vschvdc输电系统设计

1、 第1章 绪论1.1 高压直流输电的概况及发展人类对电的认识和应用以及电力科学的发展首先是从直流电开始的。1882 年，法国物理学家M得彼列茨进行了历史上第一次直流输电试验，将1.5kW 、1.52kV 的直流电通过电报线路驱动57km外的水泵旋转，这次试验虽然线路功耗高达78%，几乎没有使用价值，但它标志着高电压、远距离大容量输电的崭新开始。这次试验由于具备发电、输电和用电设备，所以也被认为是世界上第一个电力系统。1954 年，第一座高压直流（HVDC）输电工程投入工业化运行，它是从瑞典本土至果特兰（Gotland）岛之间的一条20MW、100kV 海底电缆直流输电线，线路全长96km。19

2、72 年，加拿大伊尔河（Eel River）HVDC输电工程正式投入使用，这座20MW 、280kV 背靠背式HVDC输电工程以首次全部采用晶闸管阀而著称于世。到目前为止，全世界共有70 多个HVDC输电工程，其中，大部分电压等级超过400kV，输送功率大于1000MW 或线路长度大于600km。 高压直流输电(HVDC)的基本原理是通过整流器将交流电变换为直流电形式，再通过逆变器将直流电变换为交流电，从而实现电能传输和电网互联。典型双极HVDC的主系统如图l所示： 图1一1典型双极HVDC主系统示意图在这个过程中，换流装置是高压直流输电系统最重要的的电器设备，除此之外，为了满足交、直流系统对

3、安全稳定及电能质量的要求，高压直流输电系统还需要其他的重要设备，如：换流变压器、平波电抗器、无功补偿装置、滤波器、直流接地极、交直流开关设备、直流输电线路及控制与保护装置、远程通信系统等。从系统构成上划分，高压直流输电系统由三部分组成，即：整流站、直流输电线路和逆变站。其中，整流站和逆变站称为换流站。对同一个高压直流输电工程而言，整流站和逆变站的设备种类、设备数量甚至设备布置方式几乎完全一样，仅仅在于少数设备台数和容量有所差别。换流装置、环流变压器平波电抗器、无功补偿装置、滤波器、直流接地极以及交直流开关设备均位于两侧换流站中。由电力电子器件组成，具有将交流变为直流电或直流电转换为交流电的设备

4、称为换流装置，或称为换流器，在高压直流输电系统中，换流器通常采用三相桥式全控整流电路作为基本单元，换流站由基本换流单元组成。在高压直流输电系统中，换流器不仅具有整流和逆变的功能，而且整流器还具有开关的功能。通过对整流器实施快速控制，实现高压直流输电系统的起动和停运。在交、直流系统故障后的恢复过程中，对整流器的开速控制可有效保护直流输电系统，同时也是交流电网安全和稳定运行的重要保障。与交流输电方式相比，HVDC输电技术有许多独特的优点，概括起来主要有以下几点：（l）在传输功率相同的条件下，直流输电的换流站设备投资较大，而线路投资较小，因此当用于远距离输电时造价要小于交流输电。（2）可实现大区电网

5、的异步互联，不存在稳定问题，互联后也不会增大原系统的短路容量。（3）双极型直流系统可分期建设，先建成单极系统运行以发挥效益。双极系统运行中如有一极发生故障，另一极能继续运行，减小功率损失。（4）调节快速，高度可控。不但在故障情况下可快速闭锁停运，而且可以利用其功率调制功能，迅速增加或减小输送功率，提供紧急功率支援，功率调制功能还可抑制交流系统的低频振荡等问题。（5）直流输电的线路电容较小，充电功率较小，当采用电缆输电时优势明显，而交流电缆的充电功率较大，有时甚至因为此原因而无法送出功率，如跨海电缆送电。（6）在输送同等功率水平下比交流方式节省输电走廊，更环保。在当前我国土地资源紧张的局面下，这

6、一优点不但可以减小土地占用和拆迁费用，而且可减小投资。 直流工程从系统结构上看，可以划分为两端直流输电系统和多端直流输电系统。多端直流输电系统尽管可以实现多个交流电网的互联和电能传输，但由于其控制复杂限制了其应用。多端直流工程在二十世纪八、九年代初期经历了短暂的发展后，现已较少引起关注，目前全世界只有北美的Nelson、太平洋联络线、Quebec一New England、意大利撒丁岛等为数不多的几个多端直流工程，而其它均为两端直流工程两端直流工程又可分为单极系统、双极系统和背靠背系统三类。另外，从HVDC的换流器结构看，还可分为6脉动和12脉动。尽管12脉动换流器比6脉动换流器的阀元件数多，但

