双端VSC-HVDC系统建模及控制方法研究

梁 律，罗隆福，黄 肇，陈尚敏,3，林艺熙

(1.湖南大学 电气与信息工程学院，湖南 长沙 410082；2.中国南方电网超高压输电公司广州局，广东 广州510405；3.湖南省电力公司检修公司，湖南 长沙 410004)

双端VSC-HVDC系统建模及控制方法研究

梁 律1,2，罗隆福1，黄 肇1，陈尚敏1,3，林艺熙1

(1.湖南大学 电气与信息工程学院，湖南 长沙 410082；2.中国南方电网超高压输电公司广州局，广东 广州510405；3.湖南省电力公司检修公司，湖南 长沙 410004)

在0坐标系下建立了双端VSC-HVDC系统的数学模型，并基于该坐标系制定了相应的控制策略。所采用的控制器由外环控制器和内环控制器构成，外环控制器由基于常规PI调节器的定功率控制器/定电压控制器构成，输出为内环控制器的参考值；内环电流控制器采用电流反馈和电压前馈的解耦控制策略，实现电流的快速跟踪控制。此外，针对VSC-HVDC启动时需要限流和限压的要求，在启动前投入限流电阻，确保系统能够平稳快速的响应，系统达到稳态后切除限流电阻。最后，在PSCAD/EMTDC的仿真结果表明，所设计的控制器具有很好的调节性能。

VSC-HVDC；电流反馈；电压前馈；解耦控制；PSCAD/EMTDC

基于电压源换流器的高压直流输电(Voltaged-Source Based Converter of High Voltage Direct Current，VSC-HVDC)技术于1990年由加拿大McGill大学学者Boon-Teck Ooi等人首次提出。1997年，ABB公司首次实现了电压源换流器高压直流输电实验性工程 (Hallsjon工程)的成功运行。此后，VSC-HVDC获得了较快的发展和应用。VSC-HVDC有以下技术优势[1]：(1)有功功率和无功功率的快速独立调节；(2)潮流反转方便快捷；(3)提高交流系统的输电能力；(4)提高交流电网的功角稳定性；(5)事故后快速恢复供电和黑启动；(6)向无源电网供电；(7)PWM技术的使用在一定程度上限制了交流侧的低次谐波。

VSC-HVDC作为新兴的高压直流输电方式，从其诞生之日起就引起了学术界和工业界的极大兴趣。国内外学者对其做了一些研究：文献[2]推导了VSC-HVDC的稳态数学模型并设计了稳态逆模型控制器；文献[3]推导了VSC-HVDC在0坐标下的稳态模型并提出了相应的控制方案；文献[4]推导了0坐标下VSC-HVDC的连续时间状态空间模型，并针对向有源和无源系统供电的2种情况提出了轴和轴解耦控制策略；文献[5]基于同步旋转坐标采用前馈补偿法设计了解耦控制器以达到分别通过轴和轴分量来独立调节有功和无功的目的；文献[6]采用了反馈线性化的方法设计了非线性解耦控制器，表现出了良好的控制性能。

1 VSC-HVDC系统建模

1.1 VSC-HVDC系统的运行机理

双端VSC-HVDC系统结构如图1所示。该系统是一个典型的双端两电平六脉动系统。图中，和分别为VSCHVDC两侧所接交流系统电压基波向量；和分别为VSC换流器交流侧电压基波向量；δ1、δ2分别为和、和的相角差；和分别为VSC1和VSC2交流侧的电流基波向量，和为两侧的换流变压器；和分别为代表两侧的换流电抗器；和分别代表两侧换流电抗器和VSC各项损耗的等效电阻；和分别为VSC1和VSC2直流侧电压；和分别为VSC1和VSC2直流侧电流；和为直流侧电容器；和为流过直流线路的电流和直流线路上的电阻值；、和、分别为启动限流电阻和开关。

可以看出图1所示系统是对称结构，取一侧电路图进行等效，可得到图2所示的基波等效电路。

图1 双端VSC-HVDC系统结构图

忽略联接变压器和相电抗器的等效电阻，VSC和交流系统之间交换的有功功率和无功功率可以表示为：

由式(1)可以得到以下结论：

1.2 dq0坐标系下系统的暂态数学模型

正常运行时，设系统三相电源对称，主电路开关元件为理想元件，左侧VSC为整流站，右侧VSC为逆变站。以整流侧为例，根据KVL，在abc坐标下VSC-HVDC整流侧数学模型为(变量下标“1”表示其为整流侧的参数)：

选取Park变换的矩阵为：

2 控制策略研究

在高压大功率的直流输电场合，VSC-HVDC常采用的控制方式是基于双环(外环控制器和内环控制器)结构构成的直接电流控制，也称为“矢量控制”。双环结构具有快速的电流响应特性，并兼备了很好的内在限流能力。VSC-HVDC的控制系统由PLL、外环控制器、内环控制器、测量采样环节、PWM触发脉冲生成环节构成，控制系统结构如图3所示。

2.1 外环控制策略

为了保证有功功率的传送和维持系统直流电压恒定，必须有一端采用定直流电压控制。在两端都联结有源系统的情况下，需要采用一端定直流电压控制，另一端定有功功率控制的策略。若一端联结交流系统，另一端联结无源网络，联结无源网络那端就需要采用定交流电压控制的策略，这样能维持受端母线交流电压在合乎要求的运行水平。

