閆偉，楊家凱，王榮富，韓廣宇，卯明旺

（云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司楚雄供電局，云南 楚雄 675000）

0 前言

目前，能源危機(jī)日益加劇，環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重，為了解決這些問題國(guó)家將大力發(fā)展可再生能源以優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)。然而，由于太陽(yáng)能和風(fēng)能等可再生清潔能源具有分散化、小型化、遠(yuǎn)離負(fù)荷中心的特點(diǎn)，勢(shì)必要求通過遠(yuǎn)距離、大容量的輸電方式將這些清潔能源發(fā)出的電能傳輸，直流輸電技術(shù)顯然是一個(gè)好的選擇。

多年以來，在傳統(tǒng)的高壓直流輸電系統(tǒng)中采用的是晶閘管作為換流站的開關(guān)器件。但由于晶閘管是一種半控型電力電子器件，只具有控制導(dǎo)通能力，而沒有自關(guān)斷能力，且開關(guān)頻率較低，運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的低次諧波較多，這也就導(dǎo)致了傳統(tǒng)的直流輸電技術(shù)存在一些缺點(diǎn)。

基于以上原因，研究和發(fā)展基于VSC和PWM脈寬調(diào)制技術(shù)的新型輸電方式——柔性直流輸電，是中國(guó)電力工業(yè)發(fā)展的必然選擇。換句話說，發(fā)展VSC-HVDC技術(shù)將解決城市供電和孤島供電中存在的問題，促進(jìn)大規(guī)模的以風(fēng)能、太陽(yáng)能為代表的清潔能源的并網(wǎng)，滿足持續(xù)快速增長(zhǎng)的能源需求，有利于智能大電網(wǎng)的構(gòu)建。

所以研究基于VSC的柔性直流輸電技術(shù)，建立其數(shù)學(xué)模型，并以此建立可靠的仿真模型，對(duì)研究柔性直流輸電的控制和保護(hù)具有理論和實(shí)際的現(xiàn)實(shí)意義。

1 柔性直流輸電系統(tǒng)原理

典型的雙端柔性直流輸電（VSC-HVDC）系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)兩端分別為整流站和逆變站。與常規(guī)換流站類似，柔性直流換流站主要由電壓源換流器、換流電抗器、換流變壓器、直流電容器和交流濾波器組成。整流站與逆變站中間通過直流輸電線路連接。

圖1 柔性直流輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

隨著換流器工作狀態(tài)的調(diào)整，系統(tǒng)的功率可以雙向流動(dòng)，即換流器既可以工作在整流狀態(tài)將從交流系統(tǒng)接收的交流電轉(zhuǎn)化成直流送出，也可以工作在逆變狀態(tài)將直流系統(tǒng)輸送過來的直流電通過轉(zhuǎn)化輸送至交流系統(tǒng)中。圖2所示為單端電壓源型換流器的原理圖。

圖2 單端電壓源換流器原理圖

圖2中，L為換流器的等效電感，R為換流器的等效電阻，US為交流母線基波電壓向量，UC為換流器輸出基波電壓向量，δ為UC滯后US的角度，PS、QS為交流系統(tǒng)向公共連接點(diǎn)處注入的有功功率和無功功率，PC、QC為換流器輸出的有功功率和無功功率。

忽略換流器與變壓器損耗及諧波分量時(shí)，交流系統(tǒng)向換流器發(fā)出的有功功率和無功功率分別為：

式中；

μ——直流電壓利用率；

X——換流器電抗；

Udc——直流電壓額定值；

M——調(diào)制比；

δ——交流系統(tǒng)電壓US與換流器輸出電壓UC的相位差；

從以上公式可以看出：對(duì)電壓源換流器進(jìn)行調(diào)制時(shí)，只要調(diào)節(jié)相角δ和調(diào)制比M即可實(shí)現(xiàn)對(duì)有功功率PS和無功功率QS的控制。

2 MATLAB/SIMULINK建模

基于上述的理論分析通過MATLAB/SIMULINK軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模。柔性直流輸電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示，系統(tǒng)兩端換流站基于電壓源（VSC）構(gòu)建，換流站主要由電壓源換流器、換流電抗器、換流變壓器、直流電容器和交流濾波器組成。（注：為方便后續(xù)實(shí)驗(yàn)，特添加了三相故障模塊）系統(tǒng)兩端換流站通過直流輸電線路連接，一端工作于整流（交流）狀態(tài)，另一端工作于逆變狀態(tài)，共同實(shí)現(xiàn)兩端交流系統(tǒng)間功率傳輸。

