设置新型双开关表的VSC-HVDC系统DPC控制器设计与仿真

王东阳，付永良

(西南交通大学电气工程学院，四川 成都 610031)

设置新型双开关表的VSC-HVDC系统DPC控制器设计与仿真

王东阳，付永良

(西南交通大学电气工程学院，四川 成都 610031)

利用VSC-HVDC系统直接功率控制(DPC)原理，针对传统的开关表对有功功率的控制偏弱，导致直流电压跟踪给定值能力差问题，设计新型双开关表，使用三电平滞环比较器，引入辅助电压。该控制器能够能够快速准确的控制系统的有功功率和无功补偿，使系统的直流电压传输尽可能的稳定，增强了对直流电压的控制性能，改善了VSC-HVDC系统的抗扰动性能。并且应用Matlab/Simulink仿真软件对设计的控制器进行仿真实验。

VSC-HVDC系统;直接功率控制;新型双开关表

1 引言

随着可关断电力电子器件和PWM技术的发展，基于电压源换流器的轻型高压直流输电(VSC-HVDC)系统越来越受到人们的关注［1］。对于VSC-HVDC系统，电压型换流站的控制器是系统正常工作的重要部分［2］。VSC-HVDC的换流站的DPC制器系统结构分为直流电压外环和功率控制内环结构，有功功率主要影响直流电压，无功功率决定功率因数，有功和无功功率是根据 θn、Sp和Sq在开关表中选择Su、Sv、Sw实时调节的，则开关表是换流站DPC系统的核心。双开关表DPC控制方法加强了有功功率调节能力，具有响应速度快，控制算法简单，利于硬件实现等优点［2－6］。传统开关表对有功功率的控制偏弱，使直流电压跟踪给定值能力差，进而对直流电压的控制力弱，使 VSCHVDC系统启动性能和扰动性能变差。

针对以上问题，本文提出设置新型双开关表的VSC-HVDC系统DPC控制器，首先具有传统双开关表的优点，其次，在有功功率滞环比较器部分采用了三电平比较器，并在开关表设计中引入了辅助电压矢量，加强了对直流电压跟踪给定值跟踪能力，增强了对直流电压的控制能力，改善了VSC-HVDC系统的扰动性能。

2 设置双开关表的VSC-HVDC系统DPC策略

2.1 VSC系统结构模型

首先假设:①电源是三相对称正弦电压源;②滤波电感为线性的，并不考虑饱和;③开关管是理想开关，没有导通关断延时和损耗。两电平三相电压型PWM整流器的主电路结构如图1所示。

图1 PWM整流器主电路结构图

图中Su、Sv、Sw为整流器的开关函数，Sj是单极性二值逻辑开关函数，Sj(j=u、v、w)=1;当上桥臂导通，下桥臂关断时Sj=0，当下桥臂导通，上桥臂关断时，在两相静止αβ坐标系中三相PWM整流器的数学模型为

2.2 设置双开关表的VSC-HVDC系统DPC控制器

VSC-HVDC系统整流侧和逆变侧电压型PWM整流器均采用设置双开关表的直接功率控制策略［4］。结构框图如图2所示，整流侧给定无功功率和直流电压，逆变侧给定无功和有功功率，对有功和无功功率的同时控制，选择Su、Sv、Sw的值，控制换流器工作状态，进而控制整个VSC-HVDC系统。

图2 设置双开关表的VSC-HVDC系统框图

2.3 VSC-DPC 控制器原理［3］

(1)电压、电流和功率的计算

采用两相静止αβ坐标系中电压型PWM整流器数学模型。

(2)电源电压矢量扇区划分

(3)功率滞环比较器

功率滞环比较器分为两部分:有功功率滞环比较器与无功功率滞环比较器。输入分别为有功功率的给定值与实际有功功率的差值Δp和无功功率的给定值与实际无功功率的差值Δq，输出反映了实际功率偏离给定功率状态的Sp和Sq［5，7］。

(4)开关表

①电压、电流矢量与功率的关系

在功率滞环比较器Hp、Hq规定范围内，瞬时功率为矢量，方向是垂直于u与i形成的平面，为分析简便，将iq方向定为q方向［4］。

②开关表的形成

表1 有功功率开关表

表2 无功功率开关表

2 新型双开关表的设计

因功率滞环比较器的宽度的大小，影响功率跟踪能力，则影响控制器的控制效果，若负载较大，VSCHVDC系统无功功率失控现象比较严重。则在设计开关表时引入辅助电压矢量，辅助电压矢量相位角落后实际电压矢量所在区域的住电压矢量120°［8］。如在θ1与θ12区域，引入辅助电压矢量，并且有功功率滞环比较器使用三电平滞环比较器，Sp和Sq的确定公式为:

