基于PSCAD仿真的柔性直流輸電技術研究

張碧涵，　趙海森

華北電力大學 新能源電力系統國家重點實驗室　北京　102206

?

基于PSCAD仿真的柔性直流輸電技術研究

張碧涵，趙海森

華北電力大學 新能源電力系統國家重點實驗室北京102206

柔性直流輸電技術是基于全控器件的新型高壓直流輸電(HVDC)技術，采用基于全控器件的電壓源型換流器(VSC)和正弦脈寬調制(SPWM)技術進行無源逆變，解決了應用直流輸電技術向無源負荷供電的問題。針對柔性直流輸電的基本原理、VSC的數學模型和控制策略進行分析，研究了柔性直流輸電系統的控制技術及其應用，并討論了VSC的dq軸模型和幾種基本控制方式。最后采用PSCAD軟件建立了輸電系統仿真模型，對向無源網絡供電和兩端供電這兩種情況進行了仿真研究。仿真結果表明，柔性直流輸電技術在兩種情況下均能實現靈活可靠的控制。

柔性直流輸電； 正弦脈寬調制； 電壓源型換流器； 計算機； 軟件

高壓直流輸電(HVDC)技術誕生于20世紀20年代。傳統的高壓直流輸電系統一般采用晶閘管和自然換向技術，雖然解決了交流非同步互聯、高壓長距離輸電等方面的問題，但是還存在如下幾個缺陷[1]：

(1) 由于開通滯后角α和熄弧角γ的存在，傳統高壓直流輸電技術要吸收一定量的無功功率，這就需要投入無功補償設備，會增加投資成本；

(2) 傳統的高壓直流輸電系統需要交流電網提供換相電流，當受端電網為弱交流系統時容易發生換相失敗，且換相過程對變壓器沖擊較大；

(3) 傳統的高壓直流輸電系統不能向無源網絡(孤立負荷)輸送電能；

(4) 傳統的高壓直流輸電系統存在諧波含量高、開關損耗大等缺陷。

為了較好解決這些問題，提出基于全控型器件的柔性直流輸電的概念，柔性直流輸電技術是一種基于脈寬調制(PWM)、全控型器件和電壓源型換流器(VSC)的新型直流輸電技術，也稱為輕型直流輸電，其系統原理如圖1所示。

圖1　柔性直流輸電單線原理圖

新型柔性直流輸電技術具有以下優點[2]：

(1) 電壓源型換流器為無源逆變，對受端系統沒有要求，可以向無源網絡供電；

(2) 整流站與逆變站之間不需要通信聯系，每個站既可以獨立控制，也可以實現無人值守；

(3) 由于換流器產生的諧波大大減少，柔性直流輸電系統無需添加無功補償設備，在交流側也只需尺寸很小的高通濾波器；

(4) 采用的新型直流電纜具有高強度、環保和方便掩埋的特點，適合于深海等惡劣環境；

(5) 不會出現換相失敗的故障。

1　柔性直流輸電原理

1.1基本原理

柔性直流輸電系統由VSC、交流側濾波器、交流側電抗器等組成。換流器的每個橋臂由多組可關斷晶閘管(GTO)或絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)經串并聯而成，典型的三相兩電平VSC主拓撲如圖2所示[3]。

圖2　三相兩電平VSC主拓撲

設交流母線電壓為Us，逆變器輸出電壓基波分量為Uo，δ為Us與Uo的相位差，以Us超前Uo為正，換流器交流側電抗值為X。若忽略交流側電抗器損耗，則電網與換流器之間交換的有功功率和無功功率分別為：

(1)

(2)

由式(1)可知，當δ>0時，P>0，換流器從交流系統吸收有功功率，作為整流器運行；當δ<0時，P<0，換流器向交流系統送出有功功率，作為逆變器運行。通過調節相位差δ，可以控制系統的功率流動方向和大小。

由式(2)可知，系統中無功功率的傳輸方向由Us(Us-Uocosδ)決定。當Us(Us-Uocosδ)>0時，Q>0，換流器吸收感性無功功率；當Us(Us-Uocosδ)<0時，Q<0，換流器送出感性無功功率，即吸收容性無功功率。由此，Us(Us-Uocosδ)的正負決定了換流器是吸收還是送出無功功率，Us(Us-Uocosδ)的幅值決定了吸收或送出的無功功率的大小。

由以上分析可以看出，采用基于VSC的柔性直流輸電技術，通過調節換流器交流側電壓的幅值和相位，不但可以方便地控制有功、無功功率，還能提高交流系統的功率因數。另外，基于VSC可實現交流側無功功率的動態補償，起到穩定交流側母線電壓的作用。