7、交、直流两侧特征谐波含量较小，所需的滤波设备较少，具有较高的技术经济优势。目前世界上绝大多数直流工程都采用两端系统，而换流器多采用12脉动。对于远距离输电工程，由于双极系统能消除大地中的电流，因而被广泛采用。表1 我国已建成的直流工程基本情况序号工程名称电压等级（kv）输送功率（MW）输电距离（km）1舟山直流工程-10050542葛洲坝上海士500120010453天生桥广州士50018009604三峡常州士5030008605嵘泅直流工程士50060666三峡一广东士50030009567贵州一广东士50030009008灵宝背靠背工程士12036001.2 基于电压源换流器的高压直流输电

8、系统（VSCHVDC）的发展传统 HVDC 输电的核心是相控换流器（PCC）技术，其原理是：以交流母线线电压过零点为基准，一定时延后触发导通相应阀，通过同一半桥上两个同时导通的阀与交流系统形成短时的两相短路，当短路电流使先导通阀上流过的电流小于阀的维持电流时，阀关断，直流电流经新导通阀继续流通。通过顺序发出的触发脉冲，形成一定顺序的阀的通与断，从而实现交流电与直流电的相互转换。晶闸管的单向导电性使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）不能向小容量交流

9、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，其容量分别约占基波容量的9%和7.7%，加重了滤波的负担。（3）换流器吸收较多的无功功率正常稳态运行时，整流器和逆变器分别吸收占所输送直流功率30%50%和40%60%的无功功率，暂态运行时换流器吸收的无功功率更多。（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

10、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。因此基于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，其应用领域局限在220kV 及以上电压等级的远距离大容量输电、海底电缆输电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。 轻型直流输电是在电压源换流器(VSC)技术和门极可关断晶闸管（GTO）及绝缘栅双极晶体管 (IGBT)等全控型功率器件基础上发展起来的，由高频开关器件IGBT 构成的正弦脉宽调制（SPWM）式VSC，换流器的单相电路。基于VSC 技术的HV

11、DC输电在技术和经济上均比基于PCC 技术的HVDC 输电有了很大改进，轻型直流输电的特点主要表现在以下几个方面：(1)VSC 换流器为无源逆变，对受端系统没有要求，故可用于向小容量系统或不含旋转电机的系统供电。(2)VSC 换流器产生的谐波大为减弱，对无功功率的需要也大大减少，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；无功补偿装置的容量也大为减少，可不装设换流变压器，同时可简化开关。(3)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。(4)模块化设计使轻型直

12、流输电的设计、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。最重的模块重约20 t， 可方便地用卡车直接运至安装现场。从而大大减轻了现场安装调试时间和劳动强度，而且可显著缩小换流站的占地面积。一个20MW、30 kV 的轻型直流输电换流站占地面积不足，交货时间不超过12 个月。(5)可实现无人值班或少人值守。由于换流站主要设备大为简化，而且实现了模块化设计，因此正常维护工作量大大减少，有利于实现无人值班或少人值守换流站，提高生产效率。到目前为止，世界上已建或在建的轻型直流输电工程有：(1)赫尔斯扬（Hellsjon）试验工程：1997 年3月10

13、日投运，为历史上第一个试验性轻型直流输电工程。这条输送容量3MW，电压10 kV，长10 km 的线路是利用一条暂时没用的交流50 kV 线路使Hellsjon与瑞典中部的Grangesberg 交流系统通过直流互连，多年运行情况表明该工程运行良好，为轻型直流输电建设积累了许多宝贵的经验。(2)果特兰（Gotland）工程: 瑞典，50MW，80 kV，70 km长，建设目的是将Gotland 岛上的风力发电站发出的电力送至负荷中心。1999 年6 月投运。运行测试数据表明该工程各项指标均达到了设计要求。（3）Tiaereborg 示范工程：丹麦，7.2MW，9 kV，4.3 km 长，建设目

14、的是将位于西部Tiaereborg的风力发电站与交流主网相联，2000 年8 月投运。（4）Eagle Pass 工程: 美国和墨西哥，36MW，15.9 kV，采用背靠背方式,建设目的是使美国一侧的德克萨斯 (Texas) 州电网与墨西哥电网实现非同步互联。（5）Cross-Sound 联络工程：美国，330MW，150 kV，40 km 长，建设目的是通过海底电缆使位于New Mavend 的Connecticut 电网与纽约长岛电网联网。2000 年8 月开工，预计2002 年5 月投运。（6）Murraylink 工程：澳大利亚，200MW，150 kV，180km，建设目的是使南部电

15、网与Victoria州电网互联。预计2002 年4 月投运，该工程将是世界上最长的地下电缆输电项目。1.3 轻型直流输电的应用前景据预测,轻型直流输电在电压低于150kV、容量不超过200MW 时具有经济上的优越性，它在以下应用领域将可能发挥极大的作用：（1）向偏远地区供电偏远地区一般远离电网，负荷轻而且日负荷波动大，经济因素及线路输送能力低是限制架设交流输电线路发展的主要因素，制约了偏远地区经济的发展和人民生活水平的提高。采用轻型直流输电进行供电，可使电缆线路的单位输送功率提高，线路维护工作量减少，使供电可靠性增加。测算表明，修建一座燃煤火电厂与修建一条轻型直流输电线路相比，在相同投资规模下

