基于负序电压前馈的改进型柔性直流输电 系统有功功率控制策略

沈周丽 李锐华 胡 波

（同济大学电气工程系，上海 201804）

0 引言

在大力发展全球能源互联技术的时代背景下,柔性直流输电（voltage source converter based high voltage direct current transmission, VSC-HVDC）技术被认为是推进未来输电网络智能化、互联化的关键方法[1-2]。作为VSC-HVDC系统中的关键装置，电压源换流器（voltage source converter, VSC）控制性能的优劣直接对VSC-HVDC系统的整体运行特性产生深刻影响[3]。

由于VSC-HVDC系统的应用场景广泛，接入的能源类型不尽相同，因此应根据具体应用场景、运行目标制定合适的功率控制策略[4]。惯量模拟是面向可再生能源的VSC-HVDC系统的控制目标之一，文献[5]提出多种变换器互联的电压源型控制方法。文献[6]中VSC-HVDC送端采用定直流电压与定交流电压相结合的控制策略，而受端则采取定有功功率及定交流电压控制相结合的控制方案，对应用于城市配电网的VSC-HVDC静态及暂态稳定性进行仿真分析。

VSC具备无功及有功功率可单独控制的特性，因此可以输出无功功率对交流系统进行一定的无功补偿，稳定交流电网电压和频率，从而提高电网供电质量[7-8]。VSC-HVDC技术应用于电网的扩展和互联时，其主要的目标是实现对被扰动电网的频率稳定及功率支撑[9]，文献[10]利用Matlab对VSC-HVDC系统受端三相短路故障和单相短路故障开展仿真分析工作。两端VSC-HVDC系统中，稳定的直流电压是系统正常可靠运行的前提条件，当采用定直流电压控制的换流器或其交流侧出现故障时，若两端换流站间没有通信或者出现通信延时，直流电压将会失去控制，进而威胁设备及系统安全[11]。当电网电压不平衡或交流系统发生不对称故障时，VSC换流站的交、直流两侧会产生大量的负序分量和非特征谐波，影响换流装置的安全运行[12]。因此，控制策略应当考虑电网电压不平衡时或交流系统故障的情况。针对电网可能发生的不对称故障，文献[13]提出一种改进的直接功率控制算法，从而实现在发生不对称故障时对换流器的功率控制。文献[14]考虑交流系统故障，提出一种增加补偿项以消除实际触发角与触发角顺序之间偏差的控制方法。文献[15]提出利用交流母线电压分析VSC无功控制方式灵敏度的方法。文献[16]针对采用定直流电压控制的 换流器出现故障的情况，提出基于附加信号的改进控制策略，加入有功功率修正环节，但该策略的控制速度较慢。文献[17]提出基于线路极间耦合特性的故障性质判别方法。文献[18]针对HVDC技术应用于架空线的场景，提出基于直流断路器的线路故障重新启动控制策略。

针对VSC-HVDC系统因故障出现直流电压失控的问题，在分析故障期间交流系统中负序分量的基础上，本文提出一种基于负序电压前馈的改进型有功功率控制策略，不仅能够抑制系统故障期间的直流电压波动，而且能够消除流过连接电抗器的负序电流，从而提高系统安全稳定运行的能力。

1 VSC-HVDC系统建模

1.1 VSC-HVDC系统结构

两端VSC-HVDC系统主要由VSC、变压器、交流电抗器、交流滤波器、直流电容器和平波电抗器等基本单元构成，其结构如图1所示。直流输电网两端的换流站结构类似，左端换流站视为送端站，用下标“t”表征其相关物理量；右端换流站视为受端站，用下标“r”表征其相关物理量。

图1 两端VSC-HVDC系统结构

功率可在VSC-HVDC系统中双向流动。其基本工作工作原理为：交流系统t输出交流功率到送端站的交流母线，经换流变压器t送到换流器t，换流器t工作在整流状态将交流功率变换为直流功率，经直流线路输送到换流器r，换流器r工作在逆变状态将直流功率变换为交流功率，然后经换流变压器r把交流功率送入交流系统r。同理，交流系统r亦可传输能量至交流系统t。

