反轉(zhuǎn)時(shí)，直流電壓極性不改變。所以，VSC－MTDC比傳統(tǒng)CSC－HVDC能夠更加靈活地控制有功功率，并且具有供電高可靠性。VSC－MTDC的控制運(yùn)行方式主要采用以下兩種模式:電壓下降方式、主從式控制方式［2］。

電壓下降方式，即將所有換流器與有源交流系統(tǒng)聯(lián)接，其直流側(cè)均工作在電壓源模式下，其輸出電壓隨輸出電流的增加而降低。

主從式控制方式，系統(tǒng)中與有源交流系統(tǒng)聯(lián)接的換流器，只有一個(gè)換流器對(duì)直流電壓進(jìn)行控制，而其它換流器都運(yùn)行于直流電流或直流功率控制方式［3］。

前者直流電壓控制質(zhì)量差，對(duì)于單個(gè)換流器無(wú)法實(shí)現(xiàn)定有功功率的控制，而后者雖然直流電壓調(diào)節(jié)和功率控制等性能都具有很好的剛性，但它需具備上層控制模塊和高速的通信條件，且系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性不高，不適用于長(zhǎng)距離輸電的風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)［4］。所以，本文首先分析了VSC－MTDC系統(tǒng)的基本原理，在MATLAB中建立基于VSC的三端及五端直流輸電系統(tǒng)的模型，并對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)研究?？刂葡到y(tǒng)采用雙環(huán)控制方式，即外環(huán)電壓控制及內(nèi)環(huán)電流控制方式。同時(shí)通過(guò)仿真試驗(yàn)驗(yàn)證了本控制系統(tǒng)的正確性及可靠性。

1 VSC－MTDC系統(tǒng)的基本原理及結(jié)構(gòu)

多端直流輸電系統(tǒng)通常采用一個(gè)換流器作為整流器設(shè)備，只有這一個(gè)換流器與有源交流側(cè)聯(lián)接，其他的換流器都作為逆變器設(shè)備使用，用于向無(wú)源網(wǎng)絡(luò)或者負(fù)荷供電［5］。對(duì)于單電源供電多端系統(tǒng)的原理與無(wú)源網(wǎng)絡(luò)雙端供電系統(tǒng)是類似的，相對(duì)都比較簡(jiǎn)單。

VSC－MTDC系統(tǒng)通常采用兩種接線方式，一種是環(huán)狀接線方式，另一種是樹枝狀接線方式，相對(duì)而言第一種更有優(yōu)勢(shì)［6］，兩種常用接線方式如圖1所示。多端直流輸電系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中，換流器設(shè)備均采用三相六橋的電壓源結(jié)構(gòu)［7］。

圖1 VSC－MTDC系統(tǒng)接線方式Fig.1 VSC－MTDC system wiring mode

圖2 多端直流輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of multi－terminal DC transmission system structure

圖2(a)中有三個(gè)換流器，每一個(gè)換流設(shè)備都是基于電壓源控制的，直流側(cè)通過(guò)直流線路與其相連接，只有兩個(gè)換流器是與有源交流系統(tǒng)聯(lián)接的。圖2(b)的五端系統(tǒng)中有3個(gè)換流器分別經(jīng)換流電抗器與3個(gè)獨(dú)立的有源交流網(wǎng)絡(luò)相聯(lián)接。換流設(shè)備中有一個(gè)作為功率平衡節(jié)點(diǎn)控制直流電壓穩(wěn)定，其余換流器可以運(yùn)行在整流或者逆變狀態(tài)實(shí)現(xiàn)功率分配，這樣就構(gòu)成了多電源控制的VSC－MTDC輸電系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的兩端系統(tǒng)相比，采用這種多端供電結(jié)構(gòu)，可以提高輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性及靈活性。

2 VSC的控制器設(shè)計(jì)

在基于VSC的多端直流輸電系統(tǒng)中，換流器設(shè)備的控制主要是定直流電壓控制，有功功率調(diào)節(jié)及交流電壓控制。而對(duì)于聯(lián)接無(wú)源網(wǎng)絡(luò)端的換流站，只能使用定交流電壓控制方式［8］。

2.1 定直流電壓控制器

定直流電壓控制器的設(shè)計(jì)，包括外環(huán)功率控制器和內(nèi)環(huán)電流控制器二部分。

外環(huán)功率控制器的調(diào)節(jié)示意圖如圖3所示。

圖3 外環(huán)功率控制示意圖Fig.3 Schematic diagram of outer loop power control

當(dāng)三相電壓平衡時(shí)，取電壓空間矢量方向?yàn)閐軸的方向，得到usd=Us(Us為電網(wǎng)電壓的矢量模值)，usq=0。此時(shí)系統(tǒng)的功率表達(dá)式為

