基于VSC的多端直流输电系统的仿真研究

冯媛硕，宋吉江

(山东理工大学 电气与电子工程学院，山东 淄博 255000)

传统的直流输电系统多为双端系统，只能实现点对点功率的传送，如果几个交流系统需要直流互联时，则应考虑采用多端直流输电系统(Multi－Terminal HVDC，MTDC)［1］。因换流器形式不同，多端直流输电系统可以分为三种形式:基于电流源型换流器的多端直流输电系统(Current Source Converter Based Multi－Terminal HVDC，CSC －HVDC)、基于电压源换流器的多端直流输电系统(Voltage Source Converter Based Multi－Terminal HVDC，VSCHVDC)和混合型多端直流输电系统(Hybrid－MTDC)。因为电压源型换流设备在发生潮流反转时，直流电压极性不改变。所以，VSC－MTDC比传统CSC－HVDC能够更加灵活地控制有功功率，并且具有供电高可靠性。VSC－MTDC的控制运行方式主要采用以下两种模式:电压下降方式、主从式控制方式［2］。

电压下降方式，即将所有换流器与有源交流系统联接，其直流侧均工作在电压源模式下，其输出电压随输出电流的增加而降低。

主从式控制方式，系统中与有源交流系统联接的换流器，只有一个换流器对直流电压进行控制，而其它换流器都运行于直流电流或直流功率控制方式［3］。

前者直流电压控制质量差，对于单个换流器无法实现定有功功率的控制，而后者虽然直流电压调节和功率控制等性能都具有很好的刚性，但它需具备上层控制模块和高速的通信条件，且系统的运行可靠性不高，不适用于长距离输电的风电并网系统［4］。所以，本文首先分析了VSC－MTDC系统的基本原理，在MATLAB中建立基于VSC的三端及五端直流输电系统的模型，并对控制系统进行设计研究。控制系统采用双环控制方式，即外环电压控制及内环电流控制方式。同时通过仿真试验验证了本控制系统的正确性及可靠性。

1 VSC－MTDC系统的基本原理及结构

多端直流输电系统通常采用一个换流器作为整流器设备，只有这一个换流器与有源交流侧联接，其他的换流器都作为逆变器设备使用，用于向无源网络或者负荷供电［5］。对于单电源供电多端系统的原理与无源网络双端供电系统是类似的，相对都比较简单。

VSC－MTDC系统通常采用两种接线方式，一种是环状接线方式，另一种是树枝状接线方式，相对而言第一种更有优势［6］，两种常用接线方式如图1所示。多端直流输电系统的基本结构如图2所示，其中，换流器设备均采用三相六桥的电压源结构［7］。

图1 VSC－MTDC系统接线方式Fig.1 VSC－MTDC system wiring mode

图2 多端直流输电系统结构示意图Fig.2 Schematic diagram of multi－terminal DC transmission system structure

图2(a)中有三个换流器，每一个换流设备都是基于电压源控制的，直流侧通过直流线路与其相连接，只有两个换流器是与有源交流系统联接的。图2(b)的五端系统中有3个换流器分别经换流电抗器与3个独立的有源交流网络相联接。换流设备中有一个作为功率平衡节点控制直流电压稳定，其余换流器可以运行在整流或者逆变状态实现功率分配，这样就构成了多电源控制的VSC－MTDC输电系统。与传统的两端系统相比，采用这种多端供电结构，可以提高输电系统的稳定性及灵活性。

2 VSC的控制器设计

在基于VSC的多端直流输电系统中，换流器设备的控制主要是定直流电压控制，有功功率调节及交流电压控制。而对于联接无源网络端的换流站，只能使用定交流电压控制方式［8］。

