馬成廉，潘文明，姚天亮，孫　黎

(1.東北電力大學(xué)輸變電技術(shù)學(xué)院，吉林 吉林 132012；2.國網(wǎng)安徽省電力公司，安徽 合肥 230061；3.中國能源建設(shè)集團(tuán)甘肅電力設(shè)計院，甘肅 蘭州 730050；4.東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

VSC-HVDC在交流電網(wǎng)非故障時的控制策略研究

馬成廉1，潘文明2，姚天亮3，孫黎4

(1.東北電力大學(xué)輸變電技術(shù)學(xué)院，吉林 吉林 132012；2.國網(wǎng)安徽省電力公司，安徽 合肥 230061；3.中國能源建設(shè)集團(tuán)甘肅電力設(shè)計院，甘肅 蘭州 730050；4.東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

摘要：電壓源換流器型直流輸電(VSC-HVDC)是一種以電壓源換流器和脈寬調(diào)制等技術(shù)為基礎(chǔ)的新型直流輸電技術(shù)。由于具備向無源系統(tǒng)或者弱交流系統(tǒng)供電、有功功率和無功功率能快速獨立控制、易于構(gòu)成多端網(wǎng)絡(luò)和環(huán)境友好等優(yōu)異性能，VSC-HVDC在輸電和配電領(lǐng)域都有著非常廣泛的應(yīng)用前景。闡述了VSC-HVDC的結(jié)構(gòu)和基本原理，指出PWM技術(shù)是VSC工作的基礎(chǔ)，通過PWM控制VSC輸出電壓的幅值與相位即可控制換流站向交流系統(tǒng)注入的有功功率和無功功率。然后根據(jù)VSC-HVDC的控制體系和控制策略，指出在設(shè)計VSC-HVDC的控制系統(tǒng)時，可以通過合理的控制策略來提高系統(tǒng)在故障情況下的不間斷運行能力。最后通過在MATLAB軟件中搭建單相和三相VSC逆變電路模型進(jìn)行仿真分析，證明控制策略的正確性，符合實際中直流到交流的逆變結(jié)果。

關(guān)鍵詞：電壓源換流器；脈寬調(diào)制；高壓直流輸電；控制策略；MATLAB仿真

隨著傳統(tǒng)能源的消耗和環(huán)境不斷惡化，世界各國已經(jīng)認(rèn)識到能源的開發(fā)和利用必須由傳統(tǒng)能源向綠色可再生能源等清潔能源過渡[1]。但由于電力系統(tǒng)消納能力有限，大部分可再生能源并未被有效使用，甚至出現(xiàn)“棄風(fēng)”、“棄光”現(xiàn)象；另一方面，太陽能、風(fēng)電等清潔能源不能持續(xù)穩(wěn)定的供電，具有間歇性。伴隨各種大規(guī)?？稍偕茉床⑷腚娋W(wǎng)，傳統(tǒng)的電力設(shè)備、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和運行技術(shù)等已經(jīng)不能滿足新格局的要求，因此，必須對傳統(tǒng)輸電技術(shù)、輸電設(shè)備和電網(wǎng)進(jìn)行改革?；陔妷涸磽Q流器型的高壓直流輸電系統(tǒng)和直流電網(wǎng)技術(shù)是解決這一問題的有效手段[2]。傳統(tǒng)HVDC的換流器采用的是半控型晶閘管，它的關(guān)斷具有不可控性[3]。傳統(tǒng)HVDC技術(shù)存在不能向無源系統(tǒng)供電，當(dāng)負(fù)荷端短路容量不足時易換相失敗，換流器會產(chǎn)生諧波，在運行過程中會吸收大量的無功功率，換流站占地面積大、投資高等問題[4]，而新型的電壓源型換流器(VSC)解決了以上傳統(tǒng)直流輸電技術(shù)的弊端。

本文對VSC-HVDC的結(jié)構(gòu)和基本原理以及其控制體系和控制策略進(jìn)行了研究，搭建仿真模型，進(jìn)行了相關(guān)分析。

1VSC-HVDC的結(jié)構(gòu)和基本原理

由圖1可以看出，VSC-HVDC系統(tǒng)主要由VSC、換流變壓器、換流電抗器、交流濾波器、直流電容器和直流輸電線路等部分組成。

VSC為換流站的核心元件，通過VSC橋臂的開關(guān)切換以達(dá)到控制系統(tǒng)潮流的目的。其結(jié)構(gòu)一般有三相兩電平、二極管鉗位式三電平、電容鉗位式三電平等，實際工程中多采用三相兩電平與二極管鉗位式三電平結(jié)構(gòu)。VSC橋臂由多個全控器件串聯(lián)組成，稱之為 VSC 閥。受系統(tǒng)開關(guān)頻率的限制，目前VSC-HVDC系統(tǒng)采用的全控器件多為絕緣柵型晶體管(IGBT)。換流變壓器和換流電抗器是換流站與交流系統(tǒng)之間能量交換的紐帶。

