VSC-HVDC稳态模型和功率控制方式的研究

盖国权

（内蒙古电力公司 巴彦淖尔电业局，内蒙古 巴彦淖尔 015000）

VSC-HVDC稳态模型和功率控制方式的研究

盖国权

（内蒙古电力公司 巴彦淖尔电业局，内蒙古 巴彦淖尔 015000）

电压源换流器高压直流输电技术具有非常广阔的应用领域，在许多应用领域还有待于深入地研究。文中简介了VSC的工作原理，建立了VSC-HVDC系统的稳态数学模型，根据该数学模型推导出VSC-HVDC系统传输功率控制中控制量与被控量的直接对应关系，论述了VSC-HVDC系统传输功率的控制方式，在PSCAD仿真模型中整流侧选择定直流电流控制和定无功功率控制，逆变侧选择定直流电压控制和定无功功率控制的传输功率控制方式。仿真结果验证了文章建立的VSC-HVDC系统稳态数学模型的正确性、传输功率控制中控制量与被控量对应关系的合理性、选择的传输功率控制方式的正确性。

电力系统；高压直流输电；电压源换流器；稳态模型；控制

基于相控换流技术的传统HVDC（高压直流）输电因其在特定情况下具有交流输电无可比拟的技术特点，在远距离大功率输电、不同额定频率或相同额定频率交流系统互联等场合得到了广泛的应用[1-2]。但传统HVDC输电换流器使用半控型的晶闸管器件，这就决定HVDC所联结的交流网络为具有一定短路容量的有源交流网络，为换流器中晶闸管的可靠关断提供换相电流。传统HVDC输电需要提供大量的无功补偿装置以补偿HVDC换流站所消耗的无功功率[3]。新一代的HVDC输电技术是以全控型、可关断器件构成的VSC（电压源换流器）和PWM（脉冲宽度调制）技术为基础的新型输电技术。VSC-HVDC具有对其有功功率和无功功率独立进行控制、可实现对交流无源网络供电、不需要交流侧提供无功功率而且能起到STATCOM（静止同步补偿器）的作用、易于构成多端直流系统等众多优点，在向偏远小负荷地区供电、城市配电网增容改造、提高配电网电能质量、非同步电网互联和电力交易、分布式能源并网等应用领域发挥积极的作用[4-9]。

本文建立了VSC-HVDC的稳态模型，并根据文章建立的稳态模型，推导出传输功率控制中控制量与被控量合理的对应关系，论述了传输功率控制方式，并选择定直流电流控制和定直流电压控制，最后在PSCAD中进行了仿真。

1 VSC的工作原理

VSC联接交流有源网络的稳态物理模型如图1所示。L为换流电抗器的等效电感；R为VSC功率损耗的等效电阻；δ为VSC交流侧电压基波相位滞后交流系统电压相位的角度。

忽略谐波分量时，VSC吸收的有功功率和无功功率分别为

图1 VSC的稳态物理模型Fig.1 Steady state physical model for VSC

由式（1）、式（2）可知，通过 δ和 Uc就可以同时控制有功功率和无功功率的大小和方向。δ是PWM调制波的相角，Uc正比于PWM的调制度M。因此通过PWM的调制波相角和调制度就能同时控制有功功率和无功功率。

2 VSC-HVDC系统的稳态模型

为了建立VSC-HVDC系统的稳态数学模型，从而确定功率传输中控制量与被控量的对应关系，现将VSC-HVDC系统简化为如图2所示的物理模型[10]，其中VSC被简化为比例放大器，其损耗用电阻R1和R2模拟。

由图2得

在式（3）、式（4）中，如果 Us1和 Uc1为相电压，则 Pc1和 Qs1为一相功率，如果Us1和Uc1为线电压，则Pc1和Qs1为三相功率。文章以下涉及交流系统电压无特定说明时均为线电压，功率均为三相功率。

VSC简化为比例放大器后，直流侧电压和交流侧电压关系为

VSC的损耗已用电阻R1模拟，根据能量守恒定律

式（3）～（6）就是VSC-HVDC系统左端的基本方程式。

同理可得到右端的基本方程式

式中 δ2为Us2滞后Uc2的角度。

对于直流线路，忽略直流线路的横向电导，稳态时有

式中Rd为直流线路的电阻。

VSC-HVDC的定直流电压控制和定直流电流控制具有相对的独立性，可以单独研究。定直流电流控制端对定直流电压控制端的影响反映在直流电流的Id1变化上，定直流电压控制端对定直流电流控制端的影响反映在直流电压的变化上。式（3）-式（6）描述了定直流电压控制端稳态基本约束关系，其中 Ud1、Qs1是被控量，K1、δ1是控制量。 下面推导被控量与控制量的关系。

