李武雄，李　虹，劉立群

(太原科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院，太原 030024)

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柔性直流輸電控制策略研究

李武雄，李虹，劉立群

(太原科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院，太原 030024)

摘要：相比于傳統(tǒng)的高壓直流輸電技術(shù)，柔性直流輸電技術(shù)(VSC-HVDC)是以可關(guān)斷電力電子器件和PWM技術(shù)為基礎(chǔ)的新一代直流輸電技術(shù)。介紹VSC-HVDC的基本組成及各組成部分的功能，提出VSC-HVDC應(yīng)用于有源交流電網(wǎng)連接的控制策略，最后搭建仿真模型，并以實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證系統(tǒng)應(yīng)用于交流并網(wǎng)的可行性。

關(guān)鍵詞：柔性直流輸電；矢量控制；Park變換；正弦脈寬調(diào)制

輸電技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了從直流到交流，到現(xiàn)在的交直流系統(tǒng)并存的歷程。事實(shí)上，電力傳輸最早的方式是直流輸電，后來由于技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性等各方面的原因，直流輸電一度被交流輸電所取代。但是，有關(guān)直流輸電技術(shù)的研究一直未停止。

本文以柔性直流輸電用于有源交流電網(wǎng)連接為應(yīng)用背景。指出柔性直流輸電換流站的基本結(jié)構(gòu)。提出換流站的控制控制策略并分層次闡述，將換流站的控制體系分為決策控制、功率控制和換流閥控制三層控制結(jié)構(gòu)。通過PSCAD/EMTDC建立VSC-HVDC仿真模型，由仿真結(jié)果對(duì)柔性直流輸電控制策略分析研究。

1基本組成和控制原理

VSC-HVDC的基本組成包括：換流變壓器、換流電抗器、交流濾波器、電壓源換流器和直流電容器。

1)電壓源換流器(VSC)：電壓源換流器的橋臂由全控電力電子器件IGBT構(gòu)成。在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)系統(tǒng)的容量、通電能力和電壓等級(jí)，換流器橋臂是由IGBT及其反向并聯(lián)二極管單元組成。換流器采用如圖1所示的二電平電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[4]。

圖1　VSC二電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2)換流變壓器：根據(jù)換流站傳輸功率的容量及其他工程需求可選用單相或三相變壓器。此外，基于限制三次諧波及更高奇次諧波的考慮，換流變壓器一次側(cè)繞組和二次側(cè)繞組分別采用三角型接線、星型接線[5-6]。

3)換流電抗器：換流電抗器在換流器和交流系統(tǒng)之間的有功和無功傳輸中起到樞紐作用。此外，在一定程度上能起到抑制諧波的作用[7]。

4)直流電容器：在換流站中將VSC與直流電容器并聯(lián)有利于穩(wěn)定直流電壓和直流電流，而且能過濾直流線路中的交流成份。

5)交流濾波器：由于VSC的橋臂通斷由PWM電路控制，其輸出的交流電壓含有諧波成份。在換流站輸出的交流電注入電網(wǎng)之前，須用交流濾波器濾除諧波成份[8]。

2控制策略研究

基于有源網(wǎng)絡(luò)連接的VSC-HVDC，其控制體系主要功能：選擇控制目標(biāo)、設(shè)定控制變量參考值、設(shè)計(jì)有功和無功控制器及PWM電路控制換流閥，最終實(shí)現(xiàn)有功和無功的獨(dú)立控制。將該系統(tǒng)的控制體系分為三層控制結(jié)構(gòu)：決策控制、功率控制和換流閥控制。

2.1決策控制

決策控制主要完成兩大功能：1)根據(jù)系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域及其他相關(guān)要求，分別選擇整流站和逆變站的有功與無功控制策略；2)以VSC-HVDC系統(tǒng)傳輸功率容量和功率控制策略為前提，分別確定整流側(cè)和逆變側(cè)的功率控制目標(biāo)并設(shè)定參考值。