图3 VSC-HVDC控制系统结构图

(1)定功率控制器

于是，有功功率和无功功率就可以由式(7)表示：

图4 定有功功率控制器

(2)定电压控制器

定直流(交流)电压控制器的目标是维持直流侧(交流侧)电压恒定，通常将设定值与实际值比较后，经过PI环节，得到有功电流参考值。定直流电压控制器原理如图5所示。

2.2 内环控制策略

内环控制器接收外环控制器输出的电流参考值，用于实现换流器交流侧电流波形和相位的直接控制，以快速跟踪参考电流。其输出信号为和，经过Park变换的逆变换后变为三项信号，直接输入触发脉冲生成环节，最后为IGBT/GTO提供门级触发信号。

图5 定电压控制器

将式(3)变换成式(9)所示的形式：

做以下替代：

则式(9)可以写成：

为了提高内环电流控制器的跟踪速度和精度，引入电流反馈和电网电压前馈。所谓电流反馈，就是将交流系统的电流通过测量采样环节引入内环电流控制器，与外环控制器产生的轴和轴电流参考值进行比较，他们的差值再通过PI环节产生电压量和'；所谓电压前馈，就是将以电网电压和引入内环电流控制器作为前馈补偿，通过式(9)就构成了轴和轴的独立解耦的反馈控制系统。内环电流控制器的结构如图6所示。

图6 内环电流控制器

2.3 锁相同步环节

为了保证信号的实时性、坐标同步和对电压矢量的定向控制，须加入锁相同步环节对交流系统的电压相位进行锁定。锁相同步环节通过锁相环将输入的参考正弦信号进行同步，使得振荡器和参考的输入量同频同相，其原理图如图7所示。

图7 锁相同步环节

3 仿真分析

3.1 系统参数

为了验证上述控制策略的正确性，本文采用电力系统电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC进行仿真分析。仿真中，采用的一些主要参数为：交流系统的线电压峰值为；频率为；换流变压器容量为；变比为；换流电抗器电抗值为；等效电阻为；直流电容为；直流线路等效电阻值为=7 Ω；直流线路等效电抗值为=0.596 8 H；限流电阻值为；高通滤波器 HPF的电阻为=1 Ω，电感为=0.12 mH，电容为=5 μF；PWM开关频率为=1 980 Hz。

VSC-HVDC系统启动时，既要求系统的直流电压能够快速上升到接近正常工作时的电压，但又不能产生过大的充电电流和电压冲击VSC阀体。因此，必须设计相应的启动控制器使系统能够快速平稳安全地启动。为此，仿真时采取的措施是：对定控制端来说，通过串入限流电阻减小脉冲闭锁时的过电流，当上升到一定值时再切除限流电阻；对定P控制端来说，先断开直流线路，然后采用与定直流电压控制端完全相同的启动控制方式，当VSC2的直流电压上升到额定值时再切换到正常的定P控制。

3.2 受端为有源系统

仿真时，两个VSC交流侧都联结有源系统，采用的控制策略为：VSC1定直流电压控制和定交流电压控制，且；VSC2定有功功率控制和定交流电压控制，且。

Case1：系统启动时控制器的响应性

图8所示为定电压控制器和定功率控制器的响应性，仿真结果表明所设计的控制器能较快响应，且系统的电压和功率都能较好地跟踪参考值。

Case2：功率抬升

待系统启动完毕运行达到稳态后，在=1.5 s时，将VSC2侧有功功率设定值从抬升到。可以看出系统的有功功率响应很快，在设定值完成变化之后约0.05 s系统的功率就达到－250 MW，而且有功功率的抬升对无功功率几乎没有影响。同时，在定电压控制器的作用下，系统的直流电压和交流电压受有功功率抬升的影响不大。图9为功率抬升实验的仿真示意图。

Case3：功率翻转

图8 外环控制器响应

图9 有功功率抬升50 MW实验

4 结论

图10 有功功率翻转实验

[1]汤广福.基于电压源换流器的高压直流输电技术[M].北京：中国电力出版社，2009：21-24.

[2]张桂斌，徐政，王广柱.基于VSC的直流输电系统的稳态建模及其非线性控制[J].中国电机工程学报，2002，22(1)：17-22.

[3]陈谦，唐国庆，胡铭.采用dq0坐标的VSC-HVDC稳态模型于控制器设计[J].电力系统自动化，2004，28(16)：61-66.

[4]尹明，李庚银，牛同义，等.VSC-HVDC连续时间状态空间模型及其控制策略研究[J].中国电机工程学报，2005，25(18)：34-39.

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[6]严干贵，陈涛，穆钢，等.轻型高压直流输电系统的动态建模及非线性解耦控制[J].电网技术，2007，31(6)：45-50.

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Study of double-pointed VSC-HVDC system modeling and control strategies

A mathematical model of double-pointed VSC-HVDC system was established and its control strategy was draw up in0 coordinate system.The controller consisted of outer loop and inner loop.The outer loop,which combined power/voltage controller based on conventional PI regulator,its output was reference of inner controller.The inner current loop, which adopted current feed-back and voltage feed-forward, realizing the current's fast tracking.In consideration of the requirement of current and voltage's limitation in the process of start-up,resistors were inserted and made the system's response smooth and fast.They were cut off after the system's going to steady.Last,simulation tests realized by PSCAD/EMTDC were performed to verify the designed controllers have good response speed and recovery ability after fault.

VSC-HVDC;current feed-back;voltage feed-forward;decoupled control;PSCAD/EMTDC

TM 721

A

1002-087 X(2016)03-0675-05

2015-08-17

国家自然科学基金资助项目(50907018)；湖南省研究生科研创新项目(CX2012B127)

梁律(1986—)，男，广西壮族自治区人，硕士生，主要研究方向为高压直流输电。