（电力系统及其自动化专业论文）新型直流输电的控制和保护策略研究.pdf

浙江大学博士学位论文 摘要 s t u d y o fc o n t r o la n dp r o t e c t i o ns t r a t e g i e sf o rv s cb a s e d h v d c s y s t e m a b s t r a c t v s c - h v d cw i t hs o m ep a r t i c u l a ra d v a n t a g e so v e rt h ec o n v e n t i o n a lh v d ci sc o n s i d e r e da sa m a j o rd e v e l o p m e n t i nh v d c t e c h n o l o g y h o w e v e r , 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 c a r e a a r es t i l lu n s o l v e do rs o l v e dn o tw e l l t h i sd i s s e r t a t i o nw i l l s t u d yt h o s eu n s o l v e dp r o b l e m sa n d p r o p o s es o m e e f f e c t i v es t r a t e g i e st os o l v et h e m t h o s en o v e ls t r a t e g i e sp r o p o s e da r ea sf o l l o w s ( 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 ca n di t sc o n n e c t i n ga cs y s t e ma r ea n a l y z e da n dt w o s t e a d y s t a t e m a t h e m a t i c a lm o d e l sa r e d e v e l o p e d ，o n e o fw h i c hs u i t st h ev s c - h v d c c 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 rs 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 o s et w om o d e l sd e s c r i b et h er e l a t i o n s h i pb 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 e p o w e r , r e a c t i v ep o w e r , v o l t a g e ，c u r r e n ta n dt h ec o n t r o l l i n gv a r i a b l e so f t h ev s c o nt h eb a s i s o ft h o s et w om o d e l s ，t w oc o n t r o l s t r a t e g i e s a r ep r o p o s e d i no r d e rt o t e s t i f y t h e s et w o s t r a t e g i e s ，t w ov s c - h v d cc o n t r o ls y s t e m sa t ec r e a t e da c c o r d i n gt oe a c hs t r a t e g y s o m e i m p o r t a n tp a r t sf o rt h e s et w ov s c - h v d cc o n t r o ls y s t e m sa r ed e s i g n e di nd e t a i l ，e s p e c i a l l y t h es t r u c t u r e sa n dp a r a m e t e r so f t h ev s c c o n t r o l l e r s ，a sw e l la st h ep r i n c i p l e sf o rs e l e c t i n gt h e e q u i v a l e n ti n d u c t a n c eo f t h e c o n v e r t o rt r a n s f o r m e ra n dt h ec a p a c i t a n c eo f t h e c a p a c i t o ro n t h e d cs i d eo ft h ev s c d i g i t a ls i m u l a t i o nu s i n gn e t o m a ci sd o n