1.2 VSC-HVDC系统运行特性

基于VSC-HVDC系统的基本工作原理，进一步分析其运行特性。VSC-HVDC系统中的关键装置为VSC，所以VSC特性在很大程度上决定了系统运行特性。由于换流器r和换流器t结构相同，以换流器t为例进行分析，其等效原理图如图2所示。

图2 换流器等效原理图

图2中，Lx为交流电抗器电感；Is为流过交流电抗器的电流；Rx为换流器及交流电抗器的等效电 阻；Us为交流母线电压的基频分量；Uc为换流器t交流端电压的基频分量；δ为Uc滞后于Us的角度；Ps、Qs分别为交流系统t向公共节点处注入的有功功率和无功功率；换流电抗器电抗为X=ωLx（ω为系统额定电压频率），公共节点与换流器t之间的总阻抗为Zx=Rx+jX。考虑在一般情况下电阻值会远小于电抗值，近似有Zx≈jX。

如若忽略不计变压器及换流器的各种损耗及谐波分量，则交流系统向公共节点注入的复功率可表示为

由式（1）化简可得到交流系统t输入换流器t的无功功率Qs和有功功率Ps，即

根据式（2）及式（3）分析可得到，通过调整Uc的相位及幅值即可改变电流Is的相位及幅值，从而调节交流系统t与换流器t间交换的无功功率Qs和有功功率Ps的大小和流动方向，从而为VSC- HVDC控制策略的设计提供了重要的理论依据。

1.3 两电平VSC数学模型

VSC在dq同步旋转坐标系下的数学模型表示为

式中：id、iq为换流站交流电流矢量的d、q轴分量；usd、usq为电网电压矢量的d、q轴分量；ucd、ucq为VSC交流端电压矢量的d、q轴分量；udc为VSC直流侧电压；idc为换流器输入直流线路的电流；Mcd=2ucd/udc，Mcq=2ucq/udc。

从交流系统输出的无功功率Qs和有功功率Ps在dq旋转坐标系下的表达式为

由式（5）可知，通过分别独立控制id、iq可调整无功功率和有功功率。

2 基于负序电压前馈的改进型有功功率控制策略

相较于传统HVDC系统，VSC-HVDC系统的优势之一是两端的换流站可分别单独控制，无需通信。同时，这也对VSC-HVDC系统的控制及保护提出了新的技术要求。

2.1 基于负序电压前馈的电流解耦内环控制

在出现非对称故障时，电网电压、电流中将出现大量负序分量。三相不对称下的电网电压可描述为

转换到dq同步旋转坐标系下可得

由式（9）可以得到三相不对称下的换流器等效框图如图3所示。

图3 三相不对称下的换流器等效框图

由图3中的换流器负序模型可以看出，如果能 使换流器交流端产生的负序电压与交流母线处电压的负序分量相等，则此时流过换流电抗器的的稳态值等于零。

2.2 基于直流电压的有功电流修正环节

电流内环响应速度较快，通过修正内环电流参考值直接反映直流电压的波动信息，就能迅速调节换流站的有功功率输出，从而快速控制故障期间产生的直流电压波动。因此，在有功外环与电流内环之间添加一个基于直流电压的有功电流修正环节，有功电流修正环节控制曲线如图4所示。图4中，Kdrec为状态指示：当有功功率参考值大于0时，设定Kdrec=1；当有功功率参考值小于0时，设定Kdrec= 0。当系统工作在正常状态时，有功电流修正环节不对有功电流进行修正，当直流电压失去控制时，修正环节根据直流电压的变化特点，按照控制曲线改变故障期间的有功电流参考值。

图4 有功电流修正环节控制曲线

2.3 基于负序电压前馈的改进型有功功率控制策略

在前述理论的基础上，提出基于负序电压前馈的改进型柔性直流输电系统控制策略，控制策略框图如图5所示，主要由定有功控制、有功电流修正、定无功控制、正序电流解耦的内环控制、负序电压前馈几个环节构成。在电流内环控制器中，对不对称电压及电流进行正、负序分量分离，正、负序分量分离的方法有很多种，本控制策略采用1/4周期延 迟的方法对正、负序分量进行分离。定有功控制中的K为换算比例因子，K=2/3usd。

