基于功率解耦控制的电流注入式HVDC换流器运行特性的研究

赵建阳，张福民，刘福贵，刘永和



基于功率解耦控制的电流注入式HVDC换流器运行特性的研究

赵建阳1，张福民1，刘福贵1，刘永和2,3

(1.河北工业大学电磁场与电器可靠性省部共建重点实验室，天津 300130；2.内蒙古工业大学电力学院，内蒙古 呼和浩特 010080；3.坎特伯雷大学电气与计算机系，新西兰 克利斯切奇8140)

研究基于MLCR-CSC的HVDC换流器在电网不同工况下的功率控制特性。从实际工程角度出发，设计了两组MLCR-CSC(DMLCR-CSC)协调工作的方案，提出了双组多电平电流重注入换流器(DMLCR-CSC)作为HVDC换流器。分析了DMLCR-CSC在功率解耦控制的可行性，提出了有功功率和无功功率解耦控制思想。采用的9电平DMLCR-CSC主电路晶闸管器件具备零电流关断(ZCS)特点。在输电网正常工况下，网侧单相接地故障、两相短路故障和直流侧短路故障时，换流器可以在1/6个周期内把电流降到零，并且THD含量与触发角度无关。仿真验证了DMLCR-CSC构成的HVDC换流器是高压大功率电能传输的一种可靠的选择。

DMLCR-CSC；功率解耦控制；ZCS；THD；运行特性；故障响应

0 引言

高压直流(HVDC)输电系统具有传送效率高、建设成本低和运行稳定等优点，已经成为现代电能传输领域的重要选择方式[1-2]。HVDC换流器主要包括电压型换流器(VSC)、电网换相换流器(LCC)和LCC-VSC混合直流输电换流器。

VSC具有功角和直流电压两个控制自由度，功率控制灵活，同时兼顾电网电能质量，但是对换流器控制与保护和电网故障响应要求更高[3-5]。LCC的特点是传送功率大，损耗低和全性能高以及故障响应时间短，但是容易出现换相失败，产生谐波，消耗大量无功功率[6-8]。有学者提出VSC-LCC混合HVDC拓扑结构，优点是只需少量或者不需无功功率补偿，可以作为独立电源向电网提供稳态和暂态支撑，对电网故障响应迅速[9-11]，但控制器设计较为复杂。

电流注入式换流器借助于直流纹波注入技术，在传统12脉波换流器增加了电流重注入回路，构成多电平电流重注入换流器(MLCR-CSC)。MLCR-CSC控制方式与LCC相同，并且重注入电路时序与主电路触发角度同步，可以实现晶闸管电流过零关断、谐波消除和单位功率因数运行，因此MLCR-CSC作为HVDC换流器有一定的优势。然而，单组MLCR-CSC的唯一控制变量只有功率角，有功功率和无功功率独立控制受到限制[12-13]。

为了研究基于MLCR-CSC的HVDC换流器在电网不同工况下的功率控制特性，从实际工程角度出发，设计了两组MLCR-CSC(DMLCR-CSC)协调工作的方案，在一个相对较宽的范围内，对发送端的有功功率和无功功率进行解耦线性化，设计精度较高、响应迅速的经典PI控制器，实现功率灵活控制的同时完成功率倍增[14-16]。仿真验证主要包括换流器设备运行特性，电网正常工况、网侧单相故障、两相相间短路故障和直流侧故障时的电压电流功率特性。

1 结构拓扑与变开关角控制

1.1 拓扑结构

图1是新型换流器拓扑结构，交流侧采用两组MLCR-CSC串联拓扑结构，它可以实现改变相角来控制电流幅值；DMLCR-CSC可以适应更高的电压等级。DMLCR-CSC协调控制，在基波频率下可以实现交流侧电流相位、幅值及其电能质量的控制，摆脱了换流器对滤波器和固定电容组无功补偿设备，简化了换流器并网设计。