et ov e r i f yt h ev a l i d i t yo f t h o s ep r o p o s e dc o n t r o ls t r a t e g i e s ( 2 ) t h eo p e r a t i o np e r f o r m a n c eo ft h ev s c h v d cu n d e rs o m ec h a r a c t e r i s t i cf a u l t e dc o n d i t i o n s w i t h o u ta n yp r o t e c t i o nm e a s u r e sa r es t u d i e d ，a n dt h eo v e r - c u r r e n ta n do v e r - v o l t a g eo ft h e v s c h v d cd u r i n gt h o s ef a u l t si sr e v e a l e d s o m e p r o t e c t i o ns t r a t e g i e sa r ep r o p o s e dt o p r e v e n tt h ev s c _ h v d cf r o mo v e r - v o l t a g ea n do v e r - c u r r e n td a m a g ei nm o s tf a u l tc o n d i t i o n s d i g i t a ls i m u l a t i o ni sd o n e t ov e r i f yt h ev a l i d i t yo f t h e p r o p o s e dp r o t e c t i o ns t r a t e g y ( 3 ) ac o n t r o ls t r a t e g yf o rad i o d ec l a m p e dt h r e e - l e v e lv s c - h v d cs y s t e mi s p r o p o s e da n di s t e s t i f i e db yd i g i t a ls i m u l a t i o nu s i n gn e t o m a c s o m e p r a c t i c a lm e t h o dt ol i f t i n gt h er a t e d i i 浙江大学博士学位论文摘要 c a p a c i t yo f v s c - h v d c i sd i s c u s s e d ( 4 ) t h es u b s y n e h r o n o u so s c i l l a t i o n ( s s o ) c h a r a c t e r i s t i c so f as y n c h r o n o u sm a c h i n ec o n n e c t e dt o as t a t i cv a r c o m p e n s a t o ri s s t u d i e dw i t ht h ec o m p l e xt o r q u ec o e f f i c i e n tm e t h o dr e a l i z e db y t i m ed o m a i ns i m u l a t i o n ，a n ds o m ei m p o r t a n tc o n c l u s i o n sa l eo b t a i n e dw h i c hc a ng u i d et h e d e s i g na n do p e r a t i o no f s v c s t oa v o i ds s o p r o b l e m k e y w o r d s ：h v d c ；v s c h v d c ；v o l t a g es o u r c ec o n v e r t e r ；s p a c ev e c t o rp w m ( s v p w m ) ； s t e a d y s t a t em o d e l ；p r o t e c t i o n ；m u l t i p l e - l e v e lc o n v e r t o r s ；m u l t i p l em o d u l ec o n v e f t o t s , c a r r i e r p h a s e - s h i f t e ds p w m ，s u b s y n c h r o n o u so s c i l l a t i o n ( s s o ) ；s v c - i i i - 浙江大学博士学位论文第1 章绪论 1 1 引言川 第1 章绪论 自1 9 5 4 年世界上第一个工业性直流输电工程在瑞典投入商业运行以来，高 压直流输电技术( h v d c ) 已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非同步联结等场合在许多国家得到了广泛的 应用。