對(duì)于無(wú)窮大交流系統(tǒng)而言，Us是基本不變的，所以可通過(guò)對(duì)有功和無(wú)功電流進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)有功功率P和無(wú)功功率Q的調(diào)節(jié)。本文使用比例積分(PI)調(diào)節(jié)器。

內(nèi)環(huán)電流控制器結(jié)構(gòu)如圖4所示。

通過(guò)新設(shè)置的變量 xd、xq，使得電流 isd、isq與新變量xd、xq之間成線性關(guān)系，這樣可以實(shí)現(xiàn)對(duì)非線性方程式的解耦。通過(guò)對(duì)參數(shù)λ1和λ2的設(shè)定，可使內(nèi)環(huán)控制器具有良好的動(dòng)態(tài)性能，并基于空間矢量脈寬調(diào)制原理，得到換流器各個(gè)橋臂開關(guān)器件的觸發(fā)脈沖。

圖4 內(nèi)環(huán)電流控制示意圖Fig.4 Schematic diagram of inner current control

將上述外環(huán)功率控制器與內(nèi)環(huán)電流控制器綜合起來(lái)，定直流電壓控制器結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 換流器的控制器結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure diagram of controller on converter

內(nèi)環(huán)電流調(diào)節(jié)器可以準(zhǔn)確跟蹤外環(huán)控制器的參考電流，對(duì)換流設(shè)備交流側(cè)系統(tǒng)的電流和相位的波形進(jìn)行控制。

外環(huán)控制器使用負(fù)載電流前饋電壓下降方式進(jìn)行控制，可使系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定，更加協(xié)調(diào)和準(zhǔn)確，適用范圍廣泛。內(nèi)環(huán)電流控制器采用線性化反饋解耦的直接電流控制策略，提高了控制器的響應(yīng)特性和動(dòng)態(tài)性能，它有助于MTDC系統(tǒng)的協(xié)調(diào)穩(wěn)定控制。

2.2 定交流電壓控制器

在多端直流輸電系統(tǒng)中，對(duì)于聯(lián)接無(wú)源系統(tǒng)的換流器設(shè)備采用定交流電壓控制。本文采用基于同步坐標(biāo)變換的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型分析換流器的控制系統(tǒng)。設(shè)d軸方向?yàn)闊o(wú)源交流網(wǎng)絡(luò)母線處的電壓空間矢量的方向，則流入負(fù)荷的方向?yàn)殡娏鲄⒖挤较颍墒?1)得到:

式中，Us為無(wú)源網(wǎng)絡(luò)交流側(cè)電壓參考值。

對(duì)于交流控制器，加入比例積分環(huán)節(jié)后，調(diào)節(jié)電壓時(shí)誤差較小，系統(tǒng)電壓更趨穩(wěn)定。定交流電壓控制器的基本結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 定交流電壓控制器的基本結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure of constant AC voltage controller

本文采用一種改進(jìn)的多點(diǎn)直流控制方式，對(duì)于多端直流輸電系統(tǒng)中的換流器設(shè)備采用定直流電壓控制方式，而無(wú)電源側(cè)采用定交流電壓控制方式。即使多個(gè)VSC并聯(lián)運(yùn)行，也能保證在系統(tǒng)規(guī)模增大時(shí)，保持穩(wěn)定運(yùn)行。

3VSC－MTDC系統(tǒng)的仿真

3.1 三端直流輸電系統(tǒng)仿真

首先，建立基于VSC的三端直流輸電系統(tǒng)模型仿真系統(tǒng)，然后根據(jù)圖2(a)所示的結(jié)構(gòu)在MATLAB/Simulink中建立其仿真系統(tǒng)模型。三端直流輸電系統(tǒng)中參數(shù)設(shè)置:有源交流側(cè)的額定電壓為380 V，額定功率為50 Hz，直流輸電線路長(zhǎng)度為50 km，直流輸電線路的電壓為±700 V，無(wú)源系統(tǒng)側(cè)的額定電壓為300 V。整流側(cè)部分(VSC1側(cè))及逆變側(cè)部分(VSC2)是使用定直流電壓控制器進(jìn)行控制，而VSC3部分的后面接入無(wú)源負(fù)載，必須采用定交流電壓進(jìn)行控制，控制系統(tǒng)的模型如圖7所示。系統(tǒng)中初始狀態(tài)的參數(shù):VSC1的直流側(cè)電壓參考值為700 V，交流側(cè)有功功率為4.581×104W，而無(wú)功功率值為－200 VA;換流器設(shè)備VSC2的直流電流值為50 A，交流網(wǎng)絡(luò)的有功功率為－1.5321×104W，無(wú)功功率值為400 VA，換流器VSC3的直流電壓為50 A，交流系統(tǒng)側(cè)有功功率是－3.029×104W，無(wú)功功率值是－3200 VA。

