多端直流输电系统的控制策略研究文档格式.doc
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专业：
电气工程及其自动化
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完成日期：
南阳理工学院
NanyangInstituteofTechnology
[摘要]本文主要研究VSC-MTDC——基于VSC换流器的新型多端直流输电系统的运行控制问题。
首先，论文通过Park变换建立了dq0坐标系下VSC换流器的数学模型，并研究了两端及多端VSC-HVDC系统的控制器设计,设计了一种基于d-q解耦控制理论的控制器。
然后，论文建立了采用主从式单点直流电压控制的柔性三端直流输电系统，并在PSCAD中对其进行了仿真验证与分析。
仿真结果表明大多数工况下系统的控制性能具有良好的电压特性，但是当主站因故障退出运行时，系统将不能稳定运行，故供电可靠性仍有待提高。
[关键词]电压源换流器；
Park变换；
d-q解耦；
电力系统仿真
ElectricalEngineeringAndAutomationSpecialtyZHAOXiao-qi
Abstract:
ThisdissertationfocusesontheoperationandcontroloftheVSC-basedmulti-terminalHVDCsystem.Firstly,astaticmodelofVSCindq0coordinatesystemisdevelopedthroughtheParktransformation.Afterthat,controllersforrectifierandinverterarestudied，herewedesignacontrollerbasedond-qdecouplingcontrolstrategy.Then,thispaperestablishedflexiblethree-terminalDCtransmissionsystem,whichusedmaster-slavesinglepointDCvoltagecontrolandcarriedoutasimulationbyuseofPSCAD.Simulationresultsshowthatthecontrolsystemhasgoodcontrolperformanceinmostcases.Butwhenthemasterstationexit,thesystemwillnotbeabletooperatestably.Sothepowersupplyreliabilityofthiscontrolsystemremainstobeimproved.
Keywords:
VSCconverter;
Parktransformation;
d-qdecoupling;
PSCADsimula-tion
目录
1引言 1
1.1传统直流输电的不足 2
1.2柔性直流输电概述 3
1.2.1VSC-HVDC的应用与特点 3
1.2.2多端直流输电系统的优势及应用领域 4
2VSC-HVDC系统模型及控制器设计 5
2.1VSC-HVDC系统模型 5
2.1.1VSC-HVDC工作原理 5
2.1.2VSC-HVDC系统建模 6
2.2VSC本地控制器的设计 8
2.2.1柔性直流输电系统基本控制方式 8
2.2.2基于d-q解耦的VSC系统的控制器设计 10
3系统控制器仿真验证及分析 12
3.1仿真主框架和控制量选择 12
3.1.1仿真主框图 12
3.1.2仿真主要参数的选取 12
3.2有源系统控制器的仿真验证与分析 13
3.2.1系统按照上述控制方案稳定启动运行的仿真与分析 13
3.2.2系统正常运行后SE端参考有功功率减半的仿真与分析 15
4VSC-MTDC系统的控制策略及仿真分析 17
4.1多端直流输电系统的基本原理 17
4.2多端直流输电系统的基本控制策略 19
4.2.1多端直流输电系统的基本控制策略概述 19
