基于電壓源換流器的柔性高壓直流輸電系統仿真研究

王宗濤?李鵬?蔡明曌

摘 要 基于電壓源換流器的高壓直流輸電技術是一種新型化的直流輸電技術。本文首先闡述了換流站級的控制方法，并選取直接電流控制進行研究，給出了外環電壓控制器和內環電流控制器的框圖結構；在PSCAD平臺中搭建了兩端柔性直流輸電系統。仿真結果表明直接電流控制能夠實現對柔性直流系統的穩定控制，并且在參考值改變時能夠實現快速追蹤。

關鍵詞 柔性直流輸電；電壓源換流器；直接電流控制前言

GTO、IGBT、IGCT等全控型器件技術的飛躍促使了電壓源型高壓直流輸電（VSC-HVDC）技術的產生。由于柔性直流輸電是采用全控型器件、脈寬調制和電壓源換流器，因此可以分別對有功功率和無功功率進行獨立有效的調節、向無源網絡提供電能、潮流也可以自由反轉。因此，VSC-HVDC技術被廣泛應用于孤島或小負荷供電、城市電網增容、可再生能源并網等領域。

電壓源型換流器是整個VSC-HVDC的關鍵模塊，具有不同的拓撲結構。低電平換流模塊在工程上應用較為普遍，但是功耗較大，供電質量較差；相對于低電平換流模塊，模塊化多電平換流器（MMC）性能優異，具體表現在：它可以將電壓最大提升到上百倍，電壓等級的快速提高使波形更加逼近正弦波從而減少了諧波含量[1]。

1 VSC-HVDC的換流站級控制

不同于LCC-HVDC，VSC-HVDC采用電壓源換流器，這對換流站的具體拓撲控制、系統的追蹤特性都有新的要求。為了滿足這些新的要求并達到長期穩定的工作狀態，有必要在柔性直流輸電系統中采用換流站級控制。

VSC-HVDC系統主要包括內，外環電流調節部分等環節。在上述模塊里，外環調節模塊依據一定的原理，目標為確定電壓功率不變。要使得模塊兩側的有功功率得以相等，則其中的一端可以選用使得直流電壓不變的調節策略，與此同時，對側可以選用使得頻率不變的調節策略。內環電流控制器根據系統的測量值來改變電流的向量。鎖相環部分輸出的相位角用于提供直接電流控制和觸發脈沖調制所需的角度。觸發脈沖的調制部分根據脈寬調制策略來進行實現，通過傳導出關于電壓和同步相位的信息，來產生相應的觸發脈沖。

1.1 內環電流控制器的設計

式（4）中，usd、usq分別為公共連接點電網電壓的d，q軸向分量；ud、uq分別為VSC交流電網側電壓基波的d，q軸向分量；isd、isq分別為交流電網電流的d，q軸分量，R，L是換流變壓器、相電抗器的等值電阻及等值電感。由上面的數學表達式可知，d、q軸電流不僅受調節參數ud、uq的影響外，與此同時，還與電流交互耦合項和交流電網電壓usd、usq也會對其造成一定的影響。為了清除d，q軸之間相互干擾，需要將上面的數學表達式改寫為：

其中。

dq與電流存在一階微分關系。為了實現解耦，可以采用下式中的比例積分環節。通過引入dq來作為解耦項，實現微分方程的解耦，同時對電網擾動電壓采取前饋補償，實現不但實現d、q軸電流的獨立解耦控制，而且還可以提高系統的運行性能和響應效果。從控制的方法入手，采用開環調節的方式減少擾動的影響。

式子里，isdef，isqef分別為有功電流和無功電流的參考量。

給出電流解耦器的結構框圖3如所示。圖中，電流控制器輸出量udref，uqref分別代表換流器調制波形的d軸和q軸分量；圖中的電流參考值isdef，isqef從外環電壓控制器輸出獲得。內環電流控制采用電流反饋和電網電壓前饋，不僅能提高電流的追蹤速度，還能有效的較少電流的動態誤差。