16、，轻型直流输电线路的等数距离可降至5060km。（2）海上供电远离大陆电网的海上负荷如：海岛或海上石油钻井平台等负荷，通常靠价格昂贵的柴油或天然气来发电，不但发电成本高，供电可靠性难以保证而且破坏环境，用轻型直流输电以后，这些问题得以解决，同时还可将多余气体（如石油钻井产生的天然气）发出的电力反送给系统。（3）城市配电网增容改造城市特别是大中城市的空中输电走廊已没有发展余地，原有架空配电网络已不能满足电力增容的要求，合理的方法是采用电缆输电（架空电缆或地下电缆）。而直流电缆不仅比交流电缆占有空间小，而且能输送更多的功率，因此采用轻型直流输电向城市中心区供电有可能成为未来城市增容的唯一可行办法。

17、据资料介绍，由原有交流架空导线改送直流电，可提高50%的输送功率。以115kV、70km 长的交流架空线路为例，将其改成100kV 双极式轻型直流输电供电后，线路输送容量可提高1 倍，达到200MW，而改造增加的投资仅为两侧换流站和更换交流绝缘子的费用。（4）清洁能源发电受环境条件限制，清洁能源发电一般装机容量小、供电质量不高并且远离主网，如中小型水电厂、风力发电站（含海上风力发电站）、潮汐电站、太阳能电站等，由于其运营成本很高以及交流线路输送能力偏低等原因使采用交流互联方案在经济和技术上均难以满足要求，利用轻型直流输电与主网实现互联是充分利用可再生能源的最佳方式，有利于保护环境。（5）不同额

18、定频率或相同额定频率的交流系统间的非同步运行模块化结构及电缆线路使轻型直流输电对场地及环境的要求大为降低，换流站的投资大大下降，因此可根据供电技术要求选择最理想的接入系统位置。（6）直流环网供电环网比辐射网及链式网的供电可靠性都高。多个VSC 换流器容易构成并联多端供电的直流环网，从而提高直流输电的可靠性和灵活性。（7）提高配电网电能质量非线性负荷和冲击性负荷使配电网产生电能质量问题，如谐波污染、电压间断、电压凹陷突起以及波形闪变等问题，使一些敏感设备如工业过程控制装置、现代化办公设备、电子安全系统等失灵，造成很大的经济损失，轻型直流输电可分别快速控制有功/无功的能力并能够保持电压基本不变，使

19、电压、电流满足电能质量标准要求，将是未来改善配网电能质量的有效措施。1.4 本文研究内容由于风电场多建在偏远地区和沿海近海地带，所以风电的传输和并网问题直接影响着对风能的开发利用效率。而轻型高压直流（VSC-HVDC）技术正是可以很好地符合风力发电的特点并完成输送风电到电网的输电方式。除具有常规HVDC的优点外，VSC-HVDC还可直接向小型孤立的远距离负荷供电，更经济地向市中心送电，方便地连接分散电源，运行控制方式灵活多变，可减少输电线路电压降落和电压闪变，进一步提高电能质量等。因此研究风电场通过VSC-HVDC并网具有很重要的理论和现实意义。本文主要研究工作包括：（1）研究了VSC-HVD

20、C 在连续时间状态空间下的数学模型。首先根据瞬时功率平衡原理建立了VSC-HVDC 在 dq 两轴同步旋转坐标系下的数学模型；其次通过前馈补偿方法消除了两轴之间的耦合。（2）利用多时间尺度系统理论对VSC-HVDC模型进行了简化，分解出快慢子系统，并利用状态反馈，推导出基于多尺度模型的非线性输出反馈控制策略，利用MATLAB 进行了仿真分析，验证了模型的正确性。（3）提出了向有源系统供电时VSC-HVDC的线性解耦控制策略，然后在MATLAB/Simulink 软件下搭建了仿真模型，利用所设计的控制器来控制触发，对两端均接有源网络供电的系统进行仿真，并对结果进行分析。第2章 VSC-HVDC的

21、结构与原理2.1 电压源型换流器的基本结构及运行控制随着大功率、高频率的可关断器件IGBT 的出现，1990 年加拿大McGill 大学的Ooi 等提出了用脉宽调制（PWM）控制的电压源型换流器（VSC）进行高压直流输电（HVDC）的概念。基于VSC 的直流输电（VSC-HVDC）系统可独立调节有功和无功功率并且实现四象限运行、可以向无源网络供电，克服了传统HVDC 的本质缺陷，并且具有联网非同步运行的独立电网、方便构成多端直流系统、不需要交流侧提供无功功率并能够起到STATCOM 的作用、不会增加系统的短路容量、可以便捷高效地连接风能、太阳能等距离偏远、地理分散的可再生能源或“绿色”能源等优

