（电力电子与电力传动专业论文）基于静止同步串联补偿器的vschvdc的控制策略研究.pdf

v s c h v d cc o n t r o ls t r a t e g yb a s e do ns t a t i cs y n c h r o n o u s s e r i e sc o m p e n s a t o r a b s t r a c t v s c h v d cs y s t e mi san e wh v d ct r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g yb a s e do nv o l t a g e t y p es e l f - c o m m u t a t e d c o n v e r t e rn a m e dv o l t a g es o u r c e dc o n v e r t e r s ( v s c ) a n d s e r i e s c o n n e c t e di n s u l a t e d g a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r s ( i g b t ) o r g a t e t u r no f f t h y r i s t o r s ( g t o ) c o n t r o l l e d b yp u l s e w i d t h m o d u l a t i o n ( p w m ) b e c a u s e v s c - h v d ci san e wt e c h n o l o g y ，m a n yt e c h n i c a lp r o b l e m si nv s c - h v d ca r e aa r e s t i l lu n s o l v e do rs o l v e dn o tw e l l ，e s p e c i a l l yt h ev s c h v d cp r o t e c t i o ns t r a t e g y w h e nt h es o m ef a u l th a p p e n st ot h es y s t e m t h em a i nw o r ko ft h i sd i s s e r t a t i o ni s h o wt oi m p r o v et h es t a b i l i t yo fv s c h v d cs y s t e mt h r o u g ht h ec o n t r o ls t r a t e g y ( 1 ) t h es t e a d y s t a t ei n t e r a c t i o nb e t w e e nv s c a n di t sc o n n e c t i n ga cs y s t e m sa r e a n a l y z e da n dt w os t e a d y - s t a t em a t h e m a t i c a lm o d e l sa r ee s t a b l i s h e d ，o n eo f w h i c hs u i t st h ev s c - h v d cc o n n e c t i n gt w oa c t i v ea cs y s t e m s ，t h eo t h e r s u i t st h ev s c h v d cs u p p l y i n gp a s s i v el o a d s t h e o r e t i c a la n a l y s i so nt h e d ca n da c s i d ec h a r a c t e r i s t i c si sc o n d u c t e d a n dd e s c r i b et h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h ec o n t r o l l e dv a r i a b l e ss u c ha st h ea c t i v ep o w e r ，r e a c t i v ep o w e r ，d c v o l t a g e ，d cc u r r e n t ，a cv o l t a g ea n dt h ec o n t r o l l i n gv a r i a b l e ss u c h a s m o d u l a t i o ni n d e x ，m o d u l a t i o na n g l e ( 2 ) b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h es s s cp r i n c i p l e ，ac o m p a r i s o nb e t w e