VSC-HVDC在交流电网非故障时的控制策略研究

马成廉，潘文明，姚天亮，孙　黎

(1.东北电力大学输变电技术学院，吉林 吉林 132012；2.国网安徽省电力公司，安徽 合肥 230061；3.中国能源建设集团甘肃电力设计院，甘肃 兰州 730050；4.东北电力大学电气工程学院，吉林 吉林 132012)

VSC-HVDC在交流电网非故障时的控制策略研究

马成廉1，潘文明2，姚天亮3，孙黎4

(1.东北电力大学输变电技术学院，吉林 吉林 132012；2.国网安徽省电力公司，安徽 合肥 230061；3.中国能源建设集团甘肃电力设计院，甘肃 兰州 730050；4.东北电力大学电气工程学院，吉林 吉林 132012)

摘要：电压源换流器型直流输电(VSC-HVDC)是一种以电压源换流器和脉宽调制等技术为基础的新型直流输电技术。由于具备向无源系统或者弱交流系统供电、有功功率和无功功率能快速独立控制、易于构成多端网络和环境友好等优异性能，VSC-HVDC在输电和配电领域都有着非常广泛的应用前景。阐述了VSC-HVDC的结构和基本原理，指出PWM技术是VSC工作的基础，通过PWM控制VSC输出电压的幅值与相位即可控制换流站向交流系统注入的有功功率和无功功率。然后根据VSC-HVDC的控制体系和控制策略，指出在设计VSC-HVDC的控制系统时，可以通过合理的控制策略来提高系统在故障情况下的不间断运行能力。最后通过在MATLAB软件中搭建单相和三相VSC逆变电路模型进行仿真分析，证明控制策略的正确性，符合实际中直流到交流的逆变结果。

关键词：电压源换流器；脉宽调制；高压直流输电；控制策略；MATLAB仿真

随着传统能源的消耗和环境不断恶化，世界各国已经认识到能源的开发和利用必须由传统能源向绿色可再生能源等清洁能源过渡[1]。但由于电力系统消纳能力有限，大部分可再生能源并未被有效使用，甚至出现“弃风”、“弃光”现象；另一方面，太阳能、风电等清洁能源不能持续稳定的供电，具有间歇性。伴随各种大规模可再生能源并入电网，传统的电力设备、电网结构和运行技术等已经不能满足新格局的要求，因此，必须对传统输电技术、输电设备和电网进行改革。基于电压源换流器型的高压直流输电系统和直流电网技术是解决这一问题的有效手段[2]。传统HVDC的换流器采用的是半控型晶闸管，它的关断具有不可控性[3]。传统HVDC技术存在不能向无源系统供电，当负荷端短路容量不足时易换相失败，换流器会产生谐波，在运行过程中会吸收大量的无功功率，换流站占地面积大、投资高等问题[4]，而新型的电压源型换流器(VSC)解决了以上传统直流输电技术的弊端。

本文对VSC-HVDC的结构和基本原理以及其控制体系和控制策略进行了研究，搭建仿真模型，进行了相关分析。

1VSC-HVDC的结构和基本原理

由图1可以看出，VSC-HVDC系统主要由VSC、换流变压器、换流电抗器、交流滤波器、直流电容器和直流输电线路等部分组成。

VSC为换流站的核心元件，通过VSC桥臂的开关切换以达到控制系统潮流的目的。其结构一般有三相两电平、二极管钳位式三电平、电容钳位式三电平等，实际工程中多采用三相两电平与二极管钳位式三电平结构。VSC桥臂由多个全控器件串联组成，称之为 VSC 阀。受系统开关频率的限制，目前VSC-HVDC系统采用的全控器件多为绝缘栅型晶体管(IGBT)。换流变压器和换流电抗器是换流站与交流系统之间能量交换的纽带。

图1　VSC-HVDC系统单线原理图

交流滤波器用于滤除VSC输出电压与电流的谐波。交流滤波器与换流电抗器、换流变压器以及系统阻抗相互作用，对高次谐波形成一个低阻通道，从而达到滤除交流侧谐波的目的。交流滤波器可安装在换流变压器的一次或者二次侧。直流电容器是VSC-HVDC直流侧的储能元件，为VSC的正常运行提供一定的直流电压支撑，同时为 VSC 交流功率输入与直流功率输出提供一个缓冲区。直流电容器的容量决定了VSC-HVDC直流侧系统的动态特性。直流输电线路是联系互联交流系统的纽带，除了背靠背系统外，VSC-HVDC两侧换流站均通过直流输电线路相互连接，提供功率走廊[5]。该直流输电线路可采用架空线或电缆。

