基于VSC的三端柔性直流输电技术研究

郭旭 金晅宏

摘 要：依据柔性直流输电技术的独有特点，针对同一网络中连接无源和有源网络的稳定性分析，首先建立换流站数学模型，将abc三相坐标系的模型转化为dq0坐标系，推导出换流站的等效数学表达式，并对其运行原理和工作特性进行理论分析；其次建立dq0坐标系下的电流控制环，通过设计PI控制器控制交流系统和电压源换流器之间的有功功率及无功功率。利用Matlab软件成功对这个三端系统进行模拟，对其性能进行分析，体现三端直流输电系统的灵活性、可控性、智能性等优点。

关键词：三端柔性；直流输电；电压源换流器；Matlab

DOI：10.11907/rjdk.172484

中图分类号：TP319

文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2018）004-0184-04

Abstract：Based on the unique characteristics of flexible HVDC technology， according to the analysis of the stability of the passive and active network connection in the same network， firstly establish the mathematical model of three-phase abc converter， the coordinates of the model into the dq0 coordinate system， equivalent mathematical expressions are derived for converter station， and the operating principle and working characteristics are analyzed.

Then， the current loop control loop is established in the dq0 coordinate system， and the designed PI controller is used to control the active power and reactive power between the AC system and the voltage source converter. Matlab software is used successfully to simulate the three terminal system， and its performance is analyzed. It embodies the advantages of flexibility， controllability and intelligence of the three terminal HVDC system.

Based on the unique characteristics of flexible HVDC technology， the analysis of the stability of the passive and active network connection in the same network is done. Firstly the mathematical model of three-phrase abc converter is established and the converter model of abc three-phase coordinate system is transformed into dq0 coordinate system of which equivalent mathematical expressions are derived. The operating principle and working characteristcs are analyzed. Then the current control loop is established in the dq0 coordinate system， and the designed PI controller is used to control the active and reactive power between the AC system and the voltage source converter. Matlab software is used to successfully to simulate the three-trminal system， and its performance is analyzed. It embodies the advantages of flexibility， controllability and intelligence of the three-terminal HVDC system.

Key Words：three terminal flexible； DC transmission； voltage source converter； Matlab

0 引言

在經济快速发展的时代，人口密集型大中城市对于用电质量的需求与日俱增。我国地域广阔，拥有丰富的自然资源，但能源分布与负荷分布却不均衡，越来越多的人考虑到需要更加合理地利用可再生能源满足客观需求。柔性直流输电系统广泛应用于分布式电源、风力发电、水电并网、大负荷供电等复杂系统中，能够平衡能源与负荷分布需求。

此外，采用大功率晶闸管设计的换流器将使得输出的电压掺杂谐波，降低电能质量，而对系统增设相应的滤波装置，将增加工程造价以及施工复杂性。本系统相对于传统输电最大不同点在于创新性地采用开关速度高、功耗小、耐脉冲电流冲击、通态压降较低、适合大电流环境、同时保持着较高开关频率等特点的全控型开关器件——绝缘栅双极晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）构建电压源换流器（Voltage Source Converter，VSC），可实现双向潮流，性能可控，稳定性好。

作为未来电网的重要组成部分，直流输电网络的直流电压控制是首要问题，稳定的直流电压可以为稳定的直流功率输送提供保障，间接体现系统整体运行的稳定性，因此系统稳定的前提是维持恒定的直流电压。采用并联式三端柔性直流输电系统可以在两端系统基础上进行扩建，从而增加输电网络的灵活性和智能性。一个稳定的三端直流输电系统可以为有源网络和无源网络提供稳定的能量输送。

文献[1]探讨在电压稳定性方面增强传输限制的策略。文献[2]着重讨论直流电压下垂控制策略和附加偏差补偿控制，并且基于这两种调压策略在两端配电网和三端环状配电网进行了运行特性仿真分析。文献[3]构建VSC的数学模型，分析多端柔性直流系统的启动控制策略，构建了三端有源换流输电网络。文献[4-7]对两端柔性直流输电技术进行探讨并提出控制器设计包括控制方式和控制策略。文献[8-11]介绍了PID参数整定。文献[12]提出一种给无源网络输送电能的仿真模型，介绍了三端无源输电网络的逆变站和整流站設计策略。文献[13-14]叙述了直流输电换流站的设计思路。文献[15]讨论了双端直流输电仿真系统并且受端为有源端，简述了定直流电压控制和定有功功率控制，也对锁相同步环节作了简略的概述。文献[16]给出了用于向无源网络供电时采用的定交流电压控制和适用于黑启动和风电并网条件下的变频率控制。

