柔性直流输电控制策略研究

李武雄，李　虹，刘立群

(太原科技大学电子信息工程学院，太原 030024)



柔性直流输电控制策略研究

李武雄，李虹，刘立群

(太原科技大学电子信息工程学院，太原 030024)

摘要：相比于传统的高压直流输电技术，柔性直流输电技术(VSC-HVDC)是以可关断电力电子器件和PWM技术为基础的新一代直流输电技术。介绍VSC-HVDC的基本组成及各组成部分的功能，提出VSC-HVDC应用于有源交流电网连接的控制策略，最后搭建仿真模型，并以实验结果验证系统应用于交流并网的可行性。

关键词：柔性直流输电；矢量控制；Park变换；正弦脉宽调制

输电技术的发展经历了从直流到交流，到现在的交直流系统并存的历程。事实上，电力传输最早的方式是直流输电，后来由于技术性和经济性等各方面的原因，直流输电一度被交流输电所取代。但是，有关直流输电技术的研究一直未停止。

本文以柔性直流输电用于有源交流电网连接为应用背景。指出柔性直流输电换流站的基本结构。提出换流站的控制控制策略并分层次阐述，将换流站的控制体系分为决策控制、功率控制和换流阀控制三层控制结构。通过PSCAD/EMTDC建立VSC-HVDC仿真模型，由仿真结果对柔性直流输电控制策略分析研究。

1基本组成和控制原理

VSC-HVDC的基本组成包括：换流变压器、换流电抗器、交流滤波器、电压源换流器和直流电容器。

1)电压源换流器(VSC)：电压源换流器的桥臂由全控电力电子器件IGBT构成。在实际应用中，根据系统的容量、通电能力和电压等级，换流器桥臂是由IGBT及其反向并联二极管单元组成。换流器采用如图1所示的二电平电路拓扑结构[4]。

图1　VSC二电平拓扑结构

2)换流变压器：根据换流站传输功率的容量及其他工程需求可选用单相或三相变压器。此外，基于限制三次谐波及更高奇次谐波的考虑，换流变压器一次侧绕组和二次侧绕组分别采用三角型接线、星型接线[5-6]。

3)换流电抗器：换流电抗器在换流器和交流系统之间的有功和无功传输中起到枢纽作用。此外，在一定程度上能起到抑制谐波的作用[7]。

4)直流电容器：在换流站中将VSC与直流电容器并联有利于稳定直流电压和直流电流，而且能过滤直流线路中的交流成份。

5)交流滤波器：由于VSC的桥臂通断由PWM电路控制，其输出的交流电压含有谐波成份。在换流站输出的交流电注入电网之前，须用交流滤波器滤除谐波成份[8]。

2控制策略研究

基于有源网络连接的VSC-HVDC，其控制体系主要功能：选择控制目标、设定控制变量参考值、设计有功和无功控制器及PWM电路控制换流阀，最终实现有功和无功的独立控制。将该系统的控制体系分为三层控制结构：决策控制、功率控制和换流阀控制。

2.1决策控制

决策控制主要完成两大功能：1)根据系统的应用领域及其他相关要求，分别选择整流站和逆变站的有功与无功控制策略；2)以VSC-HVDC系统传输功率容量和功率控制策略为前提，分别确定整流侧和逆变侧的功率控制目标并设定参考值。

应用于有源交流电网连接的VSC-HVDC，实际是完成有功功率从整流侧交流系统向逆变侧交流系统的传输。因此必须保证整流侧传送的有功功率等于逆变侧吸收的有功功率与直流线路上损耗的有功功率之和。当某一侧换流站工作于有功功率控制方式下，另一侧换流站如果不对直流电压进行定压控制，在直流电压发生波动时，有功功率传输平衡会被打破，最终会导致系统直流电压大幅波动甚至系统崩溃。因此，换流站必须有一侧工作于直流电压控制方式，另一侧工作于有功功率控制方式。由于换流站对无功功率有隔离作用，整流站和换流站的无功控制策略可以任选。选择整流侧换流站功率控制策略为直流电压控制和无功功率控制，逆变侧功率控制策略选择为有功功率控制和无功功率控制。VSC-HVDC控制策略如图2所示。

