吳美嫻

（國(guó)家電網(wǎng)福建仙游縣供電有限公司,福建 莆田 351200）

柔性直流輸電技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及技術(shù)研究

吳美嫻

（國(guó)家電網(wǎng)福建仙游縣供電有限公司,福建 莆田 351200）

摘要：與傳統(tǒng)高壓直流輸電相比，基于電壓源換流器的高壓直流輸電（VSC-HVDC）是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型直流輸電技術(shù)。本文首先對(duì)柔性直流輸電系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及研究熱點(diǎn)進(jìn)行了概述；總結(jié)了VSC-HVDC的技術(shù)特點(diǎn)；闡述了VSC-HVDC系統(tǒng)的組成部分及其相應(yīng)的功能。其次，推導(dǎo)了VSC-HVDC系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。最后，說(shuō)明了VSC-HVDC系統(tǒng)的基本控制方式。

關(guān)鍵詞：柔性直流輸電；數(shù)學(xué)模型；瞬時(shí)無(wú)功功率理論

0　引言

當(dāng)前，在能源緊缺和環(huán)境污染的問(wèn)題日益嚴(yán)重的形勢(shì)下，我國(guó)在可再生能源發(fā)電方面的投入不斷擴(kuò)大，如風(fēng)力發(fā)電，太陽(yáng)能發(fā)電等。但由于可再生能源發(fā)電存在發(fā)電容量較小、輸出功率不穩(wěn)定、分布范圍廣泛和遠(yuǎn)離負(fù)荷中心等特點(diǎn)，如果采用交流輸電技術(shù)或者是傳統(tǒng)的直流輸電技術(shù)，將存在有很多固有的缺陷。一些無(wú)源負(fù)荷，如小的島嶼、海上鉆探平臺(tái)等，目前大多采用本地發(fā)電裝置，這既不經(jīng)濟(jì)，又將造成環(huán)境的污染；另外，隨著城市負(fù)荷的快速增長(zhǎng)，擴(kuò)充電網(wǎng)的容量勢(shì)在必行，但由于城市人口增加和人們對(duì)城區(qū)合理規(guī)劃要求的提高，一方面要求充分利用已有的輸電走廊，另一方面要將大量的配電網(wǎng)架空線路改為電纜轉(zhuǎn)入地下，采用VSC-HVDC可以很好地解決這些問(wèn)題。

1　VSC-HVDC發(fā)展現(xiàn)狀

自1997年第一個(gè)工程開(kāi)始試運(yùn)行以來(lái)，VSC-HVDC技術(shù)在世界范圍內(nèi)一直受到廣泛的關(guān)注。目前，其在基礎(chǔ)理論和工程實(shí)用化方面的研究都比較深入。前些年，國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議組織成立了專門(mén)研究VSC-HVDC的系列工作組，并進(jìn)行了相應(yīng)的研究工作，最近又成立了名為“B4-48”的工作組。這個(gè)工作組有我國(guó)專家牽頭，重點(diǎn)研究系統(tǒng)組件的試驗(yàn)方法、應(yīng)力模型等方面。為了解決實(shí)際工程中面臨的難題，目前的研究熱點(diǎn)有：如何提高VSC-HVDC的容量、降低造價(jià)和線路損耗、提高可靠性和安全性以及支持交流電網(wǎng)、與交流電網(wǎng)相互作用等。

由于VSC-HVDC采用由全控電力電子器件，其靈活性和可控性等諸多優(yōu)點(diǎn)使它被看好成為傳統(tǒng)高壓直流輸電的理想替代品。國(guó)內(nèi)VSC-HVDC的研究起步晚于國(guó)外，但是目前也成為了一個(gè)研究的熱點(diǎn)。2011年7月，上海南匯風(fēng)電場(chǎng)VSC-HVDC工程投入正式運(yùn)行，這成為我國(guó)第一條擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的VSC-HVDC輸電線路[3]。

鑒于我國(guó)的研究缺乏足夠的工程經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行VSC-HVDC系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究仍然十分必要。目前以下一些問(wèn)題仍值得深入的研究[4]：

