雙端VSC-HVDC系統(tǒng)建模及控制方法研究

梁 律，羅隆福，黃 肇，陳尚敏,3，林藝熙

(1.湖南大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082；2.中國(guó)南方電網(wǎng)超高壓輸電公司廣州局，廣東 廣州510405；3.湖南省電力公司檢修公司，湖南 長(zhǎng)沙 410004)

雙端VSC-HVDC系統(tǒng)建模及控制方法研究

梁 律1,2，羅隆福1，黃 肇1，陳尚敏1,3，林藝熙1

(1.湖南大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082；2.中國(guó)南方電網(wǎng)超高壓輸電公司廣州局，廣東 廣州510405；3.湖南省電力公司檢修公司，湖南 長(zhǎng)沙 410004)

在0坐標(biāo)系下建立了雙端VSC-HVDC系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并基于該坐標(biāo)系制定了相應(yīng)的控制策略。所采用的控制器由外環(huán)控制器和內(nèi)環(huán)控制器構(gòu)成，外環(huán)控制器由基于常規(guī)PI調(diào)節(jié)器的定功率控制器/定電壓控制器構(gòu)成，輸出為內(nèi)環(huán)控制器的參考值；內(nèi)環(huán)電流控制器采用電流反饋和電壓前饋的解耦控制策略，實(shí)現(xiàn)電流的快速跟蹤控制。此外，針對(duì)VSC-HVDC啟動(dòng)時(shí)需要限流和限壓的要求，在啟動(dòng)前投入限流電阻，確保系統(tǒng)能夠平穩(wěn)快速的響應(yīng)，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后切除限流電阻。最后，在PSCAD/EMTDC的仿真結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的控制器具有很好的調(diào)節(jié)性能。

VSC-HVDC；電流反饋；電壓前饋；解耦控制；PSCAD/EMTDC

基于電壓源換流器的高壓直流輸電(Voltaged-Source Based Converter of High Voltage Direct Current，VSC-HVDC)技術(shù)于1990年由加拿大McGill大學(xué)學(xué)者Boon-Teck Ooi等人首次提出。1997年，ABB公司首次實(shí)現(xiàn)了電壓源換流器高壓直流輸電實(shí)驗(yàn)性工程 (Hallsjon工程)的成功運(yùn)行。此后，VSC-HVDC獲得了較快的發(fā)展和應(yīng)用。VSC-HVDC有以下技術(shù)優(yōu)勢(shì)[1]：(1)有功功率和無(wú)功功率的快速獨(dú)立調(diào)節(jié)；(2)潮流反轉(zhuǎn)方便快捷；(3)提高交流系統(tǒng)的輸電能力；(4)提高交流電網(wǎng)的功角穩(wěn)定性；(5)事故后快速恢復(fù)供電和黑啟動(dòng)；(6)向無(wú)源電網(wǎng)供電；(7)PWM技術(shù)的使用在一定程度上限制了交流側(cè)的低次諧波。

VSC-HVDC作為新興的高壓直流輸電方式，從其誕生之日起就引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的極大興趣。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其做了一些研究：文獻(xiàn)[2]推導(dǎo)了VSC-HVDC的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型并設(shè)計(jì)了穩(wěn)態(tài)逆模型控制器；文獻(xiàn)[3]推導(dǎo)了VSC-HVDC在0坐標(biāo)下的穩(wěn)態(tài)模型并提出了相應(yīng)的控制方案；文獻(xiàn)[4]推導(dǎo)了0坐標(biāo)下VSC-HVDC的連續(xù)時(shí)間狀態(tài)空間模型，并針對(duì)向有源和無(wú)源系統(tǒng)供電的2種情況提出了軸和軸解耦控制策略；文獻(xiàn)[5]基于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)采用前饋補(bǔ)償法設(shè)計(jì)了解耦控制器以達(dá)到分別通過(guò)軸和軸分量來(lái)獨(dú)立調(diào)節(jié)有功和無(wú)功的目的；文獻(xiàn)[6]采用了反饋線性化的方法設(shè)計(jì)了非線性解耦控制器，表現(xiàn)出了良好的控制性能。

1 VSC-HVDC系統(tǒng)建模

1.1 VSC-HVDC系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)理

雙端VSC-HVDC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)是一個(gè)典型的雙端兩電平六脈動(dòng)系統(tǒng)。圖中，和分別為VSCHVDC兩側(cè)所接交流系統(tǒng)電壓基波向量；和分別為VSC換流器交流側(cè)電壓基波向量；δ1、δ2分別為和、和的相角差；和分別為VSC1和VSC2交流側(cè)的電流基波向量，和為兩側(cè)的換流變壓器；和分別為代表兩側(cè)的換流電抗器；和分別代表兩側(cè)換流電抗器和VSC各項(xiàng)損耗的等效電阻；和分別為VSC1和VSC2直流側(cè)電壓；和分別為VSC1和VSC2直流側(cè)電流；和為直流側(cè)電容器；和為流過(guò)直流線路的電流和直流線路上的電阻值；、和、分別為啟動(dòng)限流電阻和開(kāi)關(guān)。