2.1 定直流电压控制器

定直流电压控制器的设计，包括外环功率控制器和内环电流控制器二部分。

外环功率控制器的调节示意图如图3所示。

图3 外环功率控制示意图Fig.3 Schematic diagram of outer loop power control

当三相电压平衡时，取电压空间矢量方向为d轴的方向，得到usd=Us(Us为电网电压的矢量模值)，usq=0。此时系统的功率表达式为

对于无穷大交流系统而言，Us是基本不变的，所以可通过对有功和无功电流进行控制，实现有功功率P和无功功率Q的调节。本文使用比例积分(PI)调节器。

内环电流控制器结构如图4所示。

通过新设置的变量 xd、xq，使得电流 isd、isq与新变量xd、xq之间成线性关系，这样可以实现对非线性方程式的解耦。通过对参数λ1和λ2的设定，可使内环控制器具有良好的动态性能，并基于空间矢量脉宽调制原理，得到换流器各个桥臂开关器件的触发脉冲。

图4 内环电流控制示意图Fig.4 Schematic diagram of inner current control

将上述外环功率控制器与内环电流控制器综合起来，定直流电压控制器结构如图5所示。

图5 换流器的控制器结构图Fig.5 Structure diagram of controller on converter

内环电流调节器可以准确跟踪外环控制器的参考电流，对换流设备交流侧系统的电流和相位的波形进行控制。

外环控制器使用负载电流前馈电压下降方式进行控制，可使系统运行更加稳定，更加协调和准确，适用范围广泛。内环电流控制器采用线性化反馈解耦的直接电流控制策略，提高了控制器的响应特性和动态性能，它有助于MTDC系统的协调稳定控制。

2.2 定交流电压控制器

在多端直流输电系统中，对于联接无源系统的换流器设备采用定交流电压控制。本文采用基于同步坐标变换的稳态数学模型分析换流器的控制系统。设d轴方向为无源交流网络母线处的电压空间矢量的方向，则流入负荷的方向为电流参考方向，由式(1)得到:

式中，Us为无源网络交流侧电压参考值。

对于交流控制器，加入比例积分环节后，调节电压时误差较小，系统电压更趋稳定。定交流电压控制器的基本结构如图6所示。

图6 定交流电压控制器的基本结构Fig.6 Structure of constant AC voltage controller

本文采用一种改进的多点直流控制方式，对于多端直流输电系统中的换流器设备采用定直流电压控制方式，而无电源侧采用定交流电压控制方式。即使多个VSC并联运行，也能保证在系统规模增大时，保持稳定运行。

3VSC－MTDC系统的仿真

3.1 三端直流输电系统仿真

首先，建立基于VSC的三端直流输电系统模型仿真系统，然后根据图2(a)所示的结构在MATLAB/Simulink中建立其仿真系统模型。三端直流输电系统中参数设置:有源交流侧的额定电压为380 V，额定功率为50 Hz，直流输电线路长度为50 km，直流输电线路的电压为±700 V，无源系统侧的额定电压为300 V。整流侧部分(VSC1侧)及逆变侧部分(VSC2)是使用定直流电压控制器进行控制，而VSC3部分的后面接入无源负载，必须采用定交流电压进行控制，控制系统的模型如图7所示。系统中初始状态的参数:VSC1的直流侧电压参考值为700 V，交流侧有功功率为4.581×104W，而无功功率值为－200 VA;换流器设备VSC2的直流电流值为50 A，交流网络的有功功率为－1.5321×104W，无功功率值为400 VA，换流器VSC3的直流电压为50 A，交流系统侧有功功率是－3.029×104W，无功功率值是－3200 VA。

图7 三端VSC－HVDC控制系统仿真模型Fig.7 VSC－HVDC three terminal control system simulation models

对于本文采用的多点直流控制方式，要求所有连接于交流网络的换流器都采用定直流电压控方式，即三端直流输电系统中的换流器VSC1和VSC2采用定直流电压控制器(见图7(a))。定直流电压控制器主要由内环电流控制器、外环功率调节器和锁相环节(PLL)等部分构成。内环电流控制器可以快速跟踪外环控制器提供的参考电流，直接对换流器交流侧的电流波形和相位进行控制，并且采用负载电流前馈的电压下降方式进行控制，这种方式可以增加系统稳定性。

