逆变器正斜率特性实现方法及系统稳定性分析

林勇

（广东电网公司系统研究中心，广州 510075）

逆变器正斜率特性实现方法及系统稳定性分析

林勇

（广东电网公司系统研究中心，广州 510075）

逆变器处于传统的定熄弧角控制时，其负斜率的伏安特性可能与整流器外特性曲线有多个交点，导致高压直流输电系统处于不确定的运行状态。介绍一种将逆变器定γ控制负斜率变为正斜率的方法，通过引入直流电流与其整定值的偏差量来修正定γ控制的斜率，建立了系统等值电路，并引入劳斯－胡尔维茨判据不计算特征值来判别系统的稳定性。分析结果表明逆变器定γ控制正斜率特性可以消除多个运行点的不确定性，增强控制系统的稳定性。

高压直流；正斜率；稳定性；逆变器；劳斯-胡尔维茨判据

高压直流HVDC（high voltage direct current）输电在我国越来越多地得到应用，保证高压直流输电系统安全稳定地运行对现代电网显得越来越重要[1～4]。

在HVDC的通用控制方式中，整流侧一般控制电流，逆变侧控制熄弧角或电压[5]。当逆变器处于传统意义下的定熄弧角控制[6]时，其伏安特性是一族平行的负斜率直线。这些负斜率的直线可能会与整流器外特性曲线有多个交点，形成多个工作点，使HVDC处于不确定的运行状态[7]。为此在工程实践上常采取某种措施将负斜率变为正斜率。HVDC是一个高度可控的闭环系统，其稳定性影响着整个系统的正常可靠运行，必须引起高度重视[8～10]。

本文介绍了工程上常用的将负斜率变为正斜率的方法[11]，并在此基础上分析了正斜率特性[12]对HVDC系统稳定性的影响。

1 逆变器正斜率直线的实现方法

逆变器具有负斜率和正斜率的外特性分别如图1和图2所示。

图3为一典型的HVDC系统示意。当整流器采用定α控制方式时，其伏安特性为

图1 逆变器为负斜率的HVDC外特性Fig.1HVDC external characteristics with negative slope in inverter

图2 逆变器为正斜率的HVDC外特性Fig.2HVDC external characteristics with positive slope in inverter

式中：Vd为直流电压；Vdz为整流侧换相电压；Vdi0z为整流侧空载直流电压；α为触发延迟角；dγz为整流侧换相电阻；Id为直流电流。

图3 HVDC系统示意Fig.3Schematic of HVDC system

逆变器采用定β和定γ控制方式时，其伏安特性为

式中：Vdn为逆变侧换相电压；Vdi0n为逆变侧空载直流电压；β、γ分别为触发超前角和熄弧角；dγn为逆变侧换相电阻。

显然，当整流器和逆变器分别采用定α和定γ控制时其外特性均为负斜率的直线。在定γ控制方式下，逆变器外特性的负斜率与受端系统的短路电抗有关。如果受端系统比较弱，则其斜率将大于整流器定α特性的斜率，此时两侧系统的外特性将形成多个交点，当系统受到扰动时系统容易振荡，严重威胁着系统的安全运行。因此，需对逆变器控制方式进行调整，使其具有正斜率特性。

式中，K′〉0。显然对于某一控制目标γ，修正后的逆变器控制特性实现了正斜率，也就是说可以实现正斜率特性的定γ控制。对于图3所示的HVDC系统，当整流侧采用定α，逆变侧采用正斜率定γ控制时，等值电路如图4所示。

图4 HVDC等值电路Fig.4Equivalent circuit of HVDC

2 逆变器正斜率特性对系统稳定性的影响

以下分析逆变器正斜率特性对系统稳定性的影响，分析中整流器采用定电流控制，逆变器采用具有正斜率特性的定γ控制。

整流器定电流控制原理如图5所示，闭环系统如图6所示，等值电路如图7所示，系统的传递函数为

图5 定电流控制原理Fig.5Principle schematic of constant current control

图6 定电流控制闭环系统Fig.6Closed loop system of constant current control

图7 闭环系统等值电路Fig.7Equivalent circuit of closed loop system

式中：GI（p）为电流调节器的开环传递函数，包括调节放大器、非线性环节、相位控制和触发电路，忽略控制器时间常数时可表示为GI（p）=KI；Gd（p）为直流一次系统增益。由图7可以求得

式中：R1=drz+Rdz+R/2，Rdz为整流器平抗电阻，R为线路电阻；L1=Ldz+L/2，Ldz为整流器平抗电感值，L为线路电抗；R2=K′+Rdn+R/2，Rdn为逆变器平抗电阻；L2=Ldn+L/2，Ldn为逆变器平抗电感值。

由式（7）、式（8）不难得出系统的特征方程为

式中：a0=L1L2C；a1=L1R2C+（R1+KI）L2C；a2=（R1+ KI）R2C+L1+L2；a3=R1+KI+R2。

根据系统稳定的劳斯-胡尔维茨判据[13]，有

将a0、a1、a2、a3代入式（11），由于R1、R2、KI均大于0，故3个条件均能满足，因此维持系统稳定。

文献[7]分析了逆变器采用定γ控制（负斜率）时，欲维持系统稳定必须使得

也就是说，与逆变器的负斜率特性相比，正斜率特性消除了系统不稳定的隐患。

3 结语

本文介绍了一种工程上使用的消除逆变器定γ控制负斜率特性的方法，该方法可在保证定γ控制的条件下实现正斜率特性。尽管从实现正斜率特性的本意来讲是为了消除多个运行点带来的问题，但本文分析结果也表明，逆变器的正斜率特性还可使系统特征根全部小于零，保证闭环系统的稳定性。

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Realization of Positive Slope Characteristic of Inverter and Analysis of Systematic Stability

LIN Yong
（Guangdong Power Grid Corporation System Research Center，Guangzhou 510075，China）

There will be multi-points of intersection between negative slope volt-ampere characteristic of high voltage direct current（HVDC）inverter and exterior characteristic curve of rectifier，when HVDC inverter is in the control of traditional constant arc extinguishing angle γ，which leads to HVDC system operate on the uncertain running state. This paper introduces a method of transforming negative slope characteristic into positive slope characteristic of constant γ control in HVDC inverter.The slope of constant γ control is corrected by the dispersion between direct current and its setting value of HVDC inverter.The systematic equivalent circuit of HVDC is established and systematic stability is analyzed by Routh and Hurwitz's criterion without solving the eigenvalues.Results show that positive slope characteristic of constant γ control can eliminate the uncertainty for multi-run points and enhance control systematic stability of HVDC system.

high voltage direct current（HVDC）；positive slope；stability；inverter；Routh and Hurwitz's criterion

TM723

A

1003-8930（2013）03-0130-03

林勇（1973—），男，硕士，高级工程师，从事电网规划和运行工作。Email：309xt2008@163.com

2011-05-17；

2011-06-21