可以看出圖1所示系統(tǒng)是對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，取一側(cè)電路圖進(jìn)行等效，可得到圖2所示的基波等效電路。

圖1 雙端VSC-HVDC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

忽略聯(lián)接變壓器和相電抗器的等效電阻，VSC和交流系統(tǒng)之間交換的有功功率和無(wú)功功率可以表示為：

由式(1)可以得到以下結(jié)論：

1.2 dq0坐標(biāo)系下系統(tǒng)的暫態(tài)數(shù)學(xué)模型

正常運(yùn)行時(shí)，設(shè)系統(tǒng)三相電源對(duì)稱(chēng)，主電路開(kāi)關(guān)元件為理想元件，左側(cè)VSC為整流站，右側(cè)VSC為逆變站。以整流側(cè)為例，根據(jù)KVL，在abc坐標(biāo)下VSC-HVDC整流側(cè)數(shù)學(xué)模型為(變量下標(biāo)“1”表示其為整流側(cè)的參數(shù))：

選取Park變換的矩陣為：

2 控制策略研究

在高壓大功率的直流輸電場(chǎng)合，VSC-HVDC常采用的控制方式是基于雙環(huán)(外環(huán)控制器和內(nèi)環(huán)控制器)結(jié)構(gòu)構(gòu)成的直接電流控制，也稱(chēng)為“矢量控制”。雙環(huán)結(jié)構(gòu)具有快速的電流響應(yīng)特性，并兼?zhèn)淞撕芎玫膬?nèi)在限流能力。VSC-HVDC的控制系統(tǒng)由PLL、外環(huán)控制器、內(nèi)環(huán)控制器、測(cè)量采樣環(huán)節(jié)、PWM觸發(fā)脈沖生成環(huán)節(jié)構(gòu)成，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.1 外環(huán)控制策略

為了保證有功功率的傳送和維持系統(tǒng)直流電壓恒定，必須有一端采用定直流電壓控制。在兩端都聯(lián)結(jié)有源系統(tǒng)的情況下，需要采用一端定直流電壓控制，另一端定有功功率控制的策略。若一端聯(lián)結(jié)交流系統(tǒng)，另一端聯(lián)結(jié)無(wú)源網(wǎng)絡(luò)，聯(lián)結(jié)無(wú)源網(wǎng)絡(luò)那端就需要采用定交流電壓控制的策略，這樣能維持受端母線交流電壓在合乎要求的運(yùn)行水平。

圖3 VSC-HVDC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

(1)定功率控制器

于是，有功功率和無(wú)功功率就可以由式(7)表示：

圖4 定有功功率控制器

(2)定電壓控制器

定直流(交流)電壓控制器的目標(biāo)是維持直流側(cè)(交流側(cè))電壓恒定，通常將設(shè)定值與實(shí)際值比較后，經(jīng)過(guò)PI環(huán)節(jié)，得到有功電流參考值。定直流電壓控制器原理如圖5所示。

2.2 內(nèi)環(huán)控制策略

內(nèi)環(huán)控制器接收外環(huán)控制器輸出的電流參考值，用于實(shí)現(xiàn)換流器交流側(cè)電流波形和相位的直接控制，以快速跟蹤參考電流。其輸出信號(hào)為和，經(jīng)過(guò)Park變換的逆變換后變?yōu)槿?xiàng)信號(hào)，直接輸入觸發(fā)脈沖生成環(huán)節(jié)，最后為IGBT/GTO提供門(mén)級(jí)觸發(fā)信號(hào)。

圖5 定電壓控制器

將式(3)變換成式(9)所示的形式：

做以下替代：

則式(9)可以寫(xiě)成：

為了提高內(nèi)環(huán)電流控制器的跟蹤速度和精度，引入電流反饋和電網(wǎng)電壓前饋。所謂電流反饋，就是將交流系統(tǒng)的電流通過(guò)測(cè)量采樣環(huán)節(jié)引入內(nèi)環(huán)電流控制器，與外環(huán)控制器產(chǎn)生的軸和軸電流參考值進(jìn)行比較，他們的差值再通過(guò)PI環(huán)節(jié)產(chǎn)生電壓量和'；所謂電壓前饋，就是將以電網(wǎng)電壓和引入內(nèi)環(huán)電流控制器作為前饋補(bǔ)償，通過(guò)式(9)就構(gòu)成了軸和軸的獨(dú)立解耦的反饋控制系統(tǒng)。內(nèi)環(huán)電流控制器的結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 內(nèi)環(huán)電流控制器

