电压注入型DCIPC中VSC的控制方式及运行特性仿真研究

李 娟，严宇昕，聂 鹏，黄喜旺，吴 琪

(1．东北电力大学电气工程学院，吉林省吉林市132012; 2．国网天津市电力公司城西供电分公司，天津300110)

电压注入型DCIPC中VSC的控制方式及运行特性仿真研究

李 娟1，严宇昕1，聂 鹏1，黄喜旺1，吴 琪2

(1．东北电力大学电气工程学院，吉林省吉林市132012; 2．国网天津市电力公司城西供电分公司，天津300110)

针对于常规相间功率控制器静态移相和调节过程产生功率振荡等问题，在电压注入型相间功率控制器结构的基础上，将其移相功能由电压源换流器实现，构成移相角度连续可控的动态可控相间功率控制器(DCIPC)。建立dq0坐标下的DCIPC数学模型，阐述电压源换流器的控制方式并采用间接电流控制策略实现对电压源换流器的控制，通过对PWM调制比M及移相角δ进行控制，平稳连续地改变电压源换流器的注入电压，从而实现带IPC联络线功率及电压的调节。以经带DCIPC联络线相连的两机系统为例，验证了DCIPC能够实现连续有效调节线路功率和电压的功能。

相间功率控制器;电压源换流器;移相环节;间接电流控制策略

1 引言

随着社会经济的飞速发展和用户对电能质量要求的日益提高，大型电网互联已经成为电力系统发展的必然趋势，同时也将是提高电力系统运行可靠性和电能资源配置的重要途径。通过柔性交流输电系统(Flexible Alternative Current Transmission Systems，FACTS)进行联网，可以有效地解决网络损耗过大、潮流分配不合理、电力系统功率振荡等问题［1］。

相间功率控制器(Interphase Power Controller，IPC)是一种可对有功功率和无功功率进行控制的组合型FACTS器件，通过等效改变线路阻抗、移相角等参数的方式来实现线路输送能力的调节，在改变线路的传输功率、增强线路潮流的可控性、限制短路电流等方面都具有优良特性［2］。IPC的类型有常规IPC120、IPC240和电压注入型IPC等，其中常规IPC仅由电感、电容和机械开关等常规器件组成，静态移相不能实现灵活调节的功能，同时会引起功率振荡。与常规IPC相比，电压注入型IPC的移相变压器容量、电感及电容支路的阻抗值和电能损耗都较小，同时电压注入型IPC中采用电力电子技术，可解决常规IPC存在的实际问题［3］。

本文在研究电压注入型动态可控相间功率控制器(Dynamic Controlled Interphase Power Controller，DCIPC)功率控制原理的基础上，分析DCIPC中电压源换流器(Voltage Source Converter，VSC)的工作原理，建立DCIPC在dq0坐标下的数学模型，阐述电压注入型DCIPC中VSC的调制比M及移相角δ与联络线上潮流的关系，在此基础上提出间接电流控制策略以实现对VSC的调节控制，并进行仿真验证。

2 电压注入型IPC基本结构

电压注入型IPC的单相结构如图1所示，其中只在电感支路应用移相器，电容器直接连接在送端和受端之间，类似于传统的串联补偿装置［4］。

图1中Us、Ur分别为IPC入口和出口的电压值，φ为电感支路的移相角，δ为IPC两侧电压相位差，XL、XC分别为IPC电感、电容支路的感抗和容抗。

由图1可推导出经IPC输送的功率表达式为:

图1 电压注入型IPC结构Fig．1 General circuit of voltage injection IPC

经过带IPC的线路电流为:

3 电压注入型DCIPC基本结构及数学模型

3.1 电压注入型DCIPC的基本结构

相对于传统的静态IPC，电压注入型DCIPC具有动态可控的特性。利用VSC代替常规IPC的移相环节，通过电力电子技术改进电感、电容支路器件，分别实现移相角和线路阻抗连续动态的可控调节［5］。经带DCIPC交流弱联系的两互联电网结构模型如图2所示。

