柔性直流输电系统建模与仿真

孙宇斌，张建华，裘剑明，徐 虹

（华北电力大学电气与电子工程学院，北京 102206）

0 引言

由于采用了全控型开关器件和高频PWM调制技术，使得柔性直流输电（HVDC-Flexible）在具备常规直流输电所有的优点之外，还具备很多自身的特殊优点。例如：柔性直流输电系统可以在其运行范围内对有功和无功功率进行完全独立的控制；其受端系统可以是无源网络；在一定的控制策略下，可以消除交流系统的电压闪变和特定次谐波等。因此，柔性直流输电在新能源并网发电、向偏远地区供电、提高电网电能质量等领域得到了广泛应用［1］。

随着我国能源紧缺和环境污染等问题的日益严峻，以及风能、太阳能等可再生能源利用规模不断扩大，可以看到，在不久的将来柔性直流输电将成为我国电网的重要组成部分［2］。在此背景下，研究HVDC-Flexible系统的结构、运行原理及控制策略，并对HVDC-Flexible进行建模与仿真，分析系统的稳态、动态特性等显得非常重要。文献［3］提出了一种柔性直流输电系统向无源网络供电的控制策略，并设计了相应的控制器；文献［4］对向无源网络供电的柔性直流输电系统进行了建模与仿真，但其控制方法还有待完善；文献［5］研究了电压源换流器型直流输电系统的电压和电流的限幅控制，改善了其控制系统的动态响应速度；文献［6］结合上海南汇柔性直流输电示范工程介绍了柔性直流输电控制及保护系统的工作原理。利用Matlab中的Simulink对HVDC-Flexible进行建模，并在此模型基础上进行了系统的稳态和暂态故障的仿真，得出相应的仿真波形，验证了该模型的有效性。

1 柔性直流输电技术的结构与原理

1.1 系统结构

如图1所示，柔性直流输电系统的主要设备一般包括：联接变压器、交流滤波器、相电抗器、电压源换流器、换流站的控制保护及辅助系统（水冷系统、站用电系统）、极设备和直流输电线路等。

图1 柔性直流输电系统结构示意图

联接变压器是带抽头的普通变压器，其作用是为电压源换流器提供合适的工作电压；交流滤波器的作用是滤除换流器交流侧谐波；相电抗器是电压源换流器与交流系统进行能量交换的纽带，也有滤波的作用；电压源换流器包括换流电路和直流电容器，换流电路由一个或多个换流桥串联（或并联）组成，工程中换流桥多采用三相两电平桥式、二极管钳位式三电平桥式或模块化多电平结构。

1.2 数学模型

典型的三相二电平VSC换流桥结构如图2所示。图中usa、usb、usc分别为交流系统侧三相瞬时电压，ua、ub、uc分别为换流站出口端三相瞬时电压，ia、ib、ic分别为流入换流器的三相瞬时电流。根据基尔霍夫电路定律，利用输入输出法建立柔性直流输电系统的数学模型，可得换流站交流系统微分方程组的矩阵矢量形式为：

在d-q旋转坐标系下，当以a相电压轴作为d轴时，即Usq=0，换流站与交流系统交换的有功功率ps和无功功率qs可表示为：

由式（3）可见，在d-q旋转坐标系下分别控制id和iq便实现了换流站与系统交换的有功和无功功率的解耦控制。

图2 电压源换流器三相电路拓扑图

1.3 控制原理

柔性直流输电系统的控制主要采用脉宽调制技术（PWM）或者脉冲幅值调制技术（PAW）。PWM技术多应用于基于IGBT阀的柔性直流换流站控制，而PAW技术则多应用于基于GTO阀的柔性直流换流站的控制。

当不计相电抗器和联接变压器的电阻时，电压源换流器与交流系统间交换的有功功率P和无功功率Q分别为：

式中：Xc为联接变压器和相电抗器的等效电抗值，Us为交流系统母线电压基频分量有效值，Uc为换流器交流侧电压基频分量有效值，δ为Uc相对于Us的相角差。由式（4）和（5）可见，换流器控制系统可通过调节PWM的脉宽调制比M（换流器交流侧输出电压基频相电压幅值与直流电压的比值）以及移相角度δ实现对有功率P与无功功率Q的快速独立控制。其具体实现过程如图3所示。

图3中Aref为有功功率类控制量，Bref为无功功率类控制量。整个控制系统由外环电压控制器、内环电流控制器、锁相同步环节和触发脉冲生成等环节组成。外环电压控制器主要用于根据柔性直流系统的控制目标实现定直流电压控制、定有功功率控制、定频率控制、定无功功率控制和定交流电压控制等控制目标。内环电流控制器用于实现对换流器交流侧电流幅值和相位的直接控制，以快速跟踪参考电流。锁相环节输出的相位信号用于提供电压矢量控制和触发脉冲生成所需的基准相位。

