VSC-HVDC并联运行系统中零序环流的抑制

付子义，杜田雨



VSC-HVDC并联运行系统中零序环流的抑制

付子义，杜田雨

（河南理工大学 电气工程与自动化学院，河南 焦作 454150）

采用共交直流母线并联的VSC-HVDC系统可以提高其传输容量，但需要解决换流器模块间电流分配不均及环流问题。分析了零序环流产生的原因，建立了逆变侧并联模块的数学模型。在上述分析基础上，提出一种基于旋转坐标系的零序环流控制策略。通过模块并联以及载波移相技术，增加了系统的容量并提高了波形质量。仿真结果验证了控制策略的有效性。

并联运行；共直流母线；零序环流；载波移相

0 引言

近年来，随着电力半导体技术迅速发展及计算机控制技术的应用[1]，以电压源换流器(Voltage source converter, VSC)和IGBT为基础的柔性直流输电技术(VSC-HVDC)，把高压直流输电(high voltage direct current; HVDC)的容量延伸到了几MW到几十MW，这种小功率的柔性直流输电技术有很好的应用前景[2-4]。采用电压源型换流器（VSC）和脉冲宽度调制技术（Pulse Width Modulation; PWM）的新型高压直流输电技术得到了广泛的研究。

随着VSC-HVDC在新能源开发、电力系统等领域的应用日益广泛，对其容量和可靠性提出了更高的要求。然而单纯依赖增加串联全控器件IGBT的数量来提高功率水平增加了实际工程运行的难度，并且增加了系统损耗，降低了系统可靠性[5]。

模块化多电平拓扑的引入可提高系统功率等级[6]，但价格成本太高，系统也更加复杂。在风力发电、孤岛供电、分布式发电等低压领域[7]，常规的两电平/三电平VSC仍被广泛应用[8]。如何在低压下实现大功率已成为一个急待解决的问题。

采用多模块并联方案可以在低压的情况下满足大功率的需求。通过模块并联可以提高系统的容量，同时提高系统的可靠性，实现了系统的冗余设计。但模块并联会引入零序环流问题。环流的存在会增加流过功率开关器件的电流，增加换流器的损耗甚至损坏换流器。文献[9]提出了独立直流母线的并联策略，实现了零序环流的抑制。文献[10]提出控制SVPWM算法中不同零矢量在每个PWM周期的作用时间来抑制环流，但实现比较复杂。文献[11]提出了一种环流无差拍控制方法，但该策略需要额外使用通讯线，增加了系统的成本。文献[12]对环流现象进行了分析，但提出的环流抑制方法需要较多的控制器。

本文首先推导了并联VSC-HVDC系统逆变侧的数学模型，以两个模块并联为例，分析环流产生的原因，提出一种基于旋转坐标系的零序环流控制策略。仿真结果表明该控制策略能够有效降低系统中的零序环流，增强了系统的安全性、可靠性。

1 并联VSC-HVDC系统结构

并联VSC-HVDC系统结构如图1所示，该系统由变压器、交流滤波器、整流侧换流器、逆变侧换流器、直流电容器、串联电抗器组成。换流器实现交流电与直流电的变换；变压器为换流器提供适当的电压和相位的交流电源；串联电抗器和交流滤波器滤除换流器产生的谐波；直流电容器为换流器提供直流电压支撑和抑制直流电压脉动。串联电抗器也是实现有功功率与无功功率双重控制的重要元件，电抗器两端的基波电压决定了交流电网与换流器交换的有功功率和无功功率[13]。载波移相并联技术能够提高系统总的容量，实现系统的冗余设计，减少输出电流的开关波纹，使滤波电容和滤波电感大大减小。整流侧换流器调节输入系统的有功功率，逆变侧换流器稳定直流母线电压以及控制交流侧功率因数。

图1 并联VSC-HVDC系统结构

Fig 1 Parallel VSC-HVDC system structure

2 并联VSC-HVDC系统一侧的数学模型及环流分析

本文采用线路级并联方案，如图2所示。

图2 逆变侧换流器的拓扑结构图

Fig 2 Topology diagram of the inverter-side converter

线路级并联通常指各相桥臂串联电抗器后再进行并联[15]。取直流母线的负极为参考电压，由基尔霍夫定律可得逆变侧换流器在自然坐标系下的平均值模型：

对于单个VSC-HVDC系统，不存在环流通路，零序环流为零。但并联VSC-HVDC系统两侧换流器共直流侧母线，这为零序环流提供了通路。由于换流器开关状态不同，2个换流器参数不完全一致，模块1的电流可能在模块2上流通，模块2的电流可能在模块1上流通。以A、B相为例只对环流通路进行分析。当A相上桥臂和B相下桥臂导通时，如图3所示。