應(yīng)用于有源交流電網(wǎng)連接的VSC-HVDC，實(shí)際是完成有功功率從整流側(cè)交流系統(tǒng)向逆變側(cè)交流系統(tǒng)的傳輸。因此必須保證整流側(cè)傳送的有功功率等于逆變側(cè)吸收的有功功率與直流線路上損耗的有功功率之和。當(dāng)某一側(cè)換流站工作于有功功率控制方式下，另一側(cè)換流站如果不對(duì)直流電壓進(jìn)行定壓控制，在直流電壓發(fā)生波動(dòng)時(shí)，有功功率傳輸平衡會(huì)被打破，最終會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)直流電壓大幅波動(dòng)甚至系統(tǒng)崩潰。因此，換流站必須有一側(cè)工作于直流電壓控制方式，另一側(cè)工作于有功功率控制方式。由于換流站對(duì)無功功率有隔離作用，整流站和換流站的無功控制策略可以任選。選擇整流側(cè)換流站功率控制策略為直流電壓控制和無功功率控制，逆變側(cè)功率控制策略選擇為有功功率控制和無功功率控制。VSC-HVDC控制策略如圖2所示。

圖2　控制目標(biāo)選擇

根據(jù)系統(tǒng)容量及其他系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)設(shè)定控制目標(biāo)參考值。整流側(cè)設(shè)定直流電壓和無功功率參考值，逆變側(cè)設(shè)定有功功率和無功功率參考值。參考值設(shè)置如圖3示。

圖3　參考值設(shè)定

2.2功率控制

功率控制所完成的功能主要包括兩個(gè)方面[9-13]：1)分別設(shè)計(jì)整流側(cè)和逆變側(cè)有功/無功控制器。2)完成兩側(cè)控制器功率控制所需電氣量的測(cè)量計(jì)算。

對(duì)換流站的功率控制采用基于dq0坐標(biāo)變換的解耦控制策略。即將VSC側(cè)的交流電壓和交流電流分別變換到dq0同步坐標(biāo)系中，對(duì)dq0下的電流電壓分量進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)有功和無功的獨(dú)立控制。實(shí)現(xiàn)三相交流abc到dq0坐標(biāo)變換的變換矩陣為Park矩陣。

默認(rèn)情況下，和電網(wǎng)的三相交流電同步旋轉(zhuǎn)的dq0坐標(biāo)系，令dq0坐標(biāo)系的d軸與電網(wǎng)A相電壓矢量重合。如此，電流的d軸分量為有功電流分量，電流的q軸分量為無功電流分量。所用的Park變換陣為：

(1)

分別對(duì)三相電壓和三相電流進(jìn)行Park變換：

Idq=PIabc

(2)

Udq=PUabc

(3)

經(jīng)過Park變換，在d軸與電網(wǎng)A相電壓重合時(shí)，換流站傳輸?shù)挠泄β屎蜔o功功率可表示為：

(4)

對(duì)于三相對(duì)稱電網(wǎng)，Ed為電網(wǎng)電壓幅值，經(jīng)Park變換之后，有功功率P和無功功率Q分別受id和iq獨(dú)立控制，對(duì)有功功率P調(diào)節(jié)時(shí)，不會(huì)引起無功功率Q的變化，反之亦然，實(shí)現(xiàn)有功和無功解耦控制功能。

整流側(cè)逆變器的控制結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4　逆變器控制結(jié)構(gòu)圖

圖4中，采集電網(wǎng)的交流電壓和交流電流，分別進(jìn)行Park變換，然后依次由外環(huán)控制功率控制和內(nèi)環(huán)電流控制，并通過Park反變換生成能與三角載波進(jìn)行比較的Urabc.逆變側(cè)控制結(jié)構(gòu)與整流側(cè)原理類似，不在此贅述。

2.3換流閥控制

換流閥控制主要實(shí)現(xiàn)如下功能：以功率控制生成的Urabc值為輸入值，搭建SPWM生成電路，在VSC交流側(cè)產(chǎn)生所需幅值和相位的三相正弦電壓。

SPWM調(diào)制的基本原理是：以和正弦電壓等效的PWM調(diào)制波控制VSC的通斷，使其輸出的脈沖電壓和所需的正弦電壓在對(duì)應(yīng)區(qū)間內(nèi)等效[14-15]。

