分布式直流电压裕度控制的多终端的VSC HVDC系统的建模

王林川，谢宜宏，杨海威，熊毅

(东北电力大学电气工程学院，吉林吉林132012)

分布式直流电压裕度控制的多终端的VSC HVDC系统的建模

王林川，谢宜宏，杨海威，熊毅

(东北电力大学电气工程学院，吉林吉林132012)

本文论述了多端的电压源型换流器的高压直流(VSC－HVDC)输电的稳定性模型。介绍了转换器处的直流电压控制模型，该模型采用级联结构且允许二端的VSC－HVDC系统的中断。当将模型应用到多端直流系统时，在直流电压控制转换器失效情况下，功率控制器接管控制电压。搭建了一个四端高压直流输电模型，并使用PSCAD进行仿真，结果表明:在直流系统转换器中断后，该模型可应急采取电压裕度控制分配电力失衡。

高压直流(HVDC)传输控制;电力系统建模

1 引言

过去的几十年时间，人们一直在研究基于电压源型换流器的高压直流技术(VSC HVDC)，目前已有人尝试搭建一种新的基于VSC的高压直流输电技术叠加的直流电网［1］。系统向多终端VSC－HVDC拓展的前景，以及多端直流系统控制模型都已经成为了比较热门的研究课题。本文介绍了直流系统分布式直流电压控制的通用机电稳定性模型。本文所做的多端直流系统的建模，与传统建模的区别在于建模的详细程度，电磁暂态程序准确地表达出了系统开关特性和电磁暂态。平均模型和机电稳定性模型［2］已被用于研究替代外部结构控制器［3－4］，优化设置［5－7］以及与交流系统的动态的相互作用［8－10］和系统频率支持［11－12］。如文献［13］提出的潮流算法，用于解决分布式直流电压稳态控制。多端直流系统的控制和建模的已经取得了一定的研究成果，随着电压成为直流系统关键的控制变量，很多人把目光投向了直流电压在不同的转换器处的分布式控制。两个主要控制方法是电压裕度控制［14－15］和直流电压下垂控制［6－8，16－17］，本文主要对电压裕度控制进行研究，基于基本频率的建模方法，在模型中添加两个重要的扩展。首先，详细地表示了电流控制回路和外部控制器处的电流和电压的限制范围。其次，在外部控制器中引入级联控制结构，使在直流电压控制器转换失败时，功率控制器接管控制电压。本文的主要创新点是这种二端系统的级联控制结构，在文中扩展到多端直流系统，从而获得广义级联控制组，这种广义的级联控制组可以适应电压裕度控制。

2 转换器和直流电网建模

转换器可等效为一个连接在公共耦合点(PCC)后面的可控电压源，公共耦合点的复阻抗为，如图1所示。这种复杂的阻抗包括转换器和变压器的电抗。将三相方程变换到dq旋转参考系中，并假设电网电压us全部分量都在q轴的方向上，转换方程成为

图1 换流站交流侧单相图解

假设在PCC处的电压与q轴时忽略了锁相环(PLL)的影响时是完全一致的。

一阶系统模型由转换器的电力电子开关的处理和计算所造成的时间延迟为:

图2 转换器模块图解

图3直流侧集总参数模型

图2所描述的模型是ucd的一个相似的表达。

直流线路的集总π等效方案表示，如图3所示。总线i的直流电压的动态方程为:

其中，udci和idci分别为总线i的直流电压和直流电流，Cdc，ci为转换器的直流容量，idcij为总线i和j间分支的电流，Cdcij为分支容量。当模拟集总电感考虑直流电流动态时，如图3所示，连接到总线i的分支电流动态方程为:

其中，Rdcij和Ldcij分别为直流支路的电阻和电感。

3 二端VSC－HVDC系统的控制

3.1 电流解耦控制

VSC由一个与系统电压同步的旋转的dq参考系控制。图4显示了内部电流控制器，其中包含了抗饱和(AWU)。

图4 解耦内部电流控制器

限制电压ucqlim和ucdlim由最大调制系数mmax及直流电压udc确定。最大的转换器电压幅值uclim可写为

采用这样的限制后，控制器可以优先有功或无功的功率控制。解耦定义为

改进后的q解耦可定义为

在限制电压下，Δucd和优先于电流的控制电压。当优先有功功率控制时，q轴的限制Ucqlim可以写为:

另外，可以同等考虑d轴和q轴的分量

3.2 标准两终端的外部控制

电流控制分量icq和icd分别连接到有功和无功功率，交流系统中加入VSC。图5显示了外部有功和无功的功率控制器。图5(b)所示的是无功功率控制器的一种替代方式，它可以用轴电流直接控制交流端电压。无功功率控制不是本文的重点，将不再做进一步的讨论。

图5 外部功率控制器

图6 外部直流电压控制器

在两终端系统中，一个变换器控制有功功率，如图5(a)所示，其他的变换器控制直流总线处的电压，如图6所示。当优先有功功率时，电流的q分量和d分量的限制，分别为图5和图6中的icqlim和icdlim，可以表示为:

另外，也可以同等考虑有功和无功功率控制，表达式为:

此操作保证了转换器在恒功率因数运行，而且它还可以在转换器到达极限点时向交流网络提供无功功率支持。式(15)、(16)中优先有功功率，这使得它适用于直流电压控制变换器。而式(17)、(18)中的稳态性能与之相反，取决于受限前的电流参考值。

在交流故障条件下参考电流也会减少，以限制变换器的短路电流［18］。当PCC点电压下降，通过ic，dqlim=ic，dqlim，sc可以很容易得出上述情况。比起在故障条件下限制电流，优先无功功率控制还可以满足电网关于电压支持的规范要求［19］。

3.3 冗余的外部控制

上一部分的控制方式的一个缺点，就是控制结构无法应对直流电压转换器的中断。而中断的电压控制转换器不仅会导致功率下降，由于直流电压控制器还可以控制直流电压，可能会导致系统停运。

观察限流后转换器的稳态运行状态，在缺少加入无功功率的转换器时，会得到公式(15)、(16)。而以公式(19)、(20)的方法会使转换器以恒定功率因cosØc数运行，如

图7 有功功率控制与直流电压控制联结

由于直流电压控制对电力系统的运行很重要［20］，因此，可以重复使用直流电压控制的方法，图7显示了这样的级联的功率控制结构。在直流转换器终端的直流电压，通过实施恰当的控制结构，保证一个时刻只有一个转换器控制直流电压。

在功率控制转换器中，直流电压同时作为参考信号和反馈信号，如图7所示，因此只有Δudc被保留下来作为直流电压控制器的输入。在系统中其他转换器的有功功率或直流电压置位点改变，导致直流电压改变时，利用实际直流电压udc替代参考值u*dc，可以避免直流电压控制器的抵消。

数学表达为

4 多端VSC HVDC电压裕度控制

当冗余控制结构用于多端结构，即所谓的电压裕度控制方案，在主转换器失效时，可以提供直流备用冗余转换器(或直流电压控制转换器)。图8显示了从直流侧观察到的控制方式的稳态的P－V特性，从而忽略了转换器的损耗。Pdclim在第三节讨论了，是由icq得到的有功功率限制。因此，Pdclim实际值取决于交流总线的电压和icqlim/icdlim的比率。不同的转换器的电压裕度可以由不同转换器的直流电压控制所决定，其中只有一个转换器可以控制直流电压。

图8 电压裕度控制P－V图解

与二端系统相反，在直流冗余转换器失效时，它仍可以传输功率，图10显示了对图9中的四端VSCHVDC系统实施的电压裕度控制的仿真结果。在仿真中，潮流初始化后，平均电压等于1［21］，在直流电压控制器2中断后，转换器3的电压达到上限udcmax。由于它的电流达到极限，控制器3不能继续控制控制器的电压。当控制器1控制电压后，直流系统电压上升。因为变化的直流电压的影响没有反馈到功率控制转换器，只要电压没到达极限点，转换器4的功率保持不变(如图7所示)。

图9 系统原始模型

图10 直流网端口2停断后其他端口相互作用

5 结论

在本文中，提出了一个多端VSC－HVDC系统模型。该模型的突出特点是，它有一个广义的级联控制方式，允许MTDC系统电压裕度控制，控制器的电流和电压限制表述的很详细。对二端系统电压控制转换器的损耗的策略，被运用到多端系统的电压裕度的控制。该模型已经被扩展到包括分布式直流电压控制，它通过模拟显示限值如何影响电力系统动态，以及它忽略转换器限值所受的影响。

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Multip-terminal VSC HVDC System Modeling of Distributed DC Voltage Margin Control

WANG Lin-chuan，XIE Yi-hong，YANG Hai-wei，XIONG Yi
(Electrical Engineering College，Northest Power University，Jilin 132012，China)

The stability model of high voltage direct current(VSC－HVDC)to multiple terminal(MTDC)system is discussed the paper.This paper introduces the DC voltage in the converter with level control model，this model allows the VSC－HVDC system interrupt two terminal.When extended to multi terminal HVDC system，the model naturally evolved into a converter in DC voltage control failure，converter receives the DC voltage control of master-slave settings.This paper built a four terminal HVDC transmission model，and using the PSCAD simulation.The results show that:the model can be used in emergency DC converter system after the interruption system take the voltage margin control the imbalance of distribution of power.

high voltage direct current(HVDC)transmission control;power system modeling

TM712

B

1004－289X(2016)04－0022－05

2015－06－30

王林川(1955－)，男，教授，研究方向为电力系统稳定与控制;

谢宜宏(1990－)，男，硕士研究生，研究方向为高压直流输电系统稳定与控制;

杨海威(1990－)，男，硕士研究生，研究方向为风电并网;熊毅(1986－)，男，硕士研究生，研究方向为柔性直流输电技术。