对于换流器VSC3部分接入无源负载，采用定交流电压控制，并根据上述定交流电压控制器基本结构，建立控制系统模型(见图7(b))。此控制器可以获得较稳定平衡的正弦交流电压，且系统的稳态误差较小。

由换流器VSC3定交流电压控制仿真试验，得到此换流器功率波形及VSC2和VSC3交流侧三相电压波形，如图8－图11所示。

图8 直流侧输出电压波形Fig.8 DC side output voltage waveform

图9 VSC1交流侧U相电压电流波形Fig.9 VSC1 AC side of U phase voltage and current waveform

图10 VSC2交流侧U相电压电流波形Fig.10 VSC2 AC side of U phase voltage and current waveform

由图8—图11波形可以看出，对于换流器VSC3的直流侧电压输出值(见图8)与初始状态相比变化并不明显，最后都稳定在了700 V，这是整流侧控制器对直流电压进行控制的结果，使得输出直流电压更加稳定。但是可以看出换流站1、2的功率变化(见图11)比较明显，与初值比较都发生很大改变:P1=4.632×104W，Q1= －135 VA;P2= －8615 W，Q2=－405 VA;其因是交流侧的电压参考值变大，使得换流器3对于负载的功率需求量变大，这样换流器1的功率输出值就变大了，而系统总功率要求必须平衡，所以换流器2的功率就会下降，以保证系统稳定运行。同时，换流器1和2的电压、电流波形(见图9、图10)全部稳定在初始值，也验证了三个换流器设备之间的相互独立性。

图11 有功功率与无功功率波形图Fig.11 Active power and reactive power waveform

3.2 五端直流输电系统仿真

在上述三端直流输电系统的仿真模型基础上，由图2(b)结构所示建立五端直流输电系统仿真模型，控制系统模型同上。五端直流输电系统仿真参数设置为:Z1=9.5+1.571 jΩ，Z2=8.0 Ω，L1=L2=L3=L4=L5=0.0056 H。在仿真系统中，换流设备中VSC1、VSC2及VSC3是采用定直流电压控制方式，直流电压的参考值为20 kV;VSC4和VSC5采用定交流电压控制，交流母线处的相电压参考值为6.6 kV。系统的开关频率设为2 kHz。仿真结果如图12—图14所示。

仿真结果中isam(m=1～5)表示各个换流设备的交流侧U相电流，usan(n=1～5)表示各个换流母线处的U相电压，uDCk(k=1～5)是指换流器的直流电压。

直流电压控制的VSC1在0.06 s发生故障闭锁，仿真结果如上述波形所示。由于采用多点直流电压控制，当VSC1发生闭锁(即VSC1与交流电网解列)，由VSC3来实现直流电压的稳定和有功功率的平衡问题，使被隔离的MTDC系统仍能向无源负荷持续供电。另外，当整流器总容量按N/(N－1)×100%(N为整流器个数)的逆变器总容量来匹配和备用时，则在VSC1闭锁后，VSC3不会发生过负荷问题。本文采用的控制系统，能够提高VSC－MTDC系统的供电可靠性，对于系统的故障干扰有一定的抑制作用，所以适合应用在向重要负荷供电的工程方案中。

图12 有功功率波形Fig.12 Active power waveform

图13 直流电压波形Fig.13 DC voltage waveform

图14 交流电流波形Fig.14 AC current waveform

4 结论

本文利用MATLAB/Simulink建立基于VSC的三端及五端直流输电系统的模型，对换流器的控制系统进行了详细设计与分析，并通过仿真试验得知，VSC－MTDC输电技术，可以应用于以下几个领域:

1)从新能源中心输送功率到远方的多个负荷中心。

2)几个孤立的交流系统通过直流线路实现非同步联网。

3)大城市直流供电的多落点受电。

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