向有源网络供电的HVDC系统仿真研究.doc

向有源网络供电的HVDC系统仿真研究 深圳大学机电与控制工程学院 摘要：通过分析在dq0坐标系下引入PI控制的高压直流输电（HVDC）系统，获知HVDC中有功和无功功率可以分别由解耦控制后的d轴电流分量和q轴电流分量独立控制，并基于此设计了定直流电压、定交流电压控制器。建立HVDC向有源网络输电的Matlab仿真模型，仿真结果表明，建立的HVDC系统能较好地向无源网络供电，且控制方式灵活、简便。关键词：高压直流输电（HVDC）；解耦；有源网络；Matlab仿真0引言 城市工商业的发展和人们生活水平的提高，对城市电网的供电能力和供电质量提出了更高的要求。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、供电电压不稳等问题亟待解决。高压直流输电（HVDC）与交流输电相比，在输电走廊宽度相同情况下其输送能力是交流的1.5倍1，HVDC是缓解输电走廊不足的有力措施。但由于环境因素的制约，许多城市电网是无源网络，而传统的基于线换相电流源换流器的HVDC无法向无源网络供电2，从而限制了HVDC的应用。 鉴于HVDC的诸多优势，近年来许多学者对这一技术进行了深入研究。文献3提出了一种优化控制策略，研究了该控制策略下HVDC在系统发生故障时的阻尼特性，并考察了该系统在该控制方式下的稳定性；文献4建立了 HVDC的稳态模型，并设计了该模型与比例积分（PI）控制相结合的非线性控制方案；文献5提出了基于dq0坐标的HVDC稳态模型，并设计了相应的PI控制器；文献6提出了混合仿真技术，还以HVDC的暂态数学模型为基础建立了等效仿真模型。虽然这些文献都针对HVDC技术给出了一种或几种控制方案并进行了相应的仿真研究，但对于应用 HVDC技术向有源网络供电却没有进行过详尽的分析和研究。 本文首先通过分析在dq0坐标系下引入PI控制的换流器数学模型，得到了由d轴电流分量id和q轴电流分量iq独立控制有功功率和无功功率的关系式，然后设计了向有源网络供电的定直流电压和定交流电压控制器，并利用Matlab/Simulink仿真软件建立的向有源网络供电的HVDC仿真系统的输电情况进行了仿真分析。1在dq0坐标系下引入PI控制的换流器数学模型 经过d-q轴坐标转换得到输出电压的d轴和q轴分量，但是为了具有限流功能，本控制系统引入电流内环控制和目标外环控制的双闭环结构。尽管HVDC的有功控制目标仅仅与电流的d轴分量相关、而HVDC的无功控制目标仅仅与电流的q轴分量相关，但是电流的d轴和q轴分量都与电压的d-q轴分量相关，存在严重的耦合关系，因此，在电流的内环控制中引入解耦算法是很重要的。 （1）式中，usd和usq为三相电网电压的d-q轴分量，ucd和ucq为三相逆变电压的d-q轴分量。显然，换流器输出电流的d-q轴分量与三相逆变电压的d-q轴分量相互耦合。令 （2）ud和uq为一对虚拟的中间变量，则（1）可以改写为 （3） 因此，若以ud和uq作为换流器的新的控制变量，将（3）带入（1），则换流器的数学模型变更为 （4）显然，新模型中输出电流的d-q轴分量仅为三相逆变电压的虚拟同轴分量相关，而与异轴分量无关，即实现了控制上的解耦。2控制器设计 2.1 基本控制方式 根据已有 HVDC工程的运行经验，HVDC换流站一般有四种基本控制方式2,4-8： （1）定直流电压控制方式，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（功率）控制方式，用以控制直流电流（功率）和输送到交流侧的无功功率； （3）定交流电压控制方式，仅控制交流侧母线电压； （4）变频率控制方式，用以控制交流侧频率，适用于与风力发电厂连接或黑启动。 通常对于一个两端HVDC系统，必须有一端采用定直流电压控制方式。由于本文只研究与有源交流系统相联的换流器模型，因此采用控制方式（1）和控制方式（3）。为防止有源交流系统发生故障后产生过电流，对逆变侧换流器在采用定交流电压控制方式。 2.2 控制器设计 根据向有源网络供电的两端HVDC系统的基本原理，本文针对整流侧和逆变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1整流侧控制器 图2逆变侧控制器 为保证逆变器安全运行，减小换相失败的发生几率，要求逆变器的熄弧角r必须不小于关断余裕角rmin，以保证晶闸管正向阻断能力恢复并具有一定安全裕度；而为了尽量提高逆变器运行的功率因数，则要求熄弧角尽量小一些。因此逆变器需要设定熄弧角调节装置，使其运行在顶r0特性上，一般取18o左右。图3 熄弧角控制 3 仿真结果及分析 3.1 向无源网络供电的Simulink仿真模型 利用Matlab /Simulink仿真软件建立了向有源网络供电的HVDC系统仿真模型，如图4所示。