向孤立无源负荷供电的VSC-HVDC系统控制策略

黄世敢，朱晓青，彭赛庄，秦斌

(湖南工业大学 电气与信息工程学院，湖南 株洲 412007)

向孤立无源负荷供电的VSC-HVDC系统控制策略

黄世敢，朱晓青，彭赛庄，秦斌

(湖南工业大学 电气与信息工程学院，湖南 株洲 412007)

本文介绍了柔性直流输电系统的系统结构及工作原理，采用柔性直流输电系统的双闭环解耦控制策略，在MATLAB中创建了风电场基于VSC轻型直流输电系统向一个孤立的无源负荷供电的仿真模型。仿真结果表明，系统直流电压值稳定在给定值20KV。系统输入，输出电压实现了协调配合，输入输出有功功率实现了协调控制和自动平衡传偷，各状态量都符合理论值。在此基础上，研究逆变器交流侧线路的谐波，并给出相应的滤波器结构和对应的选择方式，仿真结果表明，所应用的滤波器很好的抑制了逆变器交流侧线路的谐波。

轻型直流输电；电压源型换流器；双闭环解耦控制；谐波抑制

0 引言

柔性直流输电技术(VSC-HVDC)的核心是电压源型换流器(VSC)。VSC换流器的控制比较复杂，实现困难；特别是当电压等级比较高时，多个换流器件之间的协调控制会更加困难，因此研究VSC换流器的控制方法是VSC-HVDC技术研究的重点[1]。文献[2]利用VSC-HVDC的暂态数学模型，研究了混合仿真技术。文献[3-5]通过分析dq0坐标系的VSC模型，基于VSC-HVDC无功和有功是由交轴直流分量和直轴交流分量分别独立控制的结论，设计了定交流电压控制器和定直流电压控制器，其控制系统比较灵活和简便。

在直接电流控制策略的基础上，本文发送端VSC1换流站采用的控制方法是定直流电压和定无功功率的组合，接收端VSC2换流站采用的控制方法是定有功功率和定无功功率的组合。在此基础上，研究AC侧线路的谐波，并给出相应的滤波器结构和对应的选择方式。使用MATLAB进行建模仿真，仿真结果表明，所应用的控制策略能够很好地控制系统的稳定，所应用的滤波器也很好的抑制了AC侧线路的谐波。

1 VSC—HVDC系统的基本原理和数学模型

新型柔性直流输电技术(VSC-HVDC)以全控型、可关断器件构成的VSC为基础。换流器中的传统半控型晶闸管被全控型器件取代，使得柔性直流输电系统对其所传输的无功功率和有功功率可以同时进行控制，以及其向孤立无援负荷供电可以成为现实。

图1为VSC-HVDC输电系统的单线原理图，两端的换流站都采用VSC结构，它由换流站、换流电抗器、交流滤波器和直流电容器等部分组成。

建立VSC-HVDC系统的数学模型即是对电压源换流器VSC进行数学建模。因为组成VSCHVDC系统的两个拓扑结构相同的VSC换流器，通过文献[6]可知，它们能够对Uc与控制角δ这两个参数进行同时控制，从而可以实现对VSC-HVDC系统的无功功率和有功功率的独立控制，使两个VSC能够分别作为VSC-HVDC系统中的功率的接收端和发送端，实现能量四象限传输。VSC-HVDC系统接收端和发送端都使用VSC进行换流，从而整流侧以及逆变侧的电压源型换流器电路拓扑结构相同，如图2所示。

图1 向无源网络供电的VSC-HVDC系统结构Fig. 1 Passive network powered VSC-HVDC system architecture

图2 电压源型换流器电路拓扑结构Fig. 2 Voltage source inverter circuit topology

图中，三相电网电压为Usa、Usb、Usc；三相对称电网相电流为ia、ib、ic；VSC开关管开关信号为Sa、Sb、Sc；三对开关管的上下导通和关断状态相反，对于每一对开关管而言，当上桥臂的开关管导通时，下桥臂开关管关断；Udc为直流侧电压；L、R分别是滤波电抗器电感和电阻；C表示直流侧的电容；Uca、Ucb、Ucc表示VSC的输入电压。电压源换流器VSC在dq0同步旋转坐标系下数学模型由参考文献[7]得知，具体如下：

式(1)中，ω表示系统的角频率，Rs，Ls为AC侧的电感参数，Ucd，Ucq，id，iq，Usd，Usq分别表示dq0旋转坐标系下交流电压电流电源的直轴和交轴分量，电压源换流器侧控制电压直轴和交轴分量，输入的是交流电流直轴和交轴分量。