图1 DMLCR-CSC构成HVDC换流器

1.2 变开关角控制

图2为DMLCR-CSC系统相角分析图。网侧交流电压S，网侧交流电流1可以分解为A1和A2，矢量关系为1A1+A2。A1和A2的幅值基本一致，相位不同；A1和A2的幅值大小由直流侧电流决定。1和2为两个换流器触发角。

换流器交流侧电流1的幅值和相位如式(1)、式(2)。

(2)

从式(1)、式(2)可以看出，换流器交流侧电流1的幅值由cos[(12)/2]决定，1的相位由(12)/2决定。因此，DMLCR-CSC网侧电流的幅值通过改变PWM调制系数达到参考值，相角通过控制两组换流器电流导通时刻实现控制目标。

1.3功率独立控制

从MLCR-CSC功率控制特性分析，设计了经典PI控制策略，如图3。它主要包括功率运行的四个状态，高有功功率、高无功功率控制方式，低有功功率、高无功功率控制方式，高有功功率、低无功功率控制方式，高有功功率、零无功功率控制方式。图3表明在一个较宽的范围内，通过改变两个换流器开关角1和2，可以控制换流器网侧有功功率和无功功率，实现功率解耦控制[17-20]。

图3 DMLCR-CSC功率开关角控制策略

2 功率解耦控制器设计

HVDC换流器发送端控制有功功率和无功功率，接收端控制直流侧电压恒定和无功功率。为了便于分析换流器稳态特性，接收端采用通常的开关角控制两组换流器，即两组换流器的控制一致；发送端采用变开关角控制，接下来主要讨论发送端功率控制模型。传统控制器设计只是满足了在较小的范围内实现线性调节，并不能满足变开关角控制方法，因此，控制器设计需要构建有功功率和无功功率到DMLCR-CSC主电路触发信号1和2的精确传递函数[21-28]。

发送端有功功率1、无功功率1表示为

对有功功率为1、无功功率为1求导得：

(4)

发送端换流器网侧功率变化率为Δ和Δ，与之相对应的换流器触发角度的变化率Δ1和Δ2满足下式：

如果矩阵是非奇异的，那么它的逆矩阵使换流器具有线性化控制特性，-1为

(6)

设计了DMLCR-CSC逻辑控制框图，如图4。主要分为信号采集部分和信号处理部分。信号采集部分包括网侧和直流侧电压电流信号的采样，计算得到实时功率。信号处理方式包括有功功率和无功功率两个控制方式相同的通道，以及二级功率调整回路。ref和ref为有功功率和无功功率指令，meas和meas为电网实时的有功功率和无功功率， G(s)是PID传递函数。输电系统参数经过采样和设定值比较，得到误差增量Δ和Δ。同时，直流电流反馈信号来实时监测控制器的精度，其中1mean为监测实时信号，1ref为参考信号，经过PID传递函数，得到直流电流误差Δ1，与有功功率和无功功率转化触发角作用得到Δ和Δ。Δ和Δ经过PID控制器得到对应有功功率增量的每组换流器触发角度分量Δ1p和Δ2p，对应无功功率增量触发角度分量Δ1q和Δ2q；经过解耦计算得到Δ1和Δ2。经过积分过程，得到触发角度1和触发时序脉冲2，实现了非线性换流器线性化控制的功能。故障或者非正常状态下，智能故障检测装置得到故障信号，自动调整重注入电路触发脉冲序列的宽度，使得换流器在每个基波周期内有6个电流过零点，从而使主电路晶闸管器件在3.3 ms左右控制网侧电流，迅速保持在安全运行状态。

图4 DMLCR-CSC输电系统控制图

3 系统仿真

仿真验证主要对DMLCR-CSC功能及其HVDC换流器运行特性进行验证，重注入电流的电平数为9。

3.1 DMLCR-CSC过零关断与谐波消除

图5中，在0.05 s，j1幅值到达最大，换流器B△的幅值为零，为Δ桥换相提供了零电流关断(ZCS)条件；在0.055 s时，j2幅值最大，上部换流器BY的幅值为零，为Y桥换相提供了零电流关断(ZCS)条件。重注入电流的频率为电网基波频率的6倍，在每个基波周期提供6个电流过零点。