4.2.2多端直流输电系统的电压下降控制方式 20
4.2.3多端直流输电系统的主从式控制策略 20
4.3基于主从式控制的VSC-MTDC系统的仿真与分析 20
4.3.1仿真主框图的设计 20
4.3.2仿真主要参数的选取 21
4.3.3多端有源系统控制器的仿真验证与分析 22
4.3.4系统稳定启动运行时的仿真与分析 23
4.3.5系统运行后SE端参考有功功率减半的仿真与分析 24
4.3.6系统运行后RE2侧从直流端端断开的仿真与分析 25
4.3.7系统运行后RE1侧从直流端端断开的仿真与分析 27
结束语 29
参考文献 30
致谢 31
III
1引言
电力科学的发展是从直流电开始的，1882年，法国物理学家德普勒用装设在米斯巴赫煤矿中的直流发电机，沿着57公里的电报线路，以1.5—2kV的直流电压，把电力送到了慕尼黑举办的国际展览会上，完成了有史以来的第一次输电试验。
但由于高压大容量直流电机的换向有困难，而且当时所采用的串联运行方式比较复杂，可靠性也差，加之交流电发展迅猛，因此交流电就几乎完全代替了直流电，并发展成为今日规模巨大的电力系统[1-3]。
但是，随着电网的扩大，交流输电的局限性日益显露出来，比如交流远距离输电会受到同步运行稳定性的限制。
而与此同时，由于电力电子技术的迅速发展，高电压大功率的换流技术被研究出来并得以应用，使得高压直流输电又重新被人们所重视。
由于在电力系统中从发电到用电大部分都是交流电，要使用直流电必须要经过交直流转换，因此，直流输电的发展很大程度上依赖于换流技术的发展。
在20世纪30年代，高电压大容量的可控汞弧阔换流器研制成功，使得直流输电应用于工程成为了现实[4，5]。
1954年，瑞典本土到果特兰岛之间一条20MW、100kV的海底电缆铺设完成，成为世界上第一个投入工业运行的直流输电工程。
至此之后，高压直流输电技术在远距离大功率送电、大电网互联等场合得到广泛应用。
到1977年，世界上已经有12项应用汞弧阔换流器的直流输电工程投入运行。
这一段时期被认为是直流输电发展的第一阶段，即汞弧阔换流阶段。
但是汞弧阔制造技术较为复杂、逆弧率较高、可靠性较差，并且价格昂贵的这些特点使其发展受到限制。
20世纪70年代，晶闸管换流技术得到应用，由于其不存在逆弧问题，可靠性也比较好，使得基于晶闹管换流的直流输电工程大量出现。
并且在此期间，计算机控制技术、传输技术、控制保护技术等也得到迅速发展，这也促进了高压直流输电的发展
（1）。
自1970年哥特兰岛直流输电工程投入运行，到2010年，世界上已投产的直流输电工程有100余项。
自1987年我国自行建设的舟山直流输电工程投运以来，我国现已有十多项直流输电工程投入使用[6-9]。
然而，由于传统高压直流输电的核心部件——换流器采用的是半控型晶闸管器件，这就决定了其在与无源网络互联和无功消耗等方面有许多不足。
1982年，全控型器件IGBT被用于低电压场合，随后，基于IGBT的电压源型换流器（VSC）在工业上得到广泛运用。
随着电力电子技术的发展，一些具有可关断能力的电力电子器件（IGBT、GTO等）的出现促进了新一代直流输电技术——柔性直流输电技术VSC-HVDC的出现。
1997年，世界上首个VSC-HVDC工程——赫尔斯扬直流输电工程投入运行，其换流器采用基于IGBT的两电平三相桥拓扑结构，使用PWM调制方式，大大提高了开关频率。
对于这种新型的直流输电技术，国际大电网会议（CIGRE）和美国电气电子工程师协会（IEEE）将其命名为"
基于电压源换流器的高压直流输电"
（"
VSC-HVDC"
或"
VSCTransmission"
）；
ABB公司称之为"
轻型直流"
HVDC-Light"
西门子公司称其为"
新型直流"
HVDC-Plus"
而我国的专家将该技术称为"
柔性直流"
HVDC-Flexible"
）。
1.1传统直流输电的不足
采用晶闸管换流阀的传统HVDC输电的核心是相控换流器PhaseChangeConverter,PCC技术。
其原理是以交流母线线电压过零点为基准，经过一定时延后触发导通相应的换流阀。
