面向无源网络的VSC−HVDC系统仿真研究1
梁海峰，李庚银，李广凯，张 凯，周 明
华北电力大学电气工程学院，河北保定（071003）
E-mail: hfliang@ncepu.edu.cn, ligy@ncepu.edu.cn
摘 要：基于电压源换流器（VSC）的高压直流输电技术（VSC−HVDC）不仅继承了传统直流输电方式在占地面积、输送能量及不增加短路容量等方面的优势，而且由于全控型器件的采用，使其可以直接向无源网络输电，从而成为解决大城市高密度配电网问题的有力措施之一。本文通过对dq0坐标系下VSC模型的分析，得出VSC−HVDC的有功和无功功率可以分别由id和iq分量独立控制，并因之设计了定直流电压、定交流电压控制器。在建立VSC−HVDC向无源网络输电的MATLAB仿真模型的基础上，对定直流电压、定无功功率、定交流电压等控制方式进行了仿真。仿真结果表明，建立的VSC−HVDC系统能很好地满足向无源网络供电的需要，而且控制方式灵活、简便，并且在传输有功功率的同时，VSC还可以吞吐交流系统的无功功率，起到STATCOM的作用。
关键词：高压直流输电；VSC−HVDC；无源网络；城市电网；MATLAB仿真
1．引 言
随着城市工商业的蓬勃发展和人们生活水平的日益提高，对城市电网的供电能力和供电质量提出了更高的要求。城市电网，尤其是人口密集地区的大型城市电网，受到了前所未有的挑战，如输电走廊不足、电压不稳等问题急需解决。高压直流输电（HVDC）与交流输电相比，同样的输电走廊直流的输送能力是交流的1.5倍，所以采用HVDC是缓解输电走廊不足的有力措施。但对于许多城市电网，出于环境因素考虑，多是无源网，而传统的基于线换相电流源换流器的HVDC无法完成向无源网络供电的任务，从而限制了HVDC的应用。
随着GTO、IGBT等全控型器件的发展，出现了基于电压源换流器（Voltage Source Converter, VSC）的HVDC技术，即VSC−HVDC，由于其传输容量与传统HVDC相比较小，亦称轻型高压直流输电（HVDC Light）[1~3]。全控型器件的应用赋予了VSC−HVDC一些传统直流输电无法比拟的优点，如可以向无源网络供电[4]，同时且独立地控制有功功率和无功功率，动态补偿交流母线的无功功率，稳定交流母线电压等，甚至能够在不受一侧交流系统故障的影响下仍然通过另一正常交流侧输送功率[5]，而且可以方便地构成并联多端直流系统。理论上讲[6]，VSC−HVDC能消除有功环流，合理分配有功负荷，克服电压稳定性约束，改善电能质量，所以VSC−HVDC技术是未来城网改造的理想工具。然而，要想将VSC−HVDC技术应用到实际之中，深入的仿真研究是必须的。
本文首先通过对dq0坐标系下的VSC数学模型的分析，得出了由id和iq分量独立控制有功功率和无功功率的关系式。在此基础上，设计了向无源网络供电的定直流电压和定交流电压控制器，并利用MATLAB 6.5/Simulink®建立了向无源网络供电的VSC−HVDC仿真系统。利用该仿真系统对各种控制方式下的输电情况进行了仿真，得出了一些有意义的结论。 本课题得到高等学校博士学科点专项科研基金（项目编号：20010079001）资助
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2．VSC的数学模型
典型的三相2电平的VSC结构如图1所示。用usa，usb，usc分别代表交流系统侧三相电压瞬时值，ia，ib，ic分别代表流入换流器的三相电流瞬时值，uca，ucb，ucc分别代表换流器端三相电压瞬时值，Udc为直流侧电压值，Cdc为直流侧电容值。交流侧电抗X=ωL，L
交流侧三相微分方程的向量形式为：
diabc1R1
=usabc−ucabc−iabc (1) dtLLL
Us∠0iPQR+jXUc∠-δABC + C dc Udc - DC Cable 图1 电压源换流器基本结构 表示滤波电感，假设换流器为理想换流器，R用于等效换流器损耗和变压器电阻损耗。
式中，iabc=[ia ib ic]T，usabc=[usa usb usc]T，ucabc=[uca ucb ucc]T。
对式(1)进行PARK变换[7]，可得
didq0
RdP−111
=usdq0−idq0−ucdq0−Pidq0 (2) dtLLLdt
()式中，idq0=[id iq i0]T，usdq0=[usd usq us0]T，ucdq0=[ucd ucq uc0]T。
在稳态情况下，假设系统三相对称运行，并令交流侧A相电压初相角为0°，即usd=|us|，usq=0，忽略换流器和变压器损耗，取R=0，则式(2)可化简为：
⎧ucd=usd+Xiq (3)
⎨
⎩ucq=−Xid
利用式(3)求取送入换流器的有功功率P和无功功率Q，可得到：
有功功率 P=3(ucdid+ucqiq)=3usdid (4)