1.2VSC的數學模型

圖2給出了三相兩電平VSC的主拓撲，在三相坐標系下，可以得出VSC的數學模型[4]：

(3)

式中：Usi、isi分別為(i=a,b,c)三相電壓與電流瞬時值；si為三相橋臂的開關函數，si=1表示下標對應的橋臂上管導通，下管關斷，si=0表示下標對應的橋臂上管關斷，下管導通；Udc為輸出電壓；id為輸出電流。

將三相坐標系下的數學模型變換為dq坐標系下的數學模型，其變換矩陣為：

(4)

由此得到VSC在dq同步旋轉坐標系下的數學模型：

(5)

將電流方程寫成如下形式：

(6)

式中：urd=sdUdc；urq=sqUdc。

根據瞬時無功功率理論，忽略交流側電抗器損耗和換流器開關損耗，則換流器交流側和直流側的有功與無功功率可分別表示為：

(7)

Pdc=udcidc

(8)

式中： Pac為交流有功功率；Qac為交流無功功率；Pdc為直流功率。

取電網電壓矢量方向為d軸方向，則有：

(9)

于是式(7)的功率方程可簡化為：

(10)

由上式可以看出，Us恒定時，通過控制有功電流isd和無功電流isq可以分別控制有功功率和無功功率。

VSC的主要優點是可以實現有功、無功功率的獨立控制，并可實現交流系統的單位功率因數的提高，且能量可雙向流動。若采用dq坐標系下的VSC數學模型，可將交流量變換為直流量，利用PI控制實現電流的快速準確跟蹤，且穩態誤差為零。在適當的系統參數和控制方式下，交流側電流諧波和直流側電壓紋波可以非常小。另外，由于引入了電流閉環，通過設置合適的給定電流限幅值，可防止電流過沖，這對開關器件的保護非常有利。

1.3VSC的控制策略

按照被控對象的功能和所處的邏輯、物理位置，VSC的控制策略可分為三個層次： 換流站控制、換流器控制、換流閥控制[5]。其中，換流站控制屬于上層控制，控制目標是根據系統的供電要求、直流側電壓穩定要求、無功補償要求等確定換流站的有功和無功控制參考值，在需要的情況下，還能實現阻尼振蕩、暫態穩定控制等附加功能。換流器控制屬于中層控制，控制目標是通過調節換流器交流側輸出電壓的幅值和相位，實現上層給定參考值的跟蹤控制，具體方法可分為幅相控制和空間矢量控制。換流閥控制是底層控制，主要完成PWM脈沖信號的生成和輸出，控制目標是減小交流側諧波含量，對于兩電平VSC拓撲，可采用正弦脈寬調制(SPWM)控制、空間電壓矢量PWM(SVPWM)控制和優化PWM(OPWM)控制。

對兩端輸電系統而言，正常運行狀態下，控制系統應能保證送端直流電壓穩定，并控制受端的有功、無功功率，抑制交流側的負序電流和直流分量。對于采用多電平換流器的系統，還應實現直流側電壓的均衡控制。當系統運行參數發生偏移時，控制單元應能較好適應。當系統發生故障時，控制單元應能及時作出響應。一套具有完善控制策略的控制單元對于保證直流輸電系統的響應性能和可靠性是非常重要的。在兩端系統中，直流電壓保持恒定，直流電流可以雙向流動，通過控制電流反向，可以容易地實現潮流反轉。目前，應用于柔性直流輸電系統的控制方式主要有以下三種[6]：

(1) 定直流電壓控制，用以控制直流側母線電壓和交流側無功功率；

(2) 定有功功率控制，用以控制交流側有功功率和無功功率；

(3) 定交流電壓控制，用以控制交流母線電壓。

其中，定直流電壓控制一般用于整流站，定有功功率控制和定交流電壓控制一般用于逆變站。在兩端供電的有源網絡中，一般采用定有功功率控制，當對無源網絡供電時，需采用定交流電壓控制，使輸出電壓的幅值和頻率滿足用電設備的要求。對于多端柔性直流輸電系統而言，只需一個換流站運行于定直流電壓控制方式，其余換流站根據交流網絡情況采用定有功功率控制或定交流電壓控制方式。