（1）VSC-HVDC系統(tǒng)基本控制的內(nèi)涵是VSC-HVDC系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)的功率控制，一個(gè)雙入雙出的非線形、非解耦控制對(duì)象構(gòu)成了其模型的主體，因此，加強(qiáng)穩(wěn)態(tài)控制策略的研究有很大的實(shí)際意義。

（2）一定程度的不對(duì)稱性是配電網(wǎng)的常態(tài)，但微弱的不對(duì)稱性也會(huì)對(duì)VSC產(chǎn)生很大的影響，尤其是給直流線路電壓帶來(lái)二倍頻波動(dòng)，這些波動(dòng)會(huì)傳播到另一側(cè)的交流系統(tǒng)，從而使電能的質(zhì)量和系統(tǒng)穩(wěn)定性受到波及。因此，研究適當(dāng)不對(duì)稱情況下的控制策略來(lái)適應(yīng)配電網(wǎng)控制的需要顯得迫在眉睫。

（3）VSC-HVDC系統(tǒng)的保護(hù)問(wèn)題目前還有很大的可提升空間。從換流器的角度看，VSC-HVDC換流器的直流側(cè)并聯(lián)有大電容，可視作電壓源，而傳統(tǒng)HVDC換流器的直流側(cè)串聯(lián)有大電感，可認(rèn)定成電流源。這兩者的差異使得VSC-HVDC的直流側(cè)保護(hù)成為一個(gè)新的研究領(lǐng)域。

2　VSC-HVDC的技術(shù)特點(diǎn)

與傳統(tǒng)的HVDC相比，VSC-HVDC有以下技術(shù)特點(diǎn)[6]：

（1）VSC可以向無(wú)源網(wǎng)絡(luò)送電：傳統(tǒng)的HVDC受端必須是有源網(wǎng)絡(luò)，而VSC由于采用IGBT、GTO等具有可關(guān)斷能力的全控型器件，不需要提供外加換相電流，因此受端系統(tǒng)可以是無(wú)源網(wǎng)絡(luò)。VSC可以為遠(yuǎn)距離的孤立負(fù)荷送電，克服了HVDC的不足。

（2）VSC控制功率更加靈活：傳統(tǒng)HVDC只有觸發(fā)角這一個(gè)控制量，有功功率與無(wú)功功率變化相互影響，而基于PWM的VSC有出口電壓基頻分量幅值與相位這兩個(gè)控制變量，可以實(shí)現(xiàn)在控制有功功率的同時(shí)，還可控制無(wú)功功率的交換，控制更加靈活方便。

（3）VSC能提高系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性：VSC可以四象限運(yùn)行，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，VSC不僅可以向故障系統(tǒng)提供有功支援，還可以提供無(wú)功支持，起到靜止同步補(bǔ)償器的作用，從而提高系統(tǒng)的功角穩(wěn)定性和電壓穩(wěn)定性。

（4）可實(shí)現(xiàn)并聯(lián)多端直流系統(tǒng)：傳統(tǒng)HVDC潮流反轉(zhuǎn)時(shí)，電流方向不變而電壓反轉(zhuǎn)，因此并聯(lián)多端HVDC系統(tǒng)潮流控制不便，而串聯(lián)連接時(shí)可靠性又不高，不適用于大電網(wǎng)互聯(lián)。與傳統(tǒng)的HVDC恰恰相反，VSC潮流反轉(zhuǎn)時(shí)，其直流電流方向反轉(zhuǎn)而電壓極性保持不變，應(yīng)用此特點(diǎn)設(shè)計(jì)的并聯(lián)多端直流系統(tǒng)，兼具潮流控制靈活、可靠性高的優(yōu)勢(shì)，VSC系統(tǒng)擴(kuò)建方便。

3　VSC-HVDC系統(tǒng)組成

VSC-HVDC系統(tǒng)主要由交流源、變壓器、電抗器、交流濾波器、VSC換流站、直流電容、直流電纜等幾部分組成。

4　VSC-HVDC系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

定義uca、ucb、ucc分別是換流器一側(cè)三相電壓的瞬時(shí)值，usa、usb、usc分別是交流側(cè)三相電壓的瞬時(shí)值，ia、ib、ic分別是流過(guò)換流器的三相電流，Udc是直流電壓，L是換流變壓器的電感，R是換流器和變壓器的等效電阻。由圖1可以得出交流側(cè)的動(dòng)態(tài)微分方程：