图2　单相两电平VSC结构及其PWM调制原理图

因此VSC可等效为一台幅值与相位可调的交流发电机，通过换流电抗与交流电网连接，其基波等效原理图如图3所示。

图3　换流站基波等效电路图

当不计换流电抗器的损耗电阻时，VSC交流母线电压基频分量Us与交流输出电压的基频分量Uc共同作用于换流电抗器等效电抗Xc上，则VSC与交流系统间交换的有功功率Ps和无功功率Qs分别为式(1)和式(2)所示。

(1)

(2)

由式(1)可知，有功功率主要取决于Uc相对于Us的移相角度δ，当δ<0时VSC吸收有功功率，VSC运行于整流状态；当δ>0时VSC发出有功功率，运行于逆变状态。调节δ角就可以控制VSC-HVDC传输有功功率的大小和方向。

由式(2)可知，无功功率的交换则主要取决于VSC交流侧输出电压的基波幅值Uc，当Us-Uccosδ>0时，VSC吸收无功功率；当Us-Uccosδ<0时，VSC发出无功功率。控制Uc的幅值，即可控制VSC吸收或发出的无功功率大小。

综上所述，通过 PWM 控制 VSC 输出电压的幅值与相位即可控制换流站向系统注入的有功功率与无功功率。

2VSC-HVDC的控制体系和控制策略

VSC-HVDC是一个复杂的系统，其实际运行性能极大地依赖于它的控制系统。合理的控制体系能提高工程的可用性及可靠性等指标。类似于传统直流输电控制系统，为了把由控制系统故障引起的直流系统不可用率降到最小，VSC-HVDC控制系统也通常采用多重化和分层结构。正常运行时，一套控制系统处于工作状态，另外一套系统处于热备用状态，两套系统同时对数据进行处理，但只有工作系统可对一次设备发出指令。当工作系统发生故障时，切换逻辑将其退出工作，处于热备用状态的系统能自动、安全、快速地切换到工作状态[6]。也可以采用三重化及以上的冗余设计，采取“少数服从多数”的原则作为输出方案，但是设备的元件数会因此而增加，通常两重化或者三重化设计是一种较好的选择。控制系统还要求在不干扰正常系统工作的同时，能够对故障系统进行维修以及修复后的验证工作，以满足控制系统不停电即可维护的要求。

为了提高运行的可靠性，限制任一控制环节故障造成的影响，如图4概念性示意图所示，可以将VSC-HVDC的控制系统大致分成系统级控制、换流器级控制和触发级控制等层次。分层设计能够简化设计任务，增强控制系统的灵活性。在实际的工业装置中，三个层次的控制可能会有一定程度的交叉和整合。

图4　VSC-HVDC的分层控制系统结构图

根据VSC的运行原理与运行特性，可以将VSC的控制策略分为以下两类：第一类是基于电压幅值和相位控制的间接电流控制策略；第二类是基于同步旋转坐标系下的直接电流控制策略。

直接电流控制策略的原理是通过电压前馈补偿和电流反馈等控制部分，对流经变压器和换流电抗器的交流电流直接控制来起到调节系统运行特性的作用。这种直接控制电流的控制方式具有对故障或不正常运行状态的快速反应能力，对事故过电流有良好的控制能力。

图5是基于同步旋转坐标系下的直接电流控制策略原理图。从该图可以看出，该控制系统主要由外环功率控制器、内环电流控制器、触发脉冲生成环节、以及锁相同步等环节构成。目前应用于工程中的外环功率控制器的主要形式有：直流电压控制器、无功功率控制器、有功功率控制器、交流电压控制器等[8]。而目前主要的VSC控制方式就是这几种。这些控制方式也根据其特点应用在不同领域。

图5　VSC控制系统示意图

在双端或多端VSC-HVDC系统中，各换流站之间对有功功率的控制应该配合得当[9]。当其中一个换流站采用有功功率控制模式时，其他各端换流站应采用直流电压控制模式。通常，负荷端换流站采用直流电压控制模式，而发电端换流站采用有功功率控制模式。

两端换流站之间不需要专门的通信设备。采用恒定的直流电压控制能使两端VSC换流站之间的各项运行特性保持在相对稳定的水平。各个换流站的控制模式不是固定的，可以根据实际情况进行选择。

两站之间无功功率的控制是完全独立的，所需无功功率可以由交流电压或直接无功功率控制来实现。换流器容量是有一定限制的，各换流站的无功功率和有功功率的独立控制需要在一定的范围内。

与传统的直流输电相比，VSC-HVDC的具有一个显著特点是，对于两个非同步的交流系统的连接，一侧交流系统发生故障并不会影响到另一侧交流系统和换流器的工作。对于一个设计合理的控制系统，在系统发生故障时，这种控制模式可以有效抑制过电压、过电流，提高系统的运行可靠性[10]。因此，在设计VSC-HVDC的控制系统时，可以通过合理的控制策略来提高系统在故障情况下的不间断运行能力。