22、点。VSC-HVDC 把HVDC 的优势扩展到配电网，极大地拓宽了HVDC的应用范围，具有广阔的应用前景。三相桥式电压源换流器的基本结构图如下：图2-1 VSC的原理图换流器的各桥臂由全控型半导体器件（GTO、IGBT等）和一个反并联的续流二极管组成。直流侧并联电容那个气以保持一定的直流侧电压。从直流电容侧来看，各相上下桥臂的开关状态互为相反，不会出现短路状态。如果将直流电压的中点假设为电位参考点，那么换流器在一个周期内存在6种动作状态，每相的桥臂的导电角度为各相开始带点的角度依次相差。总之，按开关状态来组合共有8种组合，除去上桥臂全开或下桥臂全开两种状态后，共有6中状态。通过这种开关的动作切

23、换，交流侧线电压就产生了每隔半个周期中有有幅值为电压波形。根据运行原理，换流器可以分为两大类：第一类需要交流系统提供换相电压（传统的换流器即属此类）；第二类不需要交流系统支持换相而被称为“自换相换流器”。自换相换流器克服了传统换流器的许多缺点，有着传统换流器所无可比拟的优势。按照直流电路的设计，自换相换流器可进一步分为电流源型换流器（CSC）和电压型换流器（VSC）而这的根本区别在于：（1）CSC在换流变压器没相二次侧绕组与换流桥之间以串联电容连接，而VSC中电容（称为换相电容器）连接在换流桥直流桥正负极之间；（2）给予CSC的HVDC潮流反转是有系统的直流电压极性反转实现的，而VSC-HVD

24、C潮流反转由系统的直流电流方向反转实现。图2-1为一个VSC（可以使整流器也可以使逆变器）的示意图。VSC主要由换流变压器、换流桥和换相电容等元件构成。在有些VSC-HVDC中，也可以不用换流变压器，而用电抗器即可。换流桥的桥阀由几十乃至数百个有自关断能力的绝缘栅双极晶体管（IGBT）或门关断晶体管（GTO）等全控型器件串联组成，以达到所需要的功率额定值，这些器件开关速度快、频率高，且可以工作在无源逆变方式；每个阀都有方向并联连接的二极管，其是负载向直流侧反馈能量的通道并使负载电流连续换相电容的作用是为换流器提供电压支持、缓冲桥臂关断时的冲击电流和减少直流侧谐波并储存能量以控制潮流。此外，在换

25、流器的一次侧（或换流电抗器）交流母线处还接有高通滤波器以滤除交流侧谐波。VSC-HVDC系统的主要构成部分包括VSC和高压直流电路。目前，对一个12脉冲双极花牛气单元，VSC-HVDC系统的额定功率达到200MW，直流电流超过700A。电压源型换流器的运行机理其工作原理是：工频正弦波控制信号经与三角波载波信号比较产生触发信号，见图2-2图 2-2 由 IGBT 构成的VSC 换流器单相图当 2+被触发导通后，输出电压；当2-被触发导通后，由于2+和2-不同时触发导通，所以只有两种数值。经换流电抗器和滤波器滤除中的高次谐波分量后，交流母线上可得到与 波形相同的工频正弦波电压。其中，决定开关的动作

26、频率， 决定输出电压 的相位和幅值。改变 的相位，即改变 与 的相位关系，可改变有功功率的大小和方向；改变的幅值，即改变与的数值关系，可改变无功功率的大小和极性（感性或容性）。因此，VSC 换流器可单独调节有功功率和无功功率。图 2-3 VSC 波形图有功功率的计算公式为：(2-1)无功功率的计算公式为：(2-2)式中、 分别为VSC 输出电压 和母线电压基频分量的有效值， 为与 的相位差，X 为换流电抗器的电抗。由式（1）可知，当时，VSC从交流系统吸收有功功率而运行于整流器状态；当时，VSC向交流系统送出有功功率而运行于逆变变压器状态。由此可知通过偶那个值与之间的相角即可控制有功的方向和大

27、小（与交流系统中有功功率的控制类似）。由式（2）可知，系统中无功功率的传输方向有（）决定，当时，Q0，VSC发出无功功率，而相当于无功补偿装置；当时，Q0，VSC吸收无功功率。因此，通过控制的模值就可以控制VSC吸收或发出无功功率及其大小。可见，VSC不仅可以提高系统的功率因数，而且还能起到静止同步补偿器的作用，从而稳定交流母线电压。常规控制策略在VSC-HVDC 中，换流站主要有三种控制方式：定直流电压控制，用来控制直流输电电压和输送到交流侧的无功功率；定直流电流（或功率）控制，用来控制直流侧的电流（或功率）和输送到交流侧的无功；定交流电压控制，仅控制交流系统母线电压。其中控制方式、适合用于