圖1　VSC-HVDC系統(tǒng)單線原理圖

交流濾波器用于濾除VSC輸出電壓與電流的諧波。交流濾波器與換流電抗器、換流變壓器以及系統(tǒng)阻抗相互作用，對高次諧波形成一個低阻通道，從而達(dá)到濾除交流側(cè)諧波的目的。交流濾波器可安裝在換流變壓器的一次或者二次側(cè)。直流電容器是VSC-HVDC直流側(cè)的儲能元件，為VSC的正常運行提供一定的直流電壓支撐，同時為 VSC 交流功率輸入與直流功率輸出提供一個緩沖區(qū)。直流電容器的容量決定了VSC-HVDC直流側(cè)系統(tǒng)的動態(tài)特性。直流輸電線路是聯(lián)系互聯(lián)交流系統(tǒng)的紐帶，除了背靠背系統(tǒng)外，VSC-HVDC兩側(cè)換流站均通過直流輸電線路相互連接，提供功率走廊[5]。該直流輸電線路可采用架空線或電纜。

圖2　單相兩電平VSC結(jié)構(gòu)及其PWM調(diào)制原理圖

因此VSC可等效為一臺幅值與相位可調(diào)的交流發(fā)電機(jī)，通過換流電抗與交流電網(wǎng)連接，其基波等效原理圖如圖3所示。

圖3　換流站基波等效電路圖

當(dāng)不計換流電抗器的損耗電阻時，VSC交流母線電壓基頻分量Us與交流輸出電壓的基頻分量Uc共同作用于換流電抗器等效電抗Xc上，則VSC與交流系統(tǒng)間交換的有功功率Ps和無功功率Qs分別為式(1)和式(2)所示。

(1)

(2)

由式(1)可知，有功功率主要取決于Uc相對于Us的移相角度δ，當(dāng)δ<0時VSC吸收有功功率，VSC運行于整流狀態(tài)；當(dāng)δ>0時VSC發(fā)出有功功率，運行于逆變狀態(tài)。調(diào)節(jié)δ角就可以控制VSC-HVDC傳輸有功功率的大小和方向。

由式(2)可知，無功功率的交換則主要取決于VSC交流側(cè)輸出電壓的基波幅值Uc，當(dāng)Us-Uccosδ>0時，VSC吸收無功功率；當(dāng)Us-Uccosδ<0時，VSC發(fā)出無功功率。控制Uc的幅值，即可控制VSC吸收或發(fā)出的無功功率大小。

綜上所述，通過 PWM 控制 VSC 輸出電壓的幅值與相位即可控制換流站向系統(tǒng)注入的有功功率與無功功率。

2VSC-HVDC的控制體系和控制策略

VSC-HVDC是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，其實際運行性能極大地依賴于它的控制系統(tǒng)。合理的控制體系能提高工程的可用性及可靠性等指標(biāo)。類似于傳統(tǒng)直流輸電控制系統(tǒng)，為了把由控制系統(tǒng)故障引起的直流系統(tǒng)不可用率降到最小，VSC-HVDC控制系統(tǒng)也通常采用多重化和分層結(jié)構(gòu)。正常運行時，一套控制系統(tǒng)處于工作狀態(tài)，另外一套系統(tǒng)處于熱備用狀態(tài)，兩套系統(tǒng)同時對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，但只有工作系統(tǒng)可對一次設(shè)備發(fā)出指令。當(dāng)工作系統(tǒng)發(fā)生故障時，切換邏輯將其退出工作，處于熱備用狀態(tài)的系統(tǒng)能自動、安全、快速地切換到工作狀態(tài)[6]。也可以采用三重化及以上的冗余設(shè)計，采取“少數(shù)服從多數(shù)”的原則作為輸出方案，但是設(shè)備的元件數(shù)會因此而增加，通常兩重化或者三重化設(shè)計是一種較好的選擇。控制系統(tǒng)還要求在不干擾正常系統(tǒng)工作的同時，能夠?qū)收舷到y(tǒng)進(jìn)行維修以及修復(fù)后的驗證工作，以滿足控制系統(tǒng)不停電即可維護(hù)的要求。