22无功功率 Q=
3
(usqid−usdiq)=−3usdiq (5) 22
根据式(4)、(5)可以看出，假设交流系统为无穷大系统，则usd为恒定值，显然有功功率P和无功功率Q分别与d轴电流id和q轴电流iq成线性关系，因此，通过控制id 与iq就可以独立控制系统的有功与无功。
3．控制器设计
3.1 基本控制方式
根据已有的VSC−HVDC工程实践，VSC− HVDC换流站一般有4种基本控制方式[6-10]： （1）定直流电压控制，用以控制直流母线电压和输送到交流侧的无功功率； （2）定直流电流（或功率）控制，用以控制直流电流（或功率）和输送到交流侧的无功功率；
（3）定交流电压控制，仅控制交流侧母线电压，适用于无源网络供电。
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（4）变频率控制，用以控制交 流侧频率，适用于与风力发电厂连接或黑启动方式。
通常对于一个两端VSC−HVDC系统，必须有一端采用定直流电压控制方式。由于本文只研究与无源交流
iabc过电流？否定交流电压控制 PWM脉冲 是过电流限制控制 PWM脉冲 图2 无源交流侧控制系统框图 系统相联的VSC模型，故采用了（1）和（3）两种控制方式。
为了防止无源交流系统发生故障后产生过电流的情况，对逆变侧VSC在采用定交流电压控制的同时，又加入了过电流检测环节，一旦有过电流发生，就将定交流电压控制转换为过电流限制控制模式。无源侧控制系统框图如图2所示。
3.2 控制器设计
根据向无源网络供电的两端VSC−HVDC系统的基本原理，本文针对整流侧和无源侧分别设计了不同的控制器，其中整流侧采用定直流电压控制方式，其控制器设计如图3所示，无源侧采用定交流电压控制方式，其控制器设计如图4所示。
图3中，直流电压的控制是通过四个PI环节共同完成的。首先是一个电压调节环节，即将直流电压测量值Udc与直流电压参考值Udc_ref进行比较，其误差经过PI1给出系统电流的d轴分量isd的参考值id_ref；然后再经过一个电流调节环节，即将id_ref与isd比较，其误差经过PI3参与到PWM脉冲发生信号ucd的形成过程中；与此同时，由无功测量值Q与无功经过PI2给出系统电流的q轴分量isq的参考值iq_ref；iq_ref与isq比较后参考值Qref进行比较，
的误差经过PI4参与到PWM脉冲发生信号ucq的形成过程中；最后由ucd与ucq产生PWM脉冲对换流器进行调节，从而达到在保持某一无功功率定值的基础上维持直流电压恒定的目的。其中信号ucd与ucq的具体产生过程参见式（3），图3中的电抗标么值即指式（3）中的电抗X的标么值。
1系统三相电压测量值usabc 2 系统三相电流测量值isabc 3 直流电压测量值Udc Udc_ref 直流电压参考值 4 无功功率测量值Q Qref 无功功率参考值 PI 2
abc Freq usabc wt Sin_Cos 锁相环 PLL dq0 sin_cos dq0变换1 abc dq0 sin_cos dq0变换2 PI 1 usdisd isq id_refX电抗标么值XPI 3PLL 同步信号 ucd ucq PWM 换流器限幅环节-1 ，表uref的dq0各轴分量，比较后的误差经过PI调节器分别得到ud、uq、u0分量，参照式（3） - 3 - http://www.paper.edu.cn 最终形成PWM脉冲发生器的输入信号udq0，产生PWM脉冲对换流器进行调节，从而达到维持交流系统电压恒定的目的。 1 三相交流电压 abcdq0 同步信号 uabc [1 0 0]T 交流电压参考值 PI ud uq u0 udq0PWM脉冲 同步信号 换流器dq0变换1 uref 2 三相交流电流 abcdq0 同步信号 idX电抗标么值XPWM脉冲发生器 iq iabc PLL 锁相环 dq0变换2 图4 定交流电压控制器 4．仿真结果及分析 4.1 向无源网络供电的Simulink仿真模型 利用MATLAB 6.5/Simulink®建立了向无源网络供电的VSC−HVDC系统仿真模型，如图5所示。 usabc_B1 isabc_B1 Udc Q usabc isabc Pulses Udc Q uabc Pulses iabc uabc_B2 iabc_B2 图5 向无源网络供电的VSC−HVDC仿真模型 4.2 仿真模型参数 在图5所示的仿真模型中，整流侧系统参数为110kV/3000MVA/50Hz；变压器变比为110/10kV，YN, d接线，额定容量50MVA；低通滤波器1的参数为0.5mH+180µF；换流器额定容量50MW，PWM开关频率2kHz，调制采用SPWM方式；直流侧定电压20kV；直流侧电容Cdc=3×104µF；线路长10km，线路电阻0.015Ω/km，电感0.792mH/km，电容14.4×10µF/km；所示。 