2.3 鎖相同步環(huán)節(jié)

為了保證信號(hào)的實(shí)時(shí)性、坐標(biāo)同步和對(duì)電壓矢量的定向控制，須加入鎖相同步環(huán)節(jié)對(duì)交流系統(tǒng)的電壓相位進(jìn)行鎖定。鎖相同步環(huán)節(jié)通過(guò)鎖相環(huán)將輸入的參考正弦信號(hào)進(jìn)行同步，使得振蕩器和參考的輸入量同頻同相，其原理圖如圖7所示。

圖7 鎖相同步環(huán)節(jié)

3 仿真分析

3.1 系統(tǒng)參數(shù)

為了驗(yàn)證上述控制策略的正確性，本文采用電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD/EMTDC進(jìn)行仿真分析。仿真中，采用的一些主要參數(shù)為：交流系統(tǒng)的線電壓峰值為；頻率為；換流變壓器容量為；變比為；換流電抗器電抗值為；等效電阻為；直流電容為；直流線路等效電阻值為=7 Ω；直流線路等效電抗值為=0.596 8 H；限流電阻值為；高通濾波器 HPF的電阻為=1 Ω，電感為=0.12 mH，電容為=5 μF；PWM開(kāi)關(guān)頻率為=1 980 Hz。

VSC-HVDC系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，既要求系統(tǒng)的直流電壓能夠快速上升到接近正常工作時(shí)的電壓，但又不能產(chǎn)生過(guò)大的充電電流和電壓沖擊VSC閥體。因此，必須設(shè)計(jì)相應(yīng)的啟動(dòng)控制器使系統(tǒng)能夠快速平穩(wěn)安全地啟動(dòng)。為此，仿真時(shí)采取的措施是：對(duì)定控制端來(lái)說(shuō)，通過(guò)串入限流電阻減小脈沖閉鎖時(shí)的過(guò)電流，當(dāng)上升到一定值時(shí)再切除限流電阻；對(duì)定P控制端來(lái)說(shuō)，先斷開(kāi)直流線路，然后采用與定直流電壓控制端完全相同的啟動(dòng)控制方式，當(dāng)VSC2的直流電壓上升到額定值時(shí)再切換到正常的定P控制。

3.2 受端為有源系統(tǒng)

仿真時(shí)，兩個(gè)VSC交流側(cè)都聯(lián)結(jié)有源系統(tǒng)，采用的控制策略為：VSC1定直流電壓控制和定交流電壓控制，且；VSC2定有功功率控制和定交流電壓控制，且。

Case1：系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)控制器的響應(yīng)性

圖8所示為定電壓控制器和定功率控制器的響應(yīng)性，仿真結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的控制器能較快響應(yīng)，且系統(tǒng)的電壓和功率都能較好地跟蹤參考值。

Case2：功率抬升

待系統(tǒng)啟動(dòng)完畢運(yùn)行達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，在=1.5 s時(shí)，將VSC2側(cè)有功功率設(shè)定值從抬升到。可以看出系統(tǒng)的有功功率響應(yīng)很快，在設(shè)定值完成變化之后約0.05 s系統(tǒng)的功率就達(dá)到－250 MW，而且有功功率的抬升對(duì)無(wú)功功率幾乎沒(méi)有影響。同時(shí)，在定電壓控制器的作用下，系統(tǒng)的直流電壓和交流電壓受有功功率抬升的影響不大。圖9為功率抬升實(shí)驗(yàn)的仿真示意圖。

Case3：功率翻轉(zhuǎn)

圖8 外環(huán)控制器響應(yīng)

圖9 有功功率抬升50 MW實(shí)驗(yàn)

4 結(jié)論

圖10 有功功率翻轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)

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Study of double-pointed VSC-HVDC system modeling and control strategies

A mathematical model of double-pointed VSC-HVDC system was established and its control strategy was draw up in0 coordinate system.The controller consisted of outer loop and inner loop.The outer loop,which combined power/voltage controller based on conventional PI regulator,its output was reference of inner controller.The inner current loop, which adopted current feed-back and voltage feed-forward, realizing the current's fast tracking.In consideration of the requirement of current and voltage's limitation in the process of start-up,resistors were inserted and made the system's response smooth and fast.They were cut off after the system's going to steady.Last,simulation tests realized by PSCAD/EMTDC were performed to verify the designed controllers have good response speed and recovery ability after fault.

VSC-HVDC;current feed-back;voltage feed-forward;decoupled control;PSCAD/EMTDC

TM 721

A

1002-087 X(2016)03-0675-05

2015-08-17

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50907018)；湖南省研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目(CX2012B127)

梁律(1986—)，男，廣西壯族自治區(qū)人，碩士生，主要研究方向?yàn)楦邏褐绷鬏旊姟?/p>