图2 基于VSC的DCIPC的结构模型图Fig．2 Structure of improved IPC based on VSC

在图2中，VSC作为电感支路中的移相控制器，Vpq为VSC向线路注入的接近正弦的补偿电压，与电感支路的电流IL正交，而且其直流电压由电容器组构成的直流储能元件提供，因此除本身损耗外，一般与系统之间不存在有功功率的交换［6］。

联络线传输的有功功率与DCIPC两端的电压相位角有关。电感支路电压Vpq的注入会使DCIPC两端的电压产生相位移动，从而改变交流系统两侧的功率传输。本文仅针对VSC进行调节，不考虑电感及电容的控制。

3.2 dq0坐标下的DCIPC数学模型

本文以经带DCIPC联络线连接的两侧电网三相电路拓扑图为例，其结构如图3所示。DCIPC装置中VSC的输出电压通过耦合变压器串联在输电线路中，由IGBT的触发脉冲来调节［7］。

图3 含DCIPC的电力系统结构Fig．3 Power system containing DCIPC

根据电路基本原理可以得出DCIPC在abc三相静止坐标下的数学模型为:

式中，iLa，b，c，iCa，b，c分别为电感、电容支路电流瞬时值;ira，b，c为联络线电流瞬时值;Usa，b，c，Ura，b，c分别为送端电网和受端电网电压的瞬时值;Upqa，b，c为VSC注入电压瞬时值;UMa，b，c为M点电压瞬时值。

将式(4)～式(6)通过派克变换，得到:

式中，iLd，iLq和iCd，iCq分别为电感支路和电容支路电流的d、q轴分量;isd，isq为联络线上电流的d、q轴分量;Usd，Usq和Urd，Urq分别为送端电网和受端电网电压的d、q轴分量;Upqd，Upqq为VSC注入电压的d、q轴分量;UMd，UMq是M点电压的d、q轴分量。有功功率在dq0坐标下的表达式为:

4 VSC的控制策略

4.1 控制目标

DCIPC中VSC的控制目标是向电感支路注入一个与支路电流正交的电压，使其呈现电感/电容特性来改变支路的等效阻抗和线路两侧相位差，从而实现对线路输送功率的调节。

通过VSC内部结构和控制原理的研究分析，采用间接电流控制策略调节PWM的调制比M和移相角δ，实现对VSC注入电压的控制，从而达到灵活快速地调节有功功率和交流电压的目的。

4.2 电压源换流器的PWM控制策略

性能优异的VSC是脉宽调制和闭环控制策略与主电路拓扑结构的完美结合，PWM脉宽调制是VSC与闭环控制的桥梁。

图3中的VSC为三相两电平电压源换流器，每相的上桥臂和下桥臂的两个功率开关器件可看作理想的单刀双掷开关，其相应的等效开关电路如图4所示。

由图4可得一组完整的两电平VSC的开关函数模型:

图4 两电平变换器等效开关结构图Fig．4 Two level voltage source inverter equivalent switch structure

由式(11)～式(13)可知，脉宽调制作为触发信号控制方式，可以改变电压源换流器功率开关器件的通断状态，即建立相应的开关函数模型，进而达到调整电压源换流器交流电压Upq和电流i的目的。

4.3 间接电流控制机理分析

间接电流控制也称为“直接控制”，实际上就是所谓的“电压幅值相位控制”，即通过调节换流器交流侧输出电压基波的幅值和相位来达到控制目标。其主要原理是根据所控制物理量的偏差值输入，直接由比例积分调节器得到相应的调制比M和移相角δ两个物理量，然后将其输入到触发脉冲发生环节以实现对换流器的控制调节，其原理如图5所示。其中φ表示系统电压和电流之间的相角差;比例积分调节器中Kp用来提高响应速度，Ki用来消除稳态误差。

