新型高压直流输电系统仿真研究课件

1、 新型高压直流输电系统仿真研究新型高压直流输电系统仿真研究摘要新型高压直流输电系统是以电压源换流器(VSC) 为基础在新型高压直流输电的拓扑模型中灵活转变。新型高压直流输电系统与传统高压直流输电系统相比较来说有很多优势，比如：输送容量大、送电距离远、输电线路造价低、能量损耗小和控制方式灵活快速。使其在这个行业中发展迅猛,对电网互联的跨区域发挥了主要作用，所以新型高压直流输电系统稳定和安全的运行对于工业生产和社会生活有着重要的影响意义。而在新型高压直流输电系统中，本文主要研究柔性直流输电系统即VSC-HVDC。高压直流输电系统的控制方式是保持高压直流输电系统稳定性的主要方式,换流器触发控制和分接

2、头控制是高压直流输电控制系统的核心内容,它通过控制高压直流输电系统中主要组成部分的换流设备来保证高压直流输电系统的正常运行及其故障后恢复的迅速性,所以对于换流器触发控制和分接头控制进行研究对保证高压直流输电系统的稳定又安全的运行有着主要意义。本文基于交直流电网仿真系统与仿真平台建立新型高压直流输电一次系统仿真模型,基于一次系统仿真模型和高压直流输电基本控制原理,在分析新型高压直流输电控制系统基础上建立控制系统仿真模型建立了能够反映VSC-HVDC内部特性和物理过程的数学模型。该模型中计及了换流变压器的不同变比及三相电网电压的不平衡,具有一般性。仿真结果表明该模型在具有很高准确度的同时,还能显著

3、缩短仿真时间,提高仿真效率。关键词：高压直流输电；电压源换流器；控制系统；仿真New type of high-voltage direct current transmission system simulation ABSTRACT New high-voltage direct current transmission is based on voltage source converter (VSC) is a new type of high voltage direct current transmission (VSC - HVDC) the topological struct

4、ure of complex changes. High-voltage direct current transmission system, with its large conveying capacity, transmission distance, transmission line low cost, low energy consumption advantages of fast and flexible control mode in the rapid development in the world, is the main mode for inter-distric

5、t grid interconnection, So the high-voltage direct current transmission system stability and safety of operation for industrial production and social life has the very vital significance. High-voltage direct current transmission control system is to keep the important means of high-voltage direct cu

6、rrent transmission system and stable operation, The inverter control of converter transformer tap in and control is the core part of high-voltage direct current transmission control system, Through the control of the high-voltage direct current transmission system converter equipment to ensure the n

7、ormal operation of the high-voltage direct current transmission system and the back quickly after the failure, So for the inverter control and converter transformer tap control study to guarantee stable and reliable running of high-voltage direct current transmission system plays an important role.T

8、his article is based on AC/DC power grid simulation system and simulation platform to build the new high voltage direct current transmission system simulation model, Based on a system simulation model and the basic control principle of high-voltage direct current transmission，Based on the analysis o

9、f new type high voltage direct current transmission control system based on control system simulation model is established to reflect the internal characteristics of VSC-HVDC mathematical model and physical process. The model and gets the converter transformer of different variable ratio and three-p

10、hase power grid voltage imbalance, with general. The simulation results show that the model can be used in high accuracy at the same time, also can significantly reduce the simulation time, improve the efficiency of simulation.Keywords: High-voltage direct current transmission; Voltage source invert

11、er. Control system; The simulation目 录1 绪论11.1本课题的目的及意义11.2 新型高压直流输电系统的研究现状及发展概况21.2.1 VSC-HVDC研究现状21.2.2 VSC-HVDC发展概况21.3本文主要研究内容32 新型高压直流输电系统52.1 新型高压直流输电系统工作原理52.2 新型高压直流输电系统基本结构及特点62.2.1 新型高压直流输电系统的基本结构62.2.2 新型高压直流输电系统的基本特点72.3新型高压直流输电系统的控制72.3.1新型高压直流输电控制原理72.3.2新型高压直流输电控制分层结构92.3.4 PWM 基本原理介绍1

12、23 新型高压直流输电系统控制策略143.1概述143.2 VSC-HVDC系统控制策略153.2.1有功功率控制153.2.2直流电压控制163.2.3无功功率控制173.2.4交流电压控制193.2.5最终控制策略选择194 电压源换流器各控制器设计204.1 电压源换流器控制结构204.2 锁相环（ PLL）214.3 外环控制224.4 内环电流控制器245 VSC-HVDC的MATLAB仿真及结果分析265.1仿真工具的介绍265.2 VSC-HVDC稳态情况仿真265.3 VSC-HVDC 有功、无功和直流电压的阶跃响应情况仿真285.4 VSC-HVDC 三相接地故障情况仿真30