為了提高運行的可靠性，限制任一控制環(huán)節(jié)故障造成的影響，如圖4概念性示意圖所示，可以將VSC-HVDC的控制系統(tǒng)大致分成系統(tǒng)級控制、換流器級控制和觸發(fā)級控制等層次。分層設(shè)計能夠簡化設(shè)計任務(wù)，增強(qiáng)控制系統(tǒng)的靈活性。在實際的工業(yè)裝置中，三個層次的控制可能會有一定程度的交叉和整合。

圖4　VSC-HVDC的分層控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)VSC的運行原理與運行特性，可以將VSC的控制策略分為以下兩類：第一類是基于電壓幅值和相位控制的間接電流控制策略；第二類是基于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直接電流控制策略。

直接電流控制策略的原理是通過電壓前饋補(bǔ)償和電流反饋等控制部分，對流經(jīng)變壓器和換流電抗器的交流電流直接控制來起到調(diào)節(jié)系統(tǒng)運行特性的作用。這種直接控制電流的控制方式具有對故障或不正常運行狀態(tài)的快速反應(yīng)能力，對事故過電流有良好的控制能力。

圖5是基于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直接電流控制策略原理圖。從該圖可以看出，該控制系統(tǒng)主要由外環(huán)功率控制器、內(nèi)環(huán)電流控制器、觸發(fā)脈沖生成環(huán)節(jié)、以及鎖相同步等環(huán)節(jié)構(gòu)成。目前應(yīng)用于工程中的外環(huán)功率控制器的主要形式有：直流電壓控制器、無功功率控制器、有功功率控制器、交流電壓控制器等[8]。而目前主要的VSC控制方式就是這幾種。這些控制方式也根據(jù)其特點應(yīng)用在不同領(lǐng)域。

圖5　VSC控制系統(tǒng)示意圖

在雙端或多端VSC-HVDC系統(tǒng)中，各換流站之間對有功功率的控制應(yīng)該配合得當(dāng)[9]。當(dāng)其中一個換流站采用有功功率控制模式時，其他各端換流站應(yīng)采用直流電壓控制模式。通常，負(fù)荷端換流站采用直流電壓控制模式，而發(fā)電端換流站采用有功功率控制模式。

兩端換流站之間不需要專門的通信設(shè)備。采用恒定的直流電壓控制能使兩端VSC換流站之間的各項運行特性保持在相對穩(wěn)定的水平。各個換流站的控制模式不是固定的，可以根據(jù)實際情況進(jìn)行選擇。

兩站之間無功功率的控制是完全獨立的，所需無功功率可以由交流電壓或直接無功功率控制來實現(xiàn)。換流器容量是有一定限制的，各換流站的無功功率和有功功率的獨立控制需要在一定的范圍內(nèi)。

與傳統(tǒng)的直流輸電相比，VSC-HVDC的具有一個顯著特點是，對于兩個非同步的交流系統(tǒng)的連接，一側(cè)交流系統(tǒng)發(fā)生故障并不會影響到另一側(cè)交流系統(tǒng)和換流器的工作。對于一個設(shè)計合理的控制系統(tǒng)，在系統(tǒng)發(fā)生故障時，這種控制模式可以有效抑制過電壓、過電流，提高系統(tǒng)的運行可靠性[10]。因此，在設(shè)計VSC-HVDC的控制系統(tǒng)時，可以通過合理的控制策略來提高系統(tǒng)在故障情況下的不間斷運行能力。

3MATLAB仿真及結(jié)果

如圖6，仿真模型是單相電壓源換流器逆變電路，該仿真模型主要參數(shù)：直流電壓源Vdc=400 V，載波頻率1 080 Hz，調(diào)制度M=0.8，PWM為雙橋臂四脈沖觸發(fā)。仿真結(jié)果見圖7。

圖6　單相VSC逆變電路

圖7　單相VSC逆變電路仿真結(jié)果

圖8　三相兩電平VSC逆變電路

仿真結(jié)果：

(1)示波器上部分波形為換流器輸出電流，是正弦交流電流。

(2)示波器下部分波形為負(fù)載側(cè)電壓波形，基波幅值為320 V。

仿真結(jié)果分析：

從電流波形可以看出，經(jīng)過VSC逆變模塊，直流電流變?yōu)榻涣麟娏?。VSC的調(diào)制模式為SPWM調(diào)制，當(dāng)處在正弦調(diào)制波正半周期時，VSC輸出的電壓都為正，其導(dǎo)通時間根據(jù)載波與調(diào)制波比較后的結(jié)果所決定；同理，在正弦調(diào)制波負(fù)半周期也有同樣的結(jié)果。從仿真結(jié)果可以看到，輸出的交流電流波形接近正弦波形，符合實際的從直流到交流的逆變結(jié)果。