28、向有源网络供电，方式适用于向无源网络供电。在VSC-HVDC 中，至少有一端采用定直流电压控制，其他的控制方式则根据实际的要求选择合适的控制策略。2.2 HVDC直流输电系统简介发电厂产生的电是交流电（AC）；大多数输电线路无论是高压、中压还是低压配电网，传输的都是以每秒50或60个周期进行振荡的交流电；而最终到达用户端，即家庭、工厂和办公室的也是交流电。直流电不产生振荡，因此直流输电的电能损失较少。在直流输电系统中，交流电在换流站被转换为直流电，然后通过架空线缆传输至接收点。在接收点，另一个换流站将直流电转换为交流电并接入交流电网。ABB在1954年建成了世界上第一条HVDC输电线路，并承建

29、了全球一半以上的HVDC项目。1997年，ABB建成了首条HVDC Light（轻型高压直流）输电线路。该技术一般采用地下或水下线路输电，它的出现为改善交流电网的供电质量提供了新的可能。基于电压源型换流站技术是轻型直流输电系统广泛采用的换流站技术，其典型的基于电压源型换流站直流输电系统结构如图2-2所示，VSC HVDC两侧换流站采用电压源型换流器，直流侧并联大电容，起到为换流器提供电压支撑、缓冲桥臂关断时冲击电流、减小直流侧谐波的作用。换流器中1GBT上并联反向二极管，除了作为主回路以外，还起到保护和续流的作用。两端换流站均采用VSC结构，由换流站，换流变压器、换流电抗器、直流电容器和交流滤

30、波器等部分组成。 图2-4 典型的电压源型直流输电系统(1)换流站电压源换流器的桥臂由大功率可关断型电力电子器件(如GTO、IGBT、或IGCT和反并联的二极管组成。目前，随着大功率电力电子器件的发展，IGBT的耐受电压已达到6.5kV、通断电流最大达到3kA，而IGCT能承受的断态重复峰值电压达到6kV，最大可控关断电流达3 6kA，这些为大功率电压源型换流器技术的发展奠定了基础。在电压源型直流输电工程中，主要采用三相二电平和三相三电平两种换流器拓扑结构，其结构如图2-5所示。图2-5 电压源型换流器图2-5(a)所示为两电平拓扑结构，是最简单的电压源型换流器结构，包含六个桥臂，每个桥臂由I

31、GBT和与之反向并联的二极管组成。图2-5(b)所示为中点钳位式三电平换流器拓扑结构，适用于高压、大容量功率的输送。由图可知，在三电平换流器中，每一桥臂均由4个阀组成，并通过两个二极管与直流电容的中点电位相连接。与两电平换流器由两个电压水平构成不同，三电平换流器的交流端输出电压由三个电水平构成，因此，与两电平换流器相比，三电平换流器输出交流电压的总谐波畸变率低，输出波形质量好。当然，换流器也有其它更多电平的拓扑结构，但是由于多电平换流器设计复杂，可靠性差，在电压源型直流输电系统中一般不采用。(2)换流变压器图2-4所示的系统采用三相三绕组变压器作为换流变压器。事实上，电压源型直流输电系统既可以

32、采用常规的单相变压器，也可以采用三相变压器。一般来说，与交流系统侧连接的变压器一次绕组采用星形接法，而靠近换流器侧的变压器二次绕组采用三角形接法。如果采用三相三绕组变压器，其二次绕组和三次绕组将分别与两个换流器连接，其中一个为星形接法，另一个为三角形接法，而一次侧仍然为星形接法。换流变压器的主要作用在于将系统交流电压变换到与换流器直流侧电压相匹配的二次侧电压，以确保开关的调制度不至于过小，以减小输出电压和电流的谐波量，进而减小交流滤波装置的容量。(3)换流电抗器换流电抗器是电压源型换流器与交流系统之间传输功率的纽带，决定着换流器的功率输送能力和有功功率与无功功率的控制；同时，换流电抗器能抑制换

33、流器输出的电流和电压中的开关频率谐波量，以获得期望的基波电流和基波电压。另外，换流电抗器还能抑制系统的短路电流。(4)直流侧电容直流侧电容是电压源型换流器直流侧的储能元件，既可以缓冲桥臂开断的冲击电流、减小直流侧的电压谐波，并为受端换流站提供电压支撑。同时直流侧电容的大小还决定了其抑制直流电压波动的能力，也会影响控制器的响应性能。换流电抗和直流侧电容是电压源换流器的两个重要参数，这两个参数的设计影响着换流器的动态特性和静态特性，制约着换流器的输出功率，功率因数以及直流电压。因此必须统一优化设计。(5)交流滤波器由于电压源型直流输电系统采用PWM技术，在较高的开关频率下，VSC交流侧和直流侧都会

34、产生高次谐波，通过改进或优化PWM波形的方法可以提高最低谐波的次数，但不能完全消除高次谐波。实际系统中还需在以下三个位置装设滤波器，如下图所示：图2-6 VSC-HVDC直流输电系统滤波器VSC换流桥与换流变压器之间安装低通滤波器，可采用图2-6(a)所示的低通滤波器(LFP)，它可以滤除VSC产生的高次谐波，以使换流变压器免受这些高次谐波的不良影响。VSC直流侧与直流线路之间安装图2-6(b)所示的单调谐波滤波器，滤除VSC-HVDC在不对称运行时直流侧电压上产生的二次谐波，或者还安装2-6(c)所示的二阶高通滤波器，滤除VSC开关频率及其以上的谐波，安装在直流侧的滤波器可以统称为直流滤波器