通过顺序发出的触发脉冲，形成一定顺序的导通与开断，从而实现交流电与直流电的相互转换。
晶闸管的半控性使PCC技术只能控制阀的开通而不能控制阀的关断，关断必须借助于交流母线电压的过零使阀电流减小至换流阀的维持电流以下才能使阀自然关断。
因此基于PCC技术的HVDC输电具有以下不足[1]：
（1）不能向小容量交流系统及不含旋转电机的负荷供电。
如果受端系统短路容量不足，不能提供足够的换相电流，就不能保证可靠换相。
逆变器容易发生换相失败故障，如果受端系统为不含旋转电机的负荷，逆变器因无法换相而不能对该交流系统供电；
（2）换流器产生的谐波次数低，容量大，双极双桥换流站产生最低次数为11次，13次的谐波电流其容量分别约为基波容量的9%和7.7%，加重了滤波的负担；
（3）换流站运行时吸收大量的无功功率，稳态运行时，其吸收的无功功率约为所输送直流功率的30%-60%，因此换流站需要大量的无功补偿装置；
（4）换流站投资大,占地面积大,为满足谐波标准和换流器的无功需要,换流站装设有大量的无功补偿装置和滤波设备,加大了换流站的投资及占地面积,无功补偿装置和滤波设备的投资约占换流站总投资的15%,占地面积约为全站总面积的三分之一；
（5）换流站运行时会产生大量的低次谐波，因此换流站需要大量滤波装置。
可见，基于PCC技术的传统HVDC输电虽是一门成熟的技术，但在与交流输电的竞争中处于不利地位，其应用领域局限220kV及以上电压等级的远距离大容量输电，海底电缆输电以及不同额定频率或相同额定频率交流系统间的非同步互联等方面，在配电网和近距离输电方面仍不如交流输电占优势。
1.2柔性直流输电概述
1.2.1VSC-HVDC的应用与特点
用来完成电力变换过程的三相换流器有两种基本结构：
电流源换流器（CSC）和电压源换流器（VSC），传统直流输电技术都采用电流源换流器（其在直流侧作为恒定电流源），而新一代的柔性直流输电技术是以全控型、可关断器件构成的电压源换流器VSC（其在直流侧作为恒定电压源）以及脉宽调制控制技术PWM为基础的。
与传统HVDC相比，VSC-HVDC有以下特点[10,11]：
（1）VSC换流器中电流能够自关断，可以工作在无源逆变方式，不需要外加的换向电压，从而克服了传统HVDC受端必须是有源网络的根本缺陷，故可用于向小容量交流系统或不含旋转电机的交流系统供电；
（2）不会出现换相失败故障，即使对小容量系统或无源负荷供电VSC换流器也不会发生换相失败故障，从而避免了受端系统出现持续几个周期的短时电源中断，提高了受端系统的电能质量；
（3）正常运行时VSC可以同时且独立地控制有功和无功,控制更加灵活方便；
（4）VSC不仅不需要交流侧提供无功功率,而且能够起到STATCOM的作用即动态补偿交流母线无功功率，稳定交流母线电压，这意味着如果VSC容量允许,故障时VSC-HVDC系统既可以向故障区域提供有功功率的紧急支援,又可以提供无功功率的紧急支援,从而提高系统的电压和功角稳定性，无功补偿装置的容量与传统HVDC相比大为减少，由于交流滤波器具有一定的无功容量，甚至可以不装设专用的无功补偿装置；
（5）由于使用电压源型换流器，故潮流反转时直流电流方向反转，而直流电压极性不变，与传统的HVDC恰好相反。
这个特点有利于构成既能方便地控制潮流又有较高可靠性的并联多端直流系统，多个VSC可以接到一个固定极性的直流母线上，易于构成与交流系统具有相同拓扑结构的多端直流系统,运行控制方式灵活多变；
（6）由于VSC交流侧电流可以控制，所以不会增加系统的短路容量这意味着增加新的VSC-HVDC线路后,可以做到不影响交流系统继电保护的整定；
（7）VSC通常采用PWM技术，开关频率相对较高，因此换流器产生的谐波大为减弱，因此只需在交流母线上安装一组高通滤波器即可满足谐波要求所需滤波装置的容量也大大减小。
由于经过滤波后就可得到所需交流电压，因此若无电压变换要求可以不装设变压器,同时可简化开关设置；
（8）采用模块化设计是新型直流输电的一个重要特点，模块化设计使新型直流输电设备的设计。
生产安装和调试周期大为缩短，换流站的主要设备能够先期在工厂中组装完毕，并预先做完各种试验。