如圖8，仿真模型是三相兩電平電壓源換流器逆變電路，該仿真模型主要參數(shù)：直流電源Vdc=400 V，載波頻率1 080 Hz，調(diào)制度M=0.8。PWM為三橋臂六觸發(fā)脈沖。仿真結(jié)果見圖9。

圖9　三相VSC逆變電路仿真結(jié)果

仿真結(jié)果分析：

仿真模型的直流電壓是400 V，輸出的A、B兩相間的線電壓為320 V，且線電壓的波形接近正弦波，周期約為0.017 s。VSC的調(diào)制模式為SPWM調(diào)制，當(dāng)正弦調(diào)制波處在正半周期時，VSC輸出的電壓都為正，其導(dǎo)通時間根據(jù)載波與調(diào)制波比較后的結(jié)果所決定；同理，在正弦調(diào)制波負(fù)半周期也有同樣的結(jié)果。從仿真結(jié)果可以看到，輸出的交流電流波形接近正弦波形，符合實際的從直流到交流的逆變結(jié)果。

4結(jié)論

現(xiàn)代電力系統(tǒng)中，高壓直流輸電所占比重越來越大，傳統(tǒng)直流輸電技術(shù)存在一定缺陷，而VSC-HVDC在克服傳統(tǒng)直流輸電所存在的缺陷的同時，又能提高系統(tǒng)運行穩(wěn)定性和可靠性，是未來電力系統(tǒng)發(fā)展必不可少的一部分。本文針對VSC-HVDC在交流電網(wǎng)非故障時的控制策略進(jìn)行了研究。主要工作如下：

(1)介紹了VSC-HVDC的基本結(jié)構(gòu)及各結(jié)構(gòu)的主要作用以及VSC的基本運行原理和PWM技術(shù)的基本原理；

(2)對目前主要使用的VSC的控制系統(tǒng)設(shè)計原則進(jìn)行簡要介紹，指出可以通過合理的控制策略來提高系統(tǒng)故障時的不間斷運行能力；

(3)通過搭建單相和三相VSC逆變電路，運用MATLAB中Simulink組件對搭建的模型進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明：輸出的交流電流波形接近正弦波形，符合實際中直流到交流的逆變結(jié)果。

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Research on Control Strategy of VSC-HVDC in AC Power Grid

MA Cheng-lian1，PAN Wen-ming2，YAO Tian-liang3，SUN Li4

(1College of Power transmission and transformation technology,Northeast Dianli University,Jilin City,Jilin Province,China,132012;2.State Grid Anhui Electric Power Company,Hefei City,Anhui Province,China,230061;3.Energy Construction Group Gansu Electric Power Design Institute,Lanzhou City,Gansu Powince,China 7300504.College of electrical engineering,Northeast Dianli University,Jilin City,Jilin Province,China,132012)

Abstract：Voltage source converter based HVDC (VSC-HVDC) is a relatively new technology based on voltage source converter and pulse width modulation technology.With to passive systems or weak AC power supply system,the active power and reactive power independent and fast control,easy to constitute a multiport network and environment friendly,excellent performance of VSC-HVDC in the field of transmission and distribution have very broad application prospects.Structure and principle of VSC-HVDC are introduced in the article,and points out that the PWM technology is the basis of VSC,through the PWM control of the VSC output voltage amplitude and phase can be controlled converter injected into the AC system of active and reactive power.According to the VSC-HVDC control system and control strategy,this paper points out that in the design of VSC-HVDC control system,the system can be improved to the operational capability of the system under the condition of failure.At the end of this paper,the model of single-phase and three-phase VSC inverter circuit is built,and the simulation analysis of SIMULINK in MATLAB is carried out,and the correctness of the control strategy is proved.

Key words：VSC；PWM；HVDC；Control strategy；MATLAB Simulation

中圖分類號：TM74

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1005-2992(2015)06-0026-07

作者簡介：馬成廉(1983- )，男，吉林省吉林市人，東北電力大學(xué)輸變電技術(shù)學(xué)院講師，博士研究生，主要研究方向為電力系統(tǒng)安全運行與控制，電網(wǎng)安全運行與災(zāi)害防治等.

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目(51307017)

收稿日期：2015-09-12