e nt h et w o m o d e so fo p e r a t i o no ft h es s s c ，c o n s t a n tr e a c t a n c em o d ea n dc o n s t a n t q u a d r a t u r ev o l t a g em o d e ，i sm a d ef r o mt h es y n c h r o n i z i n gp o w e r ，s t e a d y s t a t es t a b i l i t yl i m i t s ( 3 )a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i ca n a l y s i so fb o t hv s c h v d ca n ds s s c ，a n o v e ls t r a t e g yi sp r o p o s e dt os o l v et h er o t o rs p e e dp r o b l e mi nv s c - h v d c o nt h eb a s i so fe s t a b l i s h i n gm a t l a bs i m u l a t i o nm o d e l ，c o m p a r i s o nb e f o r e a n da f t e rm e r g i n gs s s ci nv s c h v d ci sm a d e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h e v a l i d i t ya n dt h ee f f e c t i v e n e s so ft h ep r o p o s e dc o n t r o ls t r a t e g y k e yw o r d s ：v s c - h v d c s ss cc o n t r o ls t r a t e g y 插图清单 图2 1v s c h v d c 连接两交流系统的稳态物理模型7 图2 2 定直流电压控制端采用的控制系统框图1 1 图2 3 定直流电流控制端控制系统框图1 5 图2 4 向无源网络供电的v s c h v d c 系统的稳态物理模型1 5 图2 5 定交流电压控制器原理框图1 7 图2 - 6v s c l 端直流电压波形1 8 图2 7v s c 2 端直流电压波形1 8 图2 8v s c 2 交流侧电压波形1 8 图2 - 9 向无源负荷供电时v s c 2 端直流电压波形1 9 图2 1 0 向无源负荷供电时v s c 2 端a 相交流电压波形1 9 图3 1s s s c 原理图一2 0 图3 2s s s c 等效电压源结构图2 1 图3 3s s s c 控制系统图2 2 图3 4 直流电压调节器控制结构图2 3 图3 5 锁相环模型图2 4 图3 - 6 稳定裕量一补偿度曲线3 0 图3 7 三相对地短路故障时的定阻抗补偿模式下p 一万曲线3 1 图3 8 三相对地短路故障时的定正交电压补偿模式下p 一万曲线3 2 图4 1v s c h v d c 基本结构图3 4 图4 2v s c h v d c 单线相量图3 5 图4 3 三相对地短路故障时的功角曲线图3 6 图4 4 嵌入s s s c 的v s c h v d c 换流站控制单线图3 8 图4 5 未采用虚拟s s s c 的三相对地短路后电机转速波形3 9 图4 6t s = 1s 的三相对地短路后电机转速波形3 9 图4 7 采用虚拟s s s c 后( t s = l s ) 的三相对地短路后电机转速波形3 9 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得 金胆王些苤堂 或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 靴论黼躲扭彰签字日期：沙p 掣少日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金胆王些盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金 目曼王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者躲意泣豁 签字日期：0 哪年移阳 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 翮躲j 悟 签字日期：馏年牟吵日 电话： 邮编： 致谢 本论文是在导师张兴教授的悉心指导下完成的。导师渊博的专业知识，严 谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严以律己、宽以 待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。