柔性直流输电目前的经济功率传输范围为几兆瓦至上千兆瓦，既可以用于中小功率的输电场合，也可用于远距离输电场合，因此，可以说柔性直流输电是传统直流输电的有益补充。
随着可关断器件功率等级的提升和技术的成熟，柔性直流输电的成本会进一歩降低，凭借其优良的技术特性，有可能在大功率、远距离输电场合代替传统直流输电。
1.2.2多端直流输电系统的优势及应用领域
与传统直流输电类似，柔性直流输电工程按结构也可分为两大类，一类是两端柔性直流输电，其与交流系统只有两个连接端口，每个端口处有一个换流站；
另一类是多端柔性直流输电，其与交流系统有三个或三个以上的连接端口，分别有三个或三个以上的换流站。
现阶段，一般的直流输电多为双端系统，仅能实现点对点的功率传送，无法满足多电源供电和多落点受电的需要，且当一端换流站出现故障退出后，整个直流系统将处于瘫痪状态，而多端系统则可以解决这些问题。
多端直流输电系统是由三个或三个以上的换流站及相互之间的输电线路所组成的输电系统，可以实现多电源供电和多落点受电，比两端输电系统更经济。
由于柔性直流输电具有在潮流翻转时，直流电压极性不变、直流电流方向反转的特点，电压源换流器对于直流侧相当于电压源，十分有利于构成并联多端直流输电系统。
柔性多端直流输电系统在运行灵活性、可靠性、经济型等方面占有优势，其主要存在的应用领域如下[1]：
（1）分布式发电（distributedgeneration）。
分布式发电装置是指小型的与环境兼容的独立电源。
这些电源为电力部门、电力用户或第三方所有，用以满足电力系统和电力用户特定的要求，如调峰、为边远用户供电、为商业区和居民区供电，节省输变电投资、提高供电可靠性等。
分布式电源主要是指具有良好的环保性能的微型燃气轮机Micro-turbines、燃料电池FuelCell等。
这类电源比较分散，并且有些电源输出的电力难以直接并入交流电网，比如燃料电池输出的是直流电压。
因此VSC-MTDC系统为分布式电源的联接提供了可行的技术平台。
（2）可再生能源发电，包括太阳能发电、风力发电等。
使用柔性直流输电技术进行风电场并网，可以缓解由风电场输出功率波动而引起的电压波动问题，改善电能质量；
当交流系统发生短路故障时，可有效隔离故障，保证风电场稳定运行；
柔性输电采用地埋式直流电缆，非常满足环保的要求。
但是由于风力发电、太阳能发电有不稳定的特点，故最好与稳定电源配合使用，以保证重要负荷的供电可靠性，从而构成了一个VSC-MTDC系统。
（3）孤岛供电。
我国是世界上海岛最多的国家之一，而海岛供电问题是多年来影响海岛经济发展和人民生活水平提高的主要问题之一。
海岛具有用电量较小、呈区域性分布、风力资源丰富等特点，十分适合采用VSC-MTDC系统。
（4）城市供电。
对于一些大中城市的供电系统来说，重负荷、短路电流超标、严格的环境约束等都是供电所面临的严峻挑战。
采用柔性直流输电系统向城市供电，不仅可以快速控制有功和无功功率，有效改善电能质量，还能提供系统阻尼，提高系统稳定性，并在系统出现严重故障全停电后提供“黑启动”功能；
同时，柔性输电采用地埋式电缆，可以同时满足城市对电量与环保节能的要求。
2VSC-HVDC系统模型及控制器设计
2.1VSC-HVDC系统模型
2.1.1VSC-HVDC工作原理
两端VSC-HVDC输电系统的电压源换流器之间靠直流输电线路联接，交流系统1侧的换流器工作于整流状态，交流系统2侧的换流器工作于逆变状态，二者相互配合，完成这两个系统之间的功率传输交换如图1所示。
图1柔性直流输电基本结构
如上图所示，两侧换流站采用VSC换流器。
换流器由换流桥、换流电抗器、直流电容器和交流滤波器组成。
整流电抗器是VSC与交流侧实现能量交换的纽带，同时也起到滤波器的作用。
而直流电容器能为换流器提供电压支撑、缓冲桥臂关断时的冲击电流、减小直流侧谐波。
交流侧通常接有滤波器以实现滤除交流侧谐波的作用，下面我们探讨一下换流器与交流电网之间的功率传输基本原理[14]：
设系统交流母线电压的基波分量为，换流器输出电压的基波分量是，代表与二者的相角差，代表换流电抗器的电抗值。