13、5.5 VSC-HVDC 仿真结果分析326 总结34参考文献35致 谢37 新型高压直流输电系统仿真研究1 绪论1.1本课题的目的及意义在现代控制技术和电力电子积极发展的基础下，以电压源换流器(VSC)和全控型开关器件为基础的新型高压直流输电即柔性直流输电(VSC-HVDC)的技术已经得以实现。当前VSC-HVDC的最大输送容量已经达到350MW，因为已经有了大容量全控型开关器件的研发运用，其输送容量还会有一定程度的增加。高压直流输电系统在我国电力系统中的发展产生了积极的影响,而高压直流输电控制系统能很好地保证系统输送功率的稳定性,还能使交直流输电系统的运行性得到提高，并能让交直流转换设备安

14、全既有效地运行,这也是高压直流输电系统的关键内容。新型直流输电系统试验平台是针对湖南省“十五”重大科技专项“高压直流输电新型换流变压器研制”的研究方向而设计的。新型直流输电系统试验平台的整流侧与逆变侧都采用了传统的PI控制器。这种控制器结构简单、易实现、技术成熟，但存在某些主要漏洞：被控对象的频率特性是设计控制系统的主要基础，整个系统的性能指标也是通过引入控制器来整定开环系统频率特性的方法来实现的。这就使控制器在传统控制理论设计上，很大程度的必须以现场调试为基础，才能使控制性能得到满意状态。高压直流输电系统是一个典型的非线性大系统，在大扰动的影响下交直流系统间的相互性非常复杂，但随着系统工作点

15、的移动，PI控制器的参数要重新调节。高压直流输电也因为其所具有的一系列优点在我国跨区互联电网中发挥着越来越关键的角色，成为跨区电网输电的新模式，它的安全运行对于保证我国经济的发展具有极大深远而积极的作用。为了确切的研究高压直流输电系统的运行过程,就必须采用与实际控制系统一致的控制系统仿真模型,对控制系统的性能实施确切的研究来改善高压直流输电系统的运行性能并提高控制系统的安全运行。本文还介绍了VSC-HVDC控制方式，因此运用了专业电力系统仿真软件针对实际新型高压直流输电控制系统建立了仿真模型，这一步是新型高压直流输电研究的核心内容。与交流输电的区别是,直流输电技术起步较晚,目前与新型高压直流输

16、电控制系统相关的仿真建模研究工作比较少,所搭建的控制系统仿真模型与实际控制系统有一定不同,不适用进行控制系统的性能研究和改善。所以,面对实际地新型高压直流输电系统的控制方式进行研究并建立与实际控制系统一致的控制系统仿真模型非常关键,对增加新型高压直流输电系统的稳定，改善直流输电控制系统的性能都具有积极影响。1.2 新型高压直流输电系统的研究现状及发展概况1.2.1 VSC-HVDC研究现状VSC-HVDC 的研究现状 由于VSC-HVDC中VSC的自换相特性带来的相比传统HVDC的诸多优点，使它被看 好成为传统HVDC的理想替代品。ABB、SIEMENS等公司都将该技术纳入了重点研究计 划。近

17、年来国内外学者主要对VSC-HVDC的数学模型、运行特性、控制策略和保护等进 行了一些探讨。国内VSC-HVDC技术研究比国外晚，但是本课题研究已日趋成为一个热点。目前我国几大重点高等学校和科研机构进行相关的研究。VSC-HVDC所具有的优越性能吸引人 们对它进行了很多研究工作。尽管有多个VSC-HVDC已经投入商业运行，但由于 VSC-HVDC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性及相关的保护控制策略尤为引入关注。由于我国缺乏相应 的工程试验，从而进行VSC-HVDC系统的试验研究也是必要的。1.2.2 VSC-HVDC发展概况由于VSC-

18、HVDC系统具有输电线路造价低、线路损耗少、可快速改变功率输送方向及易于实现不同频率交流系统互联等特点,新型高压直流输电主要用于远距离大容量输电、跨地区电网互联、海底电缆输电、为高用电密度城市供电以及为新能源开发提供配套技术等领域。同时新型高压直流输电控制系统的调节灵活快速,可以改善交流输电系统的运行性能,提高交直流互联系统的稳定性。目前世界上在建和投运的直流输电工程已经近百项,主要集中在北美、西欧等经济发达地区。随着高压直流输电在远距离、大功率输电方面的高输电效率与经济优势越来越明显,其它国家也正在建设或计划新建大批高压直流输电工程,目前巴西伊泰普直流输电工程的直流电压等级最高,南非英加-沙