9电平电流重注入换流器的主变压器Y接换流器的直流电流BY输出呈现9电平，主变压器Δ接换流器的直流电流B△输出呈现9电平。主变压器二次侧Y接换流器A相交流输出电流aY导通120º，二次侧Δ接换流器A相交流输出电流aΔ导通120º。二次侧Y接和Δ接经过主变压器耦合，得到变压器一次侧A相近似于正弦波交流电流。

图5 NLCR-CSC网侧直流侧电流波形

3.2 不同零电流脉宽对网侧电流的影响

重注入电流波形采用一个线性上升和下降的三角波进行调制，重注入电路门极可控器件的开关脉冲宽度以均分为基准。脉冲宽度定义为每个周期20 ms，有6个电流过零点，所以零脉冲宽度基准为20/12，其中为重注入电路电平数。在不同触发角度，9电平分别设置了零电流脉冲宽度为基准值的0.85~1.225倍，等间距0.25，得到了谐波含量、电流幅值与零电流脉宽基准倍数和主电路触发角度的数据，如图6所示。

3.3 HVDC正常情况运行特性

图7是正常运行状况下，发送端和接收端换流器电压电流和功率波形图。从0 s开始，参考电流以特定的斜率线性增大到0.1 p.u.；直到直流侧电压上升到1 p.u.，0.4 s时，直流侧母线电压达到稳定状态。电流建立的过程与电压建立过程一致，在0.6 s达到正常稳定运行状态。稳定运行过程中，发送端发送的有功功率约为0.99 GW，无功功率为0.3 Gvar；发送端吸收的有功功率约为0.99 GW，无功功率为0.78 Gvar。在1.4 s，输电系统停止运行，与正常启动的过程中变量变化相反。

3.4 HVDC直流侧短路故障

图8是输电系统直流侧故障时，HVDC换流器电压电流功率的波形。设置0.8 ~1.0 s直流侧短路故障。0.8 s时，直流侧参考电流迅速减小到为0，实际的直流电流也立刻减小。由于DMLCR-CSC有过零关断的功能，在3.3 ms内检测到直流侧故障并且无延时地实现换流器电流为0，发送端交流侧电流也迅速为0。直流侧短路电压最大1.5 p.u.，发送端交流侧电流在短路时最大为2.5 p.u.，完全在安全裕度范围内。发送端换流器在故障之后，迅速停机，防止短路故障影响其连接的电网。发送端输送的功率在故障之后，也变为0。1.0 s，故障切除，整个输电系统进行开机检测。

图6 不同触发时刻，网侧电流幅值THD与零脉宽关系

图7正常工况，HVDC换流器电压电流功率波形

图8 直流侧短路故障，HVDC换流器仿真波形

3.5 HVDC送端单相短路故障

图9是送端电网出现单相接地短路故障时，输电系统电压电流功率的仿真波形。设置0.8~1.0 s接收端单相接地短路故障。短路故障出现，A相电压为0，交流侧电流迅速减小到0.3 p.u.。直流侧电压下降，直流侧电流稳定在0.85 p.u.。接收端交流侧电流受到发送端电压故障，电流有短暂下降过程，但电压和电流很快进入一个的稳定状态。

图9 送端单相短路故障，HVDC换流器交流侧仿真波形

故障期间，发送端的有功功率和无功功率均下降到原来的一半；接收端的有功功率维持在原来的一半，无功功率增大到原来的一倍，来维持接收端电压和电流的正常运行。1.0 s，故障解除，发送端交流侧电压电流功率均恢复正常，直流侧电压恢复到1.0 p.u.，直流侧电流恢复到0.9 p.u.；接收端交流侧电压电流均恢复正常，有功功率恢复到故障前的状态，无功功率下降一半。