图5 VSC系统间接电流控制原理图Fig．5 Indirect current control diagram of VSC

(1)有功功率控制机理分析

有功功率控制的基本原理是利用有功功率测量值Psm与控制参考值Psref的差值，通过PI调节器控制调节PWM调制波的移相角δ，以使换流站注入到交流系统的有功功率达到其设定值，控制原理如图6所示。当有功功率差值很大时，为防止出现积分饱和现象，需要在积分环节中加相应的限幅环节;另外为防止有功功率控制器发生超调现象，在其输出也需要移相角限幅环节。

图6 有功功率控制器原理框图Fig．6 Block diagram of active power controller

(2)交流电压控制机理分析

交流电压控制是利用测量值Usm与参考值Uref的差值，通过PI调节器控制调节PWM调制波的调制比M，以此调节注入到交流系统的无功功率，从而控制交流电压的幅值达到其设定值，如图7所示。

图7 交流电压控制器原理框图Fig．7 Block diagram of AC voltage

因此，将实时采集的有功功率、交流电压与系统相应输出物理量的参考值之间的偏差，输入到相应控制模块中，并经过比例积分调节器，得到与VSC有功功率、交流电压相关基于PWM调制的移相角δ、调制比M，最终根据得到的M与δ生成触发脉冲，进而对换流器中的IGBT阀进行控制。

根据上述间接电流控制原理，VSC控制原理如图8所示，换流阀采用SPWM正脉宽调制，T1～T6为开关器件的脉冲触发信号。

图8 VSC间接电流控制器原理框图Fig．8 Indirect current controller block diagram of VSC

5 功率和电压控制的仿真分析

本文以图9所示的经带DCIPC的互联电网为例进行仿真分析，通过间接电流控制策略对VSC的注入电压进行控制，验证DCIPC对系统传输的有功功率和交流电压的控制效果。

电力系统由两条220kV输电线路相联，其中一条线路中装设DCIPC;系统的S1侧和S2侧分别装设容量为200MVA和150MVA的发电机组，B2母线处设有300MW的动态负载。调节DCIPC中VSC的注入电压，对输电线路的传输功率和B2母线处电压瞬时值进行测量。DCIPC电感支路感抗和电容支路容抗标幺值分别为0.03pu和0.05pu，DCIPC移相环节的VSC有功功率控制器参数Kp=0.045、Ki=1.6，交流电压控制器参数为 Kp=0.02、Ki= 0.95。

图9 仿真系统简易图Fig．9 Simplified diagram of simulation system

(1)有功功率控制仿真分析

对互联系统的传输功率进行调节控制，在0～0.3s期间线路中不施加控制，VSC参考电压设置为0;当0.3s时加入控制，将 VSC参考电压设置为0.04pu，观察DCIPC对B1和B2母线间线路传输有功功率的调节情况，如图10所示。

图10 VSC注入电压和传输功率变化情况Fig．10 Situation of injection voltage and transmission power changes

通过Simulink仿真分析得知，在感性支路中装设DCIPC，通过改变VSC注入电压将线路两端相角差由7.2°调至9.5°，进而S1侧发电机组经联络线传输的功率随之发生变化，由 150MW 升高到200MW。然而在0.3s时由于相角变化引起了传输功率的振荡。

(2)电压调节仿真分析

在电压调节过程中增大B2母线处的无功负荷，B2母线处电压随无功负荷的增大而降低。在0～0.3s期间线路中不施加调节，VSC参考电压设置为0;当0.3时将VSC参考电压设置为0.14pu，观察DCIPC对B2母线处电压的调节情况，如图11所示。

通过Simulink仿真分析得知，由于无功负荷的增大致使B2母线处电压降低至0.8pu，经过DCIPC调节后电压恢复到1.0pu左右。同时间接电流控制策略的采用使电压可以平滑过渡，避免了电压阶跃的情况，而且保持了良好的电压波形。由上述分析可知，DCIPC可以有效地调节线路电压，以确保电力系统设备安全运行。

