混合直流輸電改善動態特性的功率附加控制

孫 凌，程 劍，宗 超，周佳賓，楊 瑞

（1.山東送變電工程有限公司，山東 濟南 250118；2.國網山東省電力公司，山東 濟南 250001；3.國網山東省電力公司濱州供電公司，山東 濱州 256600；4.國網山東省電力公司建設公司，山東 濟南 250001）

0 引言

隨著高壓直流輸電（HVDC）技術的廣泛發展，對建立更加安全的電力系統的需求日趨迫切［1］。傳統高壓直流輸電系統具有成本低，技術成熟，易與可再生能源相結合等優點和換流站需要吸收大量無功以及存在換相失敗問題的缺點［2］。為獲得更好的經濟和技術效益，文獻［3］提出了基于電壓源型換流器和脈寬調制技術的新型高壓直流輸電與傳統HVDC的新型混合直流輸電方式相結合，可充分利用兩者各自的優點，有效地擴展常規直流輸電系統的功能和適用范圍。混合直流輸電系統優點為［4-5］：輸送功率范圍大，安裝調試方便；受端VSC對交流系統要求低，可工作在無源逆變方式；VSC不僅不需要交流系統提供無功功率，同時可以對交流母線的無功功率起到動態補償以穩定交流電壓以及易于拓展等優點。但混合直流輸電不能實現潮流反轉。

針對混合直流輸電系統，利用混合直流輸電系統特點，理論分析并設計了相應的功率控制器。通過PSCAD/EMTDC對所設計的控制器進行仿真驗證，初步仿真結果證明了在不同的故障條件下，該控制器有效地改善了混合直流輸電的動態性能，提高了系統遭受大擾動時的穩定性。

1 Hybrid-HVDC系統與控制

混合直流輸電系統通常是由3部分組成：送端換流站采用由晶閘管構成、基于自然換相的傳統電流源型換流器（Current Source Converter，CSC），受端換流站采用由絕緣雙極晶體管（Insulted Gate Bipolar Transistor，IGBT）以及正弦脈寬調制（Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM）技術構成的電壓源型換流器（Voltage Source Converter，VSC）和 HVDC 傳輸線路組成，文獻［6］對混合直流輸電系統的結構組成、技術、運行特性進行了全面探討。圖1中，每端交流系統和換流器之間由一個等效電抗連接。

圖1 混合直流輸電結構圖

圖1中，us1、us2分別為送端電網和受端電網電壓基波分量有效值：ud1、ud2分別為整流側和逆變側換流站正、負極直流母線間的電壓。

圖2為逆變側VSC換流站傳統d-q矢量控制系統結構圖［7］，圖3為Hbrid-HVDC逆變側VSC換流端等效模型。

圖2 VSC換流站傳統d-q矢量控制系統結構圖

圖3 VSC換流端等效模型

由圖3可知：

式中：usa、usb、usc分別為系統三相電壓；ua、ub、uc分別為換流站出口端三相電壓；isa、isb、isc為交流系統和換流站之間的電流。

對式（1）進行坐標變換，可得到VSC在d、q旋轉坐標系下的模型描述：

式中：usd、usq、ud、uq分別為電網電壓矢量和換流站交流輸出電壓d、q軸分量；id、iq分別為換流站交流電流矢量的d、q軸分量；w為交流系統的基波角頻率。

將式（2）寫成矩陣矢量的形式為

在穩態情況下，式（3）可轉化為（4），

根據瞬時無功功率理論，在d-q同步旋轉坐標系下換流站與交流系統的有功功率Pac和無功功率Qac為

當d軸以電網電壓向量定位時，即usq=0，則式（5）、（6）可寫為

從交流系統到逆變側VSC換流站電流為

式中：XL=j wL為VSC換流站與PCC間的換流變壓器和電抗器的等效電抗。

直接電流控制是目前大功率換流器，包括混合直流輸電系統廣泛采用的控制方式。此控制方式主要由內環電流控制器和外環電壓控制器兩部分組成。

對于外環有功功率、無功功率控制，由式（7）知，可以通過調節id和iq分別控制換流站和交流系統交換的有功功率和無功功率，從而實現有功功率和無功功率的獨立調節［8，9］。 同時為了消除穩態誤差，有功功率與無功功率指令值的偏差經PI調節后，轉換為有功電流的參考量和無功電流的參考量。

