VSC-HVDC并聯運行系統中零序環流的抑制

付子義，杜田雨

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VSC-HVDC并聯運行系統中零序環流的抑制

付子義，杜田雨

（河南理工大學 電氣工程與自動化學院，河南 焦作 454150）

采用共交直流母線并聯的VSC-HVDC系統可以提高其傳輸容量，但需要解決換流器模塊間電流分配不均及環流問題。分析了零序環流產生的原因，建立了逆變側并聯模塊的數學模型。在上述分析基礎上，提出一種基于旋轉坐標系的零序環流控制策略。通過模塊并聯以及載波移相技術，增加了系統的容量并提高了波形質量。仿真結果驗證了控制策略的有效性。

并聯運行；共直流母線；零序環流；載波移相

0 引言

近年來，隨著電力半導體技術迅速發展及計算機控制技術的應用[1]，以電壓源換流器(Voltage source converter, VSC)和IGBT為基礎的柔性直流輸電技術(VSC-HVDC)，把高壓直流輸電(high voltage direct current; HVDC)的容量延伸到了幾MW到幾十MW，這種小功率的柔性直流輸電技術有很好的應用前景[2-4]。采用電壓源型換流器（VSC）和脈沖寬度調制技術（Pulse Width Modulation; PWM）的新型高壓直流輸電技術得到了廣泛的研究。

隨著VSC-HVDC在新能源開發、電力系統等領域的應用日益廣泛，對其容量和可靠性提出了更高的要求。然而單純依賴增加串聯全控器件IGBT的數量來提高功率水平增加了實際工程運行的難度，并且增加了系統損耗，降低了系統可靠性[5]。

模塊化多電平拓撲的引入可提高系統功率等級[6]，但價格成本太高，系統也更加復雜。在風力發電、孤島供電、分布式發電等低壓領域[7]，常規的兩電平/三電平VSC仍被廣泛應用[8]。如何在低壓下實現大功率已成為一個急待解決的問題。

采用多模塊并聯方案可以在低壓的情況下滿足大功率的需求。通過模塊并聯可以提高系統的容量，同時提高系統的可靠性，實現了系統的冗余設計。但模塊并聯會引入零序環流問題。環流的存在會增加流過功率開關器件的電流，增加換流器的損耗甚至損壞換流器。文獻[9]提出了獨立直流母線的并聯策略，實現了零序環流的抑制。文獻[10]提出控制SVPWM算法中不同零矢量在每個PWM周期的作用時間來抑制環流，但實現比較復雜。文獻[11]提出了一種環流無差拍控制方法，但該策略需要額外使用通訊線，增加了系統的成本。文獻[12]對環流現象進行了分析，但提出的環流抑制方法需要較多的控制器。

本文首先推導了并聯VSC-HVDC系統逆變側的數學模型，以兩個模塊并聯為例，分析環流產生的原因，提出一種基于旋轉坐標系的零序環流控制策略。仿真結果表明該控制策略能夠有效降低系統中的零序環流，增強了系統的安全性、可靠性。

1 并聯VSC-HVDC系統結構

并聯VSC-HVDC系統結構如圖1所示，該系統由變壓器、交流濾波器、整流側換流器、逆變側換流器、直流電容器、串聯電抗器組成。換流器實現交流電與直流電的變換；變壓器為換流器提供適當的電壓和相位的交流電源；串聯電抗器和交流濾波器濾除換流器產生的諧波；直流電容器為換流器提供直流電壓支撐和抑制直流電壓脈動。串聯電抗器也是實現有功功率與無功功率雙重控制的重要元件，電抗器兩端的基波電壓決定了交流電網與換流器交換的有功功率和無功功率[13]。載波移相并聯技術能夠提高系統總的容量，實現系統的冗余設計，減少輸出電流的開關波紋，使濾波電容和濾波電感大大減小。整流側換流器調節輸入系統的有功功率，逆變側換流器穩定直流母線電壓以及控制交流側功率因數。

圖1 并聯VSC-HVDC系統結構

Fig 1 Parallel VSC-HVDC system structure

2 并聯VSC-HVDC系統一側的數學模型及環流分析

本文采用線路級并聯方案，如圖2所示。

圖2 逆變側換流器的拓撲結構圖

Fig 2 Topology diagram of the inverter-side converter

線路級并聯通常指各相橋臂串聯電抗器后再進行并聯[15]。取直流母線的負極為參考電壓，由基爾霍夫定律可得逆變側換流器在自然坐標系下的平均值模型：

對于單個VSC-HVDC系統，不存在環流通路，零序環流為零。但并聯VSC-HVDC系統兩側換流器共直流側母線，這為零序環流提供了通路。由于換流器開關狀態不同，2個換流器參數不完全一致，模塊1的電流可能在模塊2上流通，模塊2的電流可能在模塊1上流通。以A、B相為例只對環流通路進行分析。當A相上橋臂和B相下橋臂導通時，如圖3所示。

環流通路為P-A2-A-uN-B-B1-N-P;P-A2-A-uN-B- B2-N-P。若兩模塊不完全同步，即模塊1A相上橋臂導通，模塊2A相下橋臂導通時，則有環流通路為P-A1-A-A2-N-P, P-A2-A-A1-N-P。對于B相和C相之間，A相和C相之間，存在類似的環流通路[10]。環流在并聯換流器模塊之間流通，造成換流器不能均分電流。根據基爾霍夫電流定律，兩個模塊的零序環流大小相等，方向相反。定義環流為：

i1、i2分別為逆變側換流器模塊1、模塊2的零序環流。當系統并聯運行時，由于環流的存在，兩側三相電流不平衡。傳統的二維坐標系無法得到零軸分量，所以需要三維坐標變換。定義自然坐標系到旋轉坐標系的變換矩陣為：

