基于工业控制平台柔性直流输电仿真系统设计

康建爽，周群英，曹森，郝俊芳，孙宝丹，蒋怀震

(许继电气股份有限公司，河南 许昌 461000)

将式6带入4可得：

基于工业控制平台柔性直流输电仿真系统设计

康建爽，周群英，曹森，郝俊芳，孙宝丹，蒋怀震

(许继电气股份有限公司，河南 许昌 461000)

针对传统柔性直流输电工程换流器桥臂开关频率高、桥臂模块间动态均压困难、系统能耗大等缺点，提出将模块化多电平控制技术应用于实际柔性直流输电工程。结合模块化换流器桥臂结构详细分析其充电过程及换流站电路结构，推导柔性直流有功功率、无功功率控制算法，并通过实际工业级控制平台完成换流器桥臂控制器设计；结合主流RTDS仿真平台搭建实际闭环仿真系统，完成工业级柔性直流控制器控制功能仿真测试并对仿真结果进行总结。整个设计过程对今后柔性直流输电控制保护系统工程化设计有实际借鉴意义。最后，对柔性直流推广应用进行展望。

工程应用；工业控制；MMC；RTDS；DQ变换；解耦

0 前言

柔性直流输电技术应用于高压直流输电工程，相对于传统的基于相控高压直流输电技术，具有诸多优势。如换流器件采用全控型器件IGBT代替传统的晶闸管，无需电网提供换相电压，不存在换向失败问题，适用于无源网络或弱电网系统中[1-5]等诸多优势。

目前，国际上已投运的柔性直流输电工程，主要是基于两电平、三电平技术开发而成。存在换流器桥臂模块开关频率高，达到2 000 Hz～3 000 Hz；换流器损耗大；IGBT模块间均压困难等不足。而基于模块化理论柔性直流输电技术大幅降低系统模块的开关频率，有效降级了换流器的能耗；采用分布式电容代替直流双极母线间电容，有效地解决了模块间均压的难题[6-7]，更加符合未来市场需求。

对模块化多电平柔性直流输电技术研究大都基于Matlab或PSCAD等纯软件建模仿真完成，与实际工业控制应用联系并不紧密。本文采用实际工业控制平台完成模块化多电平控制器设计，并通过在RTDS平台上搭建的换流站一次仿真模型构成闭环仿真系统，完成对上述控制器控制性能优化验证，更加贴和实际工业控制应用。

1 拓扑结构及充电分析

模块化多电平换流器单相桥臂结构如图1所示，毎个桥臂由n个子模块 (SM sub model)串联桥臂电抗器构成。每个子模块由两个 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)、两个二极管、一个模块电容、一个保护晶闸管以及一个高速旁路开关组成。

换流器作为柔性直流输电系统功率输送的核心器件，在进行直流功率传输前，首先必须完成换流桥臂子模块电容充电。具体充电过程可以分为两个阶段，即换流器闭锁阶段充电、换流器解锁阶段充电。

图1 单相桥臂拓扑结构

换流器在闭锁阶段充电是通过续流二极管构建充电回路来完成的。以图2所示分析，设定交流电压Ua＞Uc＞Ub，则换流器上下桥臂A相、B相同时导通。对于上桥臂，通过A相各子模块续流二极管完成对B相子模块电容充电；对于下桥臂，通过B相各子模块续流二极管完成对A相子模块电容充电。经第一阶段充电后直流母线电压为交流母线线电压的峰值[7]。以 A、B相为例，具体充电过程及电流流向如图2箭头所示：

图2 子模块充电框图

对于实际工程应用，经过第一阶段充电后直流电压并不能满足实际运行中对直流电压等级的需求，需要对换流器进行二次充电来提高直流电压，以满足实际运行要求。在换流器的二次充电阶段，是通过对换流器施加触发脉冲，采用定直流电压的控制方式，使得直流电压精确的达到预定值。换流器桥臂充电后第一阶段、第二阶段直流母线电压波形如下图3所示：

