柔性直流输电系统的直接电流控制

管于球，年晓红，黄 正

（ 中南大学信息科学与工程学院，湖南 长沙 410075）

摘要：基于变流技术的柔性直流输电（VSC-HVDC）系统具有小型、高效、控制灵活等特点，已成为当前输配电领域的研究热点之一。本文阐述了柔性直流输电系统的结构及其功能, 建立了dq旋转坐标系下精确的VSC-HVDC数学模型，提出了柔性直流输电系统的直接电流控制方法，并针对柔性直流输电系统的特点，构建了不同的控制模式及其组合。仿真结果表明，所提出的控制方法结构简单，具有良好的动静态性能，成功实现了有功功率和无功功率的独立控制。

关键词：柔性直流输电；直接电流控制；有功功率；无功功率

中图分类号：TK52 文献标识码：A

The Direct Current Control of HVDC-Flexible System GUAN Yu-qiu , NIAN Xiao-hong ，HUANG Zheng

(School of Information Science and Engineering, Central South University, Changsha, Hunan 410075)

ABSTRACT：VSC-HVDC technology has small, efficient and flexible control characteristics and has become a hot spot gradually in transmit and distribute of electric power. The basis of the composition of the VSC-HVDC system structure and function are described, and established the precise mathematical model of VSC-HVDC under the dq rotating coordinate system, then proposed a direct current control strategy of the VSC-HVDC system, and built some different control models and combinations which aim to the characteristics of the VSC-HVDC system. At last, the results of simulation shows that the proposed control strategy has a simple structure, excellent dynamic and stationary performance and successfully achieved the active and reactive power control independently.

KEYWORDS：HVDC-Flexible; direct current control; active power; reactive power

1 引言 管，使得VSC-HVDC输电具有对其传输有功功率

随着风能、太阳能等可再生能源开发规模的不和无功功率进行同时控制的能力，以及可实现对交断扩大，其固有的分散性、小型性、远离负荷中心流无源网路供电等众多优点。VSC-HVDC输电技术等特点不断突显出来。基于变流技术的柔性直流输克服了传统HVDC输电技术的不足，并扩展了直流电技术具有小型、高效、控制灵活等特点，经济效输电的应用领域。为了区别传统上基于可控硅的益和环保价值可观，并能有效地减少输电线路电压HVDC系统和基于FACTS技术的灵活交流输电系降落和闪变，提高电能质量。 统，国内专家学者建议把这种基于VSC的HVDC

自从上世纪五十年代ABB公司的高压直流输系统称为柔性直流输电系统（VSC-HVDC or HVDC 电（High-Voltage Direct Current, HVDC）工程在瑞Flexible）[2-3]。 士投入商业运行以来，HVDC输电技术在远距离大本文首先简要概述了柔性直流输电系统的结构功率输电、海底电缆送电、不同额定频率或相同额及其功能, 其次建立了dq旋转坐标系下精确的定频率交流系统之间的联结等场合得到了广泛地应VSC-HVDC数学模型，提出了柔性直流输电系统的用。 矢量控制方法，并针对柔性直流输电系统的特点，

随着电力半导体技术，尤其是绝缘栅双极晶体构建了不同的控制模式及其组合。仿真结果表明，管(IGBT)的快速发展，在HVDC中采用以全控型器所提出的控制方法结构简单，具有良好的动静态性件为基础的电压源换流器（Voltage Source 能，成功实现了有功功率和无功功率的独立控制。 Converter，VSC）的条件已经具备。1990年，McGill2 VSC—HVDC系统的基本原理和数学模型 大学的Boon-Teck Ooi等首先提出了利用PWM控制传统的高压直流输电技术采用的是无自关断能

[1]

的VSC进行直流输电的概念。新一代的HVDC 力的低频晶闸管所组成的电网换相换流器来进行换输电技术（VSC-HVDC），是以全控型、可关断器流，而柔性直流输电技术（VSC-HVDC）采用的是件构成的电压源换流器（VSC）以及脉宽调制（Pulse 具有自关断能力的高频电子器件来进行换流。新一Width Modulation，PWM）控制技术为基础的新型代的HVDC输电技术，是以全控型、可关断器件构输电技术。换流器中全控型器件代替半控型的晶闸成的电压源换流器（Voltage Source Converter，VSC）

基金项目：国家自然科学基金项目(60474029, 60774045,60634020)；中国博士后科学基金(2005038558)

为基础。换流器中全控型器件代替半控型晶闸管，使得VSC-HVDC输电系统具备对其传输有功功率和无功功率进行同时控制的能力，以及可实现对交流无源网络供电等众多优点[4-5]。

交流电网Ⅰ交流电网Ⅱ直流输电线路换流换流变压器变压器换相电抗器换相电抗器交流12交流滤波器滤波器VSC换流站ⅠVSC换流站Ⅱ图1 两端联结电网的柔性直流输电系统结构示意