在我国，二十世纪八十年代相继投产了我国自行研制的浙江大陆至舟山岛 直流输电工程( 5 0 m w , 1 0 0 k v ) 和湖北葛洲坝至上海南桥的直流输电工程 ( 1 2 0 0 m w ，5 0 0 k v ) ，2 0 0 0 年投运了广西天生桥至广州北郊直流输电工程 ( 1 8 0 0 m w , 5 0 0 k 、，) ，2 0 0 3 年三峡至江苏常州直流输电工程( 3 0 0 0 m w , 5 0 0 k v ) 双极投产，到2 0 0 4 年和2 0 0 5 年，三峡至广东惠州直流输电： 程( 3 0 0 0 m w 5 0 0 k v ) 和贵州安顺至广东肇庆直流输电工程( 3 0 0 0 m w , 5 0 0 k v ) 也将相继在 南方电网投入运行，三峡至上海的直流输电工程( 3 0 0 0 m w , 5 0 0 k v ) 也计划于 2 0 0 7 至2 0 0 8 年间投运。随着我国西电东送力度的加大和全国几个大区域电网之 间的互联，将会有更多的直流输电工程投入使用。 直流输电的广泛应用，得益于其在经济和技术方面的诸多优点。与交流输电 相比，直流输电在经济上具有线路造价低、年电能损失小的优点，在技术上也有 其独到之处，例如：直流输电的输送容量和距离不受同步运行稳定性的限制，用 于远距离输电很有利；由直流输电连接两个交流电力系统时，两端交流系统可不 必同步运行，并可各自实现调频，因此用直流输电联网，便于分区调度管理，有 利于故障时交流系统间的快速紧急支援和限制事故扩大，也有助于限制短路容量 的增大；直流线路在稳态运行时，线路不存在电容电流，因此长距离电力电缆送 电宜采用直流输电；直流输电技术在开发利用新能源、新发电方式以及新储能方 式等方面，也是种很有效的手段等等。 直流输电相比交流输电的这些优点，使它必将在未来电力工业中越来越多地 被采用从而发挥越来越重要的作用，因此对直流输电技术的改进和完善以不断提 高其性能价格比一直是直流输电制造商和研究者们奋斗的目标。 总结直流输电技术的新发展，比较现有一些技术的优缺点，找到当前要解决 的问题并明确将来研究的方向是研究过程中必不可少的一个环节，因此本文的绪 论部分将首先总结直流输电技术的一些新发展，然后确定本文的研究课题及主要 工作。 浙江大学博= e 学位论文第1 章绪论 1 2 直流输电技术的新发展 直流输电技术的新发展主要包括以下几个方面：( 1 ) h v d c 换流器件的发 展；( 2 ) h v d c 换流器的发展：( 3 ) h v d c 控制和保护系统的发展；( 4 ) h v d c 滤波器的发展。 1 2 1h v d c 换流器件的发展”- 2 3 。4 。5 。“”1 换流器件是h v d c 系统的核心部件，其容量的提高和性能的改进对h v d c 技术的发展起着至关重要的作用。二十世纪七十年代初，可控硅( s c r ，又称为 晶闸管) 替代汞弧阀应用于h v d c 系统后，极大地促进了h v d c 技术的发展和 应用，此后，晶闸管的耐压水平和容量不断地提高，从六十年代初的1 2 k v 0 2 5 k a ， 发展到目前的1 2 k v 1 5 k a ，其大体发展历程如图1 1 ( a ) 中的曲线所示。除了 耐压和容量外，晶闸管的其它性能也在不断提高，例如，a b b 公司于1 9 8 8 年研 制成功并投入使用光触发型晶闸管( l 1 tl i g h tt r i g g e r e dt h y r i s t o r ) ，s i e m e n s 公 司研制的8 k vi j t 也于1 9 9 5 年投入商业应用。l t t 的特点是通过光纤来传递触 发和控制信号，这使得它的触发和控制单元与主电路实现了电磁隔离且其驱动电 路比以前采用的电触发型晶闸管( e t t ，e l e c t r i c a l l yt r i g g e r e dt h y r i s t o r ) 需要的 元件更少，并且l 1 1 的器件过压保护电路直接集成在器件中，大大降低了驱动 电路的复杂度，提高了驱动的可靠性。目前，l t t 的容量已达到8 k v 4 k a ，其容 量和性能还在不断地提高。另外，晶闸管的绝缘性能也在不断提高，由a b b 公 司研制的世界上第一种空气绝缘户外型晶闸管于1 9 9 2 年投入使用，使得不必象 以前那样需要专门建造体积庞大的房屋来容纳数量众多的晶闸管换流阀，而采用 户外型晶闸管后只需将它们封装在户外的钢或铝箱中，这样既大大减少了系统的 占地和造价，又加快了工程的设计和安装速度。 尽管晶闸管具有耐压高和容量大的优点，但它的开关频率很低，且只是半控 型器件，即只能控制其导通，却无法控制其关断，只有当流过它的电流为零，且 两端电压保持一段时间为零或为负时它才会转入断态，采用晶闸管的换流器通常 被称作电网换相换流器( l c c ，l i n e c o m m u t a t e dc o n v e r t e r ) 。