基于双闭环控制的柔性直流输电变流器仿真研究

李珊珊，李丽兰，朱云霞

（1.郑州铁路职业技术学院电子工程系，河南 郑州 450000；2.许继集团有限公司，河南 许昌 461000）

基于双闭环控制的柔性直流输电变流器仿真研究

李珊珊1，李丽兰1，朱云霞2

（1.郑州铁路职业技术学院电子工程系，河南 郑州 450000；2.许继集团有限公司，河南 许昌 461000）

柔性直流输电是未来大容量电网发展的关键。为研究基于电压源型逆变器的柔性直流输电系统（VSC-HVDC），建立了两电平柔性直流输电系统的拓扑模型，采用电压外环和电流内环组成的双闭环矢量控制方式，以及SVPWM调制方式，利用Matlab中的Simulink搭建了仿真模型，仿真模拟稳态及各相位故障时，系统的调节和反应情况。最终，验证了系统的准确性，并证明柔性直流变流器可以接无源负载的特点，以及在背靠背柔性直流变流器潮流反转和故障后快速恢复能力。

双闭环控制；柔性直流输电；潮流反转

Abstract:VSC-HVDC is the key to the development of large capacity power grid in the future.Based on the research for VSC-HVDC system of voltage source inverter，two level topology model of HVDC system was estabished，using double closed-loop vector control with voltage and current loop components，and SVPWM modulation，a simulation model in the Simulink of Matlab was built，the phase steady，regulation and response system were simulated when the fault.Finally the accuracy of the system is verified，and the characteristics of flexible DC converter of which can meet the passive load，and rapid recovery in reverse fault and flexible DC converter after back-to-back trend are demonstrated.

Key words:double closed-loop control；voltage source converter based high voltage direct current（VSC-HVDC）transmission；loadflowreversal

柔性直流输电系统也称为电压源换相高压直流输电，它以脉宽调制技术、电压源换流器和可关断器件等为基础，采用可控关断元件解决向无源负荷送电的问题。另外，在传输有功功率的同时，换流器可以向交流系统发出无功，或者从交流系统吸收无功，起到调节无功功率的作用，运行方式更加灵活。因此它可以单独地控制有功和无功功率，实现能源的最大利用。并且由于换流站是电压源换流站的缘故，所以可以进行远程控制，几乎不需要人去维护，节省了人力资源［1］。柔性直流输电与可再生能源发电及智能电网相结合，具有极好的发展前景。

与传统直流输电相比，柔性直流输电的优势主要体现在孤立负荷送电、有功功率与无功功率控制等方面。除此之外，柔性直流输电技术可以独立地控制有功功率和无功功率，负荷变化等引起的瞬时过电压可以通过无功功率反应消除，有静止无功补偿器的作用，所以可以稳定交流侧的母线电压［2］。当发生故障的时候，柔性直流输电系统可以起到有功补偿和无功补偿的作用，因此具有很好的故障后快速恢复能力。而传统的直流输电只能控制触发角，无法控制有功和无功。当潮流反转时，直流电流方向反转但是电压的方向不变［3］。

相比于传统的直流输电，柔性直流输电系统能够方便控制并联多段直流系统［4］。国内对其相关研究比国外晚，目前主要研究方向有：电路拓扑结构、控制方法、谐波分析等方面。

本文采用电压外环和电流内环组成的双闭环矢量控制方式，调制方式使用SVPWM。设计主电路和控制方式，利用Matlab下的Simulink对系统进行了模拟仿真，仿真各相位故障时，系统的调节和反应情况。

1 柔性直流输电变流器原理

1.1 两电平柔性直流输电系统拓扑结构

电压源型换流器VSC正常工作时，其能量可以在电网和整流桥间流动，开关器件具有高频开断的特性，通过PWM控制方式对开关器件的通断进行控制，从而改变交流输出电压的相位和幅值，并且实现有功、无功的独立调节。

本文中，研究对象为三相两电平换流器。两电平换流器是用于轻型直流输电系统中最简单的换流器拓扑结构，如图1所示。每个换流器有6个桥臂，每个桥臂由1个IGBT和与之反并联的二极管组成［5］。二极管起到保护和续流的作用。在高压大功率的情况下，每个桥臂可以由多个IGBT及其反并联二极管互相串联，串联的个数和换流器的电压等级、额定功率、开关器件的耐压强度和通电能力等多个参数均有联系［6］。