35、(DCF)，由于直流侧安装了滤波器，对直流线路或直流电缆抗谐波性能的要求就可降低，可降低VSC-HVDC工程造价。VSC换流变压器与所联交流系统之间安装2-6(b)或2-6(c)所示的滤波器(ACF)，以消除VSC产生的高频谐波所联交流系统的不良影响。 基于电流源换流器的高压直流输电（CSC-HVDC）已经得到了广泛的应用，但它有缺点，例如吸收大量无功，以及容易发生换相失败等，同CSC-HVDC相比，VSC-HVDC可以独立控制有功和无功，无换相失败之弊，同时适合于向较弱的交流系统供电，但VSC-HVDC也有缺点，同CSC-HVDC系统相比较，其直流故障影响较为严重，一般而言，全控器件的过流能

36、力较差，发生直流接地短路故障时，其整流站完全等效为一个二极管桥，电容则被完全短路，这样会造成严重后果，所以VSC- HVDC往往采用背靠背的方式，或者采用埋地直流电缆取代架空线；另一方面，目前VSC HVDC系统损耗比起CSC-HVDC要大，且直流电压要增加额外的控制，所以在应用中，可以考虑为CSC同VSC混合连接的方式进行供电。这里总结出三种方式：(1)整流侧采用CSC，逆变侧采用VSC型这种方式特别适合于逆变侧电压需要得到控制的场合，VSC本身的优点就是换流站输出交流电压能够有效控制，在这种方式下，整流侧直流电压不需要添加额外控制，如图2-7。该方式在工业驱动上获得广泛应用，但是CSC串连

37、的平波电抗器和VSC并联的电容之间容易发生谐振，引起功率振荡。图2-7 整流侧采用CSC，逆变侧采用VSC型系统连接结构(2)CSC与VSC的串连或者并联使用CSC与VSC的串连方式图2-8，逆变侧CSC换相失败故障时容易引起直流过压， CSC本身加载的电流控制环往难于控制直流过压。图2-8 CSC与VSC的串连结构图CSC与VSC的并联方式如图2-9，这是一种较为经济的连接方式，利用了CSC-HVDC传输的高可靠性，在大容量功率传输场合下增加了经济性，同时并联的VSC能够提供类似STATCOM的性能。非常适用于整流侧电压和无功需要控制的场合，如整流侧连接风力发电且输送容量较大时(如超过500

38、MW)，这种情况下如果直接采用VSC-HVDC进行传输成本较高。图 2-9 CSC与VSC的并联结构图(3)CSC与VSC构成双极性混合连接方式CSC与VSC双极性一种较好的方式，因为VSC HVDC提供了交流电压的快速控制，可以减少CSC换相失败的危险，同时也可以给CSC提供无功。且不会有LC谐振的危险。图2-10 CSC与VSC构成双极性混合连接方式实际的有中间电缆传输的两端HVDC Light输电系统的简化物理模型如图2-11，VSC换流器可简化为一比例放大器，换流电抗器L1和L2是VSC与交流侧能量交换的纽带同时也起到滤波的作用，R1和R2为两侧换流电抗器和换流器的等效损耗，直流侧电容

39、器C1和C2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，交流滤波器作用是滤去交流侧谐波；Zs1、Zs2为交流网络的等效阻抗；直流线路用阻抗Rd和感抗Ld等效；AC滤波器等效容抗为Xc1、Xc2。图2-11 两端VSC-HVDC输电系统的简化物理模型由于VSC-HVDC系统的整流和逆变站采用完全相同VSC换流站结构，因此，每个VSC换流站的物理模型均可如图2-11中虚线框内部分表示。2.3 轻型直流输电系统的控制策略研究电压源换流器采用GTO或IGBT等全控型的大功率开关元件，其控制方法与基于半控晶闸管的传统线换向换流器有很大的差异。PWM-VSC换流器在直流电压恒定时，PW

40、M的调制度M决定VSC输出基波电压的幅值，而正弦给定的相位决定VSC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VSC吸收或发出的有功和无功的大小和方向取决于VSC交流输出端基波电压的调制度和相位，因此通过控制PWM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。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既开始传

41、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VSC HVDC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VSC HVDC系统的换流损耗及线路损耗，出现任何差值将会因此系统直流电压的迅速增加或减少。为了实现功率平衡，由其中一个站来控制直流电压，这意味着另一个站可以在系统设定的范围内，任意整定有功功率，而控制电压的那个站可以通过调整其功率信号来保证其平衡(即获得恒定的直流压)。站与站之间可以在没有通讯的情况下实现功率平衡，而只是测量直流电压即可。由于在稳态运行时，变压器损耗电阻和VSC换流损耗可以忽略不计，可以得到:(2-3)(