對于換流閥控制，通常采用SPWM方式。SPWM技術的基本原理是： 給定一個信號波，并用它與三角載波進行比較，以得到橋臂的PWM開關信號；當直流側電壓恒定時，SPWM的調制度，即給定信號波與載波幅值之比決定了換流器輸出電壓基波幅值，給定信號波的相位和頻率決定了輸出電壓的相位和頻率?？紤]式(1)(2)可知，通過調節輸出電壓的幅值和相位，可以實現有功和無功功率的調節。基于SPWM技術，可使換流器輸出給定的信號波電壓，實現交換功率的控制。

對于控制策略，考慮到基于空間矢量的雙閉環解耦控制，可以實現電流快速準確跟蹤和有功、無功獨立控制，本文著重論述這種控制策略。

將式(6)寫成：

(11)

(12)

將ud、uq視為中間變量，由式(12)可知，isd與ud、isq與uq之間為一階慣性環節。將電流偏差作為PI調節器輸入，并引入前饋補償項和解耦補償項，則換流器指令電壓為：

(13)

式中：urd′、urq′為換流器控制指令電壓，urd、urq為換流器實際交流側電壓。

根據式(13)，可以得到電流環的控制框圖，如圖3所示?；谠摽刂品椒ǎ梢詫崿F有功、無功功率的獨立解耦控制。

圖3　電流內環控制原理

對于外環，有定直流側電壓、定有功功率、定交流側電壓等控制方式。實際系統中，應根據換流器的控制目標選擇合適的外環控制策略。外環為內環提供參考電流，內環控制器則快速跟蹤外環給定的參考電流。通過設計合適的參數，可使內環的響應速度遠遠快于外環，實現良好的系統性能。

2　柔性直流輸電技術的PSCAD仿真[7-13]

與傳統的高壓直流輸電技術相比，基于柔性直流輸電技術不僅能向交流電網輸電，也能向無源負載直接供電。為此，筆者對向無源網絡供電的系統和兩端供電系統分別進行仿真研究。

2.1向無源網絡供電的仿真研究

在PSCAD/EMTDC環境下建立向無源網絡供電的柔性直流輸電系統仿真模型，如圖4所示。

對于向無源網絡供電的柔性直流輸電系統，換流站1的交流側接入電網，應采用定直流側電壓控制方式，設定直流電壓為20kV，與電網交換的無功功率為0；換流站2的交流側接無源負載，應采用定交流側電壓控制方式，設定交流電壓幅值為5kV。生成的電壓指令信號經SPWM模塊得到開關管通斷信號。SPWM載波頻率設定為5000Hz。定直流側電壓和定交流側電壓的仿真模塊如圖5所示。

圖4　向無源網絡供電的柔性直流輸電系統仿真模型

圖5　換流站控制策略仿真模型

運行仿真，結果如圖6所示。

圖6　向無源網絡供電仿真結果

由仿真結果可看出，在給定的控制策略下，換流站1的直流側電壓得到了很好的穩定控制，換流站2的交流側電壓幅值也能很好地穩定在給定值。采用LC低通濾波器后，換流站2的輸出電壓非常接近光滑的正弦波，諧波含量很小，完全能夠滿足負載側用電需要。負荷側吸收的有功、無功功率則由負載決定。仿真結果表明，基于柔性直流輸電技術可以實現換流器向無源網絡獨立供電，這是傳統基于電網換相的高壓直流輸電技術所無法實現的。

2.2兩端供電系統仿真研究

兩端供電的柔性直流輸電系統仿真模型如圖7所示。與圖4對比可看出，該系統換流站2的交流側也接入了交流電網。

對于兩端供電系統，換流站1采用定電壓控制方式，其仿真模型與圖5(a)模型相同。換流站2采用定有功功率控制方式，設定換流站1向換流站2提供2MW有功功率，無功功率設定為0。定有功功率控制仿真模型如圖8所示。

圖7　兩端供電的柔性直流輸電系統仿真模型

圖8　兩端供電系統定有功功率控制模塊

運行仿真，得到如圖9所示的仿真結果。

由仿真結果可以看出，在給定的控制策略下，換流站1直流側電壓穩定在設定值20kV處。由于設定系統無功功率為0，交流側電壓、電流同相位。交流側電流非常接近正弦，諧波含量很小。由交流系統1流入交流系統2的有功功率穩定在2MW附近，無功功率穩定在0附近，實現了有功、無功功率的獨立解耦控制，這表明，采用柔性直流輸電系統不僅可以實現有功功率的靈活控制，而且理論上可將交流側無功功率控制為零，實現高功率因數運行。此外，VSC向系統注入的諧波含量很小，對交流電網的電能質量影響很小。

