电压源型高压直流输电系统建模与仿真研究

温 宇

（四川省电力公司内江电业局，四川内江 641000）

传统高压直流输电(HVDC)技术的优点，使其在远距离大功率输电、海底电缆送电、交流系统之间的非同步联络等方面都具有广泛的应用前景。电压源型高压直流输电(VSC-HVDC)技术是一种灵活、经济、环保、高效的输配电技术，它以自关断型电力电子器件和脉宽调制技术(PWM，Pulse Width Modulation)为基础，使其既可以对VSC-HVDC传输的有功、无功功率实现四象限独立控制，又可以在无源逆变方式下工作，实现向无源网络供电，从而克服了传统HVDC无法向无源网络供电的根本缺陷;在潮流发生反转时，直流电流方向发生反转而直流电压极性不变，并且换流器之间无需通信，从而有利于构成多端直流输电系统。因此，VSC-HVDC在向远距离负荷供电、连接分散小型发电厂(如风能、太阳能发电等)、构筑大城市直流配电网等领域具有很大的应用空间［1-3］。

文献［3-4］提出的数学模型是基于静止坐标系建立的，其物理模型不明确，无法实现有功功率和无功功率的独立控制;而其提出的控制策略是一种间接电流控制，该控制策略存在交流侧电流动态响应慢、对系统参数变化过于灵敏等缺点。文献［5］提出了在dq0坐标系下建立VSC-HVDC的稳态模型，并设计了相关的PI控制器。上述文献对VSC-HVDC的研究均未从仿真中验证VSC-HVDC的具体优势。

本文在同步dq旋转坐标系下，建立了VSCHVDC系统的数学模型及外环功率和内环电流控制器，并针对双端供电系统设计了整流端和逆变端相关控制器。最后基于暂态仿真软件PSCAD/EMTDC建立了VSC-HVDC双端系统仿真模型，通过潮流发生反转时的仿真结果，验证了所建立的数学模型及相关控制器的正确性和有效性。且相对独立，现采用整流侧换流器(VSC)进行分析。如图1所示三相两电平换流器，其中usl、isl和vl(l=a，b，c)分别为交流系统母线电压、电流及VSC交流侧电压基波量;udc、idc、id分别为VSC直流侧的电压值、输出电流值以及注入到直流系统的直流电流值;P、Q、Pdc分别为VSC从交流系统吸收的有功、无功功率和VSC注入直流侧的有功功率;R、L分别为包括开关损耗的换流器等效电阻和换流器等效电抗;C为直流侧滤波电容。

图1 VSC-HVDC换流站主电路

1 VSC-HVDC数学模型

由于VSC-HVDC双端系统两侧系统结构对称

交流系统平衡时，根据基尔霍夫定律可得在三相静止坐标系下VSC的低频动态模型［6］:

为便于对各物理量的分析与独立控制，现通过Park变换将式(1)简化，得到在同步dq旋转坐标系下的 VSC 数学模型［7］:

式中 usl、isl、vl、Sl(l=d、q)分别为电网电压、电网电流、VSC交流侧基波电压以及开关函数的d、q分量;ω为系统角频率。

2 控制器设计

2.1 内环电流控制器设计

由式(2)可以得到vd、vq量均具有强耦合性，因此为消除dq之间的耦合，式(1)可以变形为:

图2 电流内环离散控制器

2.2 外环功率控制器设计

在忽略电阻R后，由瞬时功率理论［7］可得:

在交流系统电压平衡条件下，取d轴方向与交流电压矢量Usl的方向一致，有Usd=Usl(Usl为整流侧交流电压矢量Usl的模值)，Usq=0;则式(4)可简化为

式中P*、Q*分别为VSC期望输出有功功率与无功功率量。

在外环功率控制器中现引入数字PI控制器，从而消除被控量的稳态误差，结合式(5)可以得到有功功率和无功功率控制器，如图3、图4所示。

为平衡系统的有功功率并保持直流侧电压稳定，本文在整流侧换流器控制系统中采用定直流电压控制器。

忽略电阻R后，由换流器VSC交直流两侧的有功功率应保持平衡可得:

在系统稳态时，图1中直流侧电容上的电压微分值为0，即id=idc则式(6)可化简为

由式(7)可得如图5所示的外环离散化定直流电压控制器，其中K=2/3Us1。图5中直流电压与其期望值的偏差经数字PI控制器调节后，得到的修正量Δi'sd与i'sd求和得到有功电流的参考值，其中修正量Δi'sd的引入可以改善控制器的响应特性并消除静差。

图5 定直流电压控制器

3 仿真与分析

3.1 双端供电系统的仿真模型

为验证所设计控制器的正确性和有效性，利用电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC建立VSC-HVDC双端系统仿真模型，进行仿真验证。仿真模型中系统的主要参数为:整流侧(VSC1)和逆变侧(VSC2)交流系统的额定相电压幅值Us1=10kV，Us2=6.6kV，系统的等效电抗和电阻分别为0.04Ω、1mH;换流电抗器等效损耗电阻和电抗分别为5.61mH、0.2Ω;直流侧电容2C1=2C2=2000μF;两侧交流系统母线处采用二阶高通滤波器，其参数为 Rf=2.8Ω、Lf=0.21mH、Cf=100.4μF。根据VSC-HVDC双端系统的控制规律，整流侧外环控制器采用定直流电压(电压设定值U=20kV)和定无功功率控制器，逆变侧外环控制器采用定有功功率和定无功功率控制器。其中，仿真系统的采样周期设定为Ts=10μs。

3.2 仿真结果分析

仿真模型中两侧换流器的无功功率设定值均为0Mvar，系统在0.25s秒发生潮流反转(P*由6MW变为－6MW)时的仿真结果如图6所示。

图6 逆变侧有功功率指令阶跃变化(6Mvar(－6Mvar)仿真波形

4 结论

本文建立了在同步dq旋转坐标系下电压源型高压直流输电系统的数学模型，针对向双端供电系统设计了相关控制器，并进行了数字仿真。仿真结果表明:所推导的数学模型是正确的，而相关控制器能够实现有功功率和无功功率的独立解耦控制;同时，在系统发生潮流反转工程情况下，各被控量具有较好鲁棒性和稳定性。

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