本文不同于单独给有源网络或者单独给无源网络输送电能，在构建三端柔性直流输电系统中，采用主从控制策略，设计PI闭环控制器，整流站为定直流电压控制，可以分别向定有功功率控制的一个有源网络以及采用定交流电压控制方式控制的一个无源网络输送电能，同时，3个换流站采用并联结构，可以防止当一个换流站出现问题时导致系统瘫痪，同时该模型适用于风电并网等动态仿真。

1 系统建模

换流站结构如图1所示。usa、usb、usc分别为交流侧三相瞬时电压，ua、ub、uc分别为换流站输出端三相瞬时电压[5]。

由式（4）～（5）可知，Ps和Qs与id、iq成线性关系，所以控制id、iq进而可以控制有功功率和无功功率，得到在d轴和q轴方向上2个独立的电流控制回路。基于这两个独立的控制回路，设计基于可控变量的双闭环解耦控制器，其中外环可控制功率（包括直流电压和交流电压等与功率相关的被控量），内环控制电流。采用比例积分（Proportional Integral， PI）控制器用于实现系统的快速响应和稳定状态。

2 控制器设计

2.1 换流器控制方式

本文构建了三端柔性直流输电系统的仿真结构，分别采用有源网络和有源、无源网络输电相结合的主从调控策略，对换流站采取了并联形式，目的是增加系统的灵活性和稳定性，系统拓扑结构如图2所示。

换流站1作为整流器，调控方式是定直流电压模式，在每一个三端输电控制中，总是需要保证有一个站是在定直流电压调控模式下运行的，这样才能保证系统整流侧的电压恒定，同时也调控整个换流站传输到交流侧的无功功率。

换流站2作为逆变器，其控制方式是采取定直流电流模式（定有功功率控制），用于实现电压源换流站之间传输的功耗调节，实现潮流双向流动。

换流站3作为逆变器，其调控方式是定交流电压模式。用于系统连接的是无源网络，采用定交流电压控制。

VSC通常采用正弦脉宽调制（Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM）技术，SPWM 的基本原理利用已知确定的正弦信号（期望输出的电压波形）与三角载波信号二者作比较产生的PWM波，决定每个由IGBT构成的桥臂通断状态。

换流站1为整个系统提供稳定的直流控制电压，即满足换流站1的能量输出为其余换流站接收能量及系统能耗之和。

2.2 控制器仿真搭建

采用d-q解耦方法，控制器具有快速的电流响应特性以及出色的内部限流能力。外部控制环的控制变量可以根据给定的直流电压、有功无功功率进行调控，进过PI模块后产生内环参考电流值Id_ref及Iq_ref，而实际d、q轴上的Id、Iq也跟踪着内部电流环的d、q轴参考电流，这样就能快速调节整个控制，进而实现动态调控作用。电压裕度控制需要使得恒定电压变化幅度维持在每个转换器的期望值。

换流站1控制器如图3所示。采用定直流电压控制方式，设置参考电压700kV，生成参考电流，内环加入在dq0坐标系中d轴和q轴方向上的电压值作为参考值。

换流站2作为逆变侧，连接有源网络，控制器结构如图4所示。采用定有功功率控制，即为双PI闭环外环提供参考功率值。

换流站3控制器如图5所示[9]。定交流电压控制，由于换流站3连接的是负载，也就是无源网络，以给定的交流电压值作为控制器的参考点。

3 算例分析

三端输电系统设计针对受端为有源和无源两种特殊负载且换流站采用并联方式的输电网络，以是防止系统瘫痪以及达到快速响应目的。通常情况下，换流站连接成多端结构，稳定区域会略有下降，也会产生波动。然而控制方式不正确，则会使得系统不稳定，进而产生震荡，引起输电电能质量掺杂谐波，引起电能质量下降。

在系统初始时，通用桥两端并联电容开始充电，电压缓慢增加，由于站1是定直流电压控制模式，电压快速恢复到设定值。换流站1直流侧电压变化情况如图6所示，直流电压从0时刻开始电压增加，0.06s时Udc增加到760kV。0.09s时Udc增加到750kV后，直流电压Udc受到定直流电压控制器PI闭环参数的调控作用，迅速进入稳定直流电压运行状态。

说明：启动过程用时0.375s，PI整定时间也很迅速，系统并未出现大的波动，也没有参杂其他谐波。启动过程快速稳定达到预期效果。

对于初始状态，并联在换流站两端的电容充电时，换流站1整流侧输出的直流电压从零迅速提升到700kV以上，然后维持平稳，这种情况下，对于交直流侧的冲击都是较大的。而通加入整定动态的调控后，电压恢复平稳值，避免了产生脉冲响应，这也是因为利用了IGBT耐脉冲的优良特点以及站1对于整流侧电压的动态调控能力，可以将Udc维持在设定值700kV。