不仅使我树 立了远大的学术目标、掌握了基本的研究方法，还使我明白了许多待人接物与 为人处世的道理。本论文从选题到完成，每一步都是在导师的指导下完成的， 倾注了导师大量的心血。在此，谨向导师表示崇高的敬意和衷心的感谢! 本论文的顺利完成，离不开各位老师、同学和朋友的关心和帮助。在此感 谢丁明院长、张崇巍教授的指导和帮助。 在三年的学习期间，得到王青龙博士、杨淑英博士、谢震博士、苑春明、 何继光、刘芳、郭栋、魏东东、唐杰、刘淳、田新全、张龙云、邵文昌、王洪 山、曹伟、陈玲、孙龙林、纪明伟等师兄和师弟妹的关心和帮助，在此表示深 深的感谢。没有他们的帮助和支持是没有办法完成我的硕士学位论文的，同窗 之间的友谊永远长存。 最后应该感谢我的父母和家人，正是由于他们的付出，他们的关心和鼓励， 才使得我得以顺利的完成学业，他们的期望使我奋斗的动力。感谢在成长道路 上关心、支持、帮助过我的每一个人。 感谢安徽省自然科学基金( 0 7 0 4 1 2 0 6 2 ) 对本课题的资助。 作者：袁祖慧 2 0 0 8 年3 月 第一章绪论 1 1 引言 自从1 9 5 4 年世界上第一条高压直流输电( h v d c ) 联络线投入商业运行以来， h v d c 作为一项日趋成熟的技术，在远距离大功率输电、海底电缆送电、两个 交流系统之间的非同步联络等方面得到了广泛应用。同时，h v d c 技术也在不 断地改进。随着电力半导体技术，尤其是绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 的快速发展， 在h v d c 中采用以全控型器件为基础的电压源换流器( v o l t a g es o u r c ec o n v e r t e r ， v s c ) 的条件已经具备。1 9 9 0 年，m c g i l l 大学的b o o n t e c ko o i 等首先提出了利用 p w m 控制的v s c 进行直流输电的概念。1 9 9 7 年第一个采用i g b t 组成的电压源 型换流器的直流输电( v s c h v d c ) 试验工程在瑞典投入运行，标志着直流输电 技术开始了新的发展。 与传统的直流输电技术相比较，v s c h v d c 系统具有以下优点： ( 1 ) v s c 电流能够自关断，可以工作在无源逆变方式，不需要外加换相电压， 从而克服了传统h v d c 受端必须是有源网络的根本缺陷，使利用h v d c 技术为 远距离的孤立负荷送电成为可能。 ( 2 ) 正常运行时v s c 可以独立控制有功和无功功率，控制更加灵活方便。而 传统h v d c 的控制量只有触发角，不可能独立地控制有功和无功功率。 f 3 ) v s c h v d c 系统潮流翻转时直流电流反向，而直流电压极性保持不变， 与传统h v d c 恰好相反。该特点有利于构成既能方便地控制潮流又能有较高可 靠性的并联多端直流系统。 ( 4 ) v s c 可以不需要交流侧提供无功功率，而且能够起到s t a t c o m ( s t a t i c s y n c h r o n o u sc o m p e n s a t o r ) 的作用，动态补偿交流母线无功功率，稳定交流母线 电压。这意味着在v s c 容量范围内，故障时v s c h v d c 系统既可向故障区域提 供有功功率的紧急支援，又可以提供无功功率支持，从而提高系统的电压和功 角稳定性。 ( 5 ) 由于v s c 交流侧电流可以控制，不会增加系统的短路容量，增加新的 v s c h v d c 线路后，交流系统的保护整定值以及断路器无需更换。 ( 6 ) v s c 通常采用p w m 控制技术，开关频率较高，经过低通滤波后就可得到 所需的交流电压，不需要专门的换流变压器，所需滤波装置的容量也大大减小。 v s c h v d c 系统的应用场合主要有【z 儿3 1 ： ( 1 ) 向远方孤立负荷点送电，如沿海小岛、海上钻井平台、偏僻地区负荷等。 ( 2 ) 远距离电缆送电场合，如大城市配电网增容改造、海底电缆送电等。 ( 3 ) 环保型再生能源接入电网，如风力发电、太阳能发电以及小型水电厂等。 ( 4 ) 非同步运行的独立电网之间采用v s c h v d c 进行联网，可改善系统的运 行性能，提高其电能质量。 ( 5 ) 满足电力市场交易对输电网络的要求，能够很好地适应电力市场对于电 能传输的要求，提高电能交易的自由度。 随着电力电子技术的进步，全控型器件的性能及容量都将得到进一步的提 高，v s c h v d c 系统的竞争力必将从配电网扩展到输电网，从而取代传统h v d c 应用到输配电的各个领域中去。 1 2v s c h v d c 系统的研究现状 v s c h v d c 系统无论从工作原理，还是控制方式及运行特性，均与传统 h v d c 有很大不同，a b b ，s i e m e n s 等公司都将该技术纳入了重点研究计划中。 