则新型双开关表设计为:

表3 新型有功功率开关表

表4 新型无功功率开关表

3 仿真验证及分析

参数设置:电源相电压峰值Um=10kV，频率f=50Hz，交流侧滤波电感L=0.002H，直流侧电容C=9000μF，直流电压给定值uDCR给定为25kV，占空比可调信号电路方波脉冲频率fs=10kHz，有功功率给定值为1.25×107W无功功率给定值为0，PI控制器参数设置为Kp=5，Kt=150。

图3 有功和无功功率发生阶跃时系统仿真曲线

仿真实验一:当t=0.3s时，有功功率阶跃为5.5×106W，当t=0.4s时，无功功率阶跃为 －3×106Var，仿真时间t=0.5s。

如图3所示，当在t=0.3s时，系统有功功率发生变化时，系统整流侧直流电压变化不明显，逆变侧直流电压有明显波动但在t=0.35s时恢复稳定;整流侧有功功率出现波动变大，在t=0.35s时恢复稳定，无功功率变化不明显;逆变侧有功功率发生阶跃变化，无功功率发生小幅度的阶跃变化变大。当t=0.4s时，系统无功功率发生变化时，系统整流侧直流电压变化不明显，逆变侧直流电压变化不明显;整流侧有功功率发生小幅度变化变小，无功功率变化不明显;逆变侧有功功率发生小幅度阶跃变小，无功功率也发生小幅度阶跃变小。

仿真实验二:当t=0.3s时，在逆变侧加入三相对称接地故障，仿真时间t=0.5s。

如图4，当在t=0．3s时在逆变侧加入三相对称接地故障，整流侧与逆变侧的直流电压无明显变化;整流侧有有功功率发生小幅度波动迅速恢复稳定，无功功率无明显变化;逆变侧有功功率与无功功率发生明显变化后迅速恢复稳定。

图4 逆变侧接入三相对称接地故障时系统仿真曲线

由仿真实验一和二可以看出，设置新型开关表的VSC-HVDC直接功率控制系统能够快速准确的控制系统的有功功率和无功补偿，使系统的直流电压传输尽可能的稳定，增强了对直流电压的控制性能，改善了VSC-HVDC系统的抗扰动性能。

4 结论

本文利用VSC-HVDC系统的直接功率控制原理，设计出新型的双开关表控制器。该控制器不仅具有传统双开关表的优点，而且在有功功率滞环比较器部分采用了三电平比较器，并且在开关表设计中引入了辅助电压矢量。通过仿真实验一和二可以明显看出新型双开关表控制器加强了对直流电压跟踪给定值跟踪能力，增强了对直流电压的控制能力，改善了VSC-HVDC系统的扰动性能。

［1］ 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，2007，33(1):1 －10．

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［3］ 李慧，王奔，李虎威，等．有源电力滤波器双开关表直接功率控制策略研究［J］，电气传动，2011，41(5):21 －24．

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［5］ 王久和．电压型PWM整流器的非线性控制［M］．北京:机械工业出版社，2008．9．

［6］ 黄崇鑫，王奔，钱碧甫，等．基于直接功率控制的并联有源滤波器［J］．电测与仪表，2009，46(5):32 －35．

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DPC Controller Design and Simulation of VSC-HVDC System Based on New Double Sw itch Table

WANG Dong-yang，FU Yong-liang
(School of Electrical Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China)

Using the principle of VSC-HVDC system direct power control(DPC)，for theweakness of the traditional table of switch control of active power，led to the DC voltage tracking problem of poor given value，design a new double switch table，using a three-level hysteresis comparator，and introducing auxiliary voltage．The controller can control the system’s active power and reactive power compensation quickly and accurately，make the transmission of system’s DC voltage as stable as possible，enhance the performance of the DC voltage control，improve the anti-disturbance performance of the VSC-HVDC system．In this article，using Matlab/Simulink simulation software to make simulation experiments for the design of the controller．

VSC-HVDC，direct power control(DPC)，new double switch table

TM571

B

1004－289X(2013)03－0037－04

2013－01－20

王东阳(1990－)，男，硕士研究生，研究方向柔性直流输电控制。