此外，根据文献[8]瞬时功率的理论，稳态下，换流器的开关损耗，变压器损耗和换流电抗器中的电阻忽略后，换流器VSC的AC侧的有功功率以及无功功率可以分别由以下公式表示：

稳态情况下，假设VSC-HVDC系统三相对称运行，并令AC侧A相的电压初相角为零，若Us是三相对称电源的相电压的最大值，有：

把式(3)代入前面的式(2)中，由此可得：

通过式(4)可知，假若交流系统是无穷大系统，Us通常情况下维持恒定，流入换流器VSC的无功功率和有功功率分别与id和iq成线性关系，所以，通过分别控制无功电流和有功电流，即可独立控制无功功率和有功功率。

2 VSC—HVDC系统的控制策略

VSC-HVDC系统控制策略由实现方式的不同可以分化为间接控制和直接控制,这两种控制策略都是为了达到对换流器的调制比和输出电压相角的控制的目的。

基于同步旋转坐标系(dq0)下的直接电流的控制策略原理如图3所示。由图3可知，其基本结构主要有内环的电流控制器、外环的功率控制器、触发脉冲的生成环节和锁相同步以及同步坐标变换等环节构成。对于外环的功率控制器，其主要形式为：无功功率控制器、有功功率控制器、直流电压控制器、交流电压控制器等。上述的控制器同时构成VSC-HVDC系统的基本控制方式。然而对于VSC-HVDC系统应用在不同的领域，例如电网的背靠背互联、孤岛供电、大容量的风电场接入、多端的柔性直流输电并联运行、VSC-HVDC和传统的直流输电混合运行、VSCHVDC和交流线路混合并联运行等，它们具体的控制方式因情况而异。

定直流电压控制方式是VSC-HVDC系统中一种常用的控制模式，VSC-HVDC系统两端的有功功率要想维持平衡以及直流电压要想稳定，则需要两端换流站种的其中一端使用直流电压控制，其它换流站可以采用有功功率控制。所以说定直流电压控制方式在VSC-HVDC中具有很大的作用。

图3 柔性直流输电系统的控制系统示意图Fig 3 flexible HVDC system control system diagram

3 VSC-HVDC系统的谐波及其抑制

对于柔性直流输电系统，换流站的整流和逆变环节是尤为重要。换流站换相过程中，DC侧与AC侧电流电压中将产生很多的特征谐波，VSC的脉波数对特征谐波次数有影响，在理想情况下，系统没有非特征谐波，只是含有特征谐波。但实际上，直流输电运行中，并不是理想的，所以，非特征谐波是存在的。

对换流器VSC的AC侧和DC侧的电压与电流的波形在通过傅立叶分析后便知道，一个换流器VSC的脉动数为p，在以上的假定情况下，AC侧谐波次数是m=kp+1或n=kp-1，其中k是正整数，则m次为正序，n次为负序，kp为DC侧谐波次数。

触发角与换相角影响AC侧的谐波电流，其有效值随着谐波次数的增大而变小，而触发角越小或者换相角越大，则谐波电流越小。

DC侧特征谐波之电压和换相角有关，触发角越大，则其数值越大，换相角和换相电抗、触发角以及直流电流有关。

所以，对6脉动的VSC和12脉动的VSC的谐波特性分析可知，12脉动的VSC更好。

在非理想情况下，DC侧与AC侧电流电压中产生的谐波，除了特征谐波，其余的谐波统皆是非特征谐波，它的计算与分析相当复杂。

谐波危害大，轻则电能质量降低，重则电网事故被引发，电网设备被损坏，因此需要使用适当的措施，尽量阻止谐波产生，目前添加合适的滤波器为常用方法。

现在我们常用的滤波器有单调谐虑波器、双调谐虑波器、双调谐带高通特性滤波器、二阶之高通滤波器、三阶之高通滤波器和C型之阻尼滤波器。

单调谐波器阻抗较小，适用于AC侧幅值大的低次特征谐波。例如，单桥6次脉动换流器，5, 7, 11, 13次等谐波需要分别安装这类谐波器。其余的高次谐波则采用高涌滤波器。

4 VSC-HVDC系统的仿真分析

4.1 VSC-HVDC 系统仿真模型

利用Matlab 7.10/Simulink，建立风电场向一个孤立的无源负荷供电的VSC-HVDC系统仿真模型如图4所示，它由五部分组成：三相电源；VSC1(整流子系统)；DC line(直流输电线)；VSC2(逆变子系统)和三相负载。

