VSC-HVDC输电系统的性能分析

姜建国 颜廷阁

(东北石油大学电气信息工程学院，黑龙江 大庆 163318)

0 引言

随着电力电子技术的发展，电压源型高压直流输电(voltage sourced converter based high-voltage direct current，VSC-HVDC)技术已被应用于海上风力发电等特殊的场合[1－2]。由于其在结构上与传统的HVDC有所不同，导致两者在性能上的差异。

VSC-HVDC输电技术具有以下几个优点[3]：①整流站和逆变站可以发出和吸收无功，它们之间可以不用进行通信;②能够向无源网路供电;③响应速度有所提高;④对环境的影响很小。

1 原理与设计

1.1 VSC输电系统原理

VSC-HVDC输电系统电路结构如图1所示。

图1 VSC-HVDC电路结构示意图Fig.1 Schematic of VSC-HVDC circuit structure

图1中，AC表示交流输电线路，DC表示直流输电线路。三相电抗器通过DC线路连接到AC输电网路的电压源端。

忽略变压器阻抗，得到换流器和交流电网之间传输的有功功率P及无功功率Q：

有功功率和无功功率被定义为正的情况有以下几种[5]：①功率潮流由AC电网流向换流器，且相位角δ是正向的;②换流器输出电压相位落后于AC电压相位。

式(1)表示有功功率与DC电流及电压成正比，同时它也受相位角δ影响。正相位角使得有功功率潮流由AC电网流向换流器。但由式(2)所得的无功功率主要取决于AC母线电压与换流器输出电压的大小，并且由较高电压反馈到较低的电压。

以上这些特征是VSC的主要优点。这些优点保证了无功功率及有功功率的独立调节。如图2所示的是有功功率-无功功率(P－Q)图。

图2 P-Q图Fig.2 P-Q diagram

图2中的P、Q均采用标幺值形式表示。

由式(3)可知，由于VSC是一个线性整流换流器，因此该圆的中心并不定位在原点。在理想状态下P和Q的工作区域是以为原点、以ULUV1/XL为半径的四象限圆形区域[6]。

1.2 系统描述

采用一个200 MV(±100 kV)VSC将一个230 kV、2 000 MV、50 Hz的系统传输到另一个相同的AC系统。主电路交流侧部分首先经过变压器降压至10 kV，然后经电抗器接入三电平VSC。变压器与电抗器间还装有27次和54次滤波器;直流侧除了直流电容，还有RLC滤波器及平波电抗器。

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整流器与逆变器是三电平中性点钳位，VSC换流器采用封闭式IGBT/DIODES。整流器与逆变器通过一个75 km电缆和2个8 mH的平滑电抗器连接，正弦脉宽调制(PWM)采用一个27倍次基准频率的单相三角波载波作为调制信号。为满足交流系统规范标准，AC滤波器是这个规划的重要组成部分。该滤波器可以在AC系统侧或换流变压器换流侧作为并联部分连接。由于只有高次谐波，因此并联滤波器相对于换流器等级来说是比较小的。

1.3 锁相环

锁相环(phase-locked loop，PLL)是使电路的输出信号能够跟踪其输入信号的相位检测电路[8－9]。在电力系统中广泛应用的锁相环电路结构与应用于其他领域的结构有所不同。电力系统中的锁相环电路利用三相系统的特点，采用同步旋转坐标变换的办法，通过控制q轴(或d轴)电压为零来获得同步相位。它能够使控制器与线电压同步，并计算在d-q转换中的转换角度。PLL块用来测量系统的频率和，从而为d-q变换模块提供同步角。

1.4 外环控制

有功功率或DC电压由控制角控制，无功功率由调制系数(m)控制，逆变器阀侧瞬时有功功率与无功功率可以用d-q坐标系下的电流与电压表示。

式中：ufd、ufq为电网电压的 d、q 轴分量;ivd、ivq为电网电流的d、q轴分量。

如果将d-q体系作为基准，则得到的电压正交分量是非常小的，可忽略不计(uLq≈0)。式(4)与式(5)表明，有功功率与无功功率分别与d-q分量成正比。相应地，可以通过控制电流分量ivd和ivq来分别控制有功功率(或者DC电压或电流)和无功功率(或者AC母线电压)。