定直流电压控制器中的PI1和PI2的参数Kp= 0.015，Ki=1.6；PI3和PI4的参数Kp=0.3，Ki=20；电抗标么值X=0.1055。定交流电压控制器中的PI参数Kp=0.4，Ki=500；电抗标么值X=0.3。由于仿真模型是离散系统，因此定义各环节的采样时间均为5µs。 -3 A B C L C 图6 低通滤波器结构 无源网络母线2额定电压10kV；低通滤波器2参数为2mH+66µF。低通滤波器结构如图6 - 4 - http://www.paper.edu.cn 4.3 仿真实验结果 （1）无源侧纯电阻负荷变化 无源侧纯电阻负荷20MW，0.5s再增加纯电阻负荷20MW。整流侧系统功率因数p.f.=1，即无功参考值为0，系统只发纯有功。仿真波形见图7。 （2）无源侧阻感性负荷变化 无源侧阻感性负荷20MW，功率因数p.f.=0.85，0.5s再增加一倍同样负荷。整流侧系统功率因数p.f.=1。仿真波形见图8。 （3）整流侧无功定值变化 在无源侧阻感性负荷20MW，功率因数p.f.=0.85的条件下，整流侧无功定值0.5s由0变为20Mvar，即换流器吸收20Mvar无功功率；1s时无功定值由20Mvar变为-20Mvar，即换流器发出20Mvar无功功率。仿真波形见图9。 （4）无源侧单相接地故障，过电流限制控制 整流侧系统功率因数p.f.=1。无源侧纯电阻负荷50MW，即Ipu.=1时，无源侧0.5s发生a相接地故障，接地电阻0.001Ω。此时无源侧过电流，控制方式由定电压控制转换为过电流限制控制，过电流限制定值为1（标幺值），0.7s故障消失，控制方式又由过电流限制控制转换到定电压控制。仿真波形见图10。 1.511.511.511.510.5usa/pu.usa/pu.isa/pu.0-0.5-1-1.50.40.60.811.21.40-0.5-1-1.50.40.60.811.21.40-0.5-1-1.50.40.60.811.21.4isa/pu.0.50.50.50-0.5-1-1.50.40.60.811.21.4 t/s60501 t/s6050 t/s1 t/sQ-Qref/MvarP/MW403020100.4P/MW403020100.4Q-Qref/Mvar0.60.811.21.40.50.500-0.5-0.50.60.811.21.4-10.40.60.811.21.4-10.40.60.811.21.4 t/s t/s t/s t/s(a) 整流侧A相电压电流、有功、无功波形 20.132.520.1(a) 整流侧A相电压电流、有功、无功波形 32.520.0520.05Udc/kVUdc/kVIdc/kA21.510.50.42020Idc/kA0.60.811.21.421.510.50.419.9519.9519.90.40.60.811.21.40.60.811.21.419.90.40.60.811.21.4 t/s1.510.51 t/s1.510.5 t/s1.510.5 t/sua/pu.ua/pu.ia/pu.0-0.500-0.5ia/pu.0.60.811.21.40.50-0.5-1-1.50.40.60.811.21.4-0.5-1-1.50.40.60.811.21.4-10.40.60.811.21.4-1-1.50.4 t/s t/s t/s t/s(b) 直流侧和无源侧a相电压电流波形 (b) 直流侧和无源侧a相电压电流波形 图7 纯电阻负荷变化仿真波形 图8 阻感性负荷变化仿真波形 - 5 - http://www.paper.edu.cn 1.510.511.511.510.5usa/pu.usa/pu.0.50.50-0.5-1isa/pu.0-0.5-1-1.50.40.60.811.21.40isa/pu.0.60.811.21.40-0.5-1-1.50.40.60.811.21.4-0.5-10.40.60.811.21.4-1.50.4 t/s2221.520 t/s60 t/s1 t/sQ-Qref/MvarP/MW20.52019.5190.40.60.811.21.40-10-200.40.60.811.21.4P/MW21104030201000.40.60.811.21.4Q-Qref/Mvar500.50-0.5-10.40.60.811.21.4 t/s t/s t/s t/s(a) 整流侧A相电压电流、有功、无功波形 1.520.5(a) 整流侧A相电压电流、有功、无功波形 43Udc/kVUdc/kVIdc/kAIdc/kA0.60.811.21.4201202119.950.40.60.811.21.40.50.40.60.811.21.419.50.400.40.60.811.21.4 