42、2-4)并且有：(2-5)所以：(2-6)其中为VSC1所联交流系统的有功，为VSC1向交流系统输送的有功，为VSC1直流测功率，为VSC1侧直流电流；为VSC2所联交流系统的有功，为VSC2向交流系统输送的有功，为VSC2直流测功率，为VSC2侧直流电流；由式(2-8)可以看出，若直流电流恒定，则直流电压变化量正比于传输有功的变化量，则定直流电压控制和定有功控制将是等效的；同理，当某端采用定直流电压来控制有功功率时，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，因此另一端可以用定直流电流来控制有功，直流电流的设定值正比于有功的设定值。这样VSC HVDC系统的一端采用定直流电压控制

43、，另一端采用定直流电流控制，可以分别通过实时检测各自控制端直流电压和直流电流，对偏差量进行相应的控制，即可实现两端交流系统之间传输定直流控制端制定的有功功率，不再需要换流站的通讯联络，有利于提高远距离高压直流输电的运行可靠性，也是VSC-HVDC优于传统HVDC的一个方面。当VSC-HVDC系统互联两交流有源网络时，其两端无功的控制，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VSC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VSC-HVDC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VSC与交流系统链接处母线的交流电压幅值来调

44、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VSC-HVDC的一端工作在整流状态，另一端工作在逆变状态，即可将整流侧交流系统的有功经高压直流线路输送到逆变侧的交流系统中。同时，若两端VSC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VSC都不传送无功，只起到调节两端各自无功的作用，则各端VSC仅对所联交流网络起到STATCOM的作用，目的仅在提高所联交流系统的电压质量。VSC-HVDC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，因此只要研究VSC HVDC两端的控制策略。首先通过对VSC输出

45、相电压的基波分量进行分析，确定VSC HVDC的控制量与被控制量，以此为基础从理论上建立VSC HVDC系统的基本控制模式及控制方法。基于以上分析，并结合实际工程经验，目前HVDC Light系统主要采用以下五种控制方式： (1)定直流电压控制控制的基本方法是：利用直流电压变化量去调节VSC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使：利用直流电流的变化量去调节VSC交流输出端电压与所联交流系统电压之间的相位差，以使被控直流电流达到设定值。(3)定有功功率控制控制的基本方法是：利用VSC传送的有功功率的变化量去调节VSC交流输

46、出端电压与所联交流系统电压之间的相位差，以使被控VSC传送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VSC吸收或发送的无功功率的变化量去调节VSC交流输出端电压的幅值，以使被控VSC吸收或传送无功功率达到其设定值。(5)定交流电压控制控制基本方法是：利用VSC所联交流母线电压幅值的变化量去调节VSC交流输出端电压的幅值，以使被控交流母线电压幅值达到其设定值。以上五种控制策略，(1)(2)(3)是通过调节VSC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)(5)是通过调节VSC交流输出端的幅值来实现，且这两种调节是同时进行和相互独立的。因此VSC HVDC控制

47、方案选择的原则是：每端VSC都具有两种基本控制策略，首先有一端必须采用(1)定直流电压控制，另一端则可从(2)、 (3)中任选一种，其次每端VSC再从(4)(5)中任选一种。本文所涉及的仿真主要采用(1)、 (3)、(4)、(5)这四种控制方式。两端直流系统中，换流站可以进行遥控，并可以通过两个站中的任何一个站进行监控，或者从另外一个遥控点通过通讯线进行监控。在正常运行方式中，每个站都不受另一个站的影响而独立地各自控制其无功潮流，但是直流电网的有功潮流必须保持平衡，也就是离开电网的有功潮流必须等于电网所接收的有功功率减去直流系统中的损耗，否则会引起系统直流电压的迅速升高或降低。因此，为了实现功

48、率平衡，两个换流站中必须有一个作为直流电压调节器(DC Voltage Regulator)来调节直流电压，而另一个作为功率调节器(Power dispatcher)用于控制系统中传输的有功功率为定值(这两者都既可以是整流端，也可以是逆变端)。直流电压调节器可以调整其功率信号来保证系统的功率平衡(即获得恒定的直流电压。站与站之间可以在没有通信的情况下实现平衡，而只需测量直流电压即可。同理，在多端直流系统中，至少要有一个换流站作为直流电压调节器，而其它的换流站可以作为功率调节器运行。 第3章 VSC-HVDC数学模型的建立3.1 主电路模型当 VSC-HVDC 联结2 个有源系统时，一侧的换流器

49、要作为电压控制器维持直流电压的稳定；另一侧的换流器作为功率控制器调节2个有源系统之间功率的传送，原理图如3-1：图 3-1 VSC-HVDC的基本结构图(3-1)(3-2)对VSC1 有：(3-3)进行dq变换：(3-4)其中由两边求导可得：(3-5)(1)若P为等功率坐标变换矩阵：可得（5）式代入（4）中：即 (3-6)和和直流电压间存在如下关系： (3-7)整流器从交流侧系数的功率： (3-8)注（8）式的推导：与q轴夹角为，与夹角为 由此可得 化简得 由 可得 忽略换流器和变压器的损耗，VSC1从交流系统吸收的有功与VSC1输出的直流功率相等，即：（3-9）参照图3-1中电流方向，在VS