有功/无功功率和电压环包括外环调节器。该调节器可以计算换流器电流矢量的参考值，并将这个电流矢量输入到内部电流环[10]。

1.5 直流电压平衡控制

直流电压偏差控制是通过控制换流器直流侧之间的电压偏差来控制系统传输有功的大小和方向[11]。为说明其工作原理，设直流电压平衡控制的是一个由换流站A和B构成的VSC-HVDC两端系统，系统运行工作示意图如图3所示。

图3 直流电压平衡控制Fig.3 DC voltage balance control

图3中，APR为有功功率调节器，UDCR为直流电压调节器。图3(a)和图3(b)中的实线和虚线分别表示换流站A和B的工作特性，它们的交点就是系统的工作点。图3(c)为两个换流站所采用的外环控制器。对外环控制器，已知系统传输有功功率为P、直流侧电压为d、直流线路等效电阻为R时，可估算得到直流电压偏差

在图3(a)中，换流站 A控制直流电压，此时图3(c)中的开关置于“2”位，而换流站B的电压调节器参考值要减去一个Δud，即图3(c)中的开关置于“1”位。反之，如图3(b)所示系统潮流反转后，换流站B控制直流电压，而换流站A的电压调节器参考值需减去一个Δud。

在图3(c)中，电压调节器的下限值由有功调节器的输出决定。它有两种工作方式，一种是开关置于“1”位，此时若有功调节器的输出值大于与电压偏差值相对应的有功电流值，则控制器处于定有功功率控制状态;反之，控制器处于定直流电压控制。因此，Δud的大小决定了控制器处于定有功功率控制的范围。另一种方式是开关置于“2”位，此时控制器始终处于定直流电压控制，换流器相当于有功平衡节点。

控制直流侧电压差异是为了使DC侧的三电平桥在稳定状态下平衡。小的极电压偏差有可能会发生在有功/无功功率变换器电流变化时，或者发生在非线性时脉冲宽度调制电桥电压不精确的情况下。此外，极电压偏差也可能是由于电路元件阻抗的不平衡而造成的。

2 试验

为了检验VSC-HVDC调节器的动态响应，进行了以下的测试研究。

首先，设置“AC system1”中的电源电压无波动，“station2”与“AC system1”之间无短路故障，研究VSC控制系统正常工况下的性能。在1.3 s时，有功功率阶跃由1.0pu到0.5pu;在2.0 s时，无功功率阶跃由0pu到 －0.3pu;在 2.5 s时，“station2”的直流电压由1pu降为0.95pu，从而得到交流侧无扰动的仿真结果，如图4所示。其中，P、Q、U均采用标幺值形式表示。

由图4可见，在1.3 s时，“station1”的有功功率指令发生突变，其实际的有功功率能够迅速跟随指令变化，在0.3 s内达到稳定;同时，“station2”的有功功率也相应变化。在2 s时，“station1”的无功功率指令发生突变，其实际的无功功率迅速发生相应的变化，而此时的直流电压和有功功率的影响变化很小，由此说明控制系统的解耦性能良好。在2.5 s时，“station2”的直流电压随之发生变化，有功功率在短时波动后很快恢复到设定值，无功功率几乎不受其影响。

图4 交流侧无扰动仿真结果Fig.4 Simulation results at the AC side with no disturbance

下面研究交流侧扰动对VSC-HVDC的影响。在“AC system1”的电源中，设置其电压幅值在1.3 s开始减小10%，持续5个周期;同时，设置三相短路，模块在2.1 s时发生三相短路，持续6个周期得到交流侧扰动仿真结果，如图5所示。

图5 交流侧有扰动仿真结果Fig.5 Simulation results at the AC side with disturbance

在“AC system1”的电源电压突降后，“station1”的无功功率会受到较大的影响，而其他几个物理量变化较小，且能较快地恢复稳态。在“station2”交流侧发生三相短路后，其输出有功基本为零，直流电压将上升。为此，“station1”需将定有功功率控制改为定直流电压控制，以避免两侧功率不平衡所造成的电压上升。在故障结束后，系统能够迅速恢复故障前的运行状态。

3 结束语

本文论述了在有功功率与无功功率阶跃变化时基于VSC的HVDC输电系统的稳态和动态特性。所提出的控制策略已被证明可以提供快速且令人满意的动态响应，以达到新的平衡。仿真结果表明，有功功率和无功功率都达到了很好的解耦控制。当交流电网发生故障、出现短时的电压跌落时，功率潮流降低，该系统能很好地快速恢复;当故障清除时，系统能够重新达到稳态运行状态。

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