系統(tǒng)主要參數(shù)如下：兩端交流系統(tǒng)的電壓為220 kV，容量為200 MW,頻率為50 Hz,直流輸電線路的電壓為±100 kV，兩者之間通過120 km長(zhǎng)的線路互聯(lián)。

圖3 基于SIMLINK的VSC-HVDC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在本模型中交流系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，如圖4所示模型兩端交流系統(tǒng)是完全對(duì)稱的。主要由一個(gè)容量200 MW,電壓220 kV的三相電壓源、一個(gè)電感元件和一個(gè)R-L并聯(lián)電路組成，其中后兩者用來模擬實(shí)際運(yùn)行過程中交流系統(tǒng)的電感和阻抗。兩端交流系統(tǒng)的電壓均為220 kV,頻率均為50 Hz,容量均為200 MW。

圖4 交流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

由于整流站與逆變站為左右對(duì)稱系統(tǒng)，以一側(cè)為例，電壓源換流站的模型結(jié)構(gòu)如圖5所示。換流站主要由換流變壓器、換流電抗器、VSC換流電路和濾波器組成。

圖5 VSC-HVDC換流站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

其工作原理是：電能由交流系統(tǒng)1傳輸?shù)綋Q流站，在換流站內(nèi)先由換流變壓器將等級(jí)從220 kV降至100 kV；經(jīng)測(cè)量元件B1測(cè)量電壓、電流相關(guān)參數(shù)后，又經(jīng)過交流濾波器和換流電抗器進(jìn)行濾波；濾波完成后電能傳至整流電路（由IGBT組成），整流閥內(nèi)開關(guān)器件的開斷由控制系統(tǒng)發(fā)出的信號(hào)Pluses1進(jìn)行控制，經(jīng)整流閥整流后，100 kV的三相交流電被初步轉(zhuǎn)換成±100 kV的直流電；換流閥輸出的直流電經(jīng)直流濾波器、平波電抗器的濾波后變?yōu)槠交闹绷麟娸敵鲋林绷鬏旊娋€路；電能經(jīng)直流電路傳到逆變站，在逆變換流站內(nèi)經(jīng)過與整流站完全相反的程序，±100 kV直流電被轉(zhuǎn)換成220 kV三相交流電輸出至交流系統(tǒng)2。在這個(gè)過程中測(cè)量與控制系統(tǒng)全面參與，進(jìn)行了數(shù)據(jù)的采集和有功無功的控制。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

3.1 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)

系統(tǒng)在大部分情況下均處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，因此弄清楚VSC-HVDC系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時(shí)的運(yùn)行方式，控制方式，各個(gè)變量的參數(shù)變化等情況對(duì)于研究VSC-HVDC系統(tǒng)尤為重要。基于上述原因，在MATLAB/SIMULINK仿真平臺(tái)下搭建雙端有源型柔性直流輸電系統(tǒng)，并進(jìn)行穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下的實(shí)驗(yàn)。VSC-HVDC仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，真實(shí)模擬系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)可能遇到的各種狀況在仿真系統(tǒng)處穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，整流換流器及逆變換流器的各個(gè)物理量波形如圖6～15所示，以下將對(duì)各個(gè)波形進(jìn)行分析：

圖6（a） 整流換流器直流側(cè)直流電壓波形

圖（b） 6整流換流器直流側(cè)有功功率波形

圖6（a）、（b）波形分析：在系統(tǒng)運(yùn)行開始后，整流換流器直流側(cè)的電壓Udc迅速升高至1.25（標(biāo)幺值）附近；在0.1 s逆變控制系統(tǒng)投入使用后，直流側(cè)電壓有一個(gè)短暫的降低然后電壓維持在1（標(biāo)幺值）附近波動(dòng)；在0.3 s整流控制系統(tǒng)投入使用后，直流側(cè)電壓逐漸趨于穩(wěn)定，保持在1×105V附近，此時(shí)整流換流器的有功功率Pdc也逐漸提高，最終在1.1 s后穩(wěn)定于0.95（標(biāo)幺值），這表明整流換流站正在從交流系統(tǒng)1吸收有功功率，整個(gè)系統(tǒng)也在1.1 s后進(jìn)入穩(wěn)態(tài)；在1.5 s時(shí)由于有功功率參考值減小0.1 p.u.，持續(xù)時(shí)間為0.14 s，直流側(cè)電壓、功率均發(fā)生一定程度的波動(dòng)，經(jīng)過大約0.3 s后重新進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，此時(shí)整流器直流側(cè)輸出的有功功率降為0.85左右；在2.0 s時(shí)由于無功參考功率減小0.1 p.u，直流電壓Udc略微降低但有功功率Pdc經(jīng)過短暫的波動(dòng)后幾乎沒有變化，由此驗(yàn)證了VSC-HVDC系統(tǒng)可以獨(dú)立地控制有功和無功功率。在2.5 s直流電壓的參考值下降后直流電壓的實(shí)際值也下降，說明換流器電壓控制部分效果較好。