图3 换流器充电后直流电压波形图

2 控制策略

对于传统的基于晶闸管技术的柔性直流输电工程，一般只需完成对系统有功功率控制，系统所需无功功率，需要通过投入或切除交流滤波器来完成。对于模块化多电平柔性直流输电技术除需完成对系统有功功率控制，还需要完成对系统无功功率控制，控制器设计更为复杂。图4所示为一柔性直流换流站等效结构图，以该图示为例进行系统有功、无功解耦控制策略理论推导设计[9-15]。

图4 换流站等效简化模型图

如上图4所示，由基尔霍夫定理可得：

其中：

将公式2带入公式1并分相展开可得：

对公式3进行d_q坐标变化并移项重组可得：

式5表示等效电抗上的等效压降，对该部分通过一阶比例积分的形式进行等效设计，即：

将式6带入4可得：

其中：

id_ref：对应系统有功功率参考

iq_ref：对应系统无功功率参考

Vvc_d_ref：对应阀侧电压有功参考

Vvc_q_ref：对应阀侧电压无功参考

对式7进行分析可知，换流器阀侧电压有功、无功，除受注入换流器有功、无功电流影响外，还受系统交流电压以及相互间有功、无功电流耦合影响。

3 多电平控制器设计

由上述分析可知，系统有功、无功控制即受注入交流系统有功、无功电流影响，亦受系统本身电压及有功、无功电流耦合交叉影响。为抵消系统本身电压及电流交叉耦合影响，在具体控制器设计过程中，采用前馈控制环节弥补上述影响，具体控制逻辑如图5所示。

图5 换流器控制逻辑控制框图

由图5所示可知，引入前馈控制环后，通过控制注入交流系统有功、无功电流，实现对系统有功、无功精确控制。在具体控制器设计过程中，在计算求得系统有功、无功参考分量后，需要通过DQ反变换环节，求得三相桥臂各自对应调制电压并发送到RTDS仿真装置，由RTDS模拟完成换流器桥臂触发过程，构成整个闭环仿真系统。

4 仿真模型构建

本仿真系统以RTDS为基础试验平台构建，并结合实际的控制保护装置来完成整个柔性仿真系统构建。RTDS具体完成对换流站两侧交流输电系统、换流站、直流输电电缆、换流器桥臂、桥臂电抗以及启动电阻等直流一次相关设备模拟。具体仿真模型如图所示。

图6 基于RTDS换流站等效模型

5 仿真及结果分析

为验证上述闭环控制系统实际控制性能，分别在如下四种工况下验证控制器实际控制能力：

1)系统无功出力为0，系统有功功率调节由当前300 MW调节到-300 MW稳定运行；

2)系统有功出力为0，系统无功功率调节由当前0 MVA调节到-300 MVA；

3)系统无功出力为0，系统有功功率300 MW下稳态运行工况；

4)系统有功出力为0，系统无功功率200MVA下稳态运行工况。

按照上述要求运行工况依次进行仿真，仿真结果分别如图7、图8、图9、图10所示。

图7 系统有功由300 MW到-300 MW调节过程中系统运行工况

图8 系统无功由0 MVA到-300 MVA调节过程中系统运行工况

图9 系统有功300 MW下稳态工况

图10 系统无功200 MVA下稳态工况

对上图7～图10进行总结分析可知，基于工业控制平台柔性直流控制系统能够精确实现柔性直流输电系统有功功率、无功功率解耦控制。在系统功率动态调节过程中，直流母线电压保持稳定，系统功率按照预设速率进行升降，交流系统运行稳定。在系统稳态运行过程中，交流系统运行稳定，直流母线电压保持稳定。对于有功功率控制，受子模块充放电过程以及子模块投切过程影响，直流电流小幅波动。

6 结束语

将模块化多电平直流输电技术应用于高压直流输电工程，在实现有功功率、无功功率解耦控制的同时，大幅降低了系统谐波分量。同时通过降低桥臂模块的投切频率，使得换流器损耗在系统损耗中比重大大降低。

在多端直流输电领域，各个桥臂子模块通过采用IGBT反并联二极管连接结构，实现了直流电流双向流通。因此通过直流电流极性改变，即可实现直流功率的潮流反向，无需直流电压极性改变，更易于大规模多端柔性直流输电系统设计。

目前，由于 IGBT器件本身过流能力较差，在一定程度上限制了将柔性直流输电技术应用于大容量直流输电工程。随科技进步，IGBT器件本身过流能力提高以及相关替代产品的出现，柔性直流输电技术有望取代现阶段基于晶闸管换流直流输电技术，应用于高压、特高压直流输电工程。

[1] 丁明，李小燕，毕锐，等.含VSC-HVDC的交直流混合发输电系统可靠性评估 [J].电网技术，2008，32(16)：53 -58.