圖7 三端VSC－HVDC控制系統(tǒng)仿真模型Fig.7 VSC－HVDC three terminal control system simulation models

對(duì)于本文采用的多點(diǎn)直流控制方式，要求所有連接于交流網(wǎng)絡(luò)的換流器都采用定直流電壓控方式，即三端直流輸電系統(tǒng)中的換流器VSC1和VSC2采用定直流電壓控制器(見圖7(a))。定直流電壓控制器主要由內(nèi)環(huán)電流控制器、外環(huán)功率調(diào)節(jié)器和鎖相環(huán)節(jié)(PLL)等部分構(gòu)成。內(nèi)環(huán)電流控制器可以快速跟蹤外環(huán)控制器提供的參考電流，直接對(duì)換流器交流側(cè)的電流波形和相位進(jìn)行控制，并且采用負(fù)載電流前饋的電壓下降方式進(jìn)行控制，這種方式可以增加系統(tǒng)穩(wěn)定性。

對(duì)于換流器VSC3部分接入無(wú)源負(fù)載，采用定交流電壓控制，并根據(jù)上述定交流電壓控制器基本結(jié)構(gòu)，建立控制系統(tǒng)模型(見圖7(b))。此控制器可以獲得較穩(wěn)定平衡的正弦交流電壓，且系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差較小。

由換流器VSC3定交流電壓控制仿真試驗(yàn)，得到此換流器功率波形及VSC2和VSC3交流側(cè)三相電壓波形，如圖8－圖11所示。

圖8 直流側(cè)輸出電壓波形Fig.8 DC side output voltage waveform

圖9 VSC1交流側(cè)U相電壓電流波形Fig.9 VSC1 AC side of U phase voltage and current waveform

圖10 VSC2交流側(cè)U相電壓電流波形Fig.10 VSC2 AC side of U phase voltage and current waveform

由圖8—圖11波形可以看出，對(duì)于換流器VSC3的直流側(cè)電壓輸出值(見圖8)與初始狀態(tài)相比變化并不明顯，最后都穩(wěn)定在了700 V，這是整流側(cè)控制器對(duì)直流電壓進(jìn)行控制的結(jié)果，使得輸出直流電壓更加穩(wěn)定。但是可以看出換流站1、2的功率變化(見圖11)比較明顯，與初值比較都發(fā)生很大改變:P1=4.632×104W，Q1= －135 VA;P2= －8615 W，Q2=－405 VA;其因是交流側(cè)的電壓參考值變大，使得換流器3對(duì)于負(fù)載的功率需求量變大，這樣換流器1的功率輸出值就變大了，而系統(tǒng)總功率要求必須平衡，所以換流器2的功率就會(huì)下降，以保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，換流器1和2的電壓、電流波形(見圖9、圖10)全部穩(wěn)定在初始值，也驗(yàn)證了三個(gè)換流器設(shè)備之間的相互獨(dú)立性。

圖11 有功功率與無(wú)功功率波形圖Fig.11 Active power and reactive power waveform

3.2 五端直流輸電系統(tǒng)仿真

在上述三端直流輸電系統(tǒng)的仿真模型基礎(chǔ)上，由圖2(b)結(jié)構(gòu)所示建立五端直流輸電系統(tǒng)仿真模型，控制系統(tǒng)模型同上。五端直流輸電系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)置為:Z1=9.5+1.571 jΩ，Z2=8.0 Ω，L1=L2=L3=L4=L5=0.0056 H。在仿真系統(tǒng)中，換流設(shè)備中VSC1、VSC2及VSC3是采用定直流電壓控制方式，直流電壓的參考值為20 kV;VSC4和VSC5采用定交流電壓控制，交流母線處的相電壓參考值為6.6 kV。系統(tǒng)的開關(guān)頻率設(shè)為2 kHz。仿真結(jié)果如圖12—圖14所示。

仿真結(jié)果中isam(m=1～5)表示各個(gè)換流設(shè)備的交流側(cè)U相電流，usan(n=1～5)表示各個(gè)換流母線處的U相電壓，uDCk(k=1～5)是指換流器的直流電壓。