19、巴直流输电工程的直流输电距离最长。同时,光纤、计算机技术等学科的发展,进一步推动高压直流输电技术的发展,将光纤与计算机技术应用于高压直流输电控制系统使控制系统的调节更加精准完善,将高温超导材料应用于输电电缆使远距离输电的线路建设费用大幅降低。随着直流输电设备的改进以及直流输电技术的不断完善,高压直流输电的应用将更加广泛阵。我国能源产地与电力需求地区分布极度不平衡,西电东送及南北互联成为我国电力能源配置的重要方式,因此适于远距离、大容量及非同步联网的高压直流输电系统在我国迅速发展。目前国内在建和投运的高压直流输电工程己经达到十几项,如表一所示。我国还在计划新建更多高电压等级的高压直流输电工程以满

20、足国内电力需求的迅速增长。因此,新型高压直流输电在我国的经济发展过程中发挥着越来越重要的作用。近年来, VSC-HVDC在世界范围内得到了广泛的使用, 其应用方向主要有两个: 远距离大容量地传输功率和大电网间的非同步联网。但是高压直流输电技术本身也存在着缺点, 即它的换相方式是传统的电网换相, 所用电力电子器件是半控型的晶闸管, 在接入弱系统即短路比 SCR 比较低的时候(一般认为小于2.5) , 有可能发生换相失败问题, 导致直流系统的非正常运行, 当然更不能向无源网络供电。此外, 由于自身结构的问题, 在运行过程中, 高压直流输电系统要向交流电网吸收大量的无功功率, 同时向交流电网注入大量

21、的谐波, 这些不但影响了整个系统的性能, 而且加大了整个投资。现在开展了许多研究以解决这些问题, 最根本的解决方案是利用可关断电力电子器件作为直流输电的换流阀,用自换相方式替代电网换相方式, 这种直流输电方式称之为新型高压直流输电。VSC-HVDC是由两个对称的电压源型换流器 VSC 通过直流线路及其电容连接而成的,对它进行准确而有效的建模具有很重要的意义。1.3本文主要研究内容新型高压直流输电系统是快速高度控制的，直流系统工作的正常与否取决于控制器的性能。在新型高压直流输电系统中，其控制系统一般包括有基本控制和附加控制。电力系统是一个开放、复杂的系统，它具有结构上多层，空间上高维及运动方式上

22、层间交互作用的特点。随着系统运行方式和运行点的改变，同一系统的参数也会发生变化；此外电力系统中还含有大量未建模动态部分。因此，无论是理论研究还是实际的运行控制，都难以用到十分精确的模型。本文侧重于研究采用了新型换流变压器的新型高压直流输电系统的控制性能及运行特性。进行控制系统的设计，首先介绍VSC-HVDC的研究背景、工作原理； 然后分析电压源换流器的稳态功率特性，并建立VSC-HVDC稳态模型；再确立VSC-HVDC控制策略；最后利用MATLAB建立仿真模型并分析仿真结果，验证所建立仿真模型和控制策略的正确性和合理性。2 新型高压直流输电系统新型高压直流输电系统将传统的高压直流输电技术拓展到

23、了配电领域，从而使直流输电技术可应用于输、配电整个领域。新型高压直流输电系统对将来的输配电技术会有重要的影响。对保证电力系统的安全稳定运行具有着重要及深远的意义。2.1 新型高压直流输电系统工作原理新型高压直流输电系统是由变压器和通过直流电容器以及直流线路耦合在一起的两个电压源换流器(VSC1和VSC2) 组合而成的， 两个电压源换流器均通过变压器并联接入两个系统(即可以是交流电网，还可以是风力发电机等电源，甚至其中一个可以是纯粹的无源负载)。其三相电路见图2.1。直流侧的并联电容器为VSC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；换流变压器为VSC的运行提供换能电抗，是VSC与

24、交流侧能量交换的纽带同时也起到隔离和滤波的作用。图2.1 新型高压直流输电系统的三相电路图为了分析新型高压直流输电系统的稳态工作特性，以左端为例，设左端有源交流网络母线基波相量US1幅值为US1，VSC 交流侧电压基波UC1幅值为UC1，US1与UC1间相角差为1，换流变压器电抗值为X1=L1，若忽略换流变压器损耗则 VSC 从左端有源交流网络吸收的有功功率及无功功率满足： (2.1) (2.2)若UC1相位滞后US1，则VSC工作在整流状态，从左端网络吸收有功功率；若UC1相位超前US1，则VSC工作在逆变状态，向左端网络注入有功功率。由式(2.1)、(2.2)可知，PS1的变化主要受1变化