寫(xiě)成矩陣形式再整理成向量形式為：

上述模型是建立在三相靜止坐標(biāo)系上的，但是由于所涉及的變量過(guò)多，解析的時(shí)候會(huì)有很大的難度，所以需要把它變換到dq坐標(biāo)軸下方便我們研究。變換的方法就是尋找一個(gè)過(guò)渡矩陣，由于變換前后系統(tǒng)的功率是保持不變的，而我們根據(jù)研究對(duì)象的不同選擇不同的坐標(biāo)系，使得經(jīng)過(guò)變換后的新的坐標(biāo)系下的表達(dá)式中一些變量會(huì)變成零，這樣就達(dá)到了降階并且解耦的目的。

實(shí)現(xiàn)三相靜止坐標(biāo)系（abc）與兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系之間互相轉(zhuǎn)換矩陣為：

經(jīng)變換后可得dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的柔性直流輸電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為：

根據(jù)瞬時(shí)功率理論，通過(guò)向量定位，可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化其數(shù)學(xué)模型。當(dāng)d軸以電網(wǎng)電壓向量定位時(shí)，usq=0，則上式可以寫(xiě)成：

在交流系統(tǒng)比較大時(shí)，usd為恒定值。由此可知，經(jīng)過(guò)dq轉(zhuǎn)換后，可以通過(guò)控制id、iq、來(lái)分別控制有功功率和無(wú)功功率，達(dá)到了功率獨(dú)立解耦的目的。

5　VSC-HVDC系統(tǒng)基本控制方式

柔性直流輸電系統(tǒng)的根本任務(wù)就是在保證直流線路上有功平衡的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)兩端系統(tǒng)的功率交換，而且每個(gè)換流站都可以單獨(dú)控制無(wú)功潮流，這就能夠給系統(tǒng)提供無(wú)功支持。為了實(shí)現(xiàn)有功平衡，一個(gè)換流站必須利用直流控制器來(lái)控制直流電壓，而另外一個(gè)換流站則利用攻略控制器讓有功維持在一個(gè)恒定值左右。因?yàn)樗捎玫腜WM控制技術(shù)能夠很好的完成有功、無(wú)功的獨(dú)立解耦，所以不用改變直流電壓而是通過(guò)控制站端交流電壓來(lái)控制無(wú)功功率。

利用矢量控制技術(shù)的柔性直流輸電系統(tǒng)的控制系統(tǒng)是采用雙閉環(huán)控制，也就是內(nèi)環(huán)控制回路和外環(huán)控制回路。

外環(huán)控制的主要目的是給內(nèi)環(huán)控制回路提供參考電流Idq_ref。其中的Id_ref能夠控制有功潮流和直流電壓，而Iq_ref能夠控制無(wú)功潮流和交流電壓。柔性直流輸電的控制方式一般有、定直流電壓控制、定交流電壓控制、定有功功率控制、定無(wú)功功率控制，不同的場(chǎng)合下應(yīng)采用不同的控制方式。

內(nèi)環(huán)控制主要是根據(jù)外環(huán)輸出的電流進(jìn)行電流控制，以快速跟蹤和控制電流幅值和相位。將所產(chǎn)生的電壓信號(hào)輸送給PWM產(chǎn)生脈沖信號(hào)輸送給VSC，這樣就達(dá)到了控制整個(gè)輸電系統(tǒng)的目的。

6　結(jié)論

本文對(duì)柔性直流輸電系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程及其現(xiàn)實(shí)情況和VSC-HVDC的特性和構(gòu)成做了闡述并以此為基礎(chǔ)推導(dǎo)出了VSC-HVDC系統(tǒng)在dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型及算法。最后，對(duì)VSC-HVDC系統(tǒng)及此系統(tǒng)的雙閉環(huán)控制方式做了總結(jié)和歸納。

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