从1 9 9 7 年瑞典的赫尔斯扬( h e l l s j o n ) t 程试验成功，到现在已经有6 条柔性高压 直流输电线路相继投入或即将投入商业运行。我国电力科技工作者一直关注柔 性高压直流输电技术的发展，并开展了一些初步的研究工作。该技术的各方面 优势也已引起一些应用单位的注意，正在考虑在实际输配电工程中予以采用。 但由于v s c h v d c 技术的应用才刚刚开始，许多基础理论和相关的应用基础问 题需要深入探讨，特别是该系统的运行特比及相关的保护控制策略尤为引人关 注。国内v s c h v d c 技术研究比较晚，目前还属于起步阶段。 非线性负荷易造成的电力网电压不对称、电压下降、谐波等问题，严重地 恶化了电能质量，降低了电网供电的可靠性【4 】【5 】【6 】。当前提高电能质量的主要方 法是，利用固态静止设备、大功率的电力电子器件构成灵活交流输电系统 ( f l e x i b l ea ct r a n s m i s s i o ns y s t e m s ，f a c t s ) 【7 】【8 】 9 】。串联补偿是采用f a c t s 技术设备与电网的联结方式之一。常用串联补偿设备的主要原理是将无源元件 电容或电感直接串联到线路中，通过开关或晶闸管去调节其等效阻抗值，来达 到无功补偿的目的。这种方法的补偿电压都直接受线路电流的影响，谐波较大， 而且无功功率补偿时容易产生谐振，补偿效果不甚理想。另外，v s c h v d c 与 交流系统相联时，不可避免的要受到交流系统故障的冲击：换流站自身的故障也 不可避免，所以有必要对v s c h v d c 故障时的保护策略进行深入地研究。 1 3 本文的主要工作 v s c h v d c 输电系统是近年来提出的输配电新技术，涉及输配电工程、现 代电力电子技术、自动控制理论、电力系统运行分析与控制、系统建模、仿真 技术、人工智能技术、数字信号处理等学科领域。本文的工作属于v s c h v d c 技术的基础理论和应用基础研究的一部分，主要通过建立v s c h v d c 系统的数 学模型，对v s c h v d c 系统进行仿真的基础上，针对v s c h v d c 三相对地短路 故障提出了v s c h v d c 的控制策略。并通过建立m a t l a b 仿真模型，分析比较 了该控制策略的有效性。 随着高品质电能质量和电网运行的灵活可靠性要求进一步提高和新型半导 2 体技术的发展，v s c h v d c 技术必将得到越来越广泛的重视、研究和应用。本 文的工作主要是为课题组对于该技术的研究做好前期准备工作。随着本课题对 v s c h v d c 技术研究工作的深入，必将推动国内对v s c h v d c 系统的研究力 度，提高国内对v s c h v d c 技术的研究水平，为v s c h v d c 系统在我国实际应 用奠定理论基础。其研究成果可直接服务于相关工程的前期论证、设计、建设 和运行、管理等环节，必将产生重大的社会经济效益。 3 第二章v s c h v d c 系统控制策略研究 电压源型换流器采用g t o 或i g b t 等全控型的大功率开关元件，其控制方法 与基于晶闸管的传统线换向换流器有很大的差异。p w m v s c 换流器在直流电 压恒定时，p w m 的调制度m 决定v s c 输出基波电压的幅值，而正弦给定信号的 相位决定v s c 输出电压的相位。由于正弦给定信号的调制度和相位可以独立调 节，可以实现在同一电压源换流器中既能调节交流端母线基波电压幅值同时又 能调节电压相位。由于v s c 吸收或发出的有功和无功的大小和方向取决于v s c 交流输出端基波电压的调制度和相位，因此可以通过控制p w m 的调制度和给 定正弦信号相位就可以实现有功和无功相互独立的调节【l u j j 。 若v s c h v d c 系统两端的v s c 换流站采用合理的控制策略，则可以实现两 个交流网络的同步或非同步互联，有功的双向传输，并可以向无源交流系统供 电，同时对互联的交流系统给予一定的无功支持，因此必须对控制策略进行研 究。本章首先对两端换流站进行稳态数学建模，确定换流站直流电压、直流电 流有功和无功等重要物理量之间的数学关系，然后在此基础上，根据 v s c h v d c 所要完成的功t i ( 系统互联、无功补偿或向无源系统供电) 确定对两 个换流站进行控制时的控制量和被控制量，并确定它们之间的合理对应关系。 根据控制要求提出相应的控制策略和相关控制器的设计，使每个v s c 的被控制 量按照控制指令要求变化。 2 1v s c h v d c 系统基本控制理论 1 3 】【1 4 】 v s c h v d c 系统与互联交流系统之间的相互作用主要体现在稳态物理量 之间的关系，因此主要研究v s c h v d c 系统各物理量之间的稳态约束关系及数 学模型，来制定v s c h v d c 两端的控制策略。首先通过对v s c 输出相电压的基 波分量进行分析，确定v s c h v d c 的控制量与被控制量，以此为基础从理论上 建立v s c h v d c 系统的基本控制模式及控制方法。 