因此，采用晶闸管 作为换流器件的直流输电系统存在着一些固有的缺陷“1 ，主要表现在以下两个方 面： ( 1 ) 逆变侧换流器桥阀的换相要借助于其所接交流系统提供的短路电流来 实现换相，因此换流器受端只能是有源交流系统，无法向无源网络送电，直流输 电系统只将电能由一个交流有源系统送往另一个交流有源系统，无法为孤立负荷 供电。而且，受端有源交流系统的容量必须足够大，否则逆变侧换流器桥阀容易 浙江大学博士学位论文第1 章绪论 发生换相失败。 ( 2 ) 直流输电系统正常运行时，在整流侧，为了保证可控硅阀可靠地触发 导通，它的触发滞后角应大于其最小值( 3 5 4 ) ，又考虑到留有调节余地和尽可 能提高功率因数等因素，触发滞后角一般为1 0 9 1 5 ：在逆变侧，可控硅阀的关 断越前角必须大于其关断余裕角( 关断越前角一般为1 5 9 或更大一些) ，以避免发 生换相失败的故障。因此，直流输电系统运行要吸收大量的无功功率，其数值约 为输送有功功率的4 0 6 0 ，这就需要系统装设大量的无功补偿及滤波设备。 针对这些主要缺陷，目前主要有两种解决措施：一是在换流器主电路中增加 一些辅助器件来提高晶闸管的换相可靠性和补偿换流器的无功消耗；二是将换流 器主电路中的半控型管件替换为全控型器件，并采用与之相应的控制策略。对于 第一种解决措施将在下面的1 1 2 1 和1 1 2 2 节中给予介绍。对于第二种解决措 施，当直流输电系统的换流器件全部采用全控型器件后就不会存在上述这两个缺 陷，这样换流器的结构和控制策略就与采用晶闸管的换流器有所不同，这些不同 之处将在下面的1 1 2 3 节中给予专门介绍。 目前，全控器件的种类很多，但适用于h v d c 这种高压大容量场合的主要有 以下三种：( 1 ) 门极可关断晶闸管( g t o ，g a t et u mo f f t h y r i s t o r ) ；( 2 ) 集成门极 换相晶闸管( i g c t i n t e g r a t e dg a t ee o m m u t a t e dt h y r i s t o r ) ：( 3 ) 绝缘栅极双极型晶 体管( i g bt ，i n s u l a t e dg a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r ) 。这些全控器件和晶闸管的发展历 程及目前市场上的容量比较分别如图卜1 ( a ) 和( b ) 所示。 f f 8 c r 一 研o ilj i g c t | |_ 厂一 a i g g t 1 ， 7 ：瑟 。，a ；i m ( a ) 换流器件的发展历程 ( b ) 目前市场上的换流器件容量比较图 图1 - 1 换流器件的发展历程和目前市场上的容量比较图 从图( a ) 可知，在1 9 9 5 年以前，大容量的全控型器件只有g t o ，因而是大容 量装置中采用最多的全控型器件，然而g t o 的缺点是需要较大的门极驱动电流 ( 约为器件额定电流的1 5 至1 3 ) ，且驱动时间较长，因此其开关频率较低( 例 浙江大学博士学位论文 第1 毒绪论 如，6 k v 6 k a 容量g t o 的工作频率为5 0 0 h z ) 开关和驱动损耗较大，而且需要 复杂或损耗较大的缓冲电路来限制g t 0 开通或关断时的电流或电压的上升率，以 保护g t 0 开关过程的安全，因此基于g t 0 的换流器具有开关频率低和损耗大的缺 点。此后，一些公司不断地对g t 0 进行改进。1 9 9 7 年前后一种比g t 0 性能更优 越的新型器件即i g c t ( a b b 公司称之为i g c t ，m i t s u b i s h i 公司称之为g c t ) 被研 制成功，i g c t 是对g t 0 的结构、门极驱动电路、集成反向二极管和关断过程等 进行综合改进后的结果，使得其驱动损耗比g t 0 大大减少，目前i g c t 的容量已 达到6 k w 6 k a 已与g t 0 的最大容量相当。另一种可应用于h v d c 中的全控器件是 i g b t ，与g t 0 和i g c t 相比，它的开关频率更高( 大容量i g b t 可工作在2 0 0 0 赫兹) ， 开关损耗更小，且驱动电路更简单驱动损耗更小，但它的容量还相对较小，目前 市场上其最大容量只有3 3 k v 1 2 k a ( 或6 5 k v 0 6 k a ) 。 从器件串联的难易程度上比较，大容量的全控型器件如6 k v 6 k ag t o 目前 可串联的最大数目为1 0 个左右，而大容量的晶闸管则可最多串联至1 0 0 只左右。 通过以上的比较可知，s c r 和l t t 在高电压大容量方面仍然占据绝对优势， 因此可以预见，在大容量h v d c 系统中，s c r 和l 1 v r 仍将是被主要采用的换流 器件。而在小容量h v d c 应用场合，由于i g c t 和i g b t 的可控关断的优点，它 们将逐渐取代s c r 和l t t 而抢占越来越多的市场份额。 1 2 2h v d o 换流器的发展 上一节的比较已经表明，在高压大容量h v d c 系统中，还不得不采用半控 型器件( s c r 或l t t ) ，因为它们在高耐压和大容量方面的绝对优势目前还无法 被取代。