25、的影响，而QS1的变化主要受UC1变化的影响，两者耦合很弱。因此可用1来控制PS1，而用UC1来控制QS1。在新型高压直流输电系统正常运行过程中，必须对直流侧电压进行控制，使其恒定。若直流线路电流恒定，直流侧电压变化量将正比于有功功率的不平衡量，则定直流电压控制和定有功功率控制将是等效的。所以新型高压直流输电系统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VSC通过分别检测各侧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功率量，这有利于远距离高压直流输电系统的可靠运行。对于两端无功功率的调整量，可根据各端

26、交流有源网络对各自无功功率的需求，分别由各端VSC独立进行控制。基于电压源换流器(VSC)的新型高压直流输电(VSC-HVDC-voltage Source Converter based HVDC)是在VSC和绝缘栅双极晶体管基础上开发出来的一项新型输电技术，它将高压直流输电的经济容量范围扩展到只有数MW的程度。由于VSC-HVDC是一个崭新的研究领域，目前对VSC-HVDC的研究主要集中在其稳态建模及相关控制器的设计上。建立一种能够揭示VSC-HVDC内部特性和物理过程的模型和仿真方法对促进VSC-HVDC的研究有着积极意义。2.2 新型高压直流输电系统基本结构及特点2.2.1 新型高压直

27、流输电系统的基本结构新型高压直流输电系统的主要组成部分有换流器（整流、逆变）、换流变压器、滤波器、控制与保护装置等。图2.2 新型直流输电系统基本结构图中送电端交流系统和受电端交流系统通过直流输电系统联系。交流系统是提供换流器工作中必需的交流电源，该电源不仅是复杂的交流系统也是同步发电机。整流器与逆变器都称为换流站，并在换流站内设有整流器或逆变器。换流器的作用是实现交流电能和直流电能间的转换，是直流输电系统的核心设备。新型高压直流输电系统通过触发脉冲来控制换流器中换流阀的通断，从而实现系统的正常工作。2.2.2 新型高压直流输电系统的基本特点随着电力系统越来越多的需求及现代电力技术日益发展,新

28、型高压直流输电系统(VSC-HVDC)因其特有的输电优点得到了广大运用，与传统直流输电系统相比其具有以下特点：（1）输电线路造价低、电能损耗小。VSC-HVDC采用正负两极导线,当大地或海水作为负极时仅需要单根导线,并且新型高压直流输电线路走廊窄,所以在输送相同功率的直流输电可节约很多线路费用。由于电缆的直流工作电压较高，并且直流输电线路的对地电容不存在,所以通过相同电缆输送的容量较大,电损耗减小。（2）快速可控。使用交流系统即直流线路互联发生故障后,高压直流输电控制系统未来防止过大的故障电流进入故障侧通过加速转化功率来输送方向,则不需更换断路器等设备,并且要达到更容易实现直流输电系统的加速调

29、控，要使直流线路电流调节更容易、短路电流更小。 （3）实现非同步联网。实现电网互联采用交流输电系统时,交流系统中的所有同步发电机未来保持系统的稳定性必须同步运行,所以对电网的同步运行要求很高,增加了电网互联性设计难度与建设费用。直流输电系统通过换流设备将位于两侧的交流系统隔离开,因此交流系统之间不需要同步运行,可实现电网的非同步互联。2.3新型高压直流输电系统的控制2.3.1新型高压直流输电控制原理为便于分析高压直流输电系统的控制原理,根据直流输电原理做出高压直流输电系统等效电路,如图2.2所示,等效电路包括整流器、直流输电线路和逆变器三部分,整流器将交流电流转换为直流电流Id, Id与通过直

30、流输电线路送至逆变器转换为交流电。为便于后续研究,以N点为界将高压直流输电等效电路分为两部分,N点左侧为整流侧,N点右侧包括输电线路和逆变器简称逆变侧。根据基尔霍夫定律分析等效电路可知：图2.3 新型高压直流输电系统等效电路直流电流Id:(2.3)整流侧伏安特性：(2.4)逆变侧伏安特性：(2.5)其中，Udor和Udoi与交流系统电势相关： (2.6)式中，Udor整流侧换流变压器阀侧空载电压，Udoi逆变侧换流变压器阀侧空载电压，Udr整流器直流电压，Udi逆变器直流电压，整流侧触发角，逆变侧超前触发角，dxr整流器换相电抗，dxi逆变器换相电抗，R1直流输电线路等值电阻，Er整流侧交流系

31、统电势，Ei逆变侧交流系统电势。在公式2.3中，dxr、dxi和R1为恒定值，因此直流电压、直流电流的大小仅与、Er和Ei有关。因此，高压直流输电控制系统主要通过调节换流器触发角以及整流侧和逆变侧交流系统电势来控制高压直流输电系统的直流电压及电流。2.3.2新型高压直流输电控制分层结构新型高压直流输电控制系统根据功能、优先级等原则将所有控制环节划分为不同的等级层次。采用分层结构利于对复杂的高压直流输电控制系统进行分析、提升运行系统维护和操作的灵活性并降低了单个控制环节发生故障对系统其它环节的影响,增强系统运行的稳定性和安全性。图2.3 新型高压直流输电控制系统分层结构第一层为主控制级，也称为双