图1 两电平换流器结构图Fig.1 The two level converter structure diagram

1.2 柔性直流输电系统变流器的稳态数学模型

实际系统中，如果不考虑损耗电阻对功率的影响，可推得：

由式（1）、式（2）可知，通过控制换流桥输出电压的幅值和相位，能够改变系统的有功功率和无功功率。

同时，δ主要影响有功功率，的变化主要影响无功功率。这就是柔性直流输电电流控制的核心原理，通过控制电压的幅值和相角，就能改变I*的幅值和它相对U*s的相位值以及改变换流电抗器的电压降，从而实现控制有功功率和无功功率的目的。

1.3 SVPWM空间矢量调制

本文采用SVPWM空间矢量调制方式［7-8］。由于SVPWM可以分为连续和非连续2种不同的开关系列，SVPWM可以通过选择最优的开关序列以减少功率器件开关次数，因此可以降低开关损耗。开关的大部分损耗来自于其开关次数，所以SVPWM是优于SPWM的，故选此调制方式。

2 VSC的双闭环控制

2.1 数学模型以及双闭环控制原理

以VSC1为例，在不考虑滤波电容时，d-q同步旋转坐标系下，其数学模型可以用下式的动态微分方程组描述：

式中：usd，usq分别为电网电压的d，q轴分量；isd，isq分别为电网电流的d，q轴分量；ud，uq分别为电压源变流器交流侧基波电压的d，q轴分量；R，L分别为相电抗器的等效电阻和等效电感。

耦合项为ωLisd，ωLisq，说明d，q轴的电流大小受到耦合量和电网电压的影响。然而，仅仅对d，q轴的电流进行负反馈控制并不能消除d轴和q轴的耦合量。因此，对isd，isq进行解耦控制是内环控制的一个核心。为了消除它们之间的耦合以及电网电压扰动，可以在式（3）中引入电网侧的d，q轴电流，构建抵消耦合的控制分量合成量，消除电网电压。引入中间量Ud和Uq：

式中：isdref，isqref分别为电网侧有功电流和无功电流的参考值。

由式（3）、式（4）可以得到：

引入电流状态反馈量与理论值比较再进行PI调节来独立控制d，q轴电流，使电流控制更为简单。

2.2 双闭环控制的原理图［9］

2.2.1 双闭环调节内环控制

根据以上所得的数学模型，内环控制的原理图如图2所示。内环控制用于实现VSC输出调制电压的控制，通过对调制电压基波分量的准确控制，使VSC交流侧实际输出电流的isd,isq分量快速跟踪外环控制输出的电流参考值。

图2 VSC内环控制原理图Fig.2 The VSC inner loop control schematic

2.2.2 双闭环控制外环控制

外环控制主要控制电压、有功功率和无功功率。按照给定参考电压动态调节2个构成VSC并联母线的电压，并按照给定功率动态调节变流器输入输出功率有功、无功的调节。VSC1侧外环控制的原理图如图3所示。VSC1可以实现有功调节和无功调节。

图3 VSC1外环控制原理图Fig.3 The VSC1outer loop control schematic

VSC2的外环控制原理图如图4所示，VSC2可以实现无功功率和电压的控制。

图4 VSC2外环控制原理图Fig.4 The VSC2outer loop control schematic

在忽略功率损耗的情况下，要保证直流电压恒定，需要使变流器流入和流出的有功功率平衡。即控制电流d轴分量isd恒定，isd的参考值为

2.2.3 双闭环控制内外环控制

综上可以总结出如图5所示的控制原理图。图5中，Pref为有功功率的参考值，Qref为无功功率的参考值。锁相同步环节用来提供用于触发脉冲的生成和电压矢量控制的基准相位。外环电压控制器可以通过与给定值的比较，再进行PI调节后进入内环电路，实现定直流电压、定有功功率和无功功率等控制目标。外环控制器的输出作为内环电路的输入，并控制内环控制器交流侧的电流幅值和相位，从而快速跟踪参考电流。

图5 VSC1内外环控制原理图Fig.5 The VSC1internal and external loop control schematic

3 仿真结果及分析

在Matlab中，利用Simulink工具对柔性直流输电建立仿真模型，如图6所示。图6中显示了2个10 kV交流网络互连的背靠背柔性直流输电变流器。

三相电压型柔性直流输电装置的有功容量为P=5 MW，交流侧输入线电压有效值为U=10 kV，则交流侧线电流参考值为289 A，经过变压器之后的二次侧电压的有效值为Us=15 kV。Udc设为37 kV，电感电抗器取2 mH，直流侧的滤波电容值取1 800 μF。在此模型基础上进行不同工况下的稳态及暂态故障的仿真。

