基于PSCAD仿真的柔性直流输电技术研究

张碧涵，　赵海森

华北电力大学 新能源电力系统国家重点实验室　北京　102206



基于PSCAD仿真的柔性直流输电技术研究

张碧涵，赵海森

华北电力大学 新能源电力系统国家重点实验室北京102206

柔性直流输电技术是基于全控器件的新型高压直流输电(HVDC)技术，采用基于全控器件的电压源型换流器(VSC)和正弦脉宽调制(SPWM)技术进行无源逆变，解决了应用直流输电技术向无源负荷供电的问题。针对柔性直流输电的基本原理、VSC的数学模型和控制策略进行分析，研究了柔性直流输电系统的控制技术及其应用，并讨论了VSC的dq轴模型和几种基本控制方式。最后采用PSCAD软件建立了输电系统仿真模型，对向无源网络供电和两端供电这两种情况进行了仿真研究。仿真结果表明，柔性直流输电技术在两种情况下均能实现灵活可靠的控制。

柔性直流输电； 正弦脉宽调制； 电压源型换流器； 计算机； 软件

高压直流输电(HVDC)技术诞生于20世纪20年代。传统的高压直流输电系统一般采用晶闸管和自然换向技术，虽然解决了交流非同步互联、高压长距离输电等方面的问题，但是还存在如下几个缺陷[1]：

(1) 由于开通滞后角α和熄弧角γ的存在，传统高压直流输电技术要吸收一定量的无功功率，这就需要投入无功补偿设备，会增加投资成本；

(2) 传统的高压直流输电系统需要交流电网提供换相电流，当受端电网为弱交流系统时容易发生换相失败，且换相过程对变压器冲击较大；

(3) 传统的高压直流输电系统不能向无源网络(孤立负荷)输送电能；

(4) 传统的高压直流输电系统存在谐波含量高、开关损耗大等缺陷。

为了较好解决这些问题，提出基于全控型器件的柔性直流输电的概念，柔性直流输电技术是一种基于脉宽调制(PWM)、全控型器件和电压源型换流器(VSC)的新型直流输电技术，也称为轻型直流输电，其系统原理如图1所示。

图1　柔性直流输电单线原理图

新型柔性直流输电技术具有以下优点[2]：

(1) 电压源型换流器为无源逆变，对受端系统没有要求，可以向无源网络供电；

(2) 整流站与逆变站之间不需要通信联系，每个站既可以独立控制，也可以实现无人值守；

(3) 由于换流器产生的谐波大大减少，柔性直流输电系统无需添加无功补偿设备，在交流侧也只需尺寸很小的高通滤波器；

(4) 采用的新型直流电缆具有高强度、环保和方便掩埋的特点，适合于深海等恶劣环境；

(5) 不会出现换相失败的故障。

1　柔性直流输电原理

1.1基本原理

柔性直流输电系统由VSC、交流侧滤波器、交流侧电抗器等组成。换流器的每个桥臂由多组可关断晶闸管(GTO)或绝缘栅双极型晶体管(IGBT)经串并联而成，典型的三相两电平VSC主拓扑如图2所示[3]。

图2　三相两电平VSC主拓扑

设交流母线电压为Us，逆变器输出电压基波分量为Uo，δ为Us与Uo的相位差，以Us超前Uo为正，换流器交流侧电抗值为X。若忽略交流侧电抗器损耗，则电网与换流器之间交换的有功功率和无功功率分别为：

(1)

(2)

由式(1)可知，当δ>0时，P>0，换流器从交流系统吸收有功功率，作为整流器运行；当δ<0时，P<0，换流器向交流系统送出有功功率，作为逆变器运行。通过调节相位差δ，可以控制系统的功率流动方向和大小。

由式(2)可知，系统中无功功率的传输方向由Us(Us-Uocosδ)决定。当Us(Us-Uocosδ)>0时，Q>0，换流器吸收感性无功功率；当Us(Us-Uocosδ)<0时，Q<0，换流器送出感性无功功率，即吸收容性无功功率。由此，Us(Us-Uocosδ)的正负决定了换流器是吸收还是送出无功功率，Us(Us-Uocosδ)的幅值决定了吸收或送出的无功功率的大小。

由以上分析可以看出，采用基于VSC的柔性直流输电技术，通过调节换流器交流侧电压的幅值和相位，不但可以方便地控制有功、无功功率，还能提高交流系统的功率因数。另外，基于VSC可实现交流侧无功功率的动态补偿，起到稳定交流侧母线电压的作用。

1.2VSC的数学模型

图2给出了三相两电平VSC的主拓扑，在三相坐标系下，可以得出VSC的数学模型[4]：

(3)

式中：Usi、isi分别为(i=a,b,c)三相电压与电流瞬时值；si为三相桥臂的开关函数，si=1表示下标对应的桥臂上管导通，下管关断，si=0表示下标对应的桥臂上管关断，下管导通；Udc为输出电压；id为输出电流。

将三相坐标系下的数学模型变换为dq坐标系下的数学模型，其变换矩阵为：

(4)

由此得到VSC在dq同步旋转坐标系下的数学模型：

(5)