2.3異步系統互聯仿真研究

高壓直流輸電技術的一個重要優勢是可以實現不同頻率的交流電網的互聯。考慮如圖7所示的兩端供電仿真模型，將換流站1所連接的交流電網頻率改為60Hz，其余系統參數不變，重新運行仿真，得到如圖10所示的仿真結果。

由仿真結果可看出，當兩端交流電網頻率不同時，采用所述控制策略仍能很好地實現直流電壓和有功、無功功率的穩定控制，這表明，柔性直流輸電技術是一種理想的異步系統互聯技術。

3　結論

基于PSCAD/EMTDC軟件建立了柔性直流輸電系統的仿真模型，給出了三種控制策略的仿真實現方法，對向無源網絡供電和兩端供電的柔性直流輸電系統分別進行了仿真研究，并得出結論。

圖10　異步系統互聯仿真結果

(1) 與傳統高壓直流輸電技術相比，基于柔性直流輸電技術的高壓直流輸電系統能向無源網絡進行穩定可靠的供電。

(2) 采用兩端供電方法時，柔性高壓直流輸電系統能實現有功、無功功率的靈活控制，實現高功率因數運行，且換流器向系統注入的諧波電流很小。

(3) 當兩端交流系統頻率不同時，基于柔性高壓直流輸電技術仍可獲得良好的控制性能，由此進一步表明，柔性直流輸電技術是一種靈活可靠的高壓直流輸電技術，具有廣闊的發展前景。

[1] 張桂斌,徐政.直流輸電技術的新發展[J].中國電力,2000,33(3)： 32-35.

[2] 文俊,張一工,韓民曉,等.輕型直流輸電——一種新一代的HVDC技術[J].電網技術,2003,27(1)： 47-51.

[3] 陳堅，康勇.電力電子學——電力電子變換和控制技術[M].3版.北京： 高等教育出版社,2011.

[4] 張興,張崇巍.PWM整流器及其控制[M].北京： 機械工業出版社,2012.

[5] 梁海峰.柔性直流輸電系統控制策略研究及其實驗系統的實現[D].保定： 華北電力大學,2009.

[6] 鄭超,周孝信,李若梅,等.VSC-HVDC穩態特性與潮流算法的研究[J].中國電機工程學報,2005,25(6)： 1-5.

[7] 張桂斌,徐政,王廣柱.基于VSC的直流輸電系統的穩態建模及其非線性控制[J].中國電機工程學報,2002,22(1)： 17-22.

[8] 陳謙,唐國慶,胡銘.采用dq0坐標的VSC-HVDC穩態模型與控制器設計[J].電力系統自動化,2004,28(16)： 61-66.

[9] 劉洪濤,徐政.基于三電平電壓源換流器的高壓直流輸電系統的控制策略研究[J].電工技術學報,2003,18(3)： 102-106，58.

[10] 胡兆慶,毛承雄,陸繼明.一種新的優化協調控制在輕型直流輸電中的應用[J].中國電機工程學報,2005,25(8)： 41-49.

[11] 胡兆慶,毛承雄,陸繼明.適用于電壓源型高壓直流輸電的控制策略[J].電力系統自動化,2005,29(1)： 39-44.

[12] 鄭超,周孝信,李若梅.電壓源換流器式高壓直流輸電的動態建模與暫態仿真[J].電網技術,2005,29(16)： 1-5.

[13] 常東旭,陸繼明,胡兆慶,等.一種優化協調控制在新型HVDC中的應用[J].高電壓技術,2004,30(11)： 34-36.

Flexible direct-current transmission technology is a new HVDC technology based on full-controlled devices, voltage source converter(VSC) based on full-controlled devices and sinusoidal pulse width modulation (SPWM) technology are adopted for passive inverter to solve the issue i.e. direct current transmission technology is applied to supply the power to passive loads. The basic principle of flexible HVDC, the mathematical model of VSC and control strategy were analysed based on the research of the control technology of flexible HVDC system and its application, thedqaxis model of VSC and several basic control methods were also discussed. Finally PSCAD software was used to establish a simulation model of the transmission system, and perform the simulation study on two cases i.e. power supply to passive network and two-sided current supply. The simulation results show that the flexible HVDC technology in both cases can achieve flexible and reliable control.

Flexibility Direct-current Transmission； SPWM； VSC； Computer； Software

2015年12月

張碧涵(1991—)，女，在讀碩士研究生，主要研究方向為配電網電能質量分析與控制,

E-mail： zhangbihan1105@126.com

TM72

A

1674-540X(2016)02-056-08