2 1 1v s c h v d c 系统控制模式 v s c h v d c 在运行时必须保持直流侧电压，( u d ，为v s c l 侧的直流电压， 如图3 1 ) 恒定，当【，d 。恒定时通过推导可求得v s c 交流输出端基波相电压【厂。( a 相电压) 的傅立叶级数表达式： 眈= 言慨c o s ( 妒詈一刁一警蠹羔华m y a , s i n ( 警刁 ，f1 4 其中 调制度 咖 学h c 删+ 咒) ( 妒护- y 刀木叫 仁， 以( 半) = 去争m 陋2 ， 彳 m = 二 彳 ( 2 - 3 ) 其中a ，为正弦调制波峰值，a 。为三角载波峰值。驴为三相电压正弦参考信号的 相位；= = 里- = 等为p w m 的载波比，q 为参考调制波的角频率，纰为三角载 m r) r 波的角频率，这里n 为3 的整数倍。由式( 3 - 1 ) 可得u 。的基波分量玑( 。) 表达式为： 1，-、 u 。( 1 ) ( f ) = 去m u d lc o s lq f 一詈一矽l ( 2 4 ) 二 j 式( 2 4 ) 是v s c 稳态运行时交流侧相电压的基波特性，从式中可看出通过改变m 可以按比例地改变输出电压基波幅值；改变三相正弦电压参考信号的相位可以 调节v s c 输出电压的相位，且幅值的改变和相位的改变互不影响，各自独立。 因此v s c h v d c 稳态运行的输出电压基波分量的幅值和相角可分别独立控制， 这是v s c h v d c 控制理论的基础，有关控制模式和控制策略都是基于此展开 的。 2 1 2v s c h v d c 系统有功的控制 系统启动时，两个换流站可以分别通电。由于交流断路器闭合，通过反并 联二极管向直流母线充电。当向栅极驱动单元充电时，两站中的换流器可以通 过直流侧的开关来接通。将要接通的第一个换流器控制直流电压。一旦当另一 个换流器接通时即开始传输有功功率。 在正常运行方式中，每个站各自控制其无功潮流。但是进入直流电网的有 功必须保持平衡。这意味着离开v s c h v d c 系统的有功功率必须等于逆变侧交 流电网接收的有功功率减去v s c h v d c 系统的换流损耗及线路损耗，出现任何 差值将会引起系统直流电压的迅速变化。为了实现功率平衡，由其中一个站来 控制直流电压，因此另一换流站可以在系统设定的范围内，任意整定有功功率， 而控制电压的换流站可以通过调整其功率信号来保证其平衡( 即获得恒定的直 流电压) 。换流站之间只通过测量直流电压，而不需要通讯就可以实现功率平衡。 5 得到 由于在稳态运行时，变压器损耗电阻和v s c 换流损耗可以忽略不计，可以 并且有 所以： e 1 = 尸。l = 钇1 只2 = 尸。2 , - - 只2 i d t = i d 2 = i d a p = 只l - p , 2 = u d l j d l u d 2 l 2 = p d l - u d 2 也= a u d ，d 其中只为交流系统的有功功率， 流侧有功功率，厶为直流电流， 只为v s c 向交流系统输送的有功功率， 下标1 和2 分别表示v s c l 和v s c 2 。 ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 - 7 ) ( 2 8 ) 只为直 由式( 2 8 ) 可以看出，若直流电流恒定，则直流电压变化量u j 正比于传输 有功的变化量必，则定直流电压控制和定有功功率控制将是等效的；同理， 当直流电压恒定时，直流电流变化量。与有功变化量必成正比，即此时定 直流电流控制和定有功功率控制将是等效的。因此，若一端采用定直流电压控 制有功功率，则直流线路中的直流电流变化量将正比于另一端有功的变化量， 因此另一端可以采用定直流电流来控制有功功率。这样就可以分别通过实时检 测控制端直流电压和直流电流，对偏差量进行相应的控制，实现两端交流系统 之间传输定直流电流控制端指定的有功功率，不再需要换流站间的通讯，有利 于提高远距离高压直流输电的运行可靠性，也是v s c h v d c 优于传统h v d c 的 一个方面。 2 1 3v s c h v d c 无功的控制 当v s c h v d c 系统连接两交流有源网络时，其两端换流站无功功率的控制 可根据各端所联交流有源网络对无功的需求，分别由各端v s c 独立进行控制， 也可采用定无功的控制方法；对于向无源网络供电的v s c h v d c 系统，根据逆 变端的实际需要( 一般要求逆变端交流母线的电压幅值保持恒定) ，可以通过设 定v s c 与交流系统联接处母线的交流电压幅值来调节无功需求量，以使其所联 交流母线的电压维持恒定，即采用定交流电压的控制方法。 若v s c h v d c 的一端工作在整流状态，另一端工作在逆变状态，则 v s c h v d c 系统将整流侧交流系统的有功功率经高压直流输电线路输送到逆 变侧的交流系统中。同时，若两端v s c 还可以给予一定的无功补偿，则可对各 端交流系统的电压给与一定的支持，达到提高电压质量的目的。