图5 基于负序电压前馈的改进型有功功率控制策略框图

3 仿真结果

为了对所提出的控制策略进行验证，基于PSIM软件建立仿真模型。通过基于负序电压前馈的改进型有功功率控制策略结合定无功功率控制对换流器t进行控制，换流器r的控制策略为定直流电压控制结合定无功功率控制。两端换流器为两电平拓扑，分别连接有源网络系统，仿真主要参数见表1。

表1 仿真主要参数

根据换流器t稳态时正常工作的要求，设置直流 电压正常工作范围上、下限分别为Udcmin=0.95p.u.、Udcmax=1.05p.u.（基准值Udc=750V）；基于对换流站t直流侧电容耐压水平及直流侧最大过电流水平的考量，设置直流电压安全电压范围上、下限分别为UdcLlim= 0.8p.u.、UdcHlim=1.2p.u.。

工况1：换流器t有功功率指令Psref=20kW（换流器t处于整流状态，换流器r处于逆变状态），t= 0.5s时刻换流器r侧交流电网发生单相接地短路故障（B相），t=0.8s切除故障，仿真结果如图6～图8所示。

图6 Psref=20kW时单相接地故障下Udc波形

图8 故障期间换流器r端流过交流电抗器的 三相电流波形

无负序电压前馈时，故障期间系统Udc波形、流过交流电抗器的三相电流波形分别如图9～图10所示。

图9 Psref=20kW无负序电压前馈时 单相接地故障下Udc波形

图10 Psref=20kW无负序电压前馈时故障期间 换流器r端流过交流电抗器的三相电流波形

对比图6和图9可看出，由于修正环节设计在电流内环控制中，故障期间直流电压Udc被较快地限制在880V以下，从而快速预防了直流过电压的出现，且故障被清除后Udc迅速恢复正常运行水平。从图7可以看出，故障条件下换流器t输入直流侧的有功功率Pin及换流器r从直流侧汲取的有功功率Pout维持在12kW左右，使系统维持直流电压在安全范围内的同时又能够传输一定的有功功率。对比图8和图10可看出，由于负序电压前馈环节的存在，故障期间三相电流波形得到了极大改善，同时也验证了在控制策略中加入负序电压前馈的有效性。

图7 Psref=20kW时单相接地故障下换流器t 有功功率波形

工况2：换流器t有功功率指令Psref=-20kW（换流器t处于逆变状态，换流器r处于整流状态），t=2s时刻换流器r侧交流电网发生单相接地短路故障 （B相），t=2.3s故障切除，仿真结果如图11～图13所示。

图11 Psref=-20kW时单相接地故障下Udc波形

从图11可以看出，故障期间直流侧功率流动不平衡，进而直流电容放电导致电压下降，但是由于修正控制环节的存在，电压被控制在640V以上， 防止出现直流欠电压；故障清除后Udc快速恢复正常工作值。从图12可以看出，由于功率反向传输，功率值均为负值，故障期间换流器t输入直流侧的有功功率Pin及换流器r从直流侧汲取的有功功率Pout保持在-16kW左右，在维持直流电压稳定的同时又能输送一定的有功功率。从图13可以看出，故障期间网侧三相电流波形仍为正弦，减轻了故障对交流电网的影响。可见该控制策略在系统功率反向传输时也能够取得良好的控制效果。

图12 Psref=-20kW时单相接地故障下换流器t 有功功率波形

图13 故障期间换流器r端流过交流电抗器的 三相电流波形

4 结论

本文提出了一种基于负序电压前馈的适用于柔性直流输电的改进型有功功率控制策略，由相关分析及仿真效果可知，在电网出现单相接地故障导致三相不对称时，该策略能保证直流电压被限制在一定的范围内，并且控制策略中加入负序电压前馈环节，改善了故障期间流过交流电抗器的三相电流，可以为VSC-HVDC的实际工程化应用提供参考。