李珊珊，李麗蘭，朱云霞

（1.鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程系，河南 鄭州 450000；2.許繼集團(tuán)有限公司，河南 許昌 461000）

基于雙閉環(huán)控制的柔性直流輸電變流器仿真研究

李珊珊1，李麗蘭1，朱云霞2

（1.鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程系，河南 鄭州 450000；2.許繼集團(tuán)有限公司，河南 許昌 461000）

柔性直流輸電是未來(lái)大容量電網(wǎng)發(fā)展的關(guān)鍵。為研究基于電壓源型逆變器的柔性直流輸電系統(tǒng)（VSC-HVDC），建立了兩電平柔性直流輸電系統(tǒng)的拓?fù)淠Ｐ?，采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)組成的雙閉環(huán)矢量控制方式，以及SVPWM調(diào)制方式，利用Matlab中的Simulink搭建了仿真模型，仿真模擬穩(wěn)態(tài)及各相位故障時(shí)，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)和反應(yīng)情況。最終，驗(yàn)證了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，并證明柔性直流變流器可以接無(wú)源負(fù)載的特點(diǎn)，以及在背靠背柔性直流變流器潮流反轉(zhuǎn)和故障后快速恢復(fù)能力。

雙閉環(huán)控制；柔性直流輸電；潮流反轉(zhuǎn)

Abstract:VSC-HVDC is the key to the development of large capacity power grid in the future.Based on the research for VSC-HVDC system of voltage source inverter，two level topology model of HVDC system was estabished，using double closed-loop vector control with voltage and current loop components，and SVPWM modulation，a simulation model in the Simulink of Matlab was built，the phase steady，regulation and response system were simulated when the fault.Finally the accuracy of the system is verified，and the characteristics of flexible DC converter of which can meet the passive load，and rapid recovery in reverse fault and flexible DC converter after back-to-back trend are demonstrated.

Key words:double closed-loop control；voltage source converter based high voltage direct current（VSC-HVDC）transmission；loadflowreversal

柔性直流輸電系統(tǒng)也稱為電壓源換相高壓直流輸電，它以脈寬調(diào)制技術(shù)、電壓源換流器和可關(guān)斷器件等為基礎(chǔ)，采用可控關(guān)斷元件解決向無(wú)源負(fù)荷送電的問(wèn)題。另外，在傳輸有功功率的同時(shí)，換流器可以向交流系統(tǒng)發(fā)出無(wú)功，或者從交流系統(tǒng)吸收無(wú)功，起到調(diào)節(jié)無(wú)功功率的作用，運(yùn)行方式更加靈活。因此它可以單獨(dú)地控制有功和無(wú)功功率，實(shí)現(xiàn)能源的最大利用。并且由于換流站是電壓源換流站的緣故，所以可以進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，幾乎不需要人去維護(hù)，節(jié)省了人力資源［1］。柔性直流輸電與可再生能源發(fā)電及智能電網(wǎng)相結(jié)合，具有極好的發(fā)展前景。

與傳統(tǒng)直流輸電相比，柔性直流輸電的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在孤立負(fù)荷送電、有功功率與無(wú)功功率控制等方面。除此之外，柔性直流輸電技術(shù)可以獨(dú)立地控制有功功率和無(wú)功功率，負(fù)荷變化等引起的瞬時(shí)過(guò)電壓可以通過(guò)無(wú)功功率反應(yīng)消除，有靜止無(wú)功補(bǔ)償器的作用，所以可以穩(wěn)定交流側(cè)的母線電壓［2］。當(dāng)發(fā)生故障的時(shí)候，柔性直流輸電系統(tǒng)可以起到有功補(bǔ)償和無(wú)功補(bǔ)償?shù)淖饔?，因此具有很好的故障后快速恢?fù)能力。而傳統(tǒng)的直流輸電只能控制觸發(fā)角，無(wú)法控制有功和無(wú)功。當(dāng)潮流反轉(zhuǎn)時(shí)，直流電流方向反轉(zhuǎn)但是電壓的方向不變［3］。