在忽略换流器损耗的情况下，交流系统向换流器输送的有功功率P和无功功率Q分别为：
（1）
由上面式
（1）可以看出，系统有功功率P的传输是由的值控制着的，当>
0时，P>
0，VSC吸收有功功率，其作用相当于传统的HVDC输电系统中的整流器；
当<
0时，P<
0,VSC输出有功功率，其作用相当于传统HVDC输电系统中的逆变器。
所以，通过对值的控制，就可以达到控制直流电流方向和输出功率大小的双重目的。
的值可以决定无功功率的传输：
而当时，Q>
0，这时VSC吸收无功功率；
<
0时，Q<
0,这时VSC输出无功功率。
综上所述，可以得出以下的结论：
通过控制的值，就可以达到控制VSC吸收或者输出无功功率，以及所吸收或输出的无功功率大小的目的。
通过以上分析可知，VSC换流器输出电压的幅值和相位决定着它对无功功率和有功功率的吸收，因此要想独立地控制有功功率和无功功率的大小和传输方向，可以通过控制PWM所给定的正弦信号的相位和调制度来实现。
2.1.2VSC-HVDC系统建模
由于两端VSC-HVDC输电系统两端采用完全对称的结构，因此只对其中一端进行分析，Usa、Usb、Usc为交流系统的三相电压瞬时值，Uca、Ucb、Ucc为VSC交流侧的三相电压瞬时值，R、L为换流变压器、线路的等效电阻和电感，Idc为换流器流出的直流电流，Idl为直流侧线路的电流。
一端VSC的结构图如图2所示。
图2VSC结构图
由上图结构中，可以根据基尔霍夫定律得到在abc坐标系下的方程：
（2）
为了方便进行控制，把abc坐标系下的上方程
（2）进行Park变换，其中变换的Park矩阵为：
（3）
对式
（1）进行Park变换得到在dq0坐标下的方程：
（4）
忽略电阻R和换流器的损耗，由瞬时功率相等可以得到下列功率平衡等式：
（5）
由（5）式可得：
（6）
又在VSC模型中，由电路定理可以得到：
（7）
综合（6）和（7）可得：
（8）
综合上述关系式我们可以得到：
（9）
这样我们初步得到了在dq0坐标系的VSC的数学模型，当令系统的a相电压方向和旋转dq0坐标下的d轴方向重合，即取0°
初相角。
以三相系统中的a相电压作为参考电压。
则根据功率守恒定律，dq0旋转坐标下的系统功率传输方程可由式子（5）得到：
（10）
由（10）可知：
系统的交流电流可以分解成两个相互独立的分量和,在实际控制系统中，换流器的有功功率P只与相关，从而证明该模型下，有功与无功是解耦的。
另外，考虑到在系统正常运行时，系统的功率损耗值远远小于系统功率传输值，因此可以近似地认为P与的关系也是线性的，因此该模型非常有利于稳态控制器的设计和工程控制实现。
2.2VSC本地控制器的设计
2.2.1柔性直流输电系统基本控制方式
VSC—HVDC控制系统分为系统级控制、换流站级控制、触发级控制[12,13]，本文主要针对换流站级的控制研究。
换流站级的控制是系统级控制盒触发级控制的桥梁，接收并跟踪系统级控制系统产生的直流电压指令、有功、无功功率指令，以及交流电压指令及频率指令等。
根据这些指令得到SPWM的调制比和移相角，从而实现对变流站的控制，使变流站运行于目标状态。
目前对于电压源换流器的控制量主要可以分为两大类：
（1）定有功功率类控制：
即根据有功功率类物理量参考值与测量值间的偏差，调节换流站输出端电压与交流系统电压间的相角差，使有功功率稳定在设定值。
其调节量直接或间接的与有功功率相关，包括定有功功率控制、定直流电压控制、定直流电流控制和定频率控制。
（2）定无功功率类控制：
即根据无功功率类物理量参考值与测量值间的偏差，调节换流站输出端电压与交流系统电压间的相角差，使无功功率稳定在设^值。
其调节量直接或间接的与无功功率相关，包括定无功功率控制和定交流电压控制。
而具体的控制方式也有两种：
①间接电流控制
间接电流控制实际上就是电压幅值和相角控制。
即通过控制交流侧的电压基波的幅值和相角来实现对换流站的控制。
这种控制方
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