t/s1.510.50.60.40.2 t/s1.510.5 t/s1.510.5 t/sua/pu.ua/pu.ia/pu.0-0.5-1-1.50.40.60.811.21.40-0.2-0.40.40.60.811.21.40-0.5-1-1.50.40.60.811.21.4ia/pu.0-0.5-1-1.50.40.60.811.21.4 t/s t/s t/s t/s(b) 直流侧和无源侧a相电压电流波形 (b) 直流侧和无源侧a相电压电流波形 图9 整流侧无功定值Qref变化时的仿真波形 图10 无源侧a相接地故障仿真波形 4.4 仿真结果分析 通过仿真实验结果，可以得出以下结论： 1) 本文建立的VSC−HVDC仿真模型及其控制方法能良好地模拟VSC−HVDC向无源网络输电的情况。 2) 仿真结果表明，VSC−HVDC技术能稳定灵活高效地向无源网络输电。 3) 在传输有功的同时，VSC还可以吞吐交流系统的无功功率，起到了STATCOM的作用。 4) VSC−HVDC技术可以将无源网络电压控制得非常稳定，且可以避免有源系统电压波动对负荷电压的不利影响，从某种意义上说，提高了系统的电压稳定性。 5．结论 本文通过分析dq0坐标系下的VSC数学模型，得出VSC−HVDC的有功和无功功率可以分别由id和iq分量独立控制。在建立VSC−HVDC向无源网络输电的MATLAB仿真模型的基础上，对定直流电压、定无功功率、定交流电压等控制方式进行了仿真研究。结果表明，所建立的VSC−HVDC系统能很好地满足向无源网络供电的需要，而且控制方式灵活、简便， - 6 - http://www.paper.edu.cn 并且在传输有功功率的同时，VSC还可以吞吐交流系统的无功功率，起到了STATCOM的作用。 本文只仿真了VSC−HVDC向无源网络输电的稳态情况，下一步将对故障情况及多端直流系统仿真展开研究。 参考文献 [1] Weimers Lars. 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Through the analysis of VSC equations in dq0 coordinate system, this paper draws a conclusion that VSC- HVDC can control active and reactive power independently by id and iq respectively. Based on the conclusion constant DC voltage controller and constant AC voltage controller are designed. After establishing a VSC-HVDC simulation model supplying to passive network, constant DC voltage control, constant AC voltage - 7 - http://www.paper.edu.cn control and constant reactive power control are simulated. The simulating results indicate that the founded VSC-HVDC system can satisfy the need of supplying to passive network and the control methods are flexible and feasible, moreover when VSC-HVDC system transmits active power, it may absorb or issue reactive power and has the STATCOM effects. Keywords: HVDC; VSC−HVDC; passive network; urban network; MATLAB simulation 作者简介： ，男，在职博士研究生，讲师，研究方向为新型输配电技术、人工智能梁海峰（1976−）在电力系统中的应用等。 李庚银（1964−），男，博士，教授，博士生导师，主要研究方向为电力市场、电能质量、新型输配电技术等。 李广凯（1975−），男，在职博士研究生，讲师，研究方向为新型输配电技术、电能质量等。 张 凯（1980−），男，硕士研究生，研究方向为新型输配电技术。 周 明（1967−），女，在职博士研究生，副教授，研究方向为电力市场、电网调度自动 化等。 - 8 - 因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容