采用此結構，d、q軸的控制可以實現解耦的效果，并且結構是對稱的。所以本文以d軸電流控制環作為說明，可得傳遞函數G（s）為： （5）

Kp，KI選取至關重要，它們影響了內環電流控制器的性能。

1.2 外環電壓控制器的設計

外環電壓控制器有多種實現形式，下面將分別進行介紹：

（1）外環有功以及無功功率調節。在三相電網電壓平衡條件下，電網電壓通量US與d軸同向，有，則

因此可以通過控制isd和isq分別改變有功及無功功率的數值，實現解耦控制。為了提高追蹤的精度，需要使用比例積分控制器，得到有功功率控制器和無功功率控制器的具體結構如下：

（2）外環直流電壓控制。在忽略變壓器和相電壓器的有功損耗情況下，交流電網側的有功功率和直流線路側的有功功率應保持相等的關系： （7）

穩態時可得， （8）

直流側電壓是否穩定取決于交流網側與直流側的有功功率是否平衡，此時根據方向的不同，有功電流對直流電容進行充電或放電至直流電壓穩定在給定值。若系統采用定直流電壓控制，則此運行點為一個有功功率平衡的節點[2]。下圖是一個定直流電壓的控制器，直流電壓參考值和測量值的偏差作為輸入量，進行比例積分調節后輸出電流d軸分量的參考值。

（3）外環交流電壓控制。無功功率的支撐會減小交流側電壓的波動范圍。為了提高電壓的穩定性，應該使用使得交流電壓保持不變的調節策略，但其本質上是借助無功功率來實現的。下圖是為了保持交流電壓穩定的情況下，外環電壓調節的示意圖。

（4）外環頻率控制。在向無源網絡或弱電網傳輸電能時，由于弱電網沒有其他的電能來源，此時需要在換流站中采用頻率控制來穩定整個系統的頻率。在這個情況下，將換流站的頻率控制設置在工頻，這不僅能使柔性直流輸電系統的頻率穩定，也能起到調節無源網絡或弱電網頻率的作用。

2 VSC-HVDC的仿真結果

與VSC1相連的交流系統額定母線電壓為220KV，即整流側電源電壓為220KV，電源內阻為0.001，聯結變壓器T1一次側為中性點接地的星形聯結，二次側為三角形聯結，其變比為220/62.5KV，漏抗為0.1pu，相電抗器為0.04279H，換流器的等效電阻為0.002；與VSC2相連的交流系統額定母線電壓為115KV，即逆變側電源電壓為115KV，電源內阻為0.005，聯結變壓器T1一次側為中性點接地的形聯結，二次側為形聯結，其變比為115/62.5KV，漏抗為0.1pu，相電抗器為0.01169H，換流器的等效電阻為0.05。整流端采用有功及無功功率調節，逆變端采用電壓功率調節。此系統的額定有功功率為300MW，無功功率為0MW。

將200MW定為有功功率的起始值，將25MW定為無功功率的起始值。仿真驗證送端和受端的各項被控量均能按照要求穩定在參考量，本文所選取的控制措施是可靠的，穩定的。仿真結果表明：采用直接電流控制和PWM調制的柔性直流輸電系統能夠實現較為準確控制。

3 結束語

換流站級控制中的直接電流控制的電流響應速度快，可以限制電流，因此被廣泛應用于工程控制中。在PSCAD仿真平臺中搭建了直流電壓為150KV，額定容量為300MVA的柔性直流輸電系統。仿真結果表明了采用直接電流控制和PWM調制的柔性直流輸電系統的可行性和有效性。

參考文獻

[1] 王姍姍，周孝信，湯廣福，等.交流電網強度對模塊化多電平換流器HVDC運行特性的影響[J].電網技術，2011，35（02）：17-24.

[2] 周國梁.基于電壓源換流器的高壓直流輸電系統控制策略研究[D].華北電力大學（河北），2009.