32、极控制级。通常包含3个模块，分别是接受调度中心发来的输送功率指令的模块、功率调制和快速功率变化控制的模块和计算直流电流指令值的模块，即期望的直流电流值。电流控制的期望值从这个模块被传送到第二层次的控制系统，即极控制级。可以看出主控制级的主要控制功能是接受来自调度中心的直流输送功率指令，经过控制运算以后发送一个直流电流指令给极控制级。第二层为极控制级，也是将重点讨论的一个控制级。直流输电极控制级中各控制器的目标是使直流输电系统按照某种特定的特性曲线来运行，称之为稳态运行曲线。在直流输电的极控制级中，整流侧通常配备有带min限制的定电流控制器；逆变侧通常配备有定电流控制器和定0角控制器，另外还配有

33、电流偏差控制器（Current Error Controller,CEC）。在定电流控制器中，电流的整定值来自于低电压限电流指令环节（Voltage Dependent Current Order Limiter, VDCOL，简称为低压限流环节）的输出再加上电流调制控制器的输出。极控制级的主要控制功能是经过控制运算以后发送一个触发角指令给第三层次阀组控制级的各个阀组控制单元。第三层为阀控制级。阀控制级主要有两个功能：获取触发脉冲的同步信号和产生满足要求的触发脉冲序列以触发晶闸管阀。触发脉冲的同步信号应严格与换流站交流母线电压频率保持确定的倍数关系，以满足在系统发生严重故障以致换流站交流母线电

34、压大幅度跌落时仍能正常工作的要求。直流输电的阀组控制主要涉及系统硬件电路的设计。高压直流输电系统控制作用于换流站,换流站通过双极控制环节控制正负两个换流极,每个换流极通过极控制实现正常运行。极控制包括换流器控制及单独控制,换流器控制环节控制换流阀的运行状态实现交直流转换,换流阀控制与单独控制作用于被控对象,如晶闸管、换流变压器等设备。各层的控制作用采用单向传递方式,高层次等级控制低层次等级。系统控制级是高压直流输电控制系统的最高层次等级,其主要功能为通过通信系统上传直流输电系统运行参数并接收电力系统调度中心运行指令,根据额定功率指令对各直流回路的功率进行调整和分配以保持系统运行在额定功率范围内

35、,实现潮流反转控制以及功率调制、电流调制、频率控制、阻尼控制等控制方式,当出现故障或特殊情况时还可以进行紧急功率支援控制。换流器控制级的主要功能是控制换流器的触发以保持系统正常运行,并根据实际运行要求实现定电流控制、定电压控制等控制方式。换流器是高压直流输电系统实现交直流转换的重要设备,换流器触发控制通过调整换流器触发角控制高压直流输电交直流转换过程并保证高压直流输电系统输出预期的功率或直流电压,对高压直流输电系统的安全稳定运行具有重要作用。因此换流器触发控制是换流器控制级的核心部分,是高压直流输电控制系统的重要研究内容。单独控制级的主要功能是控制换流变压器分接头档位切换以调节换流变压器输出电

36、压,并监测和控制换流单元冷却系统、辅助系统、交直流开关场断路器、滤波器组等设备的投切状态。单独控制级的核心部分是换流变压器分接头控制,换流变压器分接头控制通过调整换流变压器的换流阀侧简称阀侧电压保持高压直流输电系统换流器触发角或直流电压的稳定,提高高压直流输电系统的运行效率。由于换流变压器在高压直流输电系统中起到隔离交直流系统的作用,并对高压直流输电统的稳定运行具有重要作用。因此,换流变压器分接头控制是高压直流输电控制系统的重要研究内容。根据上述高压直流输电控制系统分层结构的分析可知,换流器触发控制与换流变压器分接头控制是高压直流输电控制系统的核心组成,对高压直流输电系统的稳定运行具有关键性作

37、用。因此,针对换流器触发控制与换流变压器分接头控制进行仿真建模是高压直流输电控制系统的重要研究内容。2.3.3新型高压直流输电基本控制方式基于高压直流输电控制系统分层结构及控制原理分析可知,换流器触发控制与换流变压器分接头控制是高压直流输电系统的主要控制方式,换流器触发控制通过调节换流器触发角控制换流器的运行状态,换流变压器分接头控制通过调节换变压器分接头位置控制整流侧与逆变侧交流系统电势,保证高压直流输电系统的稳定运行。（1）换流器触发控制由上述直流输电控制基本原理分析可知,换流器触发角是高压直流输电控制系统的重要控制量。控制系统通过分别调节整流侧和逆变侧换流器触发角和刀实现对直流电压及直流

