VSC-HVDC系统控制结构及稳态模型仿真

王铭懿;庄永辉

【摘 要】控制系统是VSC-HVDC系统的核心之一.在介绍VSC-HVDC系统结构的基础上,对该系统的数学模型和有功无功功率控制策略进行了研究,给出了VSC -HVDC系统的稳态数学模型.确定了该系统两端换流站的四个被控变量与相应控制量之间的对应关系,并对稳态模型的控制器进行了仿真实验.结果表明:所设计的控制器具有良好的控制性能,为该控制系统的硬件实验提供了理论基础. 【期刊名称】《四川水力发电》 【年(卷),期】2012(031)005 【总页数】3页(P117-119)

【关键词】VSC-HVDC系统;及稳态模型;仿真 【作 者】王铭懿;庄永辉

【作者单位】嘉陵江亭子口水利水电开发有限公司,四川成都610041;四川二滩建设咨询有限公司,四川成都610051 【正文语种】中 文 【中图分类】TP391.9 1 概述

随着大功率、高频率的可关断器件IGBT的出现以及PWM技术的引入，利用PWM控制的VSC进行直流输电的概念也随之产生，即轻型直流输电(HVDC

Light，亦称 VSC-HVDC)技术。VSC-HVDC采用脉宽调制(PWM)控制技术，以全控型的功率器件如IGBT等作为开关器件，使得VSC-HVDC具有可调节有功和无功功率的优点，可以向无源网络送电，克服了传统HVDC的固有缺陷，把HVDC的优势扩展到配电网，极大地拓宽了HVDC的应用范围，在远距离、大功率输电、海底电缆送电、不同额定频率或相同额定频率交流系统之间的非同步联网等方面得到了广泛应用，具有广阔的应用前景。 2 VSC-HVDC系统结构及运行原理

典型的三相二电平VSC结构如图1所示。忽略谐波分量，抽流器吸收的有功功率和感性无功功率分别为: 图1 电压源换流器示意图

式中 Us为交流母线线电压基波分量;Uc为换流器输出电压的线电压基波分量;X为换流电抗器的等效电抗;δ为换流器输出基波电压滞后交流母线基波电压的相角。当VSC采用PWM控制时，δ就是PWM的调制波相角。Uc与直流电压Ud的关系可以表示为:

式中 k为所选用PWM触发方式的直流电压利用率;m为PWM的调制度，当采用正弦脉宽调制(SPWM)时，m为正弦载波峰值与三角调制波幅值的比值。 由式(1)、(2)、(3)可以看出，当VSC与有源交流网络相联时是一个两输入(PWM的相位与调制度)、两输出(VSC所发出的无功和直流电压或直流电流)、非线性、非解耦的被控对象。下面通过相对灵敏度分析给出两个控制量与两个被控量的匹配关系，用以指导相应的控制器设计。

定义=为函数T对变量x的相对灵敏度。由式(1)、(3)可得:

由式(2)、(3)可得:

VSC正常运行时，P接近其额定值1(标么值)，Q根据系统运行状态调节，一般比较小，δ以弧度表示也比较小，接近于0。考虑到这些具体的运行状态，可以得到以下关系:

由此可见，有功功率的传输主要取决于δ通过对δ的控制就可以控制直流电流的方向及输送功率的大小。无功功率的传输主要取决于m，通过控制m就可以控制VSC发出或吸收无功功率及其大小。尤其当δ=0时，VSC只发出无功功率，当δ=arcos(Us/Uc)时，VSC以单位功率因数运行。所以，VSC不仅能提高功率因数，而且还能起到STATCOM的作用，动态补偿交流母线的无功功率，稳定交流母线电压。

3 VSC-HVDC系统控制器设计及仿真分析

对于一个实际的VSC-HVDC系统，需要有一端采用定直流电压控制，而另一端是采用定直流电流控制，还是采用定交流电压控制则取决于所联的交流网络是有源网络还是无源网络。这里仅讨论两端均联结有源交流网络的情况。仿真系统主电路如图2所示。

图2 VSC-HVDC稳态模型示意图

系统采用整流侧定有功功率和定无功功率控制，逆变侧采用定直流电压和定交流电压控制。VSC-HVDC系统两端的VSC可以分别控制无功功率，但是其两侧的有功功率必须平衡。有功功率的偏差会导致直流电压的剧烈变化，所以，整流VSC对逆变侧VSC的影响表现在直流电压的变化上，而逆变侧VSC对整流侧VSC的影响表现在有功功率的变化上。所以，选择m控制整流侧无功功率和逆变侧交流电压，δ控制整流侧有功功率和逆变侧直流电压。

为验证所建模型的正确性和所设计控制器的有效性，采用PSCAD/EMTDC软件对图2所示系统进行了仿真研究，系统具体参数如下:两端交流系统标称电压Us1=Us2=110 kV，变压器额定容量Sn=100 MVA(选作系统功率基准值)，直流侧电容 C1=C2=500 μF，直流电缆长 100 km，逆变侧直流电压给定值Ud=118 kV，IGBT开关频率为1 650 Hz。

仿真系统运行条件包括有功功率和无功功率，整定值做不同阶跃变化并包括一次由正到负的潮流反转控制。仿真结果如图3～6所示。 图3 P_ref、Q_ref分别作阶跃变化示意图

图中由上到下依次为定功率控制端吸收的有功功率(P_rec)、无功功率(Q_rec)，折线或直线为相应的整定值(P_ref、Q_ref);定电压控制端的直流电压(Vd_inv)、交流电压有效值(Vac_inv)，直线为相应的整定值。

由图可见:既使各被控量的整定值同时作阶跃变化，文中设计的控制器仍有很快的响应速度和很好的稳定性。在不同的运行点，各被控制量都能达到较高的稳态控制精度。所设计的控制器能在控制方式不变的条件下实现直流潮流的快速反转。在不同的运行状态，其控制效果略有不同。因为对于一个非线性的控制对象来说，一组PI参数不可能对所有运行点都是最佳的。为了取得更好的控制效果，可考虑变换参数PI控制器。

另外，仿真结果验证了VSC-HVDC系统两端换流站的控制可以不需要换流站之间的通讯通道，而且基于VSC的直流输电系统潮流反转时直流电压极性不变而直流电流方向反转，易于构成多端系统，这一点与传统的直流输电正好相反。 图4 P_ref、Q_ref同时作阶跃变化示意图 图5 P_ref作阶跃变化实现潮流反转示意图 4 结语

图6 P_ref按斜坡变化实现潮流反转示意图

通过对VSC-HVDC系统稳态模型进行分析，以及联结有源网络时一端定有功功率、一端定直流电压控制方式下VSC控制量与被控制量之间的合理对应关系的推导，设计了VSC-HVDC稳态控制器。在PSCAD/EMTDC下的仿真结果表明:所设计的控制器具有良好的响应速度和稳态控制精度，在不同的工作点都能取得良好的控制效果，同时也证明了控制量与被控制量之间对应关系的合理性。 参考文献:

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