相比于傳統(tǒng)的直流輸電，柔性直流輸電系統(tǒng)能夠方便控制并聯(lián)多段直流系統(tǒng)［4］。國(guó)內(nèi)對(duì)其相關(guān)研究比國(guó)外晚，目前主要研究方向有：電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、控制方法、諧波分析等方面。

本文采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)組成的雙閉環(huán)矢量控制方式，調(diào)制方式使用SVPWM。設(shè)計(jì)主電路和控制方式，利用Matlab下的Simulink對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了模擬仿真，仿真各相位故障時(shí)，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)和反應(yīng)情況。

1 柔性直流輸電變流器原理

1.1 兩電平柔性直流輸電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

電壓源型換流器VSC正常工作時(shí)，其能量可以在電網(wǎng)和整流橋間流動(dòng)，開(kāi)關(guān)器件具有高頻開(kāi)斷的特性，通過(guò)PWM控制方式對(duì)開(kāi)關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，從而改變交流輸出電壓的相位和幅值，并且實(shí)現(xiàn)有功、無(wú)功的獨(dú)立調(diào)節(jié)。

本文中，研究對(duì)象為三相兩電平換流器。兩電平換流器是用于輕型直流輸電系統(tǒng)中最簡(jiǎn)單的換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1所示。每個(gè)換流器有6個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂由1個(gè)IGBT和與之反并聯(lián)的二極管組成［5］。二極管起到保護(hù)和續(xù)流的作用。在高壓大功率的情況下，每個(gè)橋臂可以由多個(gè)IGBT及其反并聯(lián)二極管互相串聯(lián)，串聯(lián)的個(gè)數(shù)和換流器的電壓等級(jí)、額定功率、開(kāi)關(guān)器件的耐壓強(qiáng)度和通電能力等多個(gè)參數(shù)均有聯(lián)系［6］。

圖1 兩電平換流器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The two level converter structure diagram

1.2 柔性直流輸電系統(tǒng)變流器的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型

實(shí)際系統(tǒng)中，如果不考慮損耗電阻對(duì)功率的影響，可推得：

由式（1）、式（2）可知，通過(guò)控制換流橋輸出電壓的幅值和相位，能夠改變系統(tǒng)的有功功率和無(wú)功功率。

同時(shí)，δ主要影響有功功率，的變化主要影響無(wú)功功率。這就是柔性直流輸電電流控制的核心原理，通過(guò)控制電壓的幅值和相角，就能改變I*的幅值和它相對(duì)U*s的相位值以及改變換流電抗器的電壓降，從而實(shí)現(xiàn)控制有功功率和無(wú)功功率的目的。

1.3 SVPWM空間矢量調(diào)制

本文采用SVPWM空間矢量調(diào)制方式［7-8］。由于SVPWM可以分為連續(xù)和非連續(xù)2種不同的開(kāi)關(guān)系列，SVPWM可以通過(guò)選擇最優(yōu)的開(kāi)關(guān)序列以減少功率器件開(kāi)關(guān)次數(shù)，因此可以降低開(kāi)關(guān)損耗。開(kāi)關(guān)的大部分損耗來(lái)自于其開(kāi)關(guān)次數(shù)，所以SVPWM是優(yōu)于SPWM的，故選此調(diào)制方式。

2 VSC的雙閉環(huán)控制

2.1 數(shù)學(xué)模型以及雙閉環(huán)控制原理

以VSC1為例，在不考慮濾波電容時(shí)，d-q同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，其數(shù)學(xué)模型可以用下式的動(dòng)態(tài)微分方程組描述：

式中：usd，usq分別為電網(wǎng)電壓的d，q軸分量；isd，isq分別為電網(wǎng)電流的d，q軸分量；ud，uq分別為電壓源變流器交流側(cè)基波電壓的d，q軸分量；R，L分別為相電抗器的等效電阻和等效電感。

耦合項(xiàng)為ωLisd，ωLisq，說(shuō)明d，q軸的電流大小受到耦合量和電網(wǎng)電壓的影響。然而，僅僅對(duì)d，q軸的電流進(jìn)行負(fù)反饋控制并不能消除d軸和q軸的耦合量。因此，對(duì)isd，isq進(jìn)行解耦控制是內(nèi)環(huán)控制的一個(gè)核心。為了消除它們之間的耦合以及電網(wǎng)電壓擾動(dòng)，可以在式（3）中引入電網(wǎng)側(cè)的d，q軸電流，構(gòu)建抵消耦合的控制分量合成量，消除電網(wǎng)電壓。引入中間量Ud和Uq：