38、电流的控制作用。换流器触发控制方式响应速度很快,调节时间一般为14ms,并且调节范围较大,是高压直流输电系统的主要控制方式。当高压直流输电系统因扰动或故障引起电压电流快速变化时,换流器触发控制发挥快速调节作用使系统恢复正常,当出现特殊情况时换流器触发控制可以提前将触发角置于预定值以保证系统运行的安全可罪。（2）换流变压器控制整流侧和逆变侧交流系统电势是高压直流输电控制系统的另一重要控制量,高压直流输电控制系统通过分别调节整流侧和逆变侧换流变压器分接头位置来调节整流侧和逆变侧交流系统电势Er和Ei的值,实现对高压直流输电系统换流器触发角或直流电压的控制。换流变压器分接头控制方式响应速度比较缓慢,

39、通常分接头位置调节一次时间为310s,并且由于变压器的分接头位置以及变压器设备本身的容量等限制使得换流变压器分接头控制的调节范围较小,是直流输电系统的辅助控制方式。当系统发生快速的暂态变化时由换流器触发控制作用,换流变压器分接头调节不参与调节过程当系统电压发生较长时间的缓慢变化或由于换流器触发控制调节导致触发角长时间超出额定范围时,换流变压器分接头控制发挥调节作用使系统逐渐恢复正常运行状态。换流器触发控制与换流变压器分接头控制相互配合,保证高压直流输电系统稳定运行及发生故障时控制系统的快速调节作用,改善并提高高压直流输电系统的运行性能及效率。2.3.4 PWM 基本原理介绍PWM技术就是控制半

40、导体开关元件的通断时间比(占空比)，来实现控制输出电压的一种技术。由于它可以有效地进行谐波抑制，而且动态响应好，在频率、功率诸方面有着明显的优势，因而在电力电子换流器和逆变器中广泛应用，其技术也日渐完善。所以 在VSC开关元件IGBT的触发控制中优先选用PWM。 按照PWM的控制方法，可以分为两种基本概念：电流控制型PWM和电压控制型 PWM，前者适用于中小功率范围内的换流器，而后者适合大功率换流器。VSC-HVDC 系统两端的VSC换流器的功率都在兆瓦级以上，大多采用电压控制的PWM。电压控制型PWM。常用的有以下三种：正弦脉宽调制(SPWM)、空间矢量脉宽调制(SVPWM)和基于某种性能准

41、则的优化脉宽调制。按照PWM的实现方法可分为空间矢量PWM(SVPWM)和三角载波比较PWM。其中：三角载波比较PWM根据其所采用的调制函数又可分为连续PWM(CPWM)和不连续 PWM(DPWM)。传统的高频三角波与调制波比较生成PWM信号的方法实现简单特别适合模拟电路实现。正弦基波的频率就是逆变器输出电压的频率，而三角载波的频率受开关元件频率的限制。开关频率越高载波比N越大，意味着输出电压越接近正弦波，谐波分量就越小，所以，一般Nl。但N值越大意味着载波频率fc越高，在一个开关周期的开关次数就越多，元件开关损耗相应增大。所以载波比的选择需要同时考虑输出谐波和开关损耗两方面的因素。一般将正弦

42、调制波的幅值Usm与三角载波的幅值Ucm之比定义为调制度M(办称调制比或调制系数(modulation index)，即： (2.7)而将三角载波频率fc与正弦调制信号的频率f之比定义为载波比N，即： (2.8)改变正弦调制电压的幅值使幅值比改变时，就会使各脉冲的宽度(脉宽)发生相应的 变化，特别是当正弦调制电压峰值接近三角波峰值时(正常调制不应超过三角波的峰值)，在三角波峰值附近的脉冲关断时间会很短，导致关断速度较慢的元件来不及关断，从而 使相邻输出电压脉冲相连，所以调制度M1。SPWM是应用最广的脉宽调制方法，它以所期望的换流器输出币弦波信号为调制波信号与三角载波信号进行比较，其交点时刻决

43、定电力半导体开关元件的开通和关断时刻，对换流器输出的电压或电流进行跟踪控制(如图3.1)。根据三角载波对正弦调制波 采样方式的不同，SPWM可分为自然采样SPWM和规则采样SPWM，前者最适用于模控电路而后者适用于数控电路。图2.4 三角载波PWM的“a”相调制波和开关信号3 新型高压直流输电系统控制策略3.1概述 VSC-HVDC系统两端的电压源换流站采用合理的控制策略可以实现两个交流网络的同步或非同步互联，实现有功功率的双向传输，且能对互联的交流网络给予一定的无功支持，同时还能向无源交流网络供电。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、有功和无功等关键物理量之间的