SPWM生成電路如圖5所示。

圖5　SPWM電路

UR_SMC1為矢量控制生成的三相調(diào)制波，與三角載波比較生成控制換流閥橋臂通斷的信號(hào)。

3仿真分析

基于上述控制原理，以PSCAD/EMTDC仿真軟件搭建模型進(jìn)行研究驗(yàn)證。

仿真模型的主電路圖如圖6所示。

圖6　主電路

整流側(cè)REC_SM1和逆變側(cè)INV_SM1電網(wǎng)參數(shù)均為35 kV/100 MVA/50 Hz，整流側(cè)交流系統(tǒng)電壓相位滯后逆變側(cè)相位π.變壓器變比為35 kV/0.95 kV，d11/Y接線，額定容量3 MVA.兩側(cè)換流站電抗器參數(shù)為0.0005Ω+j0.00076.直流線路電壓等級(jí)1.5 kV.

REC_SM1控制直流電壓和無功功率，直流電壓設(shè)置為1.5 kV，無功功率設(shè)置為-0.15 MVA；INV_SM1控制有功功率和無功功率，有功功率設(shè)置為1 kW，無功功率設(shè)置為0.

VSC-HVDC兩側(cè)交流電網(wǎng)母線側(cè)A相電壓相位相差π，如圖7所示。

圖7　相位比較

在A相電壓和d軸重合的情況下，對(duì)整流側(cè)交流電壓進(jìn)行Park變換。如圖8所示。

圖8　整流側(cè)Ud、Uq

整流側(cè)逆變器交流電的A相電壓如圖9所示。

圖9　整流側(cè)交流電壓

VSC-HVDC傳輸?shù)挠泄o功曲線圖如圖10所示。

圖10　有功無功曲線圖

基于上述仿真，在設(shè)置VSC-HVDC兩側(cè)交流電網(wǎng)電壓相位相差π時(shí)，通過矢量控制策略，實(shí)現(xiàn)了兩側(cè)無功功率的獨(dú)立控制，完成了有功功率的傳輸。

在0-0.2 s時(shí)間內(nèi)，啟動(dòng)仿真模型，給整流橋逆變橋充電，鎖定兩側(cè)的IGBT管。在此充電過程中，為防止直流電容被擊穿，須在整流側(cè)和逆變側(cè)加入可變電阻REC_R，此電阻的功能：在給兩側(cè)換流橋充電的時(shí)候有一定阻值，并在充電過程中阻值逐漸減小，充電完成時(shí)阻值為零，對(duì)換流橋的充電過程起緩沖作用。圖11為主電路加REC_R與不加REC_R直流電容充電過程的電壓變化圖，在不加充電電阻REC_R情況下，直流電容在充電過程中承受更高的電壓，擊穿的可能性更高。

圖11　直流電容電壓比較

4結(jié)束語

鑒于傳統(tǒng)直流輸電在有源逆變中存在容易發(fā)生換相失敗的固有缺陷。而以IGBT構(gòu)成的VSC-HVDC在有源交流電網(wǎng)互聯(lián)中從根本上解決了這一問題。因此對(duì)VSC-HVDC應(yīng)用于有源互連的控制策略研究顯得尤為重要。相信隨著全控型電力電子器件的開發(fā)、柔性直流輸電設(shè)備成本的下降，VSC-HVDC將能在大容量、遠(yuǎn)距離輸電領(lǐng)域有更大的運(yùn)用空間。

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Control Strategy of VSC-HVDC

LI Wu-xiong，LI Hong，LIU Li-qun

(School of Electronic Information Engineering，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024，China)

Abstract：Compared with the traditional high-voltage direct current transmission technology based on thyristor，VSC-HVDC is the new technology based on controllable power electronic device and pulse width modulation.This study introduces components of VSC-HVDC and states function of all components.The article also introduces the control strategy of VSC-HVDC used for AC system interconnection.In the end，the application of the system used for AC system interconnection has been proved to be effective by simulation model result.

Key words：VSC-HVDC，vector control，park transformation，PWM

收稿日期：2015-09-15

基金項(xiàng)目：中國(guó)博士后基金第7批資助(2014T70234)；中國(guó)博士后基金第53批資助(2013M530895)

作者簡(jiǎn)介：李武雄(1988-)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)橹悄芸刂萍夹g(shù)及應(yīng)用。

文章編號(hào)：1673-2057(2016)04-0276-05

中圖分類號(hào)：TM721

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1673-2057.2016.04.006