图2　控制目标选择

根据系统容量及其他系统运行参数设定控制目标参考值。整流侧设定直流电压和无功功率参考值，逆变侧设定有功功率和无功功率参考值。参考值设置如图3示。

图3　参考值设定

2.2功率控制

功率控制所完成的功能主要包括两个方面[9-13]：1)分别设计整流侧和逆变侧有功/无功控制器。2)完成两侧控制器功率控制所需电气量的测量计算。

对换流站的功率控制采用基于dq0坐标变换的解耦控制策略。即将VSC侧的交流电压和交流电流分别变换到dq0同步坐标系中，对dq0下的电流电压分量进行控制，以实现有功和无功的独立控制。实现三相交流abc到dq0坐标变换的变换矩阵为Park矩阵。

默认情况下，和电网的三相交流电同步旋转的dq0坐标系，令dq0坐标系的d轴与电网A相电压矢量重合。如此，电流的d轴分量为有功电流分量，电流的q轴分量为无功电流分量。所用的Park变换阵为：

(1)

分别对三相电压和三相电流进行Park变换：

Idq=PIabc

(2)

Udq=PUabc

(3)

经过Park变换，在d轴与电网A相电压重合时，换流站传输的有功功率和无功功率可表示为：

(4)

对于三相对称电网，Ed为电网电压幅值，经Park变换之后，有功功率P和无功功率Q分别受id和iq独立控制，对有功功率P调节时，不会引起无功功率Q的变化，反之亦然，实现有功和无功解耦控制功能。

整流侧逆变器的控制结构图如图4所示。

图4　逆变器控制结构图

图4中，采集电网的交流电压和交流电流，分别进行Park变换，然后依次由外环控制功率控制和内环电流控制，并通过Park反变换生成能与三角载波进行比较的Urabc.逆变侧控制结构与整流侧原理类似，不在此赘述。

2.3换流阀控制

换流阀控制主要实现如下功能：以功率控制生成的Urabc值为输入值，搭建SPWM生成电路，在VSC交流侧产生所需幅值和相位的三相正弦电压。

SPWM调制的基本原理是：以和正弦电压等效的PWM调制波控制VSC的通断，使其输出的脉冲电压和所需的正弦电压在对应区间内等效[14-15]。

SPWM生成电路如图5所示。

图5　SPWM电路

UR_SMC1为矢量控制生成的三相调制波，与三角载波比较生成控制换流阀桥臂通断的信号。

3仿真分析

基于上述控制原理，以PSCAD/EMTDC仿真软件搭建模型进行研究验证。

仿真模型的主电路图如图6所示。

图6　主电路

整流侧REC_SM1和逆变侧INV_SM1电网参数均为35 kV/100 MVA/50 Hz，整流侧交流系统电压相位滞后逆变侧相位π.变压器变比为35 kV/0.95 kV，d11/Y接线，额定容量3 MVA.两侧换流站电抗器参数为0.0005Ω+j0.00076.直流线路电压等级1.5 kV.

REC_SM1控制直流电压和无功功率，直流电压设置为1.5 kV，无功功率设置为-0.15 MVA；INV_SM1控制有功功率和无功功率，有功功率设置为1 kW，无功功率设置为0.

VSC-HVDC两侧交流电网母线侧A相电压相位相差π，如图7所示。

图7　相位比较

在A相电压和d轴重合的情况下，对整流侧交流电压进行Park变换。如图8所示。

图8　整流侧Ud、Uq

整流侧逆变器交流电的A相电压如图9所示。

图9　整流侧交流电压

VSC-HVDC传输的有功无功曲线图如图10所示。

图10　有功无功曲线图

基于上述仿真，在设置VSC-HVDC两侧交流电网电压相位相差π时，通过矢量控制策略，实现了两侧无功功率的独立控制，完成了有功功率的传输。

在0-0.2 s时间内，启动仿真模型，给整流桥逆变桥充电，锁定两侧的IGBT管。在此充电过程中，为防止直流电容被击穿，须在整流侧和逆变侧加入可变电阻REC_R，此电阻的功能：在给两侧换流桥充电的时候有一定阻值，并在充电过程中阻值逐渐减小，充电完成时阻值为零，对换流桥的充电过程起缓冲作用。图11为主电路加REC_R与不加REC_R直流电容充电过程的电压变化图，在不加充电电阻REC_R情况下，直流电容在充电过程中承受更高的电压，击穿的可能性更高。