[2] 范心明，管霖，夏成军，等.多电平柔性直流输电在风电接入中的应用 [J].高电压技术，2013，39(2)：497-504.

[3] 周浩，沈扬，李敏，等.舟山多端柔性直流输电工程换流站绝缘配合 [J].电网技术，2013，37(4)：879-890.

[4] 殷自立，李庚银，李广凯，等.柔性直流输电系统运行机理分析及主回路相关参数设计 [J].电网技术，2007，31 (21)：16-26.

[5] 宋强，刘文华，李笑倩，等.模块化多电平换流器稳态运行特性的解析分析 [J].电网技术，2012，36(11)：198 -204.

[6] 屠卿瑞，徐政，郑翔，等.一种优化的模块化多电平换流器电压均衡控制方法 [J].电工技术学报，2011，26(5)：15 -20.

[7] 孔明，邱宇峰，贺之源，等.模块化多电平柔性直流输电换流器的预充电控制策略 [J].电网技术，2011，35(11)：67-74.

[8] 黄川，王志新，王国强.基于MMC的海上风电场柔性直流输电变流器仿真 [J].电力自动化设备，2011，31(11)：23-27. [9] 郑超.实用柔性直流输电系统建模与仿真方法 [J].电网技术，2013，37(4)：1058-1063.

[10] 刘栋，汤广福，贺之渊，等.模块化多电平柔性直流输电数字-模拟混合实时仿真技术 [J].电力自动化设备，2013，33(2)：68-73.

[11] Wei LI，Luc-Andre GREGOIRE.Control and Performance of a Modular Multilevel Converter System [J].CIGRE Canada Conference on Power Systems，2011，8(1)：1-8.

[12] 屠卿瑞，徐政，姚为正.模块化多电平换流器型直流输电电平数选择研究 [J].电力系统保护与控制，2010，38(20)：33-39.

[13] 和大清，蔡旭.模块化多电平换流器的限幅控制和混合调制 [J].电力自动化设备，2012，32(4)：63-66.

[14] JiuPing Pan，Per Holmberg.VSC-HVDC Control and Application in Meshed AC Networks[J].2008 IEEE -PES General meeting，2008，20(24)：2-8.

[15] 陈海荣，张静，涂瑞卿.电网电压不平衡时电压源换流器型直流输电的负序电压补偿控制 [J].高电压技术，2011，37(10)：2363-2369.

Design of Flex HVDC System Based on The Industrial Control Platform

KANG Jianshuang，ZHOU Qunying，CAO Sen，HAO Junfang，SUN Baodan，JIANG Huaizhen
(XJ Electric Co.Ltd.，Xuchang，Henan 461000，China)

As the traditional flex HVDC project has the disadvantage of high switching frequency、the dynamic pressure balance between the bridge arm modules and high energy consumption and so on，the modular multi-level technology is put forward to use in the flex HVDC project.In this paper，a detailed converter bridge arm topology is structured，and specific analysis of the charge-discharge process of sub-modules of the bridge arm.From the converter station topology，analysis the active power and reactive power algorithm，and design the converter controller based on the industrial control platform；Test and analyze the simulation result got from the actual loop simulation system based on the mainstream RTDS simulation platform.Throughout the design process，it is useful for the industrial flex HVDC control and protection system design.Finally give the prospect of the application of flex HVDC system.

industrial application；industrial control；modular multi-level converter；real-time digital simulator；DQ Transformation；decouple

TM76

B

1006-7345(2014)06-0040-04

2014-06-23

康建爽 (1984)，男，硕士，工程师，许继电气股份有限公司，主要从事高压直流输电系统、柔性直流输电系统相关领域控制保护系统研究(e-mail)kangkang9336＠126.com。