式中：isdref，isqref分別為電網(wǎng)側(cè)有功電流和無(wú)功電流的參考值。

由式（3）、式（4）可以得到：

引入電流狀態(tài)反饋量與理論值比較再進(jìn)行PI調(diào)節(jié)來(lái)獨(dú)立控制d，q軸電流，使電流控制更為簡(jiǎn)單。

2.2 雙閉環(huán)控制的原理圖［9］

2.2.1 雙閉環(huán)調(diào)節(jié)內(nèi)環(huán)控制

根據(jù)以上所得的數(shù)學(xué)模型，內(nèi)環(huán)控制的原理圖如圖2所示。內(nèi)環(huán)控制用于實(shí)現(xiàn)VSC輸出調(diào)制電壓的控制，通過(guò)對(duì)調(diào)制電壓基波分量的準(zhǔn)確控制，使VSC交流側(cè)實(shí)際輸出電流的isd,isq分量快速跟蹤外環(huán)控制輸出的電流參考值。

圖2 VSC內(nèi)環(huán)控制原理圖Fig.2 The VSC inner loop control schematic

2.2.2 雙閉環(huán)控制外環(huán)控制

外環(huán)控制主要控制電壓、有功功率和無(wú)功功率。按照給定參考電壓動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)2個(gè)構(gòu)成VSC并聯(lián)母線的電壓，并按照給定功率動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)變流器輸入輸出功率有功、無(wú)功的調(diào)節(jié)。VSC1側(cè)外環(huán)控制的原理圖如圖3所示。VSC1可以實(shí)現(xiàn)有功調(diào)節(jié)和無(wú)功調(diào)節(jié)。

圖3 VSC1外環(huán)控制原理圖Fig.3 The VSC1outer loop control schematic

VSC2的外環(huán)控制原理圖如圖4所示，VSC2可以實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率和電壓的控制。

圖4 VSC2外環(huán)控制原理圖Fig.4 The VSC2outer loop control schematic

在忽略功率損耗的情況下，要保證直流電壓恒定，需要使變流器流入和流出的有功功率平衡。即控制電流d軸分量isd恒定，isd的參考值為

2.2.3 雙閉環(huán)控制內(nèi)外環(huán)控制

綜上可以總結(jié)出如圖5所示的控制原理圖。圖5中，Pref為有功功率的參考值，Qref為無(wú)功功率的參考值。鎖相同步環(huán)節(jié)用來(lái)提供用于觸發(fā)脈沖的生成和電壓矢量控制的基準(zhǔn)相位。外環(huán)電壓控制器可以通過(guò)與給定值的比較，再進(jìn)行PI調(diào)節(jié)后進(jìn)入內(nèi)環(huán)電路，實(shí)現(xiàn)定直流電壓、定有功功率和無(wú)功功率等控制目標(biāo)。外環(huán)控制器的輸出作為內(nèi)環(huán)電路的輸入，并控制內(nèi)環(huán)控制器交流側(cè)的電流幅值和相位，從而快速跟蹤參考電流。

圖5 VSC1內(nèi)外環(huán)控制原理圖Fig.5 The VSC1internal and external loop control schematic

3 仿真結(jié)果及分析

在Matlab中，利用Simulink工具對(duì)柔性直流輸電建立仿真模型，如圖6所示。圖6中顯示了2個(gè)10 kV交流網(wǎng)絡(luò)互連的背靠背柔性直流輸電變流器。

三相電壓型柔性直流輸電裝置的有功容量為P=5 MW，交流側(cè)輸入線電壓有效值為U=10 kV，則交流側(cè)線電流參考值為289 A，經(jīng)過(guò)變壓器之后的二次側(cè)電壓的有效值為Us=15 kV。Udc設(shè)為37 kV，電感電抗器取2 mH，直流側(cè)的濾波電容值取1 800 μF。在此模型基礎(chǔ)上進(jìn)行不同工況下的穩(wěn)態(tài)及暫態(tài)故障的仿真。