图

如图1所示为两端联结电网的柔性直流输电系

统主要设备及系统构成示意图，VSC换流站的主要设备有全控换流器、直流电容器、换相电抗器、交流滤波器以及换流变压器等。

由文献[6]可知，组成柔性输电系统的两个VSC换流器拓扑结构相同，同时都可通过对控制角与

Uc两个参数的控制来实现对柔性直流输电系统的

有功功率和无功功率的独立控制，使两个VSC分别

作为功率的发送端和接收端来完成能量的四象限传

输。因此建立柔性直流输电系统的数学模型也就是

对VSC换流器进行数学建模。 idciloadSaSbSc+-Usa+LsRsia2CUAcaN-Usb+RLssibBUdcUcb-Usc+LsRsicUccC2C-O图2 VSC换流器原理图

柔性直流输电系统两端均采用电压源型换流器（VSC）来进行换流，则整流侧和逆变侧的VSC具有相同的物理结构，其中VSC主电路拓扑图如图2所示，图中Usa、Usb、Usc为三相对称电网电压；ia、

ib、ic为三相电网相电流；Sa、Sb、Sc为换流器开

关管的开关信号，Sj(ja、b、c)=1 (上桥臂开关管导通，下桥臂开关管关断），Sj0（下桥臂开关管导通，上桥臂开关管关断）；Udc为直流电压；R、L为滤波电抗器的电阻和电感；C为直流侧电容；

Uca、Ucb、Ucc为换流器的输入电压。

由参考文献[7]可知VSC在dq0同步旋转坐标系下的数学模型为：

didLsdtUsdUcdRsidLsiqdi （1）

qLsdtUsqUcqRsiqLsid

其中，为系统角频率，Rs，Ls为交流侧电感参数，Usd，Usq，Ucd，Ucq，id，iq分别为

dq0旋转坐标系下的交流电源电压d轴和q轴分量，VSC侧控制电压d轴和q轴分量，输入交流电流d轴和q轴分量。

此外，根据瞬时功率理论[8]，在忽略换流电抗器电阻和换流器开关损耗的稳态情况下，换流器交流侧的有功功率与无功功率和直流侧的有功功率可分别表示为： Pac32UsdidUsqiq （2） Qac32UsqidUsdiq在三相电网电压平衡条件下，通常将d轴定向

于与电源电压矢量同方向上，若三相对称电源相电

压最大值为Us（Us为电网电压空间矢量的幅值），

则有： UsdUs （3U0） sq 将式（3）代入式（2）中可得：

P3ac2Usid （Qac34） 2Usiq在无穷大系统中，Us基本上维持恒定。显然，

由式（4）可知，可以通过有功电流id和无功电流iq分别控制有功功率和无功功率，从而实现有功功率和无功功率的独立控制。

3 VSC—HVDC系统的控制方法

VSC-HVDC系统控制方法主要有间接电流控制与直接电流控制两种。间接电流控制通过控制VSC交流侧基波电压的幅值与相位以控制交流电流。这种控制方法结构简单、易于实现，但存在有功功率与无功功率解耦困难、动态响应慢的缺点，同时无法直接实现电流的保护和限流控制功能。与间接电流控制相比，直接电流控制采用了电流闭环控制方式，具有快速的电流响应特性、易于实现限流控制、有功分量与无功分量易于实现解耦控制的优点，因而本文采用了直接电流控制方法[9-10]。

直接电流控制采用了电流内环与功率外环的控制方式，因此也被称为双闭环控制法。VSC-HVDC双闭环控制框图如图3所示。外环用于控制交流系统有功功率、无功功率、交流侧电压以及直流侧电压。内环用于保证VSC的输出交流电流能够跟踪外环控制输出电流指令，输出VSC电压参考波，由PWM实现开关控制。

-A*P+外i*d+外U*cdU*ca-外-外 dq*A*AP外外UcbPViaQ+外i*q+外U*WSib*-外-外cqUccMCic abcAQU(abc)sPifPLLac外外idq dqUU(abc)(abc)siQac外外Usdsq abc图3 柔性直流输电控制方法框图

柔性直流输电系统必须具备以下两大类控制模式[11-12]：

（1）有功功率相关控制器。主要功能是通过VSC换流站直接控制注入到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，主要有：1、有功功率控制，2、直流电压控制，3、频率控制等。

（2）无功功率相关控制器。主要功能是通过VSC换流站直接控制注入到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，主要有：1、无功功率控制，2、交流电压控制。