图11　直流电容电压比较

4结束语

鉴于传统直流输电在有源逆变中存在容易发生换相失败的固有缺陷。而以IGBT构成的VSC-HVDC在有源交流电网互联中从根本上解决了这一问题。因此对VSC-HVDC应用于有源互连的控制策略研究显得尤为重要。相信随着全控型电力电子器件的开发、柔性直流输电设备成本的下降，VSC-HVDC将能在大容量、远距离输电领域有更大的运用空间。

参考文献：

[1]赵定远，赵莉华.现代电力电子器件的发展[J].成都大学学报，2007，26(3)：210-214.

[2]刘伟，李健.现代电力电子器件的现状与发展浅析[J].周口师范学院学报，2007，24(2)：46-49.

[3]胡航海，李敬如，杨卫红，等.柔性直流输电技术的发展与展望[J].电力建设，2011，32(5)：62-66.

[4]徐政，陈海荣.电压源换流器型直流输电技术综述[J].高电压技术，2007，33(1)：1-9.

[5]WANG HAITIAN，TANG GUANGFU，HE ZHIYUAN，et al.Efficient Grounding for Modular Multilevel HVDC Converters(MMC)on the AC Side[J].IEEE Transactions on Power Delivery，2014，29(3)：1262-1270.

[6]陈清玉.新型换流变压器在直流输电系统中运行特性的研究[D].长沙：湖南大学，2012.

[7]杨汾艳，徐政.直流输电系统平波电抗器电感参数的选择研究[J].高压电器，2009，45(3)：8-10.

[8]徐顺刚，许建平，曹太强.SPWM逆变电源输出谐波分析及抑制方法研究[J].电子科技大学学报，2010，39(5)：701-704.

[9]李金丰.轻型直流输电控制策略及控制系统软件设计[D].河北保定：华北电力大学，2005.

[10]徐琴.轻型直流输电技术数字仿真研究[D].武汉：华中科技大学，2007.

[11]LI SHUHUI，TIMOTHY A HASKEW，XU LING.Control of HVDC Light System Using Conventional and Direct Current Vector Control Approaches[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2010，25(12)：3106-3117.

[12]WEI YANFANG，ZHENG ZHENG，SUN YONGHUI，et al.Voltage Stability Bifurcation Analysis for AC/DC Systems with VSC-HVDC[J].Abstract and Applied Analysis，2013(5)：1-9.

[13]LATORRE H F，GHANDHARI M，SODER L.Active and Reactive Power Control of a VSC-HVDC[J].Electric Power Systems Research，2008，78：1756-1763.

[14]YAGHOB PORASAD，HOSSEIN HOSSEINZADEH.Comparison of Voltage Control and Current Control Methods in Grid Connected Inverters[J].Journal of Applied Sciences，2008，8(4)：648-653.

[15]宋小权.基于DSP和CPLD的轻型直流输电动态模拟换流控制系统的研究与设计[D].上海：上海交通大学，2007.

Control Strategy of VSC-HVDC

LI Wu-xiong，LI Hong，LIU Li-qun

(School of Electronic Information Engineering，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024，China)

Abstract：Compared with the traditional high-voltage direct current transmission technology based on thyristor，VSC-HVDC is the new technology based on controllable power electronic device and pulse width modulation.This study introduces components of VSC-HVDC and states function of all components.The article also introduces the control strategy of VSC-HVDC used for AC system interconnection.In the end，the application of the system used for AC system interconnection has been proved to be effective by simulation model result.

Key words：VSC-HVDC，vector control，park transformation，PWM

收稿日期：2015-09-15

基金项目：中国博士后基金第7批资助(2014T70234)；中国博士后基金第53批资助(2013M530895)

作者简介：李武雄(1988-)，男，硕士研究生，主要研究方向为智能控制技术及应用。

文章编号：1673-2057(2016)04-0276-05

中图分类号：TM721

文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1673-2057.2016.04.006