圖7（a）、圖7（b）波形分析：在系統(tǒng)運(yùn)行開始后，逆變換流器直流側(cè)的電壓Udc迅速升高至1.25（標(biāo)幺值）附近；在0.1 s逆變控制系統(tǒng)投入使用后，直流側(cè)電壓有一個(gè)短暫的降低然后電壓維持在1（標(biāo)幺值）附近波動(dòng)；在0.3 s整流控制系統(tǒng)投入使用后，直流側(cè)電壓逐漸趨于穩(wěn)定，保持在1×105V附近，此時(shí)逆變換流器的有功功率Pdc也逐漸下降，最終在1.1 s后穩(wěn)定于-0.95（標(biāo)幺值），這表明逆變換流站在向交流系統(tǒng)2發(fā)出有功功率，整個(gè)系統(tǒng)也在1.1 s后進(jìn)入穩(wěn)態(tài)；在1.5 s時(shí)由于有功功率參考值減小0.1 p.u.，持續(xù)時(shí)間為0.14 s，逆變器直流側(cè)電壓、功率均發(fā)生一定程度的波動(dòng)，經(jīng)過大約0.3 s后重新進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，此時(shí)逆變器直流側(cè)輸出的有功功率降為-0.85左右；在2.0 s時(shí)由于無功參考功率減小0.1 p.u，直流電壓Udc略微降低但有功功率Pdc經(jīng)過短暫的波動(dòng)后幾乎沒有變化，由此驗(yàn)證了VSC-HVDC系統(tǒng)可以獨(dú)立地控制有功和無功功率。

圖7（a） 逆變換流器直流側(cè)直流電壓波形

圖7（b） 逆變換流器直流側(cè)有功功率波形

圖8 整流換流器交流三相電壓和電流波形（標(biāo)幺值）

圖9 逆變換流器交流三相電壓和電流波形（標(biāo)幺值）

圖8波形分析：該圖是整流換流器交流三相電壓和電流波形圖，一開始由交流系統(tǒng)1提供的交流電壓很快進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，而交流電流經(jīng)過1.1 s左右才進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。這是因?yàn)殡娔軓慕涣飨到y(tǒng)1經(jīng)過兩個(gè)變壓站、換流站到交流系統(tǒng)2，建立穩(wěn)定的功率傳輸需要一定的時(shí)間，這一點(diǎn)在圖7的有功功率波形圖中也得到體現(xiàn)。在1.5 s時(shí)由于有功功率參考值減小0.1 p.u.，持續(xù)0.14 s，交流電壓、功率均發(fā)生一定程度的波動(dòng)，在波動(dòng)結(jié)束后重新進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，此時(shí)交流電流的大小較原來有一定程度的降低，在2.5 s時(shí)直流參考電壓減小0.05 p.u，但交流電壓、電流的大小幾乎沒有變化，這是因?yàn)樵诒菊撐牡腣SC-HVDC系統(tǒng)中送電端系統(tǒng)采用定直流電壓控制，受電端系統(tǒng)采用定無功功率控制。

圖9波形分析：該圖是逆變換流器交流三相電壓和電流波形圖，與圖8對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，整流側(cè)和逆變側(cè)的交流電壓、電流均比較平穩(wěn)，但逆變側(cè)的交流電流大小略小于整流側(cè)，這是因?yàn)殡娔茉趥鬏斶^程中存在能量損耗，由于電壓相對(duì)固定那么功率的損耗就體現(xiàn)在了電流的減小上。