环流通路为P-A2-A-uN-B-B1-N-P;P-A2-A-uN-B- B2-N-P。若两模块不完全同步，即模块1A相上桥臂导通，模块2A相下桥臂导通时，则有环流通路为P-A1-A-A2-N-P, P-A2-A-A1-N-P。对于B相和C相之间，A相和C相之间，存在类似的环流通路[10]。环流在并联换流器模块之间流通，造成换流器不能均分电流。根据基尔霍夫电流定律，两个模块的零序环流大小相等，方向相反。定义环流为：

i1、i2分别为逆变侧换流器模块1、模块2的零序环流。当系统并联运行时，由于环流的存在，两侧三相电流不平衡。传统的二维坐标系无法得到零轴分量，所以需要三维坐标变换。定义自然坐标系到旋转坐标系的变换矩阵为：

其中为电网角频率，则逆变侧换流器在坐标系下的数学模型：

从（5）（6）式可以看出，变换后的轴、轴存在耦合，需要进行解耦控制。对于环流i，主要是由并联换流器两模块z轴分量的占空比不同造成的。式中i1、i1分别为逆变侧换流器模块1输出电流在坐标系下轴和轴分量；1为逆变侧换流器模块1串联电抗器；d1、d1分别为逆变侧换流器模块1在A、B、C相桥臂导通占空比在坐标系下轴和轴分量；d1为逆变侧换流器模块1的z轴占空比；i1为逆变侧换流器模块1的z轴电流。i2、i2分别为逆变侧换流器模块2输出电流在坐标系下轴和轴分量；2为逆变侧换流器模块2串联电抗器，d2、d2分别为逆变侧换流器模块2在A、B、C相桥臂导通占空比在坐标系下轴和轴分量；d2为逆变侧换流器模块2的z轴占空比；i2为逆变侧换流器模块2的z轴电流；Dd为占空比之差。

3 基于z轴反馈的控制策略

对于并联VSC-HVDC系统，采用双闭环控制和脉冲宽度调制（）。并联换流器的均流方案为将给定的电流折半后作为换流器两个模块各自的给定电流，来控制换流器的输出电流。通过两个发生模块载波移相180度来实现系统二重化[17]。对于零序环流的抑制，采用z轴反馈控制策略。将z轴电流指令值设置为0，检测换流器每个模块的零序电流，指令值与实际零序电流值比较，通过调节器快速跟踪指令值。然后将轴、轴和z轴电流调节器的输出信号经反变换，作为脉冲发生器的调制波来控制换流器的开断。其控制系统结构框图如图4所示。

图4 逆变侧换流器的控制系统框图

Fig 4 Block diagram of the control system of the inverter-side converter

1和2为轴电流指令值，由上一级控制器均分得到，1和2为轴电流指令值，由上一级控制器均分得到，1和2为z轴电流指令值，令其值等于零。该控制策略可以实现每个模块的独立控制，每个换流器模块的输入为上一级控制器（有功功率控制器、无功功率控制器、直流电压控制器）的输出。首先外环控制器输出的电流指令值与实际的电流值比较，差值经过电流内环控制器得到换流器输出的电压信号。两侧换流器采用矢量控制，旋转坐标系与电网电压同步旋转，且旋转坐标系的d轴与电网侧A相电压重合，实现了解耦控制[13]-[16]。

4 仿真分析

为了验证控制策略的可靠性，用Matlab/Simulink工具箱进行了仿真验证。并联VSC-HVDC系统的主要参数为：系统交流侧线电压为10 KV，直流侧母线电压为±10 KV，等效电阻损耗R1=R2=0.3 Ω，直流侧电容C1=C2=500 μF。为了模拟实际情况下，换流器参数不均，串联电抗器分别为10 mH、9 mH。

当系统没有采用零序环流控制器时的仿真波形如图5所示。由图5（a）可以看出，两个换流器没有均流，电流波形存在畸变。图5（b）为并联系统中的环流波形，i1与i2方向相反，与前述分析一致。从图5（c）可以看出，没有加入零序环流控制器时，三相电流波形发生畸变，存在三相不对称问题。

图5 无环流控制器的仿真波形

当系统加入零序环流控制器后，仿真波形如图6所示。由图6（a）可以看出，系统加入环流控制器后，换流器输出电流正弦性较好。由图6（b）可以看出零序环流幅值大约为25A，与无环流控制器相比，零序环流大大减小，证明了所提出的环流抑制控制策略的有效性。从图6（d）可以看出，采用环流控制器后，三相电流对称，解决了畸变和均流问题且电流波形正弦性良好。

图6 有环流控制器的仿真波形

Fig 6 Simulation waveform with loop controller

5 结语

本文主要研究并联VSC-HVDC系统中的环流问题，通过分析环流产生的原因，提出了一种基于旋转坐标系的零序环流控制策略。该控制策略实现简单，可以有效抑制并联所产生的环流问题，两侧换流器各模块能够实现独立控制。仿真结果表明该策略适用于共交直流母线并联的VSC-HVDC系统，具有一定的工程应用价值。

[1] 刘哲, 李永明, 周悦, 等. 基于OpenMP的多核并行技术在电力系统工频电场计算中的应用[J]. 软件, 2018, 39(3): 27-31.