在稳态运行时，整流站VSC1采用的控制策略是定无功功率和定有功功率的组合。逆变站VSC2采用的控制策略是定无功功率和定直流电压和组合。

三相电源参数设置为：三相线电压设为600V，频率设为50Hz，三相短路功率设为30MVA；直流输电线的总长为27km；三相负载参数设置为：三相额定电压线电压设为380V，额定频率设为50Hz，三相有功功率设为3MW，三相感性无功功率设为0，三相容性无功功率设为0。

直流电压参考值设为20KV，有功功率的参考值设为30MW，无功功率参考值设为零，即单位功率因素控制。

如图5所示为VSC-HVDC Light稳态仿真波形。

系统的输入及输出电压波形分别如图5(a),(b)所示.从仿真图中可知输入电压为600V，输出电压为380V，对比这两个波形可知VSC-HVDC Light两端电压实现了协调配合，与理论值一致.

系统输入及输出有功功率和无功功率的波形分别如图5(c)和(d)所示。从仿真图中可知，系统输入的有功功率能够跟踪所设定值30MW，无功功率为0。而系统输出的有功功率比所设定的值30 MW略小，这是因为功率传输的过程中，直流输电线以及换流桥等设备存在损耗。

直流电压的仿真波形如图5(c)所示，从图中可以看出直流电压和参考电压基本一致.但由于存在滤波电容对其的影响，直流电压有了非常细微的波动，但电压值稳定在20 kV。在定直流电压的控制下，VSC1和VSC2实现了有功功率的协调控制，两端也实现了有功功率自动平衡的传输。

图4 VSC-HVDC系统仿真模型Fig 4 VSC-HVDC system simulation model

4.2 VSC交流侧电压滤波前后仿真

VSC交流侧滤波器的参数设置，滤波电感电抗设为10mH，滤波电容三相额定线电压设为3000V，额定频率设为50Hz，三相容性无功功率设为3000var，仿真波形如下：

从图7(a)和图7(b)两个仿真波形的对比可以看出，滤波前，输出的电压波形有大量的谐波分量，很不规范，正弦波形之轮廓很不明显；滤波后，输出电压波形与标准的正弦波形基本接近，谐波分量几乎没有。

5 结论

仿真结果表明，系统直流电压值稳定在给定值20KV。系统输入，输出电压实现了协调配合，输入输出有功功率实现了协调控制和自动平衡传偷，各状态量都符合理论值。在逆变器交流侧线路所应用的滤波器也很好的抑制了该侧的谐波。

图5

图6 交流侧滤波器结构图Fig. 6 AC side filter structure diagram

图7

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Control Strategy of VSC-HVDC System Supplying Power for Isolated Passive Load

HUANG Shigan, ZHU Xiaoqing, PENG Saizhang, QIN Bin
(School of Electrical and Information Engineering, Hunan University of Technology, Zhuzhou 412007, China

This article describes system structure and working principle of the HVDC flexible system. Creating simulation model of VSC HVDC system that wind farm to supply power to an isolated passive load in MATLAB. The simulation results show that system stable DC voltage value at a given value 20KV, system input and output voltage to achieve the coordination, Input and output active power to achieve a coordinated control and automatic balance transfer stolen. The simulation results also show that the amount of each state are in line with the theoretical value. Researching harmonics of the inverter AC side line and giving corresponding filter structure and selection mode. The simulation results show that filter applied well suppressed Harmonics of the inverter AC side line.

HVDC Light; voltage source converter; dual-loop decoupling control; harmonic suppression

10.3969/j.issn.2095-6649.2015.03.08

: HUANG Shigan, ZHU Xiaoqing, PENG Saizhang, et al.. Control Strategy of VSC-HVDC System Supplying Power for Isolated Passive Load [J]. The Journal of New Industrialization, 2015, 5(3): 54‒60.

湖南省自然科学基金(13JJ3110)。

黄世敢(1988-), 男, 汉族, 硕士研究生, 主要研究方向: 复杂机电系统的信息集成和协调控制; 朱晓青(1958-), 男,教授，研究生导师, 主要研究方向: 自动控制与检测教学与研究; 彭赛庄(1988-), 男, 硕士研究生, 主要研究方向: 复杂机电系统的信息集成和协调控制; 秦斌(1963-), 男, 教授, 研究生导师, 主要研究领域为复杂系统建模与优化控制。

黄世敢，朱晓青，彭赛庄，等．向孤立无源负荷供电的VSC-HVDC系统控制策略[J]．新型工业化，2015，5(3)：54-60