44、数学关系，然后在此基础上，根据VSC-HVDC所要完成的功能(如系统互联、无功补偿或向无源网络供电等)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。VSC-HVDC系统与互联的交流系统之问的相互作用主要体现在稳态物理量之间的 关系，因此需要研究VSC-HVDC系统各物理量之间的稳态约束关系及数学模型来制定 VSC-HVDC两端的控制策略。首先通过对电压源换流器输出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。VSC-HVDC系统在运行时必须保持直流侧电压Ud恒定，当Ud恒定时通过推导可

45、求得电压源换流器交流侧基波相电压Ua (a相电压)的傅立叶级数表达式：(3.1)其中： (3.2)调制度： (3.3)A为正弦调制波峰值， Ac为三角载波峰值。为三相电压正弦参考信号的相位；为PWM的载波比，r为参考调制波的角频率，c为三角载波的角频率，这里N为3的整数倍。由式(3-1)可得Ua的基波分量Ua（1）表达式为：(3.4)式(3.4)是电压源换流器稳态运行时交流侧相电压的基波特性，从式中可看出通过调节调制度M就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即能调节电压源换流器输出电压的相位，且幅值的改变和相位的改变互不影响，各自独立。因此VSC-HVDC稳态运行的

46、输出电压基波分量的幅值和相角能实现分别独立控制。以上 VSC-HVDC控制理论的基础，有关控制模式和控制策略的研究都是以此为先决条件而展开的。3.2 VSC-HVDC系统控制策略VSC-HVDC系统控制方式主要分为两种：（1）有功功率类控制，主要功能是通过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，如直流电压、直流电流和交流系统频率。主要包括有功功率控制、直流电压控制、频率控制。（2）无功功率类控制，主要功能是通过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。主要包括无功功率控制、交流电压控制。不过，需要注意的是，换流站不能同时选取两个

47、有功功率类或无功功率类得控制量，而只能在两类控制量中选择其一。 3.2.1有功功率控制 图3.1表示不叠加调节信号时的有功功率简化控制框图，换流站直接接收上级信号作为参考值，并发出相应的有功功率。图3.2表示有功功率控制模块接收有功功率调度指令（Pset）和用于实现抑制低频振荡或紧急功率支援等其他目的的有功功率调节信号（Pm），它们经过有功指令调节环节生成有功功率的参考信号（Pref）。图3.1 有功功率简化控制框图图3.2 加入有功功率调节信号的简化控制框图有功功率调度指令决定了VSC-HVDC系统的稳态运行点，它的设定主要的依据为以下的一个或者几个方面：（1）当地电网各种运行方式。（2）电

48、网之间的电力交易合同。（3）电网自动调度系统。（4）在风电场并网或孤岛供电等场合，根据频率变化调整有功功率输出。（5）保证换流站工作于感性和容性最大补偿范围之内。系统级得有功功率控制环节时间常数较大，一般为十几分钟甚至更长。因此在自动调度系统中Pset的计算通常采用稳态或准稳态模型。有功功率调节信号Pm对VSC-HVDC系统的稳态运行点影响相对较小，但VSC-HVDC系统的动态特性有较大影响。如前文所述，加入Pm是因为：（1）通过加入Pm使VSC-HVDC系统能够阻尼系统振荡，提高交流系统的静态稳定性（2）提供紧急功率支援，保证交流系统在受到大扰动之后能够保持稳定。因此， Pm的计算需要计及V

49、SC-HVDC系统及其所连接的交流系统的动态过程， Pm控制环节的时间常数远小于Pset控制环节的时间常数，一般对应对交流系统低频振荡、次同步振荡的频率，大约在零点几秒到几秒的范围。通常会有一个或者多个控制器来输出Pm来分别完成提高交流系统静态稳定性、暂态稳定性等任务。3.2.2直流电压控制在VSC-HVDC系统中，必需有一端采用直流电压控制，用以平衡直流系统中传输的功率。系统级的直流电压控制器的主要任务是接受上级直流电压指令值（Udcset），当不叠加调节型号时，简化控制框图如图3.3所示。考虑调节信号时如图3.4，通过直流电压调节环节，根据系统运行状态生成直流电压参考值（Udcref）。图

50、3.3 直流电压控制简化控制框图图3.4 考虑调节信号时的简化控制框图Udcset的设定值通常为VSC-HVDC系统在全压运行或降压运行方式下的直流电压额定值。另一方面，为了保证VSC-HVDC系统各端直流侧电压在不同功率输送水平下都保 证在一定范围内。通常在直流电压调节环节中加入电压-功率斜率控制，即根据系统直侧输送功率的大小按照设置好的斜率特性调整Udcref，如图3.5其中Udcset和Udcref分别表示系统稳定运行时的直流电压整定值和与之对应的直流传输功率。图3.5 电压-功率斜率电压-功率斜率控制环节实际输出的是电压变化幅值Udcset， U dcset与Udcset相加形成Udc

