基于VSC的柔性直流输电技术研究

聂建航，张小奇

(1.东北电力大学 电气工程学院，吉林 吉林 132012;2.吉林省四平供电公司，吉林 四平 136000)

基于VSC的柔性直流输电技术研究

聂建航1，张小奇2

(1.东北电力大学 电气工程学院，吉林 吉林 132012;2.吉林省四平供电公司，吉林 四平 136000)

建立了三相abc静止坐标系下的柔性直流输电数学模型，设计了p-q解耦的控制策略，在PSCAD中搭建模型，验证了控制策略的有效性。

电压源换流器；数学模型；控制策略；直流输电

1 引言

基于VSC的柔性直流输电技术是基于脉宽调制电压源型换流器的新一代直流输电技术，电源能够自关断，具有有功功率和无功功率快速独立控制的能力、可向有源和无源网络输电、损耗小、运行可靠灵活等优点。本文主要研究VSC-HVDC输电系统的电流控制策略，建立了abc坐标系的数学模型和电流控制策略，并且对输电系统的控制策略的动态性能进行了仿真分析。

2 柔性直流输电系统的数学模型

背靠背电压源型变流器由两个PWM 电压源型变流器(VSC1、VSC2)中间通过直流侧电容器C以背靠背的方式相连，主电路结构如图1 所示，其中直流电容器C为VSC提供电压支撑并减少直流侧谐波，电抗器(L1、L2)用于滤除输出电流谐波，通常L1=L2=L，忽略变流器并联损耗，变流器串联及线路的损耗用等效电阻R1、R2表示，R1=R2=R。由于两个变流器VSC1和VSC2对称，下面以VSC1侧为例来分析变流器的工作原理。参考图可得到系统在三相静止坐标系下的动态微分方程为：

图1 柔性直流输电系统三相拓扑图

式中：ia1、ia2分别为交流系统1、2的相电流；Esa、Vsa分别为交流系统1、2的a相相电压；Ea、Va为VSC1、VSC2交流侧a相相电压；同理定义b、c变量。

定义三相桥臂开关信号为：

k=a、b、c

每个时刻每相桥臂上下开关状态是互补的，即只有一个导通，另一个关断。当上桥臂开通、下桥臂关断时，a相开关脉冲信号为sa=1，则变流器a相相对于直流侧电源负极参考点O的输出电压uaO=udc，其中udc为直流侧电压；当上桥臂关断、下桥臂开通时，a相开关脉冲信号为sa=0，则uaO=0。b相和c相同理。

由功率守恒定律有：

Pc1=Eaia1+Ebib1+Ecic1=udci01

Pc2=Eaia2+Ebib2+Ecic2=udci02

式中：Pc1、Pc2分别为VSC1、VSC2交流侧流入(流出)的有功功率。在稳态情况下，当直流侧电压udc保持恒定时，i01=i02，由上式可知，Pc1=Pc2，即流入VSC1的有功功率等于流出VSC2的有功功率。所以背靠背VSC系统是通过保持直流侧电压恒定，来实现两侧有功功率的平稳传输。

由于三相静止abc坐标下VSC交流侧均为时变交流量，不利于控制系统设计，需将数学模型转换到与交流系统频率同步旋转的dq坐标系下(此时三相静止坐标下的正弦变量转化为同步旋转坐标下的直流变量)。

Park变换得dq同步旋转坐标系(d轴与交流系统电压矢量重合，q轴超前d轴90°)下的数学模型为：

根据瞬时功率定义，交流系统始端与换流站交换的有功功率Ps和无功功率Qs分别为：

3 控制器设计

当VSC-HVDC输电系统用于风电场并网时，通常风电场侧换流站采取定有功和无功功率控制而系统侧换流站采取定直流电压控制。通过分析两电平VSC输电系统的功率传输，把对功率P、Q的控制转化对电流的控制，其控制部分包括控制器和调制器，控制系统采用双闭环控制结构，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，外环控制根据系统要求可采用有功和无功控制，并用于确定内环控制提供电流的参考值。为了保证整流侧的有功功率能平稳的传输，整流侧采用定有功和无功控制，逆变侧采取定无功和直流电压控制。

3.1 内环电流控制

列写VSC1在dq轴坐标系下的电压方程

对上式修正得

式中

对于该式的实现方法是通过下式来实现：

图2 内环电流解耦控制器

内环电流控制器PI参数的计算公式：

3.2 外环直流电压控制方法

考虑外环电压信号采样延迟，直流电压控制环节可用如下控制规律：

PI参数计算公式为：

4 仿真验证

为了验证所建立的数学模型和VSC换流器的控制模型的有效性，对柔性直流系统进行仿真分析，根据建立的数学模型和控制策略，在仿真软件PSCAD环境下搭建了两端VSC的模型。通过检验仿真中输电系统能否按照要求传输有功功率以及直流侧电压是否控制在稳定值来检验数学模型和控制策略的有效性。仿真模型参数如表1所示。

表1 仿真系统模型的参数

在电磁软件PSCAD中进行仿真验证，送端整流侧采用定有功功率、无功功率控制，逆变侧采用定直流电压控制，保证直流电压实际值跟踪参考值，仿真结果如下图。

Pref为送端给定的有功功率参考值，Qref为送端给定的无功功率参考值，Edc为实际的直流电压，有功功率实际值，Qs1无功功率实际值。由图可得，有功参考值设为2，无功参考值设为0，直流电压为60kV，结果表明，有功、无功功率、直流电压实际值均能跟踪上参考值，验证了模型的正确性和控制策略的有效性。

图3 在0.6s～2s时间段内的变量的仿真波形

5 结语

本文以柔性直流输电系统模型为基础，建立了三相abc坐标方程，推导出dq坐标系下的功率方程，实现了有功和无功功率的解耦，设计了内环外环独立控制系统，内环实现电流快速跟踪，外环确定控制电流参考值。在PSCAD电磁软件中验证了模型的正确性，仿真结果表明控制器具有优良的控制品质，实现了定直流电压控制，和有功、无功独立灵活控制。

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Research on Flexible DC Transmission Technology Based on VSC

NIEJian-hang1,ZHANGXiao-qi2

(College of Electrical Engineering,Northeast Power University,Jilin 132012,China;2.Siping Power Supply Company,Siping 136000,China)

The mathemical model of flexible DC transimission for three-phase ABC rest frame has been set up and design the control scheme of p-q decoupling.The model has been built in PSCAD.Prove validity of the control scheme.

voltage source inverter; mathemical moldel;control scheme;DC transimission

1004-289X(2016)06-0039-03

TM46

B

2015-11-22

聂建航(1990-)，女，硕士研究生，研究方向为柔性直流输电; 张小奇(1992-)，女，学士，研究方向为电力相关方向。