直流電壓控制的VSC1在0.06 s發(fā)生故障閉鎖，仿真結(jié)果如上述波形所示。由于采用多點(diǎn)直流電壓控制，當(dāng)VSC1發(fā)生閉鎖(即VSC1與交流電網(wǎng)解列)，由VSC3來(lái)實(shí)現(xiàn)直流電壓的穩(wěn)定和有功功率的平衡問(wèn)題，使被隔離的MTDC系統(tǒng)仍能向無(wú)源負(fù)荷持續(xù)供電。另外，當(dāng)整流器總?cè)萘堪碞/(N－1)×100%(N為整流器個(gè)數(shù))的逆變器總?cè)萘縼?lái)匹配和備用時(shí)，則在VSC1閉鎖后，VSC3不會(huì)發(fā)生過(guò)負(fù)荷問(wèn)題。本文采用的控制系統(tǒng)，能夠提高VSC－MTDC系統(tǒng)的供電可靠性，對(duì)于系統(tǒng)的故障干擾有一定的抑制作用，所以適合應(yīng)用在向重要負(fù)荷供電的工程方案中。

圖12 有功功率波形Fig.12 Active power waveform

圖13 直流電壓波形Fig.13 DC voltage waveform

圖14 交流電流波形Fig.14 AC current waveform

4 結(jié)論

本文利用MATLAB/Simulink建立基于VSC的三端及五端直流輸電系統(tǒng)的模型，對(duì)換流器的控制系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)與分析，并通過(guò)仿真試驗(yàn)得知，VSC－MTDC輸電技術(shù)，可以應(yīng)用于以下幾個(gè)領(lǐng)域:

1)從新能源中心輸送功率到遠(yuǎn)方的多個(gè)負(fù)荷中心。

2)幾個(gè)孤立的交流系統(tǒng)通過(guò)直流線路實(shí)現(xiàn)非同步聯(lián)網(wǎng)。

3)大城市直流供電的多落點(diǎn)受電。

［1］ 陳海榮.基于VSC的多端直流輸電系統(tǒng)的控制策略［J］.電力建設(shè)，2011，32(8):58 －63.CHEN Hairong.Control strategy of VSC based multi－ terminal HVDC transmission system ［J］.Electric Power Construction，2011，32(8):58 －63.

［2］ 張明興.基于VSC的多端直流輸電系統(tǒng)的運(yùn)行控制研究［D］.成都:西南交通大學(xué)，2012.ZHANG Mingxing.Operation control strategy of VSC based multi－terminal HVDC transmission system［D］.Chengdu:Southwest Jiaotong University，2012.

［3］ 趙畹君.高壓直流輸電技術(shù)［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2004.ZHAO Wanjun.HVDC Technology［M］.Beijing:China Electric Power Press，2004.

［4］ 張崇魏，張興.PWM整流器及其控制［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.ZHANG Chongwei，ZHANG Xing.PWM rectifier and its control［M］.Beijing:China Machine Press，2005.

［5］ 文俊，張一工，韓民曉，等.輕型直流輸電 －一種新一代的HVDC 技術(shù)［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2003，27(1):47－51.WEN Jun，ZHANG Yigong，HAN Minxiao，et al.HVDC based on voltage source convertor－a new generation of HVDC technique［J］.Power System Technology，2003，27(1):47 －51.

［6］ 閻發(fā)友，馬巍巍，朱琳，等.多端柔性直流輸電系統(tǒng)新型直流電壓控制策略［J］.智能電網(wǎng)，2013，1(2):17－21.YAN Fayou，MA Weiwei，ZHU Lin，et al.A novel dc voltage control strategy for multi－terminal VSC－DC transmission system ［J］.Smart Grid，2013，1(2):17 －21.

［7］ 許烽，徐政，傅闖.多端直流輸電系統(tǒng)直流側(cè)故障的控制保護(hù)策略［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2012，36(6):74－78.XU Feng，XU Zheng，F(xiàn)U Chuang.A control and protection scheme of multi－ terminal DC power system for DC line fault［J］.Automation of Electric Power Systems，2012，36(6):74 －78.

［8］ 袁旭峰，文勁宇，程時(shí)杰.多端直流輸電系統(tǒng)中的直流功率調(diào)制技術(shù)［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2007，31(14):57－61+78.YUAN Xufeng，WEN Jinyu，CHENG Shijie.DC power modulation in multi－terminal HVDC transmission system ［J］.Power System Technology，2007，31(14):57 －61+78.