HVDC输电系统控制方式对电压稳定性的影响

党 克，翟旭京，毕晓龙

(东北电力大学 电气工程学院，吉林 吉林 132012)

在HVDC输电系统中，换流站消耗的无功功率约为直流输送有功功率的一半左右。无功功率大量缺额导致了电力系统电压的不稳定，因此减少换流站的无功消耗对提高电力系统的电压稳定性至关重要。HVDC输电系统内换流器的控制方式和无功消耗有直接关系，所以根据负荷的变化以及电力系统状态选择合适的换流器控制方式，可以达到减小换流器无功损耗和提高电力系统的电压稳定性的目的。本文采用定无功非线性变结构控制，在很大程度上提高了电力系统电压稳定性。

1 HVDC输电系统基本控制方式

在交直流混合系统中，对应不同的运行方式，换流器要采用不同的控制方式，换流器通常使用的控制方式如表1所示。由于电压和有功弱耦合，与无功强耦合，因此确定了直流系统换流器控制方式对逆变侧消耗无功功率的影响，也就确定了换流器控制方式对受端电网电压稳定性的影响。

表1 换流器的控制方式Tab.1 converter control method

逆变侧采用定电压控制时，为了维持电压恒定，需要提供大量的无功支持和投入大量的无功补偿设备，虽然能保证电压稳定，但是大大增加了无功补偿设备投资费用［1］。当逆变侧换流器采用定熄弧角控制时，则有:

式中:γs为熄弧角;Id为直流电流;Xc为直流系统的等值电抗;Ei为逆变侧电压;β为触发越前角。

式中:φ为功率因数角;γ为熄弧角。由式(1)可得

当负荷容量增加使交流母线电压Ei下降时，由式(2)可知，逆变侧的功率因数降低，逆变侧消耗的无功功率增加，形成恶性循环将导致交流母线电压的进一步跌落，此种控制方式不利于受端电网的电压稳定。

在传统的HVDC输电系统中，整流侧的基本控制量是直流电流，整流侧换流器通常采用定有功功率控制和定燃弧角控制;逆变侧的基本控制量是直流电压，整流侧换流器通常采用定熄弧角控制和定直流电压控制。若逆变侧采用定熄弧角控制，当系统状况恶化时会导致换流器换相失败，从而会导致系统电压崩溃;当逆变侧采用定电压控制时，为了维持电压恒定［2］，需要消耗较多的无功功率，换流器的利用率较低，经济性不高。

2 在逆变侧采用非线性变结构控制器的定无功电流控制

传统的逆变侧控制方式是定熄弧角控制和定电压控制，控制器的设计都是在稳态工作点附近对系统进行偏微分近似线性化，然后据此设计比例－积分(PI)控制器或比例－积分－微分(PID)控制器。当系统状态发生较大变化时，这种控制器很难对系统起到有效的控制作用［3］。本文采用定无功电流非线性变结构控制，当系统的状态发生较大变化时，能够在较大范围内对系统的电压起到调节作用。

由系统的线性化模型，可以采用成熟的变结构控制理论设计切换函数，实现变结构控制，从而求得控制变量v1、v2。对多输入的线性系统z·1=Az+BzV，可以简化为

取线性切换函数为

切换函数表示为

且有

把向量分解可以得到变结构的控制规律为:

在原有控制方式的基础上，整流侧仍采用原有的定电流控制方式，逆变侧改用定无功电流控制，提取无功电流作为反馈信号，能在很大程度上提高电力系统的电压稳定性。在此基础上，将非线性变结构控制器应用在换流器控制上，同时对所设计的控制律进行了计算机仿真，并与传统PI调节器进行比较，以证明该控制器能更好地保持电压稳定。

4 仿真试验

在MATLAB中建立如图1所示的仿真模型，该系统中有两个等效的交流系统S1和S2通过变压器接于交直流混合系统，AC line1、AC line2为500 kV交流输电线路，AC line3为330 kV交流输电线路，DC line为直流输电线路，L为动态负荷模型。

图1MATLAB的仿真模型框图Fig.1 MATLAB simulation model

考察线路AC line2靠近T250 km的F1处发生三相短路故障，逆变侧交流电压下降的过程中，当逆变侧换流器采用定熄弧角控制时，逆变站换流器吸收无功功率的情况如图2所示;当逆变侧换流器采用定无功电流控制时，逆变侧换流器吸收无功功率的情况如图3所示。

由图2、图3可知，在逆变侧采用定熄弧角控制下，由于某种原因导致逆变侧交流电压降低时，逆变侧吸取的无功功率反而增大，两者变化趋势相反，由电压稳定理论可知，这将严重影响电力系统的电压稳定性，甚至会导致电压崩溃;在逆变侧采用定无功电流控制方式下，由于某种原因导致逆变侧交流电压下降时，逆变站吸取的无功功率相应减少，显然这会促进电力系统电压稳定［4］。由此得出在逆变侧换流器采用定无功电流控制能有效地促进电力系统电压稳定［5］。

图2 逆变侧定熄弧角控制下无功功率的变化情况Fig.2 Situation changes of reactive power under constant extinction angle control in inverter side

图3 逆变侧定无功电流控制下无功功率的变化情况Fig.3 Situation changes of reactive power under constant reactive current control in inverter side

考察整流侧在线路AC line2靠近T250 km的F1处发生三相短路故障，逆变侧交流电压下降的过程中，当逆变侧换流器采用定熄弧角控制和定无功电流控制时，整流侧及逆变侧电压电的变化过程如图4、图5所示。

考察整流侧在线路AC line3靠近T250 km的F2处发生三相短路故障，逆变侧交流电压下降的过程中，当逆变侧换流器采用定熄弧角控制和定无功电流控制时，整流侧及逆变侧电压电的变化过程如图6、图7所示。

图4 故障1时整流侧交流电压Fig.4 Fault 1 AC voltage in rectifier side

图5 故障1时逆变侧电压Fig.5 Fault 1 voltage in inverter side

图6 故障2时整流侧电压Fig.6 Fault 2 voltage in rectifier side

图7 故障2时逆变侧电压Fig.7 Fault 2 voltage in inverter side

由仿真结果可以看出，不管是在整流侧发生故障还是在逆变侧发生故障，逆变侧交流电压波动都比较严重。在逆变侧采用定无功电流控制后，改善了整流侧和逆变侧的交流电压。而且采用非线性变结构控制能较传统的PI控制使系统更快地在干扰后恢复稳定，使电压的波动幅度减小［6］，提高系统的电压稳定性。

4 结语

采用非线性变结构控制器的定无功控制方式能够减小系统电压波动，缩短电力系统电压的恢复时间，改善电力系统电压稳定性能。

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