若两端v s c 都 不传送有功，只起到调节两端无功的作用，则各端v s c 仅对所联交流网络起到 s t a t c o m 的作用，目的仅在于提高所联交流系统的电压质量。 2 1 4v s c h v d c 系统的基本控制模式【l 5 】 通过上述分析，可以得到v s c h v d c 系统两端换流站三种基本控制模式： ( 1 ) 定直流电压控制，这种控制方式控制直流母线电压和交流侧的无功功率。 6 ( 2 ) 定直流电流控制( 或定有功功率控制) ，这种控制方式控制直流母线电流( 或 传输的有功功率) 和交流侧的无功功率。 ( 3 ) 定交流电压控制，这种控制方式只控制交流母线电压。 v s c h v d c 控制方案选择的原则是：其中一端换流站必须采用控制模式( 1 ) ， 另一端换流站再根据系统所要实现的功能，即根据所联的是有源交流系统还是 无源交流系统相应的从模式( 2 ) 或( 3 ) 中选一种。 另外，当联接有源交流网络时，v s c 输出的基波电压频率必须与受端电网 电压频率保持一致；当联接无源网络时，v s c 输出的基波电压频率必须根据负 荷的要求决定。 2 2v s c i - i v d c 连接两交流系统时的控制策略协2 4 】 l d 铂娟 f ，+ f 却叭仉寸 图2 1v s c h v d c 连接两交流系统的稳态物理模型 v s c h v d c 连接两交流有源系统的稳态物理模型如图2 1 所示。通过对两 端换流站的合理控制可以实现两个同步或非同步交流系统之间有功的双向传 输，并且在传送有功的同时，各端v s c 还可以调节各自所吸收或发送的无功， 从而对所连交流系统给予一定的无功支持。 对两端换流站的控制目的，就是要使系统有功和无功的稳态表征值满足系 统的给定值。由于有功和无功的定义是针对系统电压和电流的基波分量而言， 因此必须建立v s c h v d c 的稳态数学模型，研究在其稳态运行状态时v s c 输出 电压和电流的基波分量与所连交流系统之间的约束关系。有了v s c h v d c 的稳 态模型，便可在此基础上制定相应的控制策略，使v s c h v d c 完成交直流转换 和传输功率的功能。 2 2 1 定直流电压控制端稳态数学模型 设v s c l 输出的基波电压向量为【7 。= 玑。么0 ，v s c l 交流系统的电压向量为 以。= 虬。么匹，0 c l 与矽，。之间的阻抗为2 。= r 。+ j x l = r ，+ l a g ；= z ，么q ( 在精确 的分析中弓可以认为包含两部分：变压器的漏电阻r r 。和换流损耗等效电阻 r e ”，厶为变压器的电感。在一般分析中采用近似处理，认为该阻抗即为变压 器阻抗) ，z ，- - 尺? + x ? ，岛= a r c t a n x ，r 。，x = l z l ，流过换流变压器的电流 为j ，。v s c l 侧交流系统的有功功率和无功功率分别表示为只，和q 复功率表 示为墨。，可求得： 7 墨。= ，+ ，q ，。= d ，。水。y = 矽，。木 = 竺! ! 匦! 竺! 刍二竺! ! 竺! ! 垒刍塑 z 1 氓一l 警1i “。 j + j 业趔半堂剑 = 五u ，。u s 。e o s o , 一u 。c o s ( 4 + b ) 】+ k u 。妙。s i n o , 一u 。，s i n ( 8 1 + 砩) 】 因此可得v s c l 交流系统的有功功率只，和无功功率g 。的表达式为： 只l = y l u s l 眈lc o s 8 1 一u c lc o s ( 4 + 研) 】 q l = k u ，lu s ls i n 0 1 一u 。ls i n ( 4 + 幺) 】 同理，可求得v s c l 交流输出端的复功率瓦。： 爱= 。+ 绞。= d 。，水( i i 广= 矽。， 吨 = 竺! ! 旺! 竺! ! 垒二刍! 二竺! ! ! ! ! 垒3 z 1 ( 2 - 9 ) 寥瞥 + 业趔警也剑 = x u 。u s ，c o s ( 4 一b ) 一u c 。t o s s , + j y i u 。妙，。s m ( 蕊一岛) 一u c 。s i n8 。】 因此可得v s c l 交流输出端的有功。和无功q c 。的表达式： 。= y 。u c 。i v ，。c o s ( 4 一岛) 一u c 。c o s 幺】 q 。= k u 。u s 。s i n ( 4 一1 9 1 ) 一u 。s i n o l 】 设直流电压利用率为1 ，调制度为m 。，0 m ，1 ，则有 u 。1 一m 2 , u d l 若忽略换流站的损耗，由v s c l 两侧能量守恒可得： 只l = u d l i d l 对于直流线路，如果忽略直流线路的横向电导，则稳态时有： i a l = i a l = i a = 半 ( 2 1 0 ) ( 2 - 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 - 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 其中r d 表示直流线路电阻，u a 。