3.1 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行下VSC-HVDC仿真結(jié)果

當(dāng)功率正向流動(dòng)時(shí)，VSC1直流側(cè)電壓的仿真波形如圖7a所示。圖7中電壓采用標(biāo)幺值，由仿真波形可知，VSC1直流側(cè)電壓在0.06 s之后才穩(wěn)定下來(lái)。這是由于穩(wěn)壓電容的存在，使得電壓穩(wěn)定得較慢。圖7b中，有功達(dá)到了5 MW，無(wú)功為0。除此之外，VSC1交流側(cè)仿真輸出的a相電壓和電流的波形如圖7c所示，在0.06 s之后的電壓電流同相位，功率因數(shù)大約為1，說(shuō)明該背靠背式的柔性直流輸電變流器所采用的控制策略是有效的。

圖6 10 kV背靠背柔性直流輸電變流系統(tǒng)仿真模型Fig.6 10 kV back-to-back HVDC system simulation model

圖7 穩(wěn)定運(yùn)行情況下的仿真結(jié)果Fig.7 Simulation results under stable operation conditions

3.2 兩相接地故障時(shí)VSC-HVDC仿真結(jié)果

本次仿真模擬VSC2交流側(cè)在0.15 s時(shí)發(fā)生兩相接地故障，0.2 s故障消失。逆變器的直流側(cè)電壓波形如圖8a所示；交流側(cè)電壓如圖8b所示。

圖8A，B兩相接地故障時(shí)的仿真結(jié)果Fig.8 Simulation results ofA，Btwo phase to ground fault

仿真結(jié)果表明，故障時(shí)逆變器的交流側(cè)電壓以及直流側(cè)電壓的值均發(fā)生了改變。當(dāng)故障消失之后，經(jīng)過(guò)約0.03 s的調(diào)整，直流側(cè)電壓和交流側(cè)電壓均恢復(fù)正常。結(jié)果表明，該控制策略具有良好的自我抵抗干擾和故障后快速恢復(fù)的能力。

3.3 無(wú)功功率跳變時(shí)VSC-HVDC仿真結(jié)果

令無(wú)功功率在0.15 s發(fā)生突變，如圖9所示。

圖9 無(wú)功功率跳變時(shí)的仿真結(jié)果Fig.9 Simulation results of reactive power jump

根據(jù)無(wú)功功率的波形圖可知，正常情況下，無(wú)功功率為0，保證了系統(tǒng)功率因數(shù)為1。無(wú)功功率發(fā)生突變后，有功功率基本不發(fā)生波動(dòng)。

3.4 潮流反轉(zhuǎn)時(shí)VSC-HVDC仿真結(jié)果

仿真時(shí)，在0.1 s發(fā)生潮流反轉(zhuǎn)，有功和無(wú)功的變化曲線圖如圖10所示。

圖10 潮流反轉(zhuǎn)時(shí)的仿真結(jié)果Fig.10 Simulation results of power flow reversal

可以看出，反轉(zhuǎn)前Q=1.2（標(biāo)幺值），P在0.1 s之后功率由正值跳變到負(fù)值，而無(wú)功功率的大小在經(jīng)過(guò)0.1 s之后，調(diào)整趨于穩(wěn)定，所以該控制策略的柔性直流輸電可以實(shí)現(xiàn)潮流反轉(zhuǎn)的功能。

3.5 VSC-HVDC向無(wú)源負(fù)荷供電的仿真結(jié)果

柔性直流系統(tǒng)末端接50 Hz的無(wú)源負(fù)荷供電時(shí)，通過(guò)電壓源換流器VSC1用來(lái)對(duì)三相交流電壓進(jìn)行整流，外環(huán)用定無(wú)功功率控制和定直流電壓控制，VSC2用來(lái)對(duì)直流電壓進(jìn)行逆變，外環(huán)采用定頻率和定交流電壓控制，仿真總體電路圖如圖11所示。

圖11 VSC-HVDC接無(wú)源負(fù)荷時(shí)的仿真模型Fig.11 Simulation model of VSC-HVDC with passive load