将电流方程写成如下形式：

(6)

式中：urd=sdUdc；urq=sqUdc。

根据瞬时无功功率理论，忽略交流侧电抗器损耗和换流器开关损耗，则换流器交流侧和直流侧的有功与无功功率可分别表示为：

(7)

Pdc=udcidc

(8)

式中： Pac为交流有功功率；Qac为交流无功功率；Pdc为直流功率。

取电网电压矢量方向为d轴方向，则有：

(9)

于是式(7)的功率方程可简化为：

(10)

由上式可以看出，Us恒定时，通过控制有功电流isd和无功电流isq可以分别控制有功功率和无功功率。

VSC的主要优点是可以实现有功、无功功率的独立控制，并可实现交流系统的单位功率因数的提高，且能量可双向流动。若采用dq坐标系下的VSC数学模型，可将交流量变换为直流量，利用PI控制实现电流的快速准确跟踪，且稳态误差为零。在适当的系统参数和控制方式下，交流侧电流谐波和直流侧电压纹波可以非常小。另外，由于引入了电流闭环，通过设置合适的给定电流限幅值，可防止电流过冲，这对开关器件的保护非常有利。

1.3VSC的控制策略

按照被控对象的功能和所处的逻辑、物理位置，VSC的控制策略可分为三个层次： 换流站控制、换流器控制、换流阀控制[5]。其中，换流站控制属于上层控制，控制目标是根据系统的供电要求、直流侧电压稳定要求、无功补偿要求等确定换流站的有功和无功控制参考值，在需要的情况下，还能实现阻尼振荡、暂态稳定控制等附加功能。换流器控制属于中层控制，控制目标是通过调节换流器交流侧输出电压的幅值和相位，实现上层给定参考值的跟踪控制，具体方法可分为幅相控制和空间矢量控制。换流阀控制是底层控制，主要完成PWM脉冲信号的生成和输出，控制目标是减小交流侧谐波含量，对于两电平VSC拓扑，可采用正弦脉宽调制(SPWM)控制、空间电压矢量PWM(SVPWM)控制和优化PWM(OPWM)控制。

对两端输电系统而言，正常运行状态下，控制系统应能保证送端直流电压稳定，并控制受端的有功、无功功率，抑制交流侧的负序电流和直流分量。对于采用多电平换流器的系统，还应实现直流侧电压的均衡控制。当系统运行参数发生偏移时，控制单元应能较好适应。当系统发生故障时，控制单元应能及时作出响应。一套具有完善控制策略的控制单元对于保证直流输电系统的响应性能和可靠性是非常重要的。在两端系统中，直流电压保持恒定，直流电流可以双向流动，通过控制电流反向，可以容易地实现潮流反转。目前，应用于柔性直流输电系统的控制方式主要有以下三种[6]：

(1) 定直流电压控制，用以控制直流侧母线电压和交流侧无功功率；

(2) 定有功功率控制，用以控制交流侧有功功率和无功功率；

(3) 定交流电压控制，用以控制交流母线电压。

其中，定直流电压控制一般用于整流站，定有功功率控制和定交流电压控制一般用于逆变站。在两端供电的有源网络中，一般采用定有功功率控制，当对无源网络供电时，需采用定交流电压控制，使输出电压的幅值和频率满足用电设备的要求。对于多端柔性直流输电系统而言，只需一个换流站运行于定直流电压控制方式，其余换流站根据交流网络情况采用定有功功率控制或定交流电压控制方式。

对于换流阀控制，通常采用SPWM方式。SPWM技术的基本原理是： 给定一个信号波，并用它与三角载波进行比较，以得到桥臂的PWM开关信号；当直流侧电压恒定时，SPWM的调制度，即给定信号波与载波幅值之比决定了换流器输出电压基波幅值，给定信号波的相位和频率决定了输出电压的相位和频率。考虑式(1)(2)可知，通过调节输出电压的幅值和相位，可以实现有功和无功功率的调节。基于SPWM技术，可使换流器输出给定的信号波电压，实现交换功率的控制。

对于控制策略，考虑到基于空间矢量的双闭环解耦控制，可以实现电流快速准确跟踪和有功、无功独立控制，本文着重论述这种控制策略。

将式(6)写成：

(11)

(12)

将ud、uq视为中间变量，由式(12)可知，isd与ud、isq与uq之间为一阶惯性环节。将电流偏差作为PI调节器输入，并引入前馈补偿项和解耦补偿项，则换流器指令电压为：

(13)

式中：urd′、urq′为换流器控制指令电压，urd、urq为换流器实际交流侧电压。

根据式(13)，可以得到电流环的控制框图，如图3所示。基于该控制方法，可以实现有功、无功功率的独立解耦控制。

图3　电流内环控制原理

对于外环，有定直流侧电压、定有功功率、定交流侧电压等控制方式。实际系统中，应根据换流器的控制目标选择合适的外环控制策略。外环为内环提供参考电流，内环控制器则快速跟踪外环给定的参考电流。通过设计合适的参数，可使内环的响应速度远远快于外环，实现良好的系统性能。

2　柔性直流输电技术的PSCAD仿真[7-13]