3.6 HVDC送端两相短路故障

图10是送端电网出现两相短路故障时，输电系统电压电流功率的仿真波形。设置0.8~1.0 s接收端发生AB相相间短路故障。发送端短路故障出现，A相电压为0，B相电压为0.5 p.u.，交流侧电流出现迅速下降到0.2 p.u.后，直流侧电压下降，直流侧电流稳定在0.6 p.u.。接收端交流侧电流受到发送端电压故障影响，电流有个短暂下降过程，但电压和电流很快进入一个的稳定状态。

图10送端两相短路故障，HVDC换流器仿真波形

故障期间，发送端的有功功率和无功功率均下降到原来的40%；接收端的有功功率维持在原来的一半，无功功率增大，来维持接收端电压保持恒定。1.0 s故障解除，发送端交流侧电压电流功率均恢复正常，直流侧电压和电流恢复到1.0 p.u.；接收端交流侧电压电流均恢复正常，有功功率和无功功率恢复到故障前的状态。

4 结论与展望

从仿真结果可以得到以下结论：

(1) DMLCR-CSC电路在每个基波周期内提供6个电流过零点，实现了晶闸管电流过零关断； 9电平DMLCR-CSC，主电路晶闸管导通频率50 Hz，重注入电路IGBT导通频率600 Hz。

(2) DMLCR-CSC通过注入多电平电流，能够有效降低输出波形谐波含量，不同触发时刻均低于4%，并且在谐波含量与触发角没有关系；实现单位功率因数运行；9电平MLCR-CSC最优零电流脉冲宽度为基准的1.125倍，=2.11%。

(3) DMLCR-CSC在网侧单相接地故障、两相短路故障和直流侧短路故障时，换流器在3.3ms内出现主电路晶闸管电流为零，安全快速实现触发脉冲封锁，把电流控制在安全的范围内；整个故障过程，换流器没有受到短路带来破坏性的危害，提高了设备安全稳定性能。

因此，DMLCR-CSC构成的HVDC换流器是高压大功率电能传输的一种可靠的选择。

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(编辑 葛艳娜)

Research on operating characteristics of current reinjection HVDC converter based on power decoupling controls

ZHAO Jianyang1, ZHANG Fumin1, LIU Fugui1, LIU Yonghe2, 3

(1. Province-Ministry Joint Key Laboratory of Electromagnetic Field and Electrical Apparatus Reliability, Hebei University of Technology, Tianjin 300130, China; 2. Faculty of Electric Power, Inner Mongolia University of Technology, Hohhot 010080, China; 3. Department of Electrical and Computer Engineering, University of Canterbury, Christchurch 8140, New Zealand)

This paper researches the power control features of HVDC converter under different working conditions of power grid, and HVDC converter based on MLCR-CSC. From the perspective of practical engineering, it designs a coordination operating scheme with two groups of MLCR-CSC (DMLCR-CSC), and makes the double set of multilevel current reinjection converter (DMLCR-CSC) as an HVDC converter. It analyzes the feasibility of DMLCR-CSC power decoupling contrel, and proposes the active power and reactive power decoupling control method. Thyristors of nine-level DMLCR-CSC main circuit enable zero current turn off ZCS characteristics. Under normal working condition, single-phase ground fault on AC-side, two phase short circuit fault on AC-side and short-circuit faults on DC-side can shut down current to zero within 1/6 of a cycle. THD content is not relevant with trigger angle. Simulations verify that HVDC converter based on DMLCR-CSC is a reliable choice for high-voltage and high-power power transmission.

DMLCR-CSC; power decoupling control; ZCS; THD; operating characteristics; fault response

10.7667/PSPC151123

2015-07-01；

2015-09-02

赵建阳(1985-)，男，博士研究生，研究方向为电力系统及其自动化；E-mail：jianyangzhaohebut@126.com

张福民(1965-)，男，博士，副教授，研究方向为电力电子与电气传动、柔性交流输电和高压直流输电。