将式（5）、式（6）代入式（3），经化简可得

将式（5）、式（12）代入式（4），经化简可得

式（12）、式（13）描述了左端控制量与被控量的稳态关系。

式（7）～（10）是右端稳态基本约束关系，其中 Id2、Qs2是被控量，K2、δ2是控制量。下面推导被控量与控制量之间的直接关系。

将式（9）、式（10）代入式（7），经化简可得

将式（9）代入式（8），经化简可得

由式（11）可得

将式（16）代入式（14）可得

将式（16）、式（17）代入式（15）可得

式（17）、式（18）描述了右端控制量与被控量的稳态关系。

3 VSC-HVDC功率控制方式

在VSC-HVDC系统中，VSC的传输功率控制方式根据被控量的性质可以分为两大类：1）有功功率类控制器，主要功能是通过换流站直接控制注入交流系统的有功功率或者间接调节与有功功率相关的物理量，如直流电压、直流电流和交流系统频率，主要包括：有功功率控制、直流电压控制、直流电流控制和频率控制；2）无功功率类控制器，主要功能是通过换流站直接控制注入交流系统的无功功率或者间接调节与无功功率相关的物理量，主要包括：无功功率控制和交流电压控制。

对于一个VSC-HVDC系统，必须有一端采用定直流电压控制，以保证VSC-HVDC系统各站之间有功功率的平衡。根据VSC-HVDC的应用场合不同，其传输功率控制方式的组合也不同。文章中定直流电压控制端采用δ1控制Qs1，K1控制 Ud1，定直流电流控制端采用 δ2控制 Id2、K2控制 Qs2。

结合上述论述，文章中VSC-HVDC系统整流侧的传输功率控制方式选择为定直流电流控制和定无功功率控制，逆变侧的传输功率控制方式选择为定直流电压控制和定无功功率控制。

4 仿真分析

为了验证文章所建立的稳态模型和选择的功率传输控制方式的正确性，用PSCAD对图2所示10 kV/1MVA系统的整流侧进行了仿真研究，仿真结果如图3所示。

根据仿真结果，VSC-HVDC系统稳态时各检测点的电压电流符合系统整流侧和逆变侧对直流电流和直流电压的控制，故传输功率控制方式的选择是正确的。

5 结束语

文中简介了VSC的工作原理，建立了VSC-HVDC系统的稳态数学模型，根据该数学模型推导出VSC-HVDC系统传输功率控制中控制量与被控量的直接对应关系，论述了VSC-HVDC系统传输功率的控制方式。PSCAD仿真结果验证了文章建立的VSC-HVDC系统稳态数学模型的正确性、传输功率控制中控制量与被控量对应关系的合理性、选择的传输功率控制方式的正确性。

图3 整流侧仿真结果Fig.3 Simulation results in rectifier side

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Research on steady state model and way of controlling power for VSC-HVDC

GAI Guo-quan
（Bayannur Electric Power Bureau， Inner Mongolia Power （Group） Co.， LTD， Bayannur 015000， China）

VSC-HVDC technology has very broad application fields，has yet to be in-depth researched in many fields of application.The article introduces the working principle of VSC，establishes the steady-state mathematical model for VSCHVDC system，according to the mathematical model deduces the direct correspondence between control measure and controlled measure in VSC-HVDC power control.The article discusses the transmission power control ways of VSC-HVDC system.Rectifier side in the PSCAD simulation model chooses the fixed dc current control and the fixed reactive power control， and inverter side chooses the fixed dc voltage control and the fixed reactive power control， which is the way of transmission power control.Simulation results verify the correctness of the steady state mathematical model of VSC-HVDC system established in the article，the rationality between control measure and controlled measure in transmission power control and the way of transmission power control used in the article are correct.

power system； HVDC； voltage source converter；steady state model；control

10.14022/j.cnki.dzsjgc.2014.16.039

TM721.1

A

1674-6236（2014）16-0128-04

2014-07-20 稿件编号：201407238

盖国权（1986—），男，黑龙江杜蒙人，硕士，工程师。研究方向：现代电力电子技术。

book=131,ebook=72