图3 换流站控制原理示意图

2 柔性直流输电系统仿真模型

在Matlab中，利用Simulink对柔性直流输电系统及其控制器建立仿真模型如图4所示。该模型模拟风电场向孤岛无源负荷进行供电。

图4中，600 V、10 MVA风电场通过20 kV直流输电线路与380 V、3 MVA、50 HZ的孤岛无源负荷相连。电压源换流器VSC1实现整流过程，其控制方式采用定直流电压控制和定无功功率控制，该控制器仿真模型如图5所示。 定直流电压控制方式用以平衡系统中传输的有功功率，整定值设为20 kV；定无功功率控制方式可根据无功调度指令设定整定参数用以抑制电压波动以提高系统的电压稳定性。电压源换流站VSC2实现逆变过程，其控制方式采用定频率控制和定交流电压控制，该控制器的仿真模型如图6所示。

图5为整流侧控制器的内环电流控制器模型，它由2个PI调节环节构成。第一个环节为直流电压控制环节，外环电压控制器送来的id与整定值id_ref比较后的误差经PI环节，参与到PWM脉冲触发信号ud的形成过程中。第二个环节为无功功率控制环节，外环电压控制环节送来的iq与整定iq_ref比较后的误差经PI环节，参与到PWM脉冲触发信号uq的形成过程中。最后PWM脉冲发生器根据ud和uq来控制换流器以实现整流侧定直流电压与定无功功率的控制目标。

图6为逆变侧控制器的模型，它由1个PI调节环节构成。在该环节中，母线送来的测量值Uabc经park变换得到的ud和uq，它们与整定值ud_ref、uq_ref比较后的误差经PI环节，参与到PWM脉冲触发信号Uabc_inv的形成过程中。换流器输出交流电压相位和频率由锁相器PLL的整定参数所决定。最后PWM脉冲发生器根据Uabc_inv来控制换流器以实现逆变侧定交流电压与定频率的控制目标。

图4 柔性直流输电系统仿真模型

图5 整流侧内环电流控制器仿真模型示意图

图6 逆变侧控制器仿真模型示意图

3 仿真结果分析

基于图4所示的仿真模型，分别对系统稳态、直流线路故障、逆变侧交流故障进行仿真，仿真结果如下。

3.1 系统稳态仿真

仿真后逆变器交流侧电压和直流侧电压的波形如图7所示。由仿真波形可见，逆变器交流侧电压在0.12 s后便可以稳定的运行于额定状态，而由于对稳压电容充电的原因，直流侧电压进入稳定的额定运行状态则至少需要1 s的时间。实验结果表明本仿真模型所采用的控制策略是有效的。

图7 系统稳态仿真波形示意图

3.2 直流线路故障仿真

本次仿真模拟逆变器直流侧在2.5 s时发生直流线路接地故障，2.6 s时故障消除，接地时间0.1 s。仿真后的直流电压和直流电流的波形如图8所示。由仿真波形可见，直流线路的接地故障导致了直流电压瞬间跌落至0，而稳压电容器通过接地点以及接地极形成的通路放电导致了直流电流瞬间达到了35倍的额定值。在故障消失后，直流电压与电流均经历了较长时间的振荡才重新回到了额定运行状态。可见直流线路接地故障对整个柔性输电系统造成的影响是巨大的，因此在实际柔性直流工程中一般采用电缆输电来降低直流线路的故障率。

图8 直流线路故障仿真波形示意图

3.3 逆变侧交流故障仿真

本次仿真模拟逆变器交流侧在3.0 s时发生a，b两相接地故障，3.1 s时故障消除，故障持续0.1 s。仿真后逆变器交流侧电压和直流侧电压的波形如图9所示。由仿真波形可见，故障时逆变器直流侧电压及交流侧线电压均出现了扰动。故障清除后，直流侧电压和交流侧电压均经小幅振荡后回归正常。结果表明，本文所提的控制策略具有较强的抗交流故障能力。

图9 直流线路故障仿真波形示意图

4 结语

随着我国坚强智能电网的建设，以及风能、太阳能等清洁能源利用规模的不断扩大，柔性直流输电必将因其独有的优点成为我国电网的重要组成部分。所以HVDC-Flexible的建模与仿真，将对电力系统的设计、规划和运行起着重大的作用。本文利用Matlab的Simulink对柔性直流输电系统及其控制器进行了建模，并在此模型的基础上进行了稳态和一系列暂态故障的仿真。 仿真结果表明该模型可靠有效，符合工程实际情况；所提出的控制策略具有较快的响应速度并对交流侧故障有一定的抵抗能力。