[2] 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(01): 1-10.

[3] 汤广福, 贺之渊, 庞辉. 柔性直流输电工程技术研究、应用及发展[J]. 电力系统自动化, 2013, 37(15): 3-14.

[4] 李兴源, 曾琦, 王渝红, 张英敏. 柔性直流输电系统控制研究综述[J]. 高电压技术, 2016, 42(10): 3025-3037.

[5] 石新春, 周国梁, 付超. 直流侧串联的多VSC-HVDC并联运行系统直流侧电压平衡控制方法[J]. 高压电器, 2008(03): 200-202.

[6] 韦延方, 卫志农, 孙国强, 孙永辉, 滕德红. 适用于电压源换流器型高压直流输电的模块化多电平换流器最新研究进展[J]. 高电压技术, 2012, 38(05): 1243-1252.

[7] 张宋彬, 杨光, 董大磊,等. 10 kV开关柜核相支架的研制[J]. 软件, 2018, 39(2): 184-187.

[8] 周诗嘉, 林卫星, 姚良忠, 文劲宇, 王少荣. 两电平VSC与MMC通用型平均值仿真模型[J]. 电力系统自动化, 2015, 39(12): 138-145.

[9] 李瑞, 徐壮, 徐殿国. 直驱型变速恒频风力发电系统的独立直流母线并联策略[J]. 中国电机工程学报, 2012, 32(03): 56-66+15.

[10] 杨勇, 阮毅, 汤燕燕, 叶斌英, 张峰. 风力发电系统中并网逆变器并联运行环流分析[J]. 高电压技术, 2009, 35(08): 2012-2018.

[11] 张学广, 王瑞, 徐殿国. 并联型三相PWM变换器环流无差拍控制策略[J]. 中国电机工程学报, 2013, 33(06): 31-37+6.

[12] 李瑞, 徐壮, 徐殿国. 并联型永磁直驱风电系统的环流分析及其控制[J]. 中国电机工程学报, 2011, 31(06): 38-45.

[13] 同向前, 伍文俊. 电压源换流器在电力系统中的应用[M]. 北京: 机械工业出版社, 2012.

[14] 陈海荣, 徐政. 向无源网络供电的VSC-HVDC系统的控制器设计[J]. 中国电机工程学报, 2006(23): 42-48.

[15] 陈谦, 唐国庆, 胡铭. 采用dq0坐标的VSC-HVDC稳态模型与控制器设计[J]. 电力系统自动化, 2004(16): 61-66

[16] 李拓, 杜庆楠. 基于 TMS320F28335 的三相感应电机矢量控制系统的研究[J]. 软件, 2018, 39(3): 130-135

[17] 平定钢, 孔洁, 陈国柱. 载波移相SPWM并联变流器及其环流问题的研究[J]. 电气自动化, 2008, 30(4): 18-19+23.

Inhibition of Zero Sequence Circulation in VSC-HVDC Parallel Operation System

FU Zi-yi, DU Tian-yu

(School of Electrical Engineering and Automation, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454150, China)

The use of co-AC DC bus parallel VSC-HVDC system can increase its transmission capacity, but it needs to solve the problem of uneven current distribution and circulation between the converters. The causes of the zero-sequence circulation are analyzed, and the mathematical model of the inverting side parallel module is established. Based on the above analysis, a zero-sequence circulation control strategy based on rotating coordinate system is proposed. Through the use of parallel modules and carrier phase shift technology, system capacity has been increased and waveform quality has been improved. The simulation results verify the effectiveness of the control strategy.

Parallel operation; Common DC bus; Zero sequence current; Carrier phase shift

TM721

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2018.09.004

国家重点研发计划专项资助(2016YFC0600906)

付子义(1958-)，男，教授，主要研究方向：电机拖动与控制、矿井综合自动化；杜田雨(1995-)，男，研究生，主要研究方向：电力系统及其自动化。

本文著录格式：付子义，杜田雨. VSC-HVDC并联运行系统中零序环流的抑制[J]. 软件，2018，39（9）：16-20