其中為電網角頻率，則逆變側換流器在坐標系下的數學模型：

從（5）（6）式可以看出，變換后的軸、軸存在耦合，需要進行解耦控制。對于環流i，主要是由并聯換流器兩模塊z軸分量的占空比不同造成的。式中i1、i1分別為逆變側換流器模塊1輸出電流在坐標系下軸和軸分量；1為逆變側換流器模塊1串聯電抗器；d1、d1分別為逆變側換流器模塊1在A、B、C相橋臂導通占空比在坐標系下軸和軸分量；d1為逆變側換流器模塊1的z軸占空比；i1為逆變側換流器模塊1的z軸電流。i2、i2分別為逆變側換流器模塊2輸出電流在坐標系下軸和軸分量；2為逆變側換流器模塊2串聯電抗器，d2、d2分別為逆變側換流器模塊2在A、B、C相橋臂導通占空比在坐標系下軸和軸分量；d2為逆變側換流器模塊2的z軸占空比；i2為逆變側換流器模塊2的z軸電流；Dd為占空比之差。

3 基于z軸反饋的控制策略

對于并聯VSC-HVDC系統，采用雙閉環控制和脈沖寬度調制（）。并聯換流器的均流方案為將給定的電流折半后作為換流器兩個模塊各自的給定電流，來控制換流器的輸出電流。通過兩個發生模塊載波移相180度來實現系統二重化[17]。對于零序環流的抑制，采用z軸反饋控制策略。將z軸電流指令值設置為0，檢測換流器每個模塊的零序電流，指令值與實際零序電流值比較，通過調節器快速跟蹤指令值。然后將軸、軸和z軸電流調節器的輸出信號經反變換，作為脈沖發生器的調制波來控制換流器的開斷。其控制系統結構框圖如圖4所示。

圖4 逆變側換流器的控制系統框圖

Fig 4 Block diagram of the control system of the inverter-side converter

1和2為軸電流指令值，由上一級控制器均分得到，1和2為軸電流指令值，由上一級控制器均分得到，1和2為z軸電流指令值，令其值等于零。該控制策略可以實現每個模塊的獨立控制，每個換流器模塊的輸入為上一級控制器（有功功率控制器、無功功率控制器、直流電壓控制器）的輸出。首先外環控制器輸出的電流指令值與實際的電流值比較，差值經過電流內環控制器得到換流器輸出的電壓信號。兩側換流器采用矢量控制，旋轉坐標系與電網電壓同步旋轉，且旋轉坐標系的d軸與電網側A相電壓重合，實現了解耦控制[13]-[16]。

4 仿真分析

為了驗證控制策略的可靠性，用Matlab/Simulink工具箱進行了仿真驗證。并聯VSC-HVDC系統的主要參數為：系統交流側線電壓為10 KV，直流側母線電壓為±10 KV，等效電阻損耗R1=R2=0.3 Ω，直流側電容C1=C2=500 μF。為了模擬實際情況下，換流器參數不均，串聯電抗器分別為10 mH、9 mH。

當系統沒有采用零序環流控制器時的仿真波形如圖5所示。由圖5（a）可以看出，兩個換流器沒有均流，電流波形存在畸變。圖5（b）為并聯系統中的環流波形，i1與i2方向相反，與前述分析一致。從圖5（c）可以看出，沒有加入零序環流控制器時，三相電流波形發生畸變，存在三相不對稱問題。

圖5 無環流控制器的仿真波形

當系統加入零序環流控制器后，仿真波形如圖6所示。由圖6（a）可以看出，系統加入環流控制器后，換流器輸出電流正弦性較好。由圖6（b）可以看出零序環流幅值大約為25A，與無環流控制器相比，零序環流大大減小，證明了所提出的環流抑制控制策略的有效性。從圖6（d）可以看出，采用環流控制器后，三相電流對稱，解決了畸變和均流問題且電流波形正弦性良好。

圖6 有環流控制器的仿真波形

Fig 6 Simulation waveform with loop controller

5 結語

本文主要研究并聯VSC-HVDC系統中的環流問題，通過分析環流產生的原因，提出了一種基于旋轉坐標系的零序環流控制策略。該控制策略實現簡單，可以有效抑制并聯所產生的環流問題，兩側換流器各模塊能夠實現獨立控制。仿真結果表明該策略適用于共交直流母線并聯的VSC-HVDC系統，具有一定的工程應用價值。

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Inhibition of Zero Sequence Circulation in VSC-HVDC Parallel Operation System

FU Zi-yi, DU Tian-yu

(School of Electrical Engineering and Automation, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454150, China)

The use of co-AC DC bus parallel VSC-HVDC system can increase its transmission capacity, but it needs to solve the problem of uneven current distribution and circulation between the converters. The causes of the zero-sequence circulation are analyzed, and the mathematical model of the inverting side parallel module is established. Based on the above analysis, a zero-sequence circulation control strategy based on rotating coordinate system is proposed. Through the use of parallel modules and carrier phase shift technology, system capacity has been increased and waveform quality has been improved. The simulation results verify the effectiveness of the control strategy.

Parallel operation; Common DC bus; Zero sequence current; Carrier phase shift

TM721

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2018.09.004

國家重點研發計劃專項資助(2016YFC0600906)

付子義(1958-)，男，教授，主要研究方向：電機拖動與控制、礦井綜合自動化；杜田雨(1995-)，男，研究生，主要研究方向：電力系統及其自動化。

本文著錄格式：付子義，杜田雨. VSC-HVDC并聯運行系統中零序環流的抑制[J]. 軟件，2018，39（9）：16-20