 Transmission and Distribution Engineering and Technology 输配电工程与技术, 2012, 1, 35-40 http://dx.doi.org/10.12677/tdet.2012.12006 Published Online December 2012 (http://www.hanspub.org/journal/tdet.html) The Direct Current Control Method and Simulation of Flexible HVDC System Yuqiu Guan, Xiaohong Nian, Zheng Huang, Leilei Ding School of Information Science and Engineering, Central South University, Changsha Email: 245588152@qq.com Received: Oct. 26th, 2012; revised: Nov. 8th, 2012; accepted: Nov. 26th, 2012 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 coor- dinate system, then proposed a direct current control strategy of the VSC-HVDC system, and built some different con- trol models and combinations which aim to the characteristics of the VSC-HVDC system. At last, the results of simula- tion 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: DC Flexible Transmission; Direct Current Control; Simulation 柔性直流输电系统的直接电流控制方法与仿真 管于球，年晓红，黄 正，丁磊磊 中南大学信息科学与工程学院，长沙 Email: 245588152@qq.com 收稿日期：2012 年10 月26日；修回日期：2012年11月8日；录用日期：2012 年11 月26 日 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 d-q 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：直流柔性输电；直接电流控制；仿真 1. 引言 随着风能、太阳能等可再生能源开发规模的不断 扩大，其固有的分散性、小型性、远离负荷中心等特 点不断突显出来。基于变流技术的柔性直流输电技术 具有小型、高效、控制灵活等特点，经济效益和环保 价值可观，并能有效地减少输电线路电压降落和闪 变，提高电能质量。 自从上世纪五十年代ABB 公司的高压直流输电 (High-Voltage Direct Current, HVDC)工程在瑞士投入 商业运行以来，HVDC 输电技术在远距离大功率输 电、海底电缆送电、不同额定频率或相同额定频率交 流系统之间的联结等场合得到了广泛地应用。 随着电力半导体技术，尤其是绝缘栅双极晶体管 (IGBT)的快速发展，在 HVDC中采用以全控型器件为 基础的电压源换流器(Voltage Source Converter, VSC) 的条件已经具备。1990 年，McGill 大学的 Boon-Teck Copyright © 2012 Hanspub 35  柔性直流输电系统的直接电流控制方法与仿真 Ooi 等首先提出了利用 PWM 控制的 VSC 进行直流输 电的概念[1]。新一代的HVDC 输电技术(VSC-HVDC)， 是以全控型、可关断器件构成的电压源换流器(VSC) 以及脉宽调制(Pulse Width Modulation, PWM)控制技 术为基础的新型输电技术。换流器中全控型器件代替 半控型的晶闸管，使得 VSC-HVDC 输电具有对其传 输有功功率和无功功率进行同时控制的能力，以及可 实现对交流无源网路供电等众多优点。VSC-HVDC输 电技术克服了传统HVDC 输电技术的不足，并扩展了 直流输电的应用领域。为了区别传统上基于可控硅的 HVDC系统和基于 FACTS技术的灵活交流输电系统， 国内专家学者建议把这种基于 VSC的HVDC 系统称 为柔性直流输电系统(VSC-HVDC or HVDC Flexi- ble)[2,3]。 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 d-q 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。 2. VSC-HVDC系统的基本原理和 数学模型 传统的高压直流输电技术采用的是无自关断能 力的低频晶闸管所组成的电网换相换流器来进行换 流，而柔性直流输电技术(VSC-HVDC)采用的是具有 自关断能力的高频电子器件来进行换流。新一代的 HVDC 输电技术，是以全控型、可关断器件构成的电 压源换流器(Voltage Source Converter, VSC)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]。 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 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。 c U 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、、为三相对称电网电压； a、 、 为三相电网相电流； 、 、 为换流器开关管的 开关信号， sa Usb Usc Ui b ic i a Sb Sc S c1 j Sjab 0 、、 j S (上桥臂开关管导通， 下桥臂开关管关断)， (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； 、 U、 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： ca Ucb cc U d d d d d s sdcd sdsq q s sqcqs qs d i LUURiL t i LUURiL t i i (1) 其中， 为系统角频率， s R， s L为交流侧电感 数，参 s d U， s q U，，，，分别为 dq0 旋 cd Ucq Ud iq i 交流电网 Ⅰ 直流输电线路 1 换相电抗器 换相电抗器 交流 滤波器 交流 滤波器 换流 变压器 换流 变压器 交流电网 Ⅱ VSC换流站ⅠVSC换流站Ⅱ 2 Figure 1. Block diagram of both ends of the links HVDC flexible grid system 图1. 两端联结电网的柔性直流输电系统结构图 Copyright © 2012 Hanspub 36  柔性直流输电系统的直接电流控制方法与仿真 N -+ + + - - Ls Ls Ls Rs Rs Rs a Sb Sc S b i a i ci B C 2C dc U + - A dc i O cb U ca U cc U 2C Usa Usb Usc load i Figure 2. VSC inverter schematic 图2. VS C换流器原理图 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： 3 2 3 2 acsddsq q acsq dsd q PUiUi QUiUi (2) 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 s U( s U为电网电压空间矢量的幅值)，则有： 0 s d sq UU U s (3) 将式(3)代入式(2)中可得： 3 2 3 2 acs d acs q PUi QU i (4) 在无穷大系统中， s U基本上维持恒定。显然，由 式(4)可知，可以通过有功电流和无功电流 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。 d iq i 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。 