与传统的高压直流输电技术相比，基于柔性直流输电技术不仅能向交流电网输电，也能向无源负载直接供电。为此，笔者对向无源网络供电的系统和两端供电系统分别进行仿真研究。

2.1向无源网络供电的仿真研究

在PSCAD/EMTDC环境下建立向无源网络供电的柔性直流输电系统仿真模型，如图4所示。

对于向无源网络供电的柔性直流输电系统，换流站1的交流侧接入电网，应采用定直流侧电压控制方式，设定直流电压为20kV，与电网交换的无功功率为0；换流站2的交流侧接无源负载，应采用定交流侧电压控制方式，设定交流电压幅值为5kV。生成的电压指令信号经SPWM模块得到开关管通断信号。SPWM载波频率设定为5000Hz。定直流侧电压和定交流侧电压的仿真模块如图5所示。

图4　向无源网络供电的柔性直流输电系统仿真模型

图5　换流站控制策略仿真模型

运行仿真，结果如图6所示。

图6　向无源网络供电仿真结果

由仿真结果可看出，在给定的控制策略下，换流站1的直流侧电压得到了很好的稳定控制，换流站2的交流侧电压幅值也能很好地稳定在给定值。采用LC低通滤波器后，换流站2的输出电压非常接近光滑的正弦波，谐波含量很小，完全能够满足负载侧用电需要。负荷侧吸收的有功、无功功率则由负载决定。仿真结果表明，基于柔性直流输电技术可以实现换流器向无源网络独立供电，这是传统基于电网换相的高压直流输电技术所无法实现的。

2.2两端供电系统仿真研究

两端供电的柔性直流输电系统仿真模型如图7所示。与图4对比可看出，该系统换流站2的交流侧也接入了交流电网。

对于两端供电系统，换流站1采用定电压控制方式，其仿真模型与图5(a)模型相同。换流站2采用定有功功率控制方式，设定换流站1向换流站2提供2MW有功功率，无功功率设定为0。定有功功率控制仿真模型如图8所示。

图7　两端供电的柔性直流输电系统仿真模型

图8　两端供电系统定有功功率控制模块

运行仿真，得到如图9所示的仿真结果。

由仿真结果可以看出，在给定的控制策略下，换流站1直流侧电压稳定在设定值20kV处。由于设定系统无功功率为0，交流侧电压、电流同相位。交流侧电流非常接近正弦，谐波含量很小。由交流系统1流入交流系统2的有功功率稳定在2MW附近，无功功率稳定在0附近，实现了有功、无功功率的独立解耦控制，这表明，采用柔性直流输电系统不仅可以实现有功功率的灵活控制，而且理论上可将交流侧无功功率控制为零，实现高功率因数运行。此外，VSC向系统注入的谐波含量很小，对交流电网的电能质量影响很小。

2.3异步系统互联仿真研究

高压直流输电技术的一个重要优势是可以实现不同频率的交流电网的互联。考虑如图7所示的两端供电仿真模型，将换流站1所连接的交流电网频率改为60Hz，其余系统参数不变，重新运行仿真，得到如图10所示的仿真结果。

由仿真结果可看出，当两端交流电网频率不同时，采用所述控制策略仍能很好地实现直流电压和有功、无功功率的稳定控制，这表明，柔性直流输电技术是一种理想的异步系统互联技术。

3　结论

基于PSCAD/EMTDC软件建立了柔性直流输电系统的仿真模型，给出了三种控制策略的仿真实现方法，对向无源网络供电和两端供电的柔性直流输电系统分别进行了仿真研究，并得出结论。

图10　异步系统互联仿真结果

(1) 与传统高压直流输电技术相比，基于柔性直流输电技术的高压直流输电系统能向无源网络进行稳定可靠的供电。

(2) 采用两端供电方法时，柔性高压直流输电系统能实现有功、无功功率的灵活控制，实现高功率因数运行，且换流器向系统注入的谐波电流很小。

(3) 当两端交流系统频率不同时，基于柔性高压直流输电技术仍可获得良好的控制性能，由此进一步表明，柔性直流输电技术是一种灵活可靠的高压直流输电技术，具有广阔的发展前景。

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Flexible direct-current transmission technology is a new HVDC technology based on full-controlled devices, voltage source converter(VSC) based on full-controlled devices and sinusoidal pulse width modulation (SPWM) technology are adopted for passive inverter to solve the issue i.e. direct current transmission technology is applied to supply the power to passive loads. The basic principle of flexible HVDC, the mathematical model of VSC and control strategy were analysed based on the research of the control technology of flexible HVDC system and its application, thedqaxis model of VSC and several basic control methods were also discussed. Finally PSCAD software was used to establish a simulation model of the transmission system, and perform the simulation study on two cases i.e. power supply to passive network and two-sided current supply. The simulation results show that the flexible HVDC technology in both cases can achieve flexible and reliable control.

Flexibility Direct-current Transmission； SPWM； VSC； Computer； Software

2015年12月

张碧涵(1991—)，女，在读硕士研究生，主要研究方向为配电网电能质量分析与控制,

E-mail： zhangbihan1105@126.com

TM72

A

1674-540X(2016)02-056-08