圖10（a） 整流換流器交流側(cè)電壓測(cè)量值波形

圖10(b) 逆變換流器交流側(cè)電壓測(cè)量值波形

圖11（a） 整流換流器有功測(cè)量值參考值、無功測(cè)量值參考值波形

圖11(b) 逆變換流器有功測(cè)量值參考值、無功測(cè)量值參考值波形

圖10（a）、10(b)波形分析：圖10（a）、10(b)分別是整流換流器交流電壓和逆變換流器交流電壓測(cè)量值（標(biāo)幺）與時(shí)間的關(guān)系圖像。對(duì)比兩個(gè)圖像不難發(fā)現(xiàn)逆變換流器的交流電壓要比整流換流器平穩(wěn)得多，這是因?yàn)橛泄β屎蜔o功功率參考值的改變都直接從整流側(cè)的交流系統(tǒng)發(fā)起，由于電壓控制系統(tǒng)的調(diào)控，對(duì)逆變側(cè)輸出的交流電壓并沒有產(chǎn)生大的干擾。換句話來說VSC-HVDC系統(tǒng)在某種程度上可以起到故障隔離的作用，當(dāng)一端交流系統(tǒng)發(fā)生小的擾動(dòng)（在調(diào)節(jié)范圍內(nèi)的擾動(dòng)）并不會(huì)影響另一端交流系統(tǒng)的正常運(yùn)行，供電質(zhì)量也不會(huì)受到影響。

圖11（a）、11(b)波形分析：圖11（a）、圖11(b)分別是整流器和逆變器的有功測(cè)量值參考值、無功測(cè)量值參考值波形。從圖中可看出，當(dāng)有功功率、無功功率的參考值發(fā)生變化后，系統(tǒng)可以迅速的調(diào)節(jié)，重新進(jìn)入穩(wěn)態(tài)大約需要0.3 s時(shí)間。通過兩個(gè)圖形的對(duì)比不難發(fā)現(xiàn)，整流換流器與逆變換流器的有功功率大小、走勢(shì)幾乎一致但方向相反，這是因?yàn)檎髡緩慕涣飨到y(tǒng)吸收功率，故有功功率為正，而逆變站向交流系統(tǒng)發(fā)出功率，故有功功率為負(fù)。在t=1.5 s處，整流器交流側(cè)有功功率減少0.1 p.u，而整流站和逆變站的無功波動(dòng)不大；同理，在t=2 s處，整流器交流側(cè)無功功率減小0.1 p.u.，而兩換流站的有功功率幾乎沒有發(fā)生變化，由此驗(yàn)證了VSC-HVDC系統(tǒng)可以獨(dú)立的控制有功和無功功率。

實(shí)驗(yàn)總結(jié)：本實(shí)驗(yàn)通過對(duì)VSC-HVDC輸電系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行和各種參量變化的仿真驗(yàn)證了本次建模的合理性和有效性。仿真過程中VSCHVDC系統(tǒng)可以獨(dú)立控制有功、無功功率的特性也得到了體現(xiàn)。

3.2 交流側(cè)短路故障運(yùn)行試驗(yàn)

電力系統(tǒng)在運(yùn)行過程中由于外力破壞、絕緣老化、雷擊、誤操作、設(shè)計(jì)制造缺陷等原因往往會(huì)發(fā)生如短路、斷線等故障。在系統(tǒng)短路時(shí)可能產(chǎn)生設(shè)備損壞、系統(tǒng)振蕩甚至系統(tǒng)崩潰等嚴(yán)重后果。隨著柔性直流輸電技術(shù)的應(yīng)用愈加廣泛，研究VSC-HVDC系統(tǒng)在交流側(cè)發(fā)生短路狀況時(shí)的一系列反應(yīng)對(duì)于降低供電事故的發(fā)生幾率具有重要意義。

基于上述原因，現(xiàn)在在MATLAB/SIMULNK平臺(tái)上搭建VSC-HVDC系統(tǒng)交流側(cè)短路故障的模型如圖12所示。與3.1中的模型不同的是，本模型在交流側(cè)加入了三相故障模塊，在三相故障模塊中可以設(shè)置各種短路類型。如圖17所示。

圖12 VSC-HVDC系統(tǒng)交流側(cè)短路模型結(jié)構(gòu)圖

單相接地短路是電力系統(tǒng)運(yùn)行過程當(dāng)中出現(xiàn)頻率最高的短路故障。本實(shí)驗(yàn)在3.1的控制參數(shù)基礎(chǔ)上對(duì)交流側(cè)單相接地短路（以A相為例）進(jìn)行模擬，故障接入時(shí)間：t=1.9 s,故障持續(xù)時(shí)間0.14，各相關(guān)物理量波形如圖13。