图7、图8为3个换流站的单相交流电流及电压，均受到了明显的抑制作用，加入启动控制策略后，单相交流电流值均被限制在0.3kA以内，单相交流电流的波动情况也被有效缓解。这样做的目的是为了减轻启动初期冲击电流对于系统的交直流侧干扰，防止系统震荡，有效提升整体系统的运行可靠性。由于在换流站3右侧连接的是负载，并且在仿真模型中添加了断路器，用来保护电路，断路器的初始状态为打开，在0.25s时关断。所以波形在0.25s时会出现转折变化。

换流站1的整流侧输出功率如图9所示，换流站作为控制的主输出站，发出的有功功率可使整体系统能量保持均衡。系统有功功率阶跃，规定交流系统输送电能到换流器方向为正方向，逆变侧有功定值0Mw，无功定值0Mvar。

4 结语

Simulink平台搭建的系统仿真模型，能够正常运行，采用IGBT构建的通用桥可以更快速、平稳地实现双向换流，采用具有明显优点的双PI闭环控制器，使该仿真快速达到稳定状态。

基于VSC三终端柔性直流输电仿真系统，研究不同控制方式的三种PI控制器，并对其稳定运行进行仿真分析。测试结果表明：①模型满足对于有源和无源网络的运行控制，系统稳定性能良好；②能够迅速达到稳定状态，响应迅速；③对于大规模多端系统搭建以及电能的分布式支援有非常重要的参考意义。

参考文献：

[1] MEEGAHAPOLA L， LITTLER T， PERERA S. Capability curve based enhanced reactive power control strategy for stability enhancement and network voltage management[J]. International Journal of Electrical Power & Energy Systems，2013， 52（1）：96-106.

[2] 景世良，王毅，许士锦，等.基于VSC的直流配电网的电压调整控制策略[J].电力科学与工程，2016，32（5）：7-13.

[3] 冯明，李兴源，李宽，等.多端柔性直流输电系统启动控制及其仿真[J].电力系统保护与控制，2013（14）：60-65.

[4] 唐庚，徐政，薛英林，等.基于模块化多电平换流器的多端柔性直流输电控制系统设计[J].高电压技术，2013，39（11）：2773-2782.

[5] 李衡.轻型直流输电控制方式研究[D].西安：西安科技大学，2015.

[6] 向往，譚艳军，陆佳政，等.交直流输电线路热力融冰技术分析[J].电力建设，2014（8）：101-107.

[7] 焦圣喜，胡东婷，王中胜.协调控制系统模糊PID参数在线整定的仿真研究[J].电力科学与工程，2016，32（9）：55-60.

[8] 张保青，崔旅星，王晗.电网不平衡情况下一种新型PLL的设计与实现[J].电力电子技术，2013，47（6）：57-59.

[9] EGEA-LVAREZ A， ARAGUES-PENALBA M， PRIEO-ARAUJO E， et al. Power reduction coordinated scheme for wind power plants connected with VSC-HVDC[J]. Renewable Energy， 2017，107：1-13.

[10] 任敬国，李可军，赵建国，等.VSC-MTDC输电系统的直流侧运行特性分析与稳态工作点计算[J].中国电机工程学报，2015，35（4）：786-795.

[11] 兰五胜.基于感应滤波变压器的直流输电换流系统的设计与仿真[D].长沙：湖南大学，2012.

[12] 王卫安，桂卫华，马雅青，等.向无源网络供电的模块化多电平换流器型高压直流输电系统控制器设计[J].高电压技术，2012，38（3）：751-761.

[13] 冷明全，文玉良，吴安兵，等.直流输电换流站防冻棚热设计及其工程应用[J].电力科学与工程，2016，32（12）：61-65.

[14] JIANG B， WANG Z， KAZMERSKI L. The key technologies of VSC-MTDC and its application in China[J]. Renewable & Sustainable Energy Reviews， 2016，62：297-304.

[15] 梁律，罗隆福，黄肇，等.双端VSC-HVDC系统建模及控制方法研究[J].电源技术，2016，40（3）：675-679.

[16] 赵成勇，曹春刚.向无源网络供电的MMC-HVDC系统控制策略[C].秦皇岛：中国高等学校电力系统及其自动化专业学术年会，2011.

（责任编辑：刘亭亭）