然而，上节已经讲过，由于晶闸管的半控性使得用晶闸管作为换流器件 的传统h v d c 换流器存在着两种固有的缺陷，因此人们在不断地研究对此改进 的措施，传统的做法是使交流滤波器额外发出些无功，或在换流器附近加装无 功补偿装置如并联电容器、静止无功补偿器s v c 、调相机等，并联电容器补偿 装置虽然相对便宜但它需要的占地面积很大，而且在系统甩负荷时并联电容器补 偿会导致无功过剩引起交流侧的过电压，s v c 或调相机等虽然不会引起交流侧 的过电压但它们的造价却不低。近些年来，产生了两种更有前途的h v d c 换流 器，能够很好地克服传统h v d c 换流器存在的固有缺陷，它们是：( 1 ) 串联电 容换相换流器( c c c ，c a p a c i t o r c o m m u t a t e dc o n v e r t e r ) ：( 2 ) 可控串联电容换流器 ( c s c c ，c o n t r o l l e ds e r i e sc a p a c i t o rc o n v e r t e r ) 。下面分别给予一定的介绍。 1 2 ，2 1 串联电容换相换流器( c c c ) ”“9 ” 人们很早就认识到了c c c 的优越性，并进行了大量的研究，但由于技术条 件的限制过去一直未能在实际工程中得到应用。随着连续可调交流滤波器、有源 交流滤波器等技术的发展，t c s c 技术的成熟，c c c 重新成为一个研究、开发的 浙江大学博士学位论文第1 章绪论 热点，s i e m e n s 、a b b 等公司不断加大对其研究的力度。a b b 公司是在1 9 9 5 年 宣布开始研制c c c 的，到2 0 0 0 年终于研制成功了世界上第一条采用c c c 技术 的直流输电工程( 2 x 5 5 0 m w 7 0 k v , 背靠背) 并在巴西的g r a b i 投入商业运行。 c c c 的基本思想是用串联连接的电容器来补偿换流器的无功消耗，并提高 晶闸管的换相可靠性，它是在传统的l c c 换流器的换流变压器次级侧与换流桥 之间串联固定电容器，其单侧主电路结构如图1 2 所示。 c c c 的基本工作原理是：当与某一相相连的上或下桥臂导通时，直流电流 就会流过该相从而对串联于该相的电容充电，充电后电容电压的极性总是有利于 换相过程的完成。例如，假设图1 2 中的换流器工作在逆变状态，当晶闸管v 6 和v l 导通时，电流将从上桥臂的v 1 依次流过a 相的电容器、换流变压器副边 a 相绕组、换流变压器副边b 相绕组、b 相的电容器，最后从下桥臂的v 6 流出， 此时a 相电容器的充电电压为左负右正，b 相电容器的充电电压为左正右负，在 随后的v l 和v 2 导通期间，v 6 被截止且v 3 未导通，因此b 相电容器因没有放 电回路其两端电压仍将维持左正右负的状态，当轮到v 3 和v 1 换相时，一旦v 3 导通则v 3 所在相即b 相的电容器将对v 1 施加反相电压，这个反相电压再加上 换流变压器副边b 相输出的电压，使得v 1 更容易被截止，增加了v 3 和v 1 换 相的可靠性。通过类似分析可知，在其它工况下，电容同样也有利于换相过程的 完成。 一佛注 ，v 1弋7 v 3、7 v 5 1 d c e 。u f 1 、厂厂 u b r u c j jr ：、r 弋 l v e 5 l v z 0 ，即0 c i 相位滞后o s l ，则v s c l 工 作在整流状态，从左端交流网络吸收有功功率；( 2 ) 若6 1 0 ，即u c l 相位超前0 。 则v s c i 工作在逆变状态，向左端交流网络注入有功功率：( 3 ) 特别当 6 1 = a r c c o s ( 岩) 时，v s c l 工作在单位功率因数状态，只传送有功功率而不产生 或消耗无功功率；( 4 ) 若8 1 = 0 ，则v s c i2 1 1 作在纯无功补偿状态，不传送有功 功率而只发出或吸收无功功率；( 5 ) 由式( 2 1 3 ) 和式( 2 1 4 ) 还可得 p s l 2 + ( n 一2 冈u s l 2 ) 2( 莆卜断峨的工作区域为糊，罱，为原点 半径为等芝争的四象限圆形区域；( 6 ) 由于v s c l 采用的是p w m 控制方式 式( 2 2 ) 表明，可以对u 。的相位进行任意控制，因而通过控制0 。相对于0 。的 相位8 1 的符号就能控制v s c l 的工作状态，使其根据需要工作在整流、逆变或纯 无功补偿状态。 将式( 2 1 3 ) 和式( 2 一1 4 ) 分别对6 1 和u 。求偏导数并取绝对值可得 i 盟i ：u s , u o c o s 6 1 j0 6 1 f l z ，一i l 鱼i ：生巨型 l 训。1 z ，。i 旦啦j ：当旦! ! 匦型 ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 浙江大学博士学位论文第2 章v s c h v d c 的控制镱略及控制系统设计 i 挚k 掣( 2 - 1 9 ) i 训。