和u d ：分别为两端换流站直流侧电压。由于 8 半 半 v s c h v d c 的定直流电压控制端和定直流电流控制端分别控制直流电压和直 流电流，具有相对的独立性，为了便于分析问题可分别加以研究。定直流电流 控制端v s c 2 对定直流电压控制端v s c l 的影响反映在直流电流，j 。的变化上，定 直流电压控制端v s c l 对定直流电流控制端v s c 2 的影响反映在直流电压u d ：的 变化上。 由于在实际系统中损耗电阻蜀远小于电抗值墨，可近似认为 鼠= a r c t a n 五r ，z9 0 。因此研究时可以忽略r 的影响，这种忽略便于对问题的 分析和理解，却不影响分析的结论。将o l = 9 0 。代入式( 2 1 0 ) 和( 2 11 ) 可得： 只l = z u ，1 u ds i n 6 1 ( 2 - 1 8 ) q l = k u ，1 缈，。- u 。，c o s 4 ) ( 2 1 9 ) 由式( 2 18 ) 可知：( 1 ) 若磊 o ，即【7 ，。超前于玩，v s c l 工作于整流状态， v s c h v d c 系统从交流系统吸收有功功率；( 2 ) 若五 0 时，v s c l 吸收无功功率；u 刚一玑lc o s 匹 0 ，而a 。o m 。，a g 。o m 。和 a q ，0 4 的正负关系无法确定，必须考虑在实际v s c h v d c 系统的约束条件。 对于一个实际的v s c h v d c 系统，稳态运行条件下的约束条件如下【l 阳： ( 1 ) p w m 线性调制范围内0 m ，1 ，这是v s c 正常运行的必要条件； ( 2 )考虑到直流输电损耗很小，所以u d l l a i r d ： ( 3 )若以换流器的额定容量为基值，换流电抗( 或换流变压器电抗) 的标幺值约 为o 1 0 3 ( 4 )一般v s c 换流器的损耗小于额定容量的5 ，这决定了换流器的等效损耗电 阻r 髓的取值； ( 5 ) i 匹i 0 ，而o q , 。o m ，的正负取决于直流潮流的方向。 因此，对于定直流电压控制的v s c l 应采用磊控制q ，m 。控制。图2 2 为定 直流电压控制端采用的控制系统框图。 q s l r u d l 图2 2 定直流电压控制端采用的控制系统框图 2 2 3 定直流电流控制端稳态数学模型 设定直流电流控制端v s c 2 的输出基波电压向量为0 。2 = u 。：z 0 ，所联交流端 电压为玩：= 玑：么碗，眈：与晚：之间的阻抗为2 ：= r ：+ ：= z 2 2 8 2 ，其中 z ：= 0 蕊，岛= a r c t a n x 2 r ：，e = 1 z ：，流过换流变压器的电流为j ：。v s c 2 所联交流系统的有功功率和无功功率分别表示为e ：和q ：，复功率表示为墨：， 其表达式分别为： f f a 2 - - 只2 + j q , 2 = 0 ，2 * 阱岈 警卜：吐警 一致：阢：c o s 岛一玑：c o s ( 皖一岛) 】，：阢：s i n e ：一致：s i n ( 4 一岛) 】 z 2 “ z 2 = 匕u ，2 妙。2c o s ( 0 2 + 盈) 一u 2c o s 8 2 + j y 2 u , 2 眈2s i n ( 0 2 + 皖) 一u ，2s i i l 见】 只：= 匕u 2 妙。2c o s ( 4 + 岛) 一u ，：c o s 0 2 】 q ：= e 玑：u c ：s i n ( t 萝2 + 岛) 一u ：s i n 晚】 同理，可求得v s c 2 交流输出端的复功率墨： s c 2 = 材q 2 - - 0 c 2 * 阱蜘 学卜：吨警 。 一u c 2 阢2c o s 0 2 一u 2c o s ( 暖一岛) 】fu 。2 眈2s i n a 2 + u 2s i n ( 4 一幺) 】 一 z ， z ， = 砭虬2u c 2c o s o ：一u ，2c o s ( 4 0 2 ) + j y 2 u 。2 妙。2s i n s ：+ 己，。2s i i l ( 疋一岛) 】 因此可得v s c 2 交流输出端的有功p c ：和无功q c ：的表达式： 只：= e 虬：妙。：c o s 岛一u s ：c o s ( 皖一岛) 】 q c 2 = 匕u 。2 妙。2s i n 8 2 + u ，2s i n ( 4 一岛) 】 ( 2 - 3 3 ) ( 2 - 3 4 ) ( 2 3 5 ) ( 3 - 1 2 ) ( 2 - 3 7 ) ( 2 3 8 ) 定直流电流控制端的控制对象是只：和q s ：，由前面的分析可知控制只：与控制乞： 等效，这里采用，d ：为被控制量。因此控制量为m ：与暖，被控量为，d ：与q ：。 下面将推导v s c 2 端控制量与被控制量的稳态关系。 设直流电压利用率为1 ，调制度为m ，0 m 。