3MATLAB仿真及结果

如图6，仿真模型是单相电压源换流器逆变电路，该仿真模型主要参数：直流电压源Vdc=400 V，载波频率1 080 Hz，调制度M=0.8，PWM为双桥臂四脉冲触发。仿真结果见图7。

图6　单相VSC逆变电路

图7　单相VSC逆变电路仿真结果

图8　三相两电平VSC逆变电路

仿真结果：

(1)示波器上部分波形为换流器输出电流，是正弦交流电流。

(2)示波器下部分波形为负载侧电压波形，基波幅值为320 V。

仿真结果分析：

从电流波形可以看出，经过VSC逆变模块，直流电流变为交流电流。VSC的调制模式为SPWM调制，当处在正弦调制波正半周期时，VSC输出的电压都为正，其导通时间根据载波与调制波比较后的结果所决定；同理，在正弦调制波负半周期也有同样的结果。从仿真结果可以看到，输出的交流电流波形接近正弦波形，符合实际的从直流到交流的逆变结果。

如图8，仿真模型是三相两电平电压源换流器逆变电路，该仿真模型主要参数：直流电源Vdc=400 V，载波频率1 080 Hz，调制度M=0.8。PWM为三桥臂六触发脉冲。仿真结果见图9。

图9　三相VSC逆变电路仿真结果

仿真结果分析：

仿真模型的直流电压是400 V，输出的A、B两相间的线电压为320 V，且线电压的波形接近正弦波，周期约为0.017 s。VSC的调制模式为SPWM调制，当正弦调制波处在正半周期时，VSC输出的电压都为正，其导通时间根据载波与调制波比较后的结果所决定；同理，在正弦调制波负半周期也有同样的结果。从仿真结果可以看到，输出的交流电流波形接近正弦波形，符合实际的从直流到交流的逆变结果。

4结论

现代电力系统中，高压直流输电所占比重越来越大，传统直流输电技术存在一定缺陷，而VSC-HVDC在克服传统直流输电所存在的缺陷的同时，又能提高系统运行稳定性和可靠性，是未来电力系统发展必不可少的一部分。本文针对VSC-HVDC在交流电网非故障时的控制策略进行了研究。主要工作如下：

(1)介绍了VSC-HVDC的基本结构及各结构的主要作用以及VSC的基本运行原理和PWM技术的基本原理；

(2)对目前主要使用的VSC的控制系统设计原则进行简要介绍，指出可以通过合理的控制策略来提高系统故障时的不间断运行能力；

(3)通过搭建单相和三相VSC逆变电路，运用MATLAB中Simulink组件对搭建的模型进行仿真，仿真结果表明：输出的交流电流波形接近正弦波形，符合实际中直流到交流的逆变结果。

参考文献

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[10] 孙黎，尚教会，林铬.大区域电网动态频率空间分布特性分析[J].东北电力大学学报，2013,33(03)：38-42.

Research on Control Strategy of VSC-HVDC in AC Power Grid

MA Cheng-lian1，PAN Wen-ming2，YAO Tian-liang3，SUN Li4

(1College of Power transmission and transformation technology,Northeast Dianli University,Jilin City,Jilin Province,China,132012;2.State Grid Anhui Electric Power Company,Hefei City,Anhui Province,China,230061;3.Energy Construction Group Gansu Electric Power Design Institute,Lanzhou City,Gansu Powince,China 7300504.College of electrical engineering,Northeast Dianli University,Jilin City,Jilin Province,China,132012)

Abstract：Voltage source converter based HVDC (VSC-HVDC) is a relatively new technology based on voltage source converter and pulse width modulation technology.With to passive systems or weak AC power supply system,the active power and reactive power independent and fast control,easy to constitute a multiport network and environment friendly,excellent performance of VSC-HVDC in the field of transmission and distribution have very broad application prospects.Structure and principle of VSC-HVDC are introduced in the article,and points out that the PWM technology is the basis of VSC,through the PWM control of the VSC output voltage amplitude and phase can be controlled converter injected into the AC system of active and reactive power.According to the VSC-HVDC control system and control strategy,this paper points out that in the design of VSC-HVDC control system,the system can be improved to the operational capability of the system under the condition of failure.At the end of this paper,the model of single-phase and three-phase VSC inverter circuit is built,and the simulation analysis of SIMULINK in MATLAB is carried out,and the correctness of the control strategy is proved.

Key words：VSC；PWM；HVDC；Control strategy；MATLAB Simulation

中图分类号：TM74

文献标识码：A

文章编号：1005-2992(2015)06-0026-07

作者简介：马成廉(1983- )，男，吉林省吉林市人，东北电力大学输变电技术学院讲师，博士研究生，主要研究方向为电力系统安全运行与控制，电网安全运行与灾害防治等.

基金项目：国家自然科学基金项目(51307017)

收稿日期：2015-09-12