，ii 比较式( 2 1 6 ) 至- ( 2 1 9 ) 可知，若一号 劁 ：， 从式( 2 2 0 ) 和( 2 2 1 ) 可知，8 1 的变化主要影响有功p s j ，而u c 。的变化主要影 响q 。，目_ 1 8 1 i 的值越小，这种关系就越明显。若v s c 采用p w m 技术，则可以 对6 l 和u c 1 分别独立地控制，因此可以通过控制8 1 来间接地控制p s ，而通过控 制u 。，来间接地控制q 。，可达到灵活独立控制p s 。和q 。的目的，控制的有效范 围必须满足署 8 1 署，这就是v s c l 的基本控制方法。 采用同样的分析方法，v s c 2 电具有类似式( 2 2 0 ) 和式( 2 2 1 ) 1 拘关系，因此 v s c 2 采用的基本控制策略也可以是：通过控制8 2 来间接地控制p s 2 ，而通过控 制u c z 来间接地控制q s z ，控制的有效范围必须满足一詈 8 2 三4 。 由于v s c h v d c 是一个统一的系统，两端的v s c 必须协同运行才能完成有 功的传送，位于有功发送端网络的v s c 必须工作在整流状态，而位于有功接收 端网络的v s c 必须工作在逆变状态，因此v s c l 和v s c 2 的控制还必须考虑两 者之间的关联。v s c l 和v s c 2 之间是通过直流传输线相连接的，v s c l 直流侧 的有功和v s c 2 直流侧的有功分别满足如下的关系式： p d l = u d l i d l( 2 - 2 2 ) p d 2 = u d 2 i d 2( 2 2 3 ) 如果忽略直流传输线的横向电导，直流传输线的电阻用r 。表示，则稳态时有： i d l = i d 2 = i d( 2 2 4 ) 浙江大学博士学位论文 第2 章v s c h v d c 的控制策略及控制系统设计 i 。：旦d ! 二坠 。 r d ( 2 - 2 5 ) 若忽略v s c l 和v s c 2 各自的换流器和换流变压器的损耗，根据能量守恒定 律，v s c l 交流侧有功和直流侧有功以及v s c 2 交流侧有功和直流侧有功分别满 足如下两关系式： p d l = p c l = p s l p d 2 = p c 2 = 佗一2 6 ) r 2 2 7 ) 在v s c h v d c 正常运行过程中，必须对直流侧电压进行控制，使其恒定。 而直流侧电压的变化与两端有功不平衡状况有其固有的联系，如果有功发送端的 v s c 从该端交流系统中吸收的有功功率大于接收端的v s c 发送到对应端交流系 统的有功，则直流端电压升高，反之则下降。根据式( 2 2 2 ) 至式( 2 2 7 ) ，若直流线 路电流恒定，则直流侧电压变化量正比于有功的不平衡量，则定直流电压控制和 定有功控制将是等效的。例如，对于v s c l ，假定i 。恒定，可用6 l 来控制直流电 压u 当u 。，通过控制使其向设定值逼近时，p i 调节器便对6 1 进行自动调整， 使得该端吸收或发出的有功自动与另一端的有功相匹配，而不必对该端有功设定 值进行指定，而只指定直流电压参考值即可：当某端采用定直流电压控制来控制 该侧有功时，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 此另一端应采用定直流电流来控制有功，直流电流的设定值将正比于有功的设定 值。这样一端采用定直流电压控制，同时另一端采用定直流电流控制，则两端 v s c 通过分别检测各侧的直流电压或直流电流进行相应控制，而不必通过两端 之间的通讯，即可实现两端交流有源网络之间传输定直流电流控制端指定的有功 量，这有利于远距离高压直流输电系统的可靠运行，这也是v s c h v d c 相对于 传统h v d c 的独特优点之一。对于v s c h v d c 两端无功的控制，可根据各端所 联交流有源网络对各自无功的需求，分别由各端v s c 独立进行控制，可以通过 设定无功参考值即定无功的方法来控制；也可以通过设定v s c 与交流系统联结 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。 若两端v s c 一端工作在整流状态而另一端工作在逆变状态，即可将整流侧 交流网络的有功经高压直流输电线路输送到逆变侧的交流网络中去，同时，如果 各端v s c 还各自调节一定的无功量则还可对各端交流网络的电压给予一定的支 持。若两端v s c 皆不传送有功，而只独立调节各自的无功，则各端的v s c 对自 浙江大学博士学位论文第2 章v s c - i i v d c 的控制策略及控制系统设计 端所联交流网络将起到s t a t c o m 的作用。 