圖13（a） 單相接地短路時(shí)整流站交流側(cè)電壓、電流波形

圖13（b） 單相接地短路時(shí)逆變站交流側(cè)電壓、電流波形

圖14（a） 單相接地短路時(shí)整流站直流側(cè)電壓

圖14（b） 單相接地短路時(shí)逆變站直流側(cè)電壓

波形分析：在t=1.9 s時(shí)，受端交流系統(tǒng)發(fā)生單相接地短路，逆變站的交流側(cè)A電壓瞬間降為0，A相電流也產(chǎn)生極大波動(dòng)；而整流站的交流側(cè)電壓幾乎沒有發(fā)生變化，這是因?yàn)橄到y(tǒng)的整流端采用定直流電壓控制，整流端直流電壓不變，交流電壓自然不發(fā)生變化。這也驗(yàn)證了VSC-HVDC系統(tǒng)在某種程度上可以起到故障隔離的作用，當(dāng)一端交流系統(tǒng)發(fā)生小的擾動(dòng)（在調(diào)節(jié)范圍內(nèi)的擾動(dòng)）并不會(huì)影響另一端交流系統(tǒng)的正常運(yùn)行，供電質(zhì)量也不會(huì)受到影響。

波形分析：在t=1.9 s時(shí)，逆變換流站的交流側(cè)發(fā)生A相接地短路，短路點(diǎn)產(chǎn)生很大的短路電流，導(dǎo)致整流站和逆變站直流側(cè)的電壓上升，由于控制環(huán)節(jié)的控制，直流電壓被限制在可接受的范圍內(nèi)，短路解除后回歸正常。

圖15（a） 單相接地短路時(shí)整流站直流側(cè)有功功率波形

圖15（b） 單相接地短路時(shí)逆變站直流側(cè)有功功率波形

圖16（a） 單相接地短路時(shí)整流站交流側(cè)電壓（標(biāo)幺值）

圖16（b） 逆變站交流側(cè)電壓（標(biāo)幺值）

波形分析：在t=1.9 s時(shí)，逆變換流站的交流側(cè)發(fā)生A相接地短路，整流站和逆變站直流側(cè)的有功功率急劇下降，這是因?yàn)槭茈姸说慕涣飨到y(tǒng)有一項(xiàng)發(fā)生短路，系統(tǒng)的功率輸送能力降低，在故障解除后有功功率恢復(fù)正常。整流、逆變兩側(cè)有功功率波形相反是因?yàn)檎髡緩慕涣飨到y(tǒng)1吸收有功功率，而逆變站向交流系統(tǒng)2輸送有功功率。

波形分析：在t=1.9 s時(shí)，逆變換流站的交流側(cè)發(fā)生A相接地短路，短路點(diǎn)產(chǎn)生很大的短路電流，導(dǎo)致整流站交流側(cè)的電壓波動(dòng)，短路解除后逐漸回歸正常，之所以不產(chǎn)生大的波動(dòng)是因?yàn)檎鱾?cè)采用定直流電壓控制，直流電壓不變，故通過連接變壓器相連的交流系統(tǒng)電壓不會(huì)產(chǎn)生大的變化。由于短路發(fā)生在逆變站的交流側(cè)，因此逆變站的交流電壓急劇下降，在短路解除后逐漸回歸正常。

圖17(a) 整流站交流側(cè)有功無功參考值、測(cè)量值

圖17(b) 逆變站交流側(cè)有功無功參考值、測(cè)量值

波形分析：在t=1.9 s時(shí)，逆變換流站的交流側(cè)發(fā)生A相接地短路，短路點(diǎn)產(chǎn)生很大的短路電流和一個(gè)短路壓降，導(dǎo)致有功功率下降，控制系統(tǒng)為了使直流電壓不發(fā)生大的變化，增加整流側(cè)的無功功率輸出以維持電壓穩(wěn)定。在t=2.0 s時(shí)整流站無功參考值降低0.1 p.u.，無功功率也相應(yīng)下降，所以無功波形如圖17(a)所示。同理，在短路發(fā)生時(shí)，控制系統(tǒng)控制逆變站向周圍系統(tǒng)吸收無功功率以維持電壓穩(wěn)定，因此逆變站的無功功率測(cè)量值表現(xiàn)為急劇下降，短路解除后回歸正常。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在VSC-HVDC、逆變側(cè)(受端)三相短路故障和單相短路故障情況下,系統(tǒng)響應(yīng)速度較快,沒有出現(xiàn)沖擊越限,在故障切除后系統(tǒng)均能快速恢復(fù)穩(wěn)定，說明了柔性直流輸電系統(tǒng)良好的穩(wěn)定性。