图4向有源网络供电的HVDC仿真模型3.2仿真实验结果与分析通过仿真实验，可以获知不同熄弧角的交直流系统组合下的直流输电控制器的动态特性。开始运行时，整流侧的测量量在0.1s内由于电力元器件的原因有短暂的震荡，之后在0.2s左右时整流侧的交流电压Vabc与整流侧的交流电流Iabc因接入负荷会略有下降，在0.6s左右Iabc上升是因为整流器直流侧的电容提供的电压支撑的作用，之后稳定，如图5所示。同理可知逆变侧交流电压与电流的变化趋势,如图6所示。同时整流器直流侧的Vd在0.2s之前是电力元器件的原因会有所震荡，后短暂稳定再上升；Id会先震荡下降之后恢复上升、alpha会先震荡再下降，在0.6s左右变化的原因均是因为电容的电压支撑作用的影响，后逐渐稳定，如图7所示。同理可知逆变侧直流电压与电流的变化趋势,如图8所示。整流侧与逆变侧直流电压虽然最终稳定在1pu，确仍有许多纹波，但在电能质量要求的电压10%的范围内10，可以认为是稳定的。这些纹波存在的原因是因为交流侧电网提供的电压与所承受的负荷电压接近，导致电网不能快速的改变功率的方向与大小，从而在直流侧体现为有轻微的震荡，可以有以下两种方法处理：（1）在直流侧加入滤波器使得电网在交流侧的稳定性提高，从而改善直流侧的电压；（2）将12-pulse Firing Control改成24-pulse Firing Control。 本文采用的方法是(1)，如图9所示（整流侧与逆变侧方法一样）。但是这样会使得电流在开始运行时的冲击电流变得剧烈，而使的电网的可靠性降低。当功率为100MVA，电压为 345KV 与 230KV时，整流侧角度为15.6o 逆变侧角度为134.3o。当功率为10000MVA，电压为 345KV 与 230KV时，整流侧角度为15.6o ，逆变侧角度为134.3o。当功率为10000 MVA，电压为 345KV 与 230KV时，整流侧角度为15.6o ，逆变侧角度为142o。 图5整流侧交流电压与电流 图6逆变侧交流电压与电流图7整流侧直流电压与电流图8逆变侧直流电压与电流图9 直流电压与电流图 10 熄弧角有效值与最小值4结论（1） 本文建立的HVDC仿真模型及其控制方法能较好地模拟HVDC向有源网络输电的情况。（2） 在dq0坐标系下引入PI控制的 HVDC 系统中有功和无功功率可以分别由解耦控制后的d轴电流分量和q轴电流分量独立控制。 （3）定熄弧角控制是直流输电极控制策略中一种重要的基本控制方式,测量所得目标变量和整定值的差值经过PI环节处理,生成控制用的超前触发角,以保证有恒定的关断角裕度维持直流输电系统的可靠运行。（4）熄弧角指令值的增大有利于增大换相过程的关断裕度角,缓解换流母线电压暂降时实际关断角下降程度,使系统更难发生换相失败,保证了高压直流输电运行的安全稳定性。因此,熄弧角指令值不宜取得太小,但也不宜过大,应兼顾系统运行的经济性和安全可靠性。参考文献1 浙江大学直流输电科研组直流输电M北京：水利电力出版社，1985 2 Jiang H B，Ekstrm Multiterminal HVDC systems in urban areas of large citiesJIEEE Trans on Power Delivery，1998，13(4)： 1278-12843 胡兆庆，毛承雄，陆继明一种优化控制策略在基于电压源换流器的HVDC系统中的应用J电网技术，2004，28(10)：38-414 张桂斌，徐政，王广柱基于VSC的直流输电系统的稳态建模及其非线性控制J中国电机工程学报，2002，22(1)：17-225 陈谦，唐国庆，胡铭采用dq0坐标的VSC-HVDC稳态模型与控制器设计J电力系统自动化，2004，28(16)：61-66 6 王冠，蔡晔，张桂斌，等高压直流输电电压源换流器的等效模型及混合仿真技术J电网技术，2003，27(2)：4-87 Zhang Guibin，Xu Zheng，Cai YeAn equivalent model for simulating VSC based HVDCCProceedings of 2001 IEEE/PES Transmission and Distribution Conference and Exposition，Piscataway，2001，1：20-24 8 Durrant M，Werner H，Abbott KModel of a VSC-HVDC terminal attached to a weak AC systemCProceedings of 2003 IEEE Conference on Control Applications，Istanbul，Turkey，2003，1：178-182