总结以上的分析，v s c h v d c 中的v s c 可采用以下五种基本控制策略： ( 1 ) 定直流电压控制控制的基本方法是：利用直流电压的变化量去调节 v s c 交流输出端电压与所联交流系统电压之间的相位差，以使被控的直流电压 达到其设定值； ( 2 ) 定直流电流控制控制的基本方法是：利用直流电流的变化量去调节 v s c 交流输出端电压与所联交流系统电压之间的相位差，以使被控的直流电流 达到其设定值； ( 3 ) 定有功功率控制控制的基本方法是：利用v s c 传送的有功功率的 变化量去调节v s c 交流输出端电压与所联交流系统电压之间的相位差，以使被 控v s c 所传送的有功功率达到其设定值； ( 4 ) 定无功功率控制控制的基本方法是：利用v s c 吸收或发送的无功 功率的变化量去调节v s c 交流输出端电压的幅值，以使被控v s c 吸收或发送的 无功功率达到其设定值； ( 5 ) 定交流电压控制控制的基本方法是：利用v s c 所联交流母线电压 幅值的变化量去调节v s c 交流输出端电压的幅值，以使被控交流母线电压的幅 值达到其设定值。 以上这五种基本控制策略，( 1 ) 、( 2 ) 和( 3 ) 是通过调节v s c 交流输出端 电压与所联交流系统电压之间的相位差来实现的，( 4 ) 和( 5 ) 是通过调节v s c 交流输出端电压的幅值来实现的，且这两种调节是同时进行和相互独立的。因此， v s c h v d c 两端v s c 的控制方案选择的原则是：每端v s c 都具有两种基本控 制策略，首先一端必须采用( 1 ) ，另一端则从( 2 ) 和( 3 ) 中任选一种，其次每 端v s c 再从( 4 ) 和( 5 ) 中任选一种。 2 3 联结两个交流有源网络的v s c - h v d c 控制系统的几个主要环 节设计 2 2 节主要对v s c h v d c 的稳态模型及其相应的基本控制策略给予了一定 的探讨，本节将根据这些基本控制策略来设计具体的v s c h v d c 控制系统，对 控制系统中的几个主要环节的设计进行较详细的研究，并通过数字时域仿真来检 验整个控制系统的性能。 2 3 1 s v p w m 的基本原理及其实现 2 2 1 节已经提到v s c 常用的一些p w m 调制技术，在这些调制技术中， 浙江大学博士学位论文第2 章v s c - h v d c 的控制策略及控制系统设计 s v p w m 方式与其它方式相比，具有交流侧输入电流总谐波含量小，直流电压利 用率高，可以通过优化空间矢量来降低开关频率，易于数字化实现等优点，因此 更适用于v s c h v d c 这种大功率系统中v s c 的应用。s v p w m 是源于交流调 速中磁通为圆的思想，它通过坐标变换，把三相电压合成一个矢量加以处理，所 得数学模型简单，便于微机实现数字化实时处理，从而可使控制系统结构简单， 实时性强，能获得更好的性能。本节将分析其基本原理，并将其在v s c h v d c 系统控制中加以实现。下面以图2 - 2 所示的v s c l 为例来分析s v p w m 的基本原 理。 设v s c l 所联交流系统的三相电压为： u s i a 0 2 = u s l * c o s ( a t ) u s i b 0 2 = u s i + c o s ( c o t 一1 2 0 。) ( 2 2 8 ) u s l c 0 2 = u s l c o s ( a t + 1 2 0 。) 定义合成电压空间矢量为： 寸= 鲁 u 。( t ) + u b ( t ) + e + u 。( t ) + e = 【u a b ( t ) - - ua ( t ) 】+ j 半u b 。( t ) ( 2 2 9 ) = 乒石鬲面z a r c t g 案 式中u a ( t ) 、u b ( t ) 和u c ( t ) 分别代表三相的相电压，审是他们合成的空间矢量。 将( 2 2 8 ) 式代入( 2 。2 9 ) 式可得与( 2 2 8 ) 式对应的电压空间矢量为： v s l = u s l 十e 。 ( 2 3 0 ) 由式( 2 3 0 ) 可知，随着时间t 的推移，空间矢量瓤。的终端将沿着半径为u 。 的圆轨迹以的角速度逆时针移动，如图2 5 所示。 v s c l 输出的交流电压是具有_ i _ f ! 负极性的方波，方波的极性和宽度，是由其 6 个换流器件( i 至t 6 ) 的开关状态和状态持续时间来决定的。这6 个换流器件 总共有八种可能的开关状态，如果以“1 ”表示某相上桥臂接通下桥臂断开、以 “1 ”表示某相下桥臂接通上桥臂断开，则八种开关状态可表示为：1 1 1 、11 - 1 、- l1 1 、- 111 、- 1 - 11 、l - 1 1 、一l - 1 1 、11 1 。每一种输出状态都对应一个 空间矢量，例如在状态1 - l 一1 时，v s c i 交流侧三相输出电压分别为u a ( t ) = 粤， u 。( t ) ：二 粤和u 。( t ) ：二粤，根据式( 2 - 2 9 ) 可求出其对应空间矢量为 浙江大学博士学位论文第2 章v s c h v d c 的控制策略及控制系统设计 q = u 。，+ e ”，同样可以求取其它开关状态所对应的空间矢量，这八个空间矢量 包括模为u 。，相位依次相差6 0 。的六个空间矢量( q 、也、瓤、瓤、瓤和取) 和两个幅值为零的空间矢量( 职。) 和瓤( 。) ) ，如图2 - 5 中所示。 