基于電壓源換流器的柔性高壓直流輸電系統(tǒng)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(shù)是一種新型化的直流輸電技術(shù)。本文首先闡述了換流站級(jí)的控制方法，并選取直接電流控制進(jìn)行研究，給出了外環(huán)電壓控制器和內(nèi)環(huán)電流控制器的框圖結(jié)構(gòu)；在PSCAD平臺(tái)中搭建了兩端柔性直流輸電系統(tǒng)。仿真結(jié)果表明直接電流控制能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)柔性直流系統(tǒng)的穩(wěn)定控制，并且在參考值改變時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)快速追蹤。

關(guān)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(shù)的飛躍促使了電壓源型高壓直流輸電（VSC-HVDC）技術(shù)的產(chǎn)生。由于柔性直流輸電是采用全控型器件、脈寬調(diào)制和電壓源換流器，因此可以分別對(duì)有功功率和無功功率進(jìn)行獨(dú)立有效的調(diào)節(jié)、向無源網(wǎng)絡(luò)提供電能、潮流也可以自由反轉(zhuǎn)。因此，VSC-HVDC技術(shù)被廣泛應(yīng)用于孤島或小負(fù)荷供電、城市電網(wǎng)增容、可再生能源并網(wǎng)等領(lǐng)域。

電壓源型換流器是整個(gè)VSC-HVDC的關(guān)鍵模塊，具有不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。低電平換流模塊在工程上應(yīng)用較為普遍，但是功耗較大，供電質(zhì)量較差；相對(duì)于低電平換流模塊，模塊化多電平換流器（MMC）性能優(yōu)異，具體表現(xiàn)在：它可以將電壓最大提升到上百倍，電壓等級(jí)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(jí)控制

不同于LCC-HVDC，VSC-HVDC采用電壓源換流器，這對(duì)換流站的具體拓?fù)淇刂?、系統(tǒng)的追蹤特性都有新的要求。為了滿足這些新的要求并達(dá)到長(zhǎng)期穩(wěn)定的工作狀態(tài)，有必要在柔性直流輸電系統(tǒng)中采用換流站級(jí)控制。

VSC-HVDC系統(tǒng)主要包括內(nèi)，外環(huán)電流調(diào)節(jié)部分等環(huán)節(jié)。在上述模塊里，外環(huán)調(diào)節(jié)模塊依據(jù)一定的原理，目標(biāo)為確定電壓功率不變。要使得模塊兩側(cè)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(diào)節(jié)策略，與此同時(shí)，對(duì)側(cè)可以選用使得頻率不變的調(diào)節(jié)策略。內(nèi)環(huán)電流控制器根據(jù)系統(tǒng)的測(cè)量值來改變電流的向量。鎖相環(huán)部分輸出的相位角用于提供直接電流控制和觸發(fā)脈沖調(diào)制所需的角度。觸發(fā)脈沖的調(diào)制部分根據(jù)脈寬調(diào)制策略來進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，通過傳導(dǎo)出關(guān)于電壓和同步相位的信息，來產(chǎn)生相應(yīng)的觸發(fā)脈沖。

1.1 內(nèi)環(huán)電流控制器的設(shè)計(jì)

式（4）中，usd、usq分別為公共連接點(diǎn)電網(wǎng)電壓的d，q軸向分量；ud、uq分別為VSC交流電網(wǎng)側(cè)電壓基波的d，q軸向分量；isd、isq分別為交流電網(wǎng)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(shù)學(xué)表達(dá)式可知，d、q軸電流不僅受調(diào)節(jié)參數(shù)ud、uq的影響外，與此同時(shí)，還與電流交互耦合項(xiàng)和交流電網(wǎng)電壓usd、usq也會(huì)對(duì)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(shù)學(xué)表達(dá)式改寫為：

其中。

dq與電流存在一階微分關(guān)系。為了實(shí)現(xiàn)解耦，可以采用下式中的比例積分環(huán)節(jié)。通過引入dq來作為解耦項(xiàng)，實(shí)現(xiàn)微分方程的解耦，同時(shí)對(duì)電網(wǎng)擾動(dòng)電壓采取前饋補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)不但實(shí)現(xiàn)d、q軸電流的獨(dú)立解耦控制，而且還可以提高系統(tǒng)的運(yùn)行性能和響應(yīng)效果。從控制的方法入手，采用開環(huán)調(diào)節(jié)的方式減少擾動(dòng)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(jié)構(gòu)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(diào)制波形的d軸和q軸分量；圖中的電流參考值isdef，isqef從外環(huán)電壓控制器輸出獲得。內(nèi)環(huán)電流控制采用電流反饋和電網(wǎng)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(dòng)態(tài)誤差。