50、C1直流侧有如下电流方程： （3-10）将（3-8）、（3-9）式代入（3-10）式中得：（3-11）（5）、（10）联立便得到VSC1的数学模型：（3-12）经Laplace变换得:同理，可以得到逆变器VSC2的方程：KVL：Park变换（“等功率”）：KCL：代入KCL方程中得：由此可得逆变器VSC2的数学模型：经Laplace变换得：3.2 控制电路模型1、连接有源系统时的控制策略VSC1作为功率控制其，VSC2作为电压控制器。有两种dq坐标系定位方式：（1）所联交流系统母线电压基波相量与q轴相同，（2）所联交流系统母线电压基波相量与d轴相同，按第一种方式定位：与q轴相同，式（3-8）可

51、化简为 以VSC1为例PI1:有功偏差通过PI1环节控制，产生q轴参考电流值；:d轴电流参考值由无功参考值给定，因此PI2、PI3：将式（11）进行拉式变换，可得： （3-13）此处 令 （3-14） 则：忽略谐波分量时，换流器输出电压基波分量与直流电压之间，关系式为： （i=1、2）锁相环的作用：保证dq系统与abc系统同步（根据交流系统角频率w，以及交流电压的相位，产生一个同步信号，当它与交流系统同步时，坐标系统被锁定，并与abc三相保持同步）按第二种定位方式：与d轴同相，则（3-8）式可化简为 因此功率控制器设计要改为：PI2、PI3：（13）式与前同，而此处，令 则电压控制器和PLL锁

52、相环与前相同若以VSC1为电压控制器，VSC2为功率控制器，则:功率控制器： （ ，）PI2、PI3：将（3-12）式进行那个拉氏变换： 则 其中 电压控制器 VSC1: 为控制目标PI2参数：如前，且PI3参数：如前，且参数： 则 则 第4章 仿真模拟及分析4.1 VSC-HVDC控制器的设计对于一个VSC-HVDC系统来说，首先必须保证一端的直流电压保持恒定，因此必须有一端采用定直流电压控制，另一端采用定功率控制还是定交流电压控制取决于所联交流系统是有源网络还还是无源网络。本文研究了两端均为有源交流网络的VSC-HVDC系统,因此另一端采用定功率控制。下面给出VSC-HVDC联结两个有源系

53、统时的仿真模型，如图 4-1 所示，其中整流侧VSC1 采用定直流电压控制，逆变侧VSC2 采用定有功功率控制。图 4-1 联结两个有源系统时的仿真模型对于一个VSC-HVDC 系统来说首先必须保证其整流侧和逆变侧有功功率平衡，因为当系统有功功率不平衡时会引起直流电压和直流电流的波动，影响系统的稳定性。无功功率的变化对交流系统的电压有很大的影响，当VSC中无功功率的整定值大于交流系统所能提供的无功功率值时，交流电压就会抬高。图 4-2 给出了VSC1 的数学模型在MATLAB/ Simulink 中的具体形式。图 4-2 VSC1的数学模型主电路参数： 图4-2为VSC1的控制器数学模型在MA

54、TLAB/ Simulink 中的具体形式。在本文中VSC1采用电压控制器。图4-2 VSC1电压控制器VSC1控制电路的参数（直流电压，无功） PI1（PI-U）： =1.5 10 PI2,PI3(PI-d, PI-q): =0.1 5.5 图 4-4 给出了VSC2的数学模型在MATLAB/ Simulink 中的具体形式。图 4-4 VSC2的数学模型主电路参数： 图4-5为VSC2的控制器数学模型在MATLAB/ Simulink 中的具体形式。在本文中VSC2采用功率控制器。图 4-5 VSC2 功率控制器VSC2控制电路的参数（有功 无功） PI1（PI-P）： =0.11 1.1

55、 PI2, PI3(PI-d, PI-q): =0.1 0.55 4.2 仿真结果与分析图4-1 分别为的 的仿真波形图4-2 分别为和的仿真波形图4-3 分别为I1d和I2d的仿真波形图4-4 分别为I1q和I2q的仿真波形图4-5 分别为Q1和Q2的仿真波形由上述波形图可知，当VSC1的电压在0.4s从22kv上升到26kv时VSC2的电压也跟随变化，虽然有波动，但是基本保持不变，基本没变。I1、I2、Q1、Q2同样没有太大的变化。图4-6 分别为Udc1和Udc2的仿真波形图4-7 分别为和的仿真波形图4-8 分别为I1d和I2d的仿真波形图4-9 分别为I1q和I2q的仿真波形图4-10 分别为Q1和Q2的仿真波形由上述波形图可知，当在1.2s由-12MW上升到-10MW时也跟随变化，Udc1、Udc2