3.1 稳态运行下VSC-HVDC仿真结果

当功率正向流动时，VSC1直流侧电压的仿真波形如图7a所示。图7中电压采用标幺值，由仿真波形可知，VSC1直流侧电压在0.06 s之后才稳定下来。这是由于稳压电容的存在，使得电压稳定得较慢。图7b中，有功达到了5 MW，无功为0。除此之外，VSC1交流侧仿真输出的a相电压和电流的波形如图7c所示，在0.06 s之后的电压电流同相位，功率因数大约为1，说明该背靠背式的柔性直流输电变流器所采用的控制策略是有效的。

图6 10 kV背靠背柔性直流输电变流系统仿真模型Fig.6 10 kV back-to-back HVDC system simulation model

图7 稳定运行情况下的仿真结果Fig.7 Simulation results under stable operation conditions

3.2 两相接地故障时VSC-HVDC仿真结果

本次仿真模拟VSC2交流侧在0.15 s时发生两相接地故障，0.2 s故障消失。逆变器的直流侧电压波形如图8a所示；交流侧电压如图8b所示。

图8A，B两相接地故障时的仿真结果Fig.8 Simulation results ofA，Btwo phase to ground fault

仿真结果表明，故障时逆变器的交流侧电压以及直流侧电压的值均发生了改变。当故障消失之后，经过约0.03 s的调整，直流侧电压和交流侧电压均恢复正常。结果表明，该控制策略具有良好的自我抵抗干扰和故障后快速恢复的能力。

3.3 无功功率跳变时VSC-HVDC仿真结果

令无功功率在0.15 s发生突变，如图9所示。

图9 无功功率跳变时的仿真结果Fig.9 Simulation results of reactive power jump

根据无功功率的波形图可知，正常情况下，无功功率为0，保证了系统功率因数为1。无功功率发生突变后，有功功率基本不发生波动。

3.4 潮流反转时VSC-HVDC仿真结果

仿真时，在0.1 s发生潮流反转，有功和无功的变化曲线图如图10所示。

图10 潮流反转时的仿真结果Fig.10 Simulation results of power flow reversal

可以看出，反转前Q=1.2（标幺值），P在0.1 s之后功率由正值跳变到负值，而无功功率的大小在经过0.1 s之后，调整趋于稳定，所以该控制策略的柔性直流输电可以实现潮流反转的功能。

3.5 VSC-HVDC向无源负荷供电的仿真结果

柔性直流系统末端接50 Hz的无源负荷供电时，通过电压源换流器VSC1用来对三相交流电压进行整流，外环用定无功功率控制和定直流电压控制，VSC2用来对直流电压进行逆变，外环采用定频率和定交流电压控制，仿真总体电路图如图11所示。

图11 VSC-HVDC接无源负荷时的仿真模型Fig.11 Simulation model of VSC-HVDC with passive load

图12为接无源负荷时VSC1直流侧电压波形。

图12 接无源负荷时VSC1直流侧电压波形Fig.12 Voltage waveform of VSC1DC side when the passive load is connected

由图12可知，接无源负载的时候，直流侧的电压可以在短时间内调节到额定值，可见不需要接电压源也可以运行，能够满足运行要求。

4 结论

本文利用Matlab的Simulink对柔性直流输电系统及其控制器进行了建模，并在此模型的基础上进行了稳态和一系列暂态故障的仿真。仿真结果证明：变流器在稳态运行的时候，直流侧和交流侧的电压比较稳定，谐波含量少，且交流侧的电压功率因数高。所以该方案控制良好，两端的交流电压和电流的波形能够达到理想值，且响应速度很快。同时，该系统也具有良好的抗干扰性。所提出的控制策略具有较快的响应速度并对交流侧故障有一定的抵抗能力。并且由于系统采用d-q旋转坐标的直接电流控制，可以实现无功功率、有功功率的解耦控制，进一步能够实现换流站间功率的独立控制。这个系统提高了直流输电的电能质量和传输效率，也提高了交流系统的稳定性。动态运行时，具有很快的动态响应速度和较强的承受负载变化的能力，体现了快速、连续、稳定的柔性特点。所以该模型可靠有效，符合工程实际情况。

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Simulation Study of VSC-HVDC Converter Based on Double Closed-loop Control

LI Shanshan1，LI Lilan1，ZHU Yunxia2
（1.Department of Electronic Engineering，Zhengzhou Railway Vocational and Technical College，Zhengzhou450000，Henan，China；2.XuJi Croup Corporation，Xuchang461000，Henan，China）

TM46

A

10.19457/j.1001-2095.20170904

李珊珊（1983-），女，硕士，讲师，Email：31699746@qq.com

2016-10-28

修改稿日期：2017-05-05