采用此結(jié)構(gòu)，d、q軸的控制可以實(shí)現(xiàn)解耦的效果，并且結(jié)構(gòu)是對(duì)稱的。所以本文以d軸電流控制環(huán)作為說明，可得傳遞函數(shù)G（s）為： （5）

Kp，KI選取至關(guān)重要，它們影響了內(nèi)環(huán)電流控制器的性能。

1.2 外環(huán)電壓控制器的設(shè)計(jì)

外環(huán)電壓控制器有多種實(shí)現(xiàn)形式，下面將分別進(jìn)行介紹：

（1）外環(huán)有功以及無功功率調(diào)節(jié)。在三相電網(wǎng)電壓平衡條件下，電網(wǎng)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(shù)值，實(shí)現(xiàn)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(jié)構(gòu)如下：

（2）外環(huán)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(wǎng)側(cè)的有功功率和直流線路側(cè)的有功功率應(yīng)保持相等的關(guān)系： （7）

穩(wěn)態(tài)時(shí)可得， （8）

直流側(cè)電壓是否穩(wěn)定取決于交流網(wǎng)側(cè)與直流側(cè)的有功功率是否平衡，此時(shí)根據(jù)方向的不同，有功電流對(duì)直流電容進(jìn)行充電或放電至直流電壓穩(wěn)定在給定值。若系統(tǒng)采用定直流電壓控制，則此運(yùn)行點(diǎn)為一個(gè)有功功率平衡的節(jié)點(diǎn)[2]。下圖是一個(gè)定直流電壓的控制器，直流電壓參考值和測(cè)量值的偏差作為輸入量，進(jìn)行比例積分調(diào)節(jié)后輸出電流d軸分量的參考值。

（3）外環(huán)交流電壓控制。無功功率的支撐會(huì)減小交流側(cè)電壓的波動(dòng)范圍。為了提高電壓的穩(wěn)定性，應(yīng)該使用使得交流電壓保持不變的調(diào)節(jié)策略，但其本質(zhì)上是借助無功功率來實(shí)現(xiàn)的。下圖是為了保持交流電壓穩(wěn)定的情況下，外環(huán)電壓調(diào)節(jié)的示意圖。

（4）外環(huán)頻率控制。在向無源網(wǎng)絡(luò)或弱電網(wǎng)傳輸電能時(shí)，由于弱電網(wǎng)沒有其他的電能來源，此時(shí)需要在換流站中采用頻率控制來穩(wěn)定整個(gè)系統(tǒng)的頻率。在這個(gè)情況下，將換流站的頻率控制設(shè)置在工頻，這不僅能使柔性直流輸電系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定，也能起到調(diào)節(jié)無源網(wǎng)絡(luò)或弱電網(wǎng)頻率的作用。

2 VSC-HVDC的仿真結(jié)果

與VSC1相連的交流系統(tǒng)額定母線電壓為220KV，即整流側(cè)電源電壓為220KV，電源內(nèi)阻為0.001，聯(lián)結(jié)變壓器T1一次側(cè)為中性點(diǎn)接地的星形聯(lián)結(jié)，二次側(cè)為三角形聯(lián)結(jié)，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(tǒng)額定母線電壓為115KV，即逆變側(cè)電源電壓為115KV，電源內(nèi)阻為0.005，聯(lián)結(jié)變壓器T1一次側(cè)為中性點(diǎn)接地的形聯(lián)結(jié)，二次側(cè)為形聯(lián)結(jié)，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(diào)節(jié)，逆變端采用電壓功率調(diào)節(jié)。此系統(tǒng)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(yàn)證送端和受端的各項(xiàng)被控量均能按照要求穩(wěn)定在參考量，本文所選取的控制措施是可靠的，穩(wěn)定的。仿真結(jié)果表明：采用直接電流控制和PWM調(diào)制的柔性直流輸電系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)較為準(zhǔn)確控制。

3 結(jié)束語

換流站級(jí)控制中的直接電流控制的電流響應(yīng)速度快，可以限制電流，因此被廣泛應(yīng)用于工程控制中。在PSCAD仿真平臺(tái)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(tǒng)。仿真結(jié)果表明了采用直接電流控制和PWM調(diào)制的柔性直流輸電系統(tǒng)的可行性和有效性。

參考文獻(xiàn)

[1] 王姍姍，周孝信，湯廣福，等.交流電網(wǎng)強(qiáng)度對(duì)模塊化多電平換流器HVDC運(yùn)行特性的影響[J].電網(wǎng)技術(shù)，2011，35（02）：17-24.

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