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：a) 有功功 率控制，b) 直流电压控制，c) 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：a) 无功功 率控制，b) 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 Copyright © 2012 Hanspub 37  柔性直流输电系统的直接电流控制方法与仿真 外 环 控 制 器 内 环 控 制 器 PLL V S C dq abc dq abc P W M 功 率 计 算 s d U s q U d i q i ()abc s U ()abc s U()abc i f * d i * q i a i b i c i ac P ac Q + + - - + - + - * cd U * cq U * ca U * cb U * cc U * P A * Q A P A Q A Figure 3. Schematic of flexible the DC transmission control method 图3. 柔性直流输电控制方法框图 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。 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 参数见表 1。 4.1. 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 20 MW，无 功功率参考值为零，即单位功率因素控制。 由图 5与图 6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。 4.2. 暂态仿真结果 对于暂态仿真做了两种情况下的仿真研究，分别 是(1)有功功率在2 s时由 10 MW阶跃至 20 MW，无 功功率在 4 s时由 0 MVA阶跃至10 MVA，仿真结果 如图 7和图 8所示；(2)有功功率在 2 s时由 10 MW 反 转至–10 MW，无功功率在4 s时由–10 MVA反转至 10 MVA，仿真结果如图 9和图 10所示。 Figure 4. HVDC flexible control method block diagram 图4. 柔性直流输电控制方法框图 Table 1. Simulation parameter flexible DC transmission system 表1. 柔性直流输电系统仿真参数表 参数名称 参数数值 输电容量 20 MVA 交流电网电压(Us) 10.5 kV 直流母线电压(Udc) 20 kV 交流电网电压(Us) 520 V 换流电抗器(Ls) 16 mH 换流电抗器内阻(Rs) 0.0025 Ω 直流母线电容(C) 7500 μF IGBT 开关频率 2000 Hz Copyright © 2012 Hanspub 38  柔性直流输电系统的直接电流控制方法与仿真 00.511.522.533.544.55 0 10 20 30 40 Time(s) Direc t current volt age(kV) direct current volt age 00.511.522.533.544.55 -20 -10 0 10 20 Time(s) Acti v e power(MW) s ended acti ve power 00.511.522.533.544.55 -20 -10 0 10 20 Time(s) Reac t i ve power(MVA) s ended reacti ve power Figure 5. Converter station simulation results for steady-state transmission sender 图5. 稳态时输电发送端换流站仿真结果 00.5 11.522.5 33.544.55 0 10 20 30 40 Time(s) Direct current voltage(kV) direct current voltage 0.511.5 22.533.5 44.5 5 -50 -10 0 20 50 Time(s) Acti ve power(MW) rec ei ved ac tive power 0.511.5 22.533.5 44.5 5 -50 -20 0 20 50 Time(s) Reactive power(MV A ) rec e i ved reactive power Figure 6. Converter station simulation results for steady-state transmission recipient 图6. 稳态时输电接收端换流站仿真结果 0 12 34 56 0 10 20 30 40 Time(s) Direct current volt a ge(kV) direct c urrent voltage 0 12 34 56 0 10 20 30 40 Time(s) Active power(MW) s ended active power 0 12 34 56 -20 -10 0 10 20 Time(s) Reactive power(MVA) s ended reactive power Figure 7. Converter station simulation results for transient-state transmission sender 图7. 暂态时输电发送端换流站仿真结果 0 12 34 56 0 10 20 30 40 Time(s) Direc t current volt age(k V ) direct current volt a ge 0.511.522.533.544.5 55.56 -50 -20 0 20 50 Time(s) A c tiv e power(MW) received active power 0.511.522.533.544.5 55.56 -50 -10 0 10 50 Time(s) Reactiv e power(MV A ) received reactive power Figure 8. Converter station simulation results for transient-state transmission recipient 图8. 暂态时输电接收端换流站仿真结果 00.5 11.522.5 33.544.5 5 0 10 20 30 40 Time(s) Direct c u rrent volt age(kV) direc t current volt age 00.5 11.522.5 33.544.5 5 -20 -10 0 10 20 Time(s) Active power(MW) s ended ac t i ve power 00.5 11.522.5 33.544.5 5 -20 -10 0 10 20 Time(s) Reac tiv e power(M V A) s ended reac t i ve power Figure 9. Converter station simulation results for transient-state transmission sender 图9. 暂态时输电发送端换流站仿真结果 00.5 11.522.533.544.55 0 10 20 30 40 Time(s) Direct current voltage(kV) direc t current volt age 0.511.5 22.5 33.544.5 5 -50 -10 0 10 50 Time(s) Active power(MW) rec ei ved active power 0.511.5 22.5 33.544.5 5 -50 -20 0 20 50 Time(s) Reactive power(MVA) rec ei ved react i ve power Figure 10. Converter station simulation results for transient-state transmission recipient 图10. 暂态时输电接收端换流站仿真结果 Copyright © 2012 Hanspub 39  柔性直流输电系统的直接电流控制方法与仿真 Copyright © 2012 Hanspub 40 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，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。 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0.5 kV，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 d-q 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 (References) [1] X. 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