图11 B2母线处电压变化曲线Fig．11 Curve of voltage at bus B2

6 结论

本文将电压注入型相间功率控制器中的移相环节采用VSC实现构成DCIPC，VSC可以快速灵活地实现改变支路移相角的功能，并且损耗较小。

设计电压注入型DCIPC中的VSC控制方式，建立了dq0坐标下的DCIPC数学模型，采用间接电流控制对PWM调制的移相角δ、调制比M进行调节。

以经带DCIPC的互联电网为例进行仿真分析，结果表明，本文采用的控制方式可以快速地控制VSC注入电压，有效地调节带IPC线路的传输功率，从而起到控制网络中的功率分布的作用，而且在母线电压降低时可以有效地改善母线电压质量。

［1］何大愚(He Dayu)．柔性交流输电技术及其控制器研制的新发展(FACTS technology and new progress in the development of its controllers)［J］．电力系统自动化(Automation of Electric Power System)，1997，21(2):1-6．

［2］Sybille G，Haj-Maharsi Y．Simulator demonstration of the interphase power controller technology［J］．IEEE Transactions on Power Delivery，2006，8(11):453-463．

［3］李娟，闫乃欣，周建颖，等(Li Juan，Yan Naixin，Zhou Jianying，et al．)．TCIPC提高暂态稳定性的PI控制器设计(Designing PI controller in thyristor controlled interphase power controller for improving transient stability of power system)［J］．电工电能新技术(Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy)，2012，31(3):68-72．

［4］Francois Bearegard，Jacques Brochu．Interphase Power Controller with Voltage Injection［J］．IEEE Transactions on Power Delivery，1994，9(4):1956-1961．

［5］M Farmad，S Farhangi，G B Gharehpetian．Nonlinear controller design for IPC using feedback linearizationmethod［J］．International Journal of Electrical Power＆Energy Systems，2013，44(1):778-785．

［6］张帆，徐政(Zhang Fan，Xu Zheng)．静止同步串联补偿器控制方式及特性研究(Study on control and characteristics of static synchronous series compensator)［J］．中国电机工程学报(Proceedings of the CSEE)， 2008，28(19):75-80．

［7］Faridi M，Maeiiat H，Karimi M，et al．Power system stability enhancement using static synchronous series compensator(SSSC)［A］．3rd International Conference on Computer Research and Development(ICCRD)［C］．2011.387-391．

Modeling and simulation of VSC in DCIPC with voltage injection

LI Juan1，YAN Yu-xin1，NIE Peng1，HUANG Xi-wang1，WU Qi2
(1．School of Electrical Engineering，Northeast Dianli University，Jilin 132012，China; 2．State Grid Tianjin Chengxi Power Supply Corporation，Tianjin 300110，China)

Considering the issues of static phase shift and power oscillation of the conventional IPC，according to the analysis of the voltage injection interphase power controller，the voltage source converter is combined with Interphase Power Controller with Voltage Injection．Dynamic controlled interphase power controller is constituted where the phase shift transformer is replaced by the voltage source converter．DCIPC mathematical model is established under dq0 coordinates．The control mode of the voltage source converter is described and analyzed．At the same time，by using indirect current control strategy in the control of PWM modulation ratio M and phase angle δ，the injection voltage of voltage source converter is changed smoothly and continuously，thus power and voltage on the line with IPC are controlled．As an example of the system connecting two machine by DCIPC in line，the control of power and AC voltage on the line is verified．

interphase power controller;voltage source converter;phase shifting transformer;indirect current control strategy

TM76

:A

:1003-3076(2015)11-0037-06

2014-09-30

李 娟(1972-)，女，山东籍，教授，博士，主要研究方向为电力系统运行控制及FACTS研究;

严宇昕(1989-)，女，湖北籍，硕士研究生，主要研究方向为电力系统运行控制及FACTS研究。