7 4 ( - t ，1 ) 1 a 轴 图2 5v s c l 的八种开关状态对应的的空间矢量图 f i g 2 5s p a c ev e c t o r sd i a g r a mo f v s c l se i g h ts w i t c hm o d e s 按照矢量合成的平行四边形法则和p w m 的等面积原则利用这八个矢量可 以合成任意角度有限模长的空间矢量，即按照一定的次序和作用时间发出上述八 个矢量就可以合成所期望的输出空间矢量。如果v s c l 输出三相电压的期望值满 足如下关系式： u 。2 = u c l * c o s ( ( 0 t 一6 1 ) u c l b 0 2 = u c l * c o s ( o o t 一6 l 一1 2 0 。) ( 2 3 1 ) u c l c 0 2 = u c l4 c o s ( o r 一6 l + 1 2 0 。) 将( 2 31 ) 式代入( 2 2 9 ) 式可得与( 2 3 1 ) 式对应的电压空间矢量为： v c i = u c l e ”。6 。 ( 2 3 2 ) 则v s c l 输出三相电压的合成空间矢量的期望值，为空间矢量终端以( o 的 角速度，沿着幅值为u 。的圆轨迹顺时针移动，且移动时总是落后( v s c i 工作 在整流状态) 和超前( v s c l 工作在逆变状态) 于空间矢量瓤，的角度为6 。，如 图2 5 中所示。因此对v s c l 的s v p w m 控制使其输出的三相电压满足式( 2 3 1 ) 的表达式，就变成了确定合适的空闻矢量及其作用时闯来合成终端轨迹满足式 ( 2 3 2 ) 所表达的圆轨迹的过程。 浙江大学博士学位论文第2 章v s c h v d c 的控制策略及控制系统设计 下面以图2 。5 中的扇区s 为例，来分析s v p w m 控制过程中，如何选择待合 成的空间矢量以及确定被选各矢量的发送顺序和作用时间。s v p w m 空间矢量选 择及作用的目标是使其合成矢量为满足式( 2 3 2 ) 所表达的期望圆轨迹，因此在 全控器件的每个开关周期内每个空间矢量的作用时间由所期望的圆轨迹按照矢 量合成的平行四边形法则来决定。当合成矢量终端的轨迹落到扇区s 时，则该合 成矢量应由q 和毫来合成，设t 1 为空间矢量q 的作用时间、t 2 为矢量也的作用 时间、t 为采样周期。依据平行四边形法则有“1 ： t l 寸+ t 2 瓤= t s ， 根据正弦定理，t t 和t 2 满足如下表达式 ( 2 3 3 ) 三2 ：+ u c l4 t s * s i n ( r 3 一。) 7 u 其中( o 口6 0 。) ( 2 3 4 ) t 2 = 4 3 十u c l 4 t s + s i n 0 u d l 两个矢量作用时问总和不能超过采样周期的长度，故对任意0 如有如下制约 条件： i + t 2 t s ( 2 3 5 ) 将( 2 3 4 ) 式代入( 2 3 5 ) 式可得： u 一去( 2 - 3 6 ) 式( 2 3 6 ) 进一步推导可得3 u c 。u 由( 2 3 1 ) 式可知，u c i 为期望输 出的相电压基波幅值，那么j u 。，就是期望输出的线电压基波幅值，因此，( 2 3 6 ) 式表明：采用s v p w m 控制的电压源逆变器最大可输出的线电压基波幅值等于 直流侧电压u 即s v p w m 控制已达到了最高的直流电压利用率。 由于t l + t 2 t s ，记t o = t s t 1 一t 2 ，该段时间由零矢量鼋和瓤来补足，令 q 和瓤的作用时间分别为： t 7 = ( 1 一k ) r o ；t b = k t o ；( 0 s k 1 ) ( 2 3 7 ) 同理，可以计算出其它扇区相应矢量的作用时间。记每一扇区中相位超前的 矢量为q 。相位滞后的矢量为。，。，( 例如，在扇区s 。中v 。为r 而吼。为v ) ， 浙江大学博士学位论文 第2 章v s c - h v d c 的控制策喀及控制系统设计 其作用时间分别记为i 。和t d 。，则扇区s ，至s 。中空间矢量作用时间的规律可 总结为：i * d2 ? u c l 4 t s * s i n ( “7 3 一。) 7 u “ 其中( o e 6 0 。) ( 2 3 8 ) t d 。1 。= 4 3 u c i + t s4 s i n 0 u d l t o = 1 一i 。“一t d 。l 。 t 7 = ( 1 一k ) t o t 8 = k t o( 0 k 曼1 ) ( 2 3 9 ) ( 2 4 0 ) ( 2 4 1 ) 各矢量的发送顺序应遵循开关次数最少的原则，即从一个矢量变化到下一个 矢量时只有一位发生变化。总结起来，扇区s 。至s 。中空间矢量的发送顺序和作 用时间如表2 - 1 所示： 扇区 在= 每个t s 威呐，矢勤跋因l 回芋( 挑生至右) 口作用时间 作用 时间 t _ ，2 k d 2 t 出h 2 i 气m 2k 2l 2 s l ，s 3 ，s 5 矢量 q k “ hrr 。m y 。毫 顺序 作用 时问 t 7 2k h ，2 一酬2li 。d ，2k b 2 一2 s 2 ，s 4 ，s 6 矢量 一一 已、目rq 酬k k