51、ref。与有功功率控制器的情况类似，为了减小Udcref突变对交流系统的冲击，在加法器之后加入变化率限制环节。同时为保证直流电压在允许范围内，加入限幅环节。3.2.3无功功率控制图3.6表示不叠加调节信号时的无功功率简化控制框图，换流站直接接收上级信号作 为参考值，并发出相应的无功功率。图3.7表示无功功率控制模块接收无功调度指令（Qset）和用于抑制电压波动、提高系统稳定性等场合的无功功率调节信号（Qm），它们经过无功指令调节环节生成无功功率的参考信号（Qref）。与有功功率控制相类似，无功功率调度指令Qref决定了VSC-HVDC系统的稳态运行点，其设定主要依据以下一个或几个方面：（1）当

52、地电网各种运行方式。（2）电网自动调度系统。（3）在风电场并网或孤岛供电等场合，根据交流系统电压变化及时调整无功功率输出。（4）保证换流站始终工作于感性和容性最大补偿范围之内。图3.6 无功功率简化控制框图图3.7 加入无功功率调节信号的简化控制框图系统级的无功功率控制环节时间常数较大，一般为十几分钟甚至更长。因此在自动调度系统中Qset的计算通常采用稳态或准稳态模型。无功功率调节信号Qm对VSC-HVDC系统的稳态运行点影响相对较小，但对其动态特性有较大影响。如前文所述，加入Qm的原因为：（1）通过快速调节无功功率输出抑制交流系统电压闪变，提高电力系统电能质量。（2）在交流系统故障后恢复过程

53、中大幅输出无功功率，维持交流系统的暂态稳定性。因此，Qm的计算需要计及VSC-HVDC系统及其所连接的交流系统的动态过程， Qm控制环节的时间常数远小于Qset控制环节的时间常数，一般对应于交流系统电压闪变频率等，大约在零点几秒到几秒的范围。通常会有一个或多个控制器输出Qm来分别完成提高交流系统电能质量、增强交流系统暂态稳定性等任务。这些控制器常作为 VSC-HVDC系统的附加功能，是否配备这些控制器需通过对具体工程研究后确定。 3.2.4交流电压控制 在很多场合，VSC-HVDC换流站的控制目标是调整某条母线上的交流电压。当不叠加调节信号时，简化控制框图如图3.8所示。考虑调节信号时实现方式

54、主要有两种：一种是通过电压-无功功率斜率控制方式，向系统级无功功率控制器输出Qset或Qm指令；另一种方式是将母线电压直接作为控制目标，将换流站级无功功率控制器替换为电压控制器。图3.8 交流电压控制的简化控制框图3.2.5最终控制策略选择通常对于一个两端VSC-HVDC系统，必须有一端采用定直流电压控制方式，另一端定直流电流控制还是定交流电压控制取决于所联的是有源交流网络还是无源交流网络。由于本文中受电端为有源系统，故交流侧都为定无功功率控制，整流器直流侧采用定有功功率控制，逆变器直流侧采用定直流电电压控制模式。4 电压源换流器各控制器设计4.1 电压源换流器控制结构图4.1 电压源换流器模

55、块图VSC-HVDC两侧换流器的控制系统结构对称，主要由内环电流控制器、外环电压控 制器、锁相环同步环节和触发脉冲生成环节等几个部分组成，如图4.1所示。图4.2其中，常用的外环控制器形式有定直流电压控制、定有功功率控制、定无功功率控制、定交流电压控制和定频率控制等。外环控制器跟踪系统级控制器给定的参考信号。为了保持系统的有功功率平衡，系统必须有一端换流器采用定直流电压控制，而另一端采用定有功功率控制或者定频率控制；同时，根据换流站的具体控制目标，还可以选择定交流电压控制或定无功功率控制。但是，在向无源网络供电的 直流输电系统中，送端系统通常采用定直流电压控制，而受端系统由于没有稳定得电源，一

56、般采用定直流电压控制。 图4.2所示为换流器控制器系统各控制器之间的关系及电路图。图4.2 电压源换流器控制系统及主电路示意图4.2 锁相环（ PLL）锁相环PLL 是能够实现两个电信号频率相等、相位同步的自动控制系统,它由鉴相器（PD）、环路滤波器（LPF）、压控振荡器（VCO）三部分组成，如图4.3所示。环路锁定后,相位比较器给定信号与反馈信号同频同相,锁相环