柔性直流输电系统正常稳态运行时，每个VSC可以各自独立地控制其交流侧无功功率或交流母线电压，但直流网络的有功功率必须保持平衡，即输入直流网络的有功功率必须等于直流网络输出的有功功率加上换流器和直流网络的有功功率损耗。如果出现任何差值，都将会引起直流电压的升高或降低。为了实现有功功率的自动平衡，在VSC-HVDC系统中必须选择一端VSC控制其直流侧电压，充当整个直流网络的有功功率平衡换流器，其它VSC则可在其自身容量允许的范围内任意设定有功功率。控制模式组合如图4所示。

VSC换流站ⅠVSC换流站Ⅱ交流系统Ⅰ交流系统Ⅱ直流电压控制有功功率控制或者频率控制++交流电压控制或无功功率控制交流电压控制或无功功率控制图4 柔性直流输电控制方法框图

4仿真分析

根据上面的分析可知，柔性直流输电系统的控制方法已经给出，在这里为了验证上述的控制方法，运用Matlab/simulink仿真软件对其进行仿真实验。仿真参数见附录Ⅰ。

（一）稳态仿真结果

图5与图6是系统在额定功率条件下的稳态仿真结果图，此时系统是连接两个交流电网，在发送端换流站采用的控制方法是定直流电压和定无功功率的组合，接收端换流站采用的控制方法是定有功功率和定无功功率的组合。有功功率的参考值为20MW，无功功率参考值为零，即单位功率因素控制。

由下面的两图可知，系统的直流母线电压控制非常稳定，系统的稳定性能好，有功功率与无功功率的控制是独立的，从而证明了本文所设计的解耦控制是十分有效的。而相对于发送端的功率控制结果，接收端的功率控制效果略微差一些，只是对系统的稳定的影响是微乎其微的，除去输电线路损耗等因素，整体上系统发送端与接收端的功率是几乎相等的。验证了本文所提出的柔性直流输电系统控制方法是有效的。

)Vk(eg直流母线电压atl40 ov30direct current voltage tne20rru10c t0 ce00.511.522.533.544.55riDTime(s))W交流侧有功功率M(20 rew10op0 e-10sended active powervitc-20 A00.511.522.533.544.55)ATime(s)V交流侧无功功率M(r20 ew10sended reactive powerop0 ev-10itc-20a e00.511.522.533.544.55RTime(s)图5 稳态时输电发送端换流站仿真结果图

)Vk(e直流母线电压agt40 lov30 direct current voltaget20renru10c 0 tc00.511.522.533.544.55reiDTime(s))W交流侧有功功率50 (Mrwe20received active powerpo-100 e vitc-50 A0.511.522.533.544.55)Time(s)AV交流侧无功功率(Mr50 we20received reactive powerpoe -200 vitc-50 a0.511.522.533.544.55ReTime(s)图6 稳态时输电接收端换流站仿真结果图

（二）暂态仿真结果

)Vk(eg直流母线电压atl40 ov30direct current voltage tne20rru10c t0 ce0123456riDTime(s))W交流侧有功功率M(40 rew30op20 e10vsended active poweritc0 A0123456)ATime(s)V交流侧无功功率M(r20 ew10op0 ev-10sended reactive poweritc-20a e0123456RTime(s)图7 有功功率在2s由10MW阶跃至20MW， 无功功率在4s由0MVA阶跃至10MVA时输电发送

端换流站仿真结果图

)Vk(eg直流母线电压atl40 ov30 tne20direct current voltagerru10c t0 ce0123456riDTime(s))W交流侧有功功率M(50 rew20received active powerop e-200 vitc-50 A0.511.522.533.544.555.56)ATime(s)V交流侧无功功率M(r50 ewreceived reactive powerop e-10100 vitc-50a e0.511.522.533.544.555.56RTime(s)图8 有功功率在2s由10MW阶跃至20MW，

无功功率在4s由0MVA阶跃至10MVA时接收端换

流站仿真结果图

图7与图8所示的是柔性直流输电系统在功率发生阶跃变化时的仿真结果图，其中图7所示的输电发送端换流站的仿真图，从图中可以看出，在第2秒时有功功率由10MW阶跃至20MW，第4秒时无功功率由0MVA阶跃至10MVA。 直流电压的抗干扰性强，鲁棒性好。

图7所示的是柔性直流输电系统发送端换流站的仿真结果图，可以看出，当有功功率发生阶跃变化时，对直流母线电压产生的影响是非常小，仅仅是在阶跃的一瞬间有微小的影响。而有功功率的阶跃变化对无功功率的影响也是很小的，在阶跃的很短时间内无功功率有所冲击，但无功功率的响应时间非常快，调整效果非常明显。当无功功率发生阶跃变化时，对直流母线电压和有功功率的影响是非常小的，几乎可以忽略不计，从而也验证了本文所设计的控制方法的效果十分理想。

图8所示的柔性直流输电系统接收端换流站的仿真结果图，可以看出，不管是无功还是有功的阶跃变化对于直流母线电压的影响是非常小的，有功与无功功率之间的相互影响也是很小的，调节效果尽管不如发送端，但对于系统的稳定性能是没什么影响的，仿真结果基本上符合设计的要求。