圖12為接無(wú)源負(fù)荷時(shí)VSC1直流側(cè)電壓波形。

圖12 接無(wú)源負(fù)荷時(shí)VSC1直流側(cè)電壓波形Fig.12 Voltage waveform of VSC1DC side when the passive load is connected

由圖12可知，接無(wú)源負(fù)載的時(shí)候，直流側(cè)的電壓可以在短時(shí)間內(nèi)調(diào)節(jié)到額定值，可見(jiàn)不需要接電壓源也可以運(yùn)行，能夠滿足運(yùn)行要求。

4 結(jié)論

本文利用Matlab的Simulink對(duì)柔性直流輸電系統(tǒng)及其控制器進(jìn)行了建模，并在此模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)和一系列暫態(tài)故障的仿真。仿真結(jié)果證明：變流器在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的時(shí)候，直流側(cè)和交流側(cè)的電壓比較穩(wěn)定，諧波含量少，且交流側(cè)的電壓功率因數(shù)高。所以該方案控制良好，兩端的交流電壓和電流的波形能夠達(dá)到理想值，且響應(yīng)速度很快。同時(shí)，該系統(tǒng)也具有良好的抗干擾性。所提出的控制策略具有較快的響應(yīng)速度并對(duì)交流側(cè)故障有一定的抵抗能力。并且由于系統(tǒng)采用d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的直接電流控制，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率、有功功率的解耦控制，進(jìn)一步能夠?qū)崿F(xiàn)換流站間功率的獨(dú)立控制。這個(gè)系統(tǒng)提高了直流輸電的電能質(zhì)量和傳輸效率，也提高了交流系統(tǒng)的穩(wěn)定性。動(dòng)態(tài)運(yùn)行時(shí)，具有很快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和較強(qiáng)的承受負(fù)載變化的能力，體現(xiàn)了快速、連續(xù)、穩(wěn)定的柔性特點(diǎn)。所以該模型可靠有效，符合工程實(shí)際情況。

［1］黎獻(xiàn)騰.淺談?shì)p型直流輸電技術(shù)應(yīng)用［J］.科技、經(jīng)濟(jì)、市場(chǎng)，2008（8）：7-8.

［2］孫會(huì)潔.VSC-HVDC系統(tǒng)有功無(wú)功獨(dú)立調(diào)節(jié)的控制策略與仿真研究［D］.南寧：廣西大學(xué)，2008.

［3］陳海榮，張靜，潘武略.電壓源換流器型直流輸電系統(tǒng)的啟動(dòng)控制［J］.高電壓技術(shù)，2009，35（5）：1164-1169.

［4］Roseen C A．HVDC Light：A New Converter for DC Transmis?sion［J］.Modern Power Systems，1998，18（5）：85-89.

［5］Jacobson B，Jiang-hafner Y，Rey P，et al.HVDC with Voltage Source Converters and Extruded Cables for Up to±300 kV and 1 000 MW［J］.European Journal of Neuroscience，2006, 34（4）：538-547.

［6］Lu Weixing，Boon Teck Ooi.Multiterminal LVDC System for Optimal Acquisition of Power in Wind-farm Using Induction Generators［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2002，17（4）：558-563.

［7］李少華.電壓空間矢量變頻調(diào)速技術(shù)的研究及實(shí)現(xiàn)［D］.無(wú)錫：江南大學(xué)，2008.

［8］嚴(yán)玲玲，胡翰文，徐璞.三相電壓型逆變器的空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)［J］.低壓電器，2012（12）：21-25.

［9］熊連松，劉小康，卓放，等.光伏發(fā)電系統(tǒng)的小信號(hào)建模及其控制器參數(shù)的全局優(yōu)化設(shè)計(jì)方法［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2014，38（5）：1234-1241.

Simulation Study of VSC-HVDC Converter Based on Double Closed-loop Control

LI Shanshan1，LI Lilan1，ZHU Yunxia2
（1.Department of Electronic Engineering，Zhengzhou Railway Vocational and Technical College，Zhengzhou450000，Henan，China；2.XuJi Croup Corporation，Xuchang461000，Henan，China）

TM46

A

10.19457/j.1001-2095.20170904

李珊珊（1983-），女，碩士，講師，Email：31699746@qq.com

2016-10-28

修改稿日期：2017-05-05