1 ，忽略换流站的损耗，则 有 1 2 = 等 z 2 = u d 2 i d 2 将式( 2 3 9 ) 和式( 2 - 4 0 ) 代入式( 2 3 7 ) 并进行化简得： ( 2 - 3 9 ) ( 2 - 4 0 ) k = 等巩：c o s 岛一等酬暖训 ( 2 4 1 ) 将式( 2 3 9 ) 代入式( 2 3 5 ) 并化简得： 又由( 2 1 7 ) 可得： q z = 等e 2 u s 2 s i n ( 皖+ 0 2 ) 一砭哈i n 岛 ( 2 4 2 ) 将式( 2 4 3 ) 代入式( 2 4 1 ) 可得： u d 22 u d l 一i d 2 r d ( 2 4 3 ) 伽塑业篇象箍煎型 ( 2 - 4 4 ) 把式( 2 4 3 ) ，( 2 4 4 ) 代入式( 2 4 2 ) 并化简得： g ：= 2 x 2 m ：玑：u d 。es i n ( 8 2 + 岛) + 乃m ；垡三譬! 垫三垒二竺笠竖立垫垦 4 + 2 m ；r d 匕c o s 岛 ( 2 - 4 5 ) 由此，我们得到了描述定直流电流控制端v s c 2 控制量和被控量之间的稳态关 系。 2 2 4 定直流电流控制端控制量和被控量之间的对应关系 式( 2 4 3 ) 两端分别对4 、m 2 、u d ，求导得： ( 2 4 6 ) b i d _ _ 3 _ 2 = ! 至鱼丝i 蔓坠! 竺! 堡竺丞垒二垒! 丝! 圣丝! 罂! 鱼二型垄兰量! 亟删 a m 2 ( 2 + m 2 r d y 2 c o s 岛厂 盐：丝i 垦竺! 堡 a u j l2 + m ；r d 匕c o s 幺 可得，d ：的微分增量表达式如下： d ：z 刃d ：= 二竺窆毛弓己搿盈+ 互j 竺箍2 u d t 1 3 ( 2 4 7 ) ( 2 4 8 ) 生幺 溉面鬻 垃娩 + h j m ：2 ：2 u d ：c o s 0 2c o s ( 盈一岛) + 4 m ：砭u d ，c o s o ：一2 q 匿y 2 u s 一2 塑! ! 垒二鱼2 ( 2 + m ；心砭c o s 岛) 2 ( 2 - 4 9 ) 在实际系统中，利用稳态运行的约束条件，并假定系统工作在理想情况下， 即0 2 = 9 0 。，a u d lz0 ，化简式( 2 4 6 ) 和式( 2 - 4 7 ) 可得： 警；一 f 2 m 2 u s 2 y 2 c o s4 (2-50)2a 反 、 监。一x 2 u s 2 y 2 s i n6 2 ( 2 51 ) am，4 、 将式( 2 5 0 ) 乘i ( 2 。5 1 ) 代入式( 2 4 9 ) 进行化简可得： ，k d 2 - - 一华埘：一亟警堕色 ( 2 - 5 2 ) 式( 2 5 2 ) 确定了控制量m ：、盈与被控量j d ：之间的数学关系。f l 了式( 2 5 0 ) 和式 ( 2 5 1 ) 可得b d ：a 4 0 ，可见在整个运行区域内g ：只和m ：是单调的函数关系，并且接 近线性关系，所以定直流电流控制端v s c 2 应采用m ：控制q ：。 综上所述，对于采用定直流电流控制的换流站应采用m ：控制q ：，疋控制，d ：。 图2 3 为定直流电流控制端采用的控制系统框图。 i 图2 3 定直流电流控制端控制系统框图 2 3 向无源网络供电的v s c h v d c 系统控制策略研究 v s c h v d c 采用的开关元件是电流可关断的，其开断通过触发脉冲来完 成，因此v s c h v d c 可向无源交流系统进行供电，这是传统直流输电无法实现 的功能。向无源网络供电的v s c h v d c 系统的稳态物理模型如图2 2 所示： 图2 4 向无源网络供电的v s c h v d c 系统的稳态物理模型 假设v s c l 联接有源系统，v s c 2 联接无源系统。v s c l 采用定直流电压控制 模式，v s c 2 采用定直流电压控制模式，这里仅考虑v s c 2 的控制策略与控制器 的设计。对于向无源网络供电的系统一般要求交流母线电压保持不变，因此 v s c 2 采用定交流电压控制模式，控制对象为u f 2 0 将无源系统等效为z 捌，换流变压器阻抗为z r 2 = r ，：+ j x 7 2 = z r 2 么岛：，其中 z r 2 = 4 1 # 2 + x ；2 ，岛2 = a r c t a n x r 2 r r 2 ，2 = 1 z r 2 。交流滤波器的基波阻抗为 15 z ，2 ，根据假设可得无源系统交流电压u s z 与交流输出电压u 。2 之i 司的夭糸式如 下： o s 2 - 熬吒= 面z l 耐z r ：2 z o z ( 2 - 5 9 ) v s c 2 输出交流电压u c 2 与直流电压u d ：之间的关系如下： = 鲁 ( 2 - 6 0 ) 无源系统交流电压幅值u 。：与直流电压u d ：存在如下关系： rr m 2 虬2 一万 将u d 2 = u d l 一 d 2 r d = u d l 代入式( 2 - 6 1 ) 化简可得： 一m 2 2 一西 u d 2 ( 0 m 2 1 ) ( 2 - 6