為了進一步提高系統的動態特性［10－11］，本文在混合直流逆變側傳統d－q矢量控制器的基礎上增加了一個功率調節控制器，以補償系統擾動后功率振蕩。有功功率參考值可表示為

若忽略換流電抗器損耗和諧波分量，兩端交流電網之間傳輸的有功功率可表示為

式中：E1和E2分別為兩端換流器交流側的交流電大小；δ為E1和E2之間的相角差；X12為混合輸電系統兩端換流器之間的電抗。

式中：P0、δ10、δ10是系統初始變量。

為了抑制系統功率振蕩，則有功功率補償參考值為：

式中：ω1、ω2分別為CSC整流站、VSC逆變站交流側系統角頻率；K′為所設計的功率調節控制器。

2 系統仿真

利用仿真軟件PSCAD/EMTDC建立了基本結構如圖1的西藏電網混合直流系統的仿真模型，其整流側交流系統為青海簡化電網、逆變側交流系統為西藏詳細電網。基本控制方式為整流側定直流電壓，逆變側定交流電壓-有功功率的傳統d-q矢量控制，直流電壓為，系統功率10MW。分別考察逆變側靠近交流母線處發生故障且故障持續時間不同情況下，系統的動態性能。

2.1 控制器設計

為了提高系統動態特性，根據式（13）設計并在逆變側加入一個功率控制器。將兩端換流交流側系統角頻率差作為控制器輸入信號，控制器輸出加在原逆變側外環有功功率參考信號以補償系統受到擾動后的功率波動。功率控制器如圖4所示。

圖4 逆變側功率附加控制器框圖

圖4中，w1，w2分別為系統送受端角頻率；經過測量環節、信號過濾環節、PI控制環節和一個限幅環節。其中測量環節用一個一階慣性環節來模擬［12］；Pref1與式（9）中定義的P′ref相同。

2.2 仿真結果及分析

假設系統穩態運行5 s時逆變側近端交流母線發生三相短路接地故障，持續0.1 s后故障切除。圖5給出了逆變側分別采用傳統d-q矢量控制器和加入所設計的有功功率調節控制器的情況下系統直流電壓、系統傳輸的有功功率和控制器功率補償的波形變化。

假設系統穩態運行5 s時逆變側近端交流母線發生三相短路接地故障，持續0.2 s后故障切除。圖6給出了逆變側分別采用傳統d-q矢量控制器和加入所設計的有功功率調節控制器的情況下系統直流電壓、整流側有功功率、功率補償的變化波形。

圖5 逆變側故障時間0.1 s仿真結果

圖6 逆變側故障時間0.2 s仿真結果

由仿真結果可見，當混合輸電系統逆變側交流母線發生不同故障時間的三相短路故障，故障恢復期間，系統逆變側定交流電壓-定有功功率在傳統d-q矢量控制方式下，直流電壓以及系統傳輸功率的振蕩幅度較大，波動時間較長。相比較在VSC逆變站加入功率調節附加控制器后，直流電壓和系統有功功率在搖擺周期中的搖擺幅度相對減小，最終穩定在額定水平，系統有功功率和直流電壓均以較快的速度恢復。所以，設計的功率調節附加控制器較傳統d-q矢量控制更好地改善了混合輸電系統的動態穩定性。

3 結論

根據混合直流輸電系統特點提出了一種提高系統動態穩定性的方法。推導了功率調節控制器模型，PSCAD/EMTDC在系統不同故障仿真結果驗證了其能夠有效地提高系統穩定性和安全性。同時，由于所提出的功率調節控制器限幅的取值較小，故控制器的有功功率補償值較混合輸電系統中的傳輸功率值相對較小，其應用到實際工程中時所占的投資比重很小，具有較高的經濟性。