)Vk(eg直流母线电压at40 lov30 direct current voltagetne20rru10c 0 t ce00.511.522.533.544.55riDTime(s))W交流侧有功功率M(20 rew10op0 sended active power e-10vitc-20 A00.511.522.533.544.55)ATime(s)V交流侧无功功率M(r20 ew10sended reactive powerop0 ev-10itc-20a e00.511.522.533.544.55RTime(s)

图9 有功功率在2s由10MW反转至-10MW，

无功功率在4s由-10MVA反转至10MVA时发送端

换流站仿真结果图

)Vk(e直流母线电压agt40 lov30direct current voltage nt20reru10c 0 tc00.511.522.533.544.55reiDTime(s))W交流侧有功功率50 (Mrreceived active powerwe10po-100 e vitc-50 A0.511.522.533.544.55)Time(s)AV交流侧无功功率(Mr50 we20received reactive powerpoe -200 vitc-50 0.511.522.533.544.55ReaTime(s)图10 有功功率在2s由10MW反转至-10MW

，无功功率在4s由-10MVA反转至10MVA时接收端

换流站仿真结果图

图9和图10所示的是柔性直流输电系统在功率发生反转时的仿真结果。在第2秒时有功功率由10MW反转至-10MW，在第4秒时无功功率由-10MVA反转至10MVA，从图中可以看出，功率发生反转变化时对于直流侧电压的影响是十分小的，几乎可以忽略不计，说明了直流电压控制的效果非常出色。

图9所示的为柔性直流输电系统发送端的仿真结果图，当有功功率发生反转变化时，直流母线电压的略微有所降低0.5kV，但迅速调整到额定电压，无功功率有细微的振荡，快速的响应时间让无功功率受到的影响降到了最低点。当无功功率反转变化时，对直流母线电压的影响是近似为零的，对于有功功率的影响时间非常短，快速的响应时间也让有功功率摆脱了无功功率的影响，从而说明有功功率与无功功率的独立控制有功率发生反转变化时是十分成功。图10所示的为柔性直流输电系统接收端的仿真结果图，当有功和无功功率发生反转变化时，对于直流母线电压影响是微乎其微的，有功与无功功率也成功实现了独立控制。

5结论

本文首先简要概述了柔性直流输电系统的结构及其功能, 其次建立了dq旋转坐标系下精确的VSC-HVDC数学模型，提出了柔性直流输电系统的矢量控制方法，并针对柔性直流输电系统的特点，构建了不同的控制模式及其组合。仿真结果验证了，所提出的控制方法结构简单，具有良好的动静态性能，成功实现了有功功率和无功功率的独立控制，具有一定的理论指导价值。 参考文献：

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联系方式： 第一作者 其他作者 年晓红，黄正 题 目 柔性直流输电系统的直接电流控制 [10]Cuiqing Du, Evert Agneholm, Gustaf Olsson. Comparison of Different Frequency Controllers for a Vsc-HVDC Supplied System. IEEE Transactions on Power Delivery, 2008, 23(4):2224-2232 [11]H. F. Latorre, M. Ghandhari, L. Söder. Application of Control Lyapunov Functions to Voltage Source Converters-based High Voltage Direct Current for Improving Transient Stability. POWER TECH, LAUSANNE, SWITZERLAND, JULY 1-5, 2007 [12]AlejadroPizano-Matinez,ClaudioR.Fuerte-Esquivel, H. Ambriz-Pérez, Enrique Acha. Modeling of VSC-Based HVDC system for a Newton-Raphson OPF Algorithm. IEEE Transaction on power systems, 2007,22(4),1794-1803 作者简介：

管于球（1964-）男（汉族），硕士研究生，主要研究领域为变流技术与电机传动控制、通信与电子技术等。

年晓红(1965-), 男（汉族）, 博士, 博士生导师, 主要研究领域为变流技术与传动控制、复杂多体系统的控制与优化等。

黄正(1985-), 男（汉族）, , 硕士研究生，主要研究领域为双馈风力发电及变流技术，先进交流传动控制、HVDC等。 附录Ⅰ

柔性直流输电系统仿真参数表如下： 参数名称 输电容量 交流电网电压（Us） 直流母线电压（Udc） 交流电网电压（Us） 换流电抗器（Ls） 换流电抗器内阻（Rs） 直流母线电容（C） IGBT开关频率 参数数值 20 MVA 10.5 k V 20 kV 520 V 16 mH 0.0025 Ω 7500 μF 2000 Hz 通信地址 邮编 内容请勿回车 第一作者 手机、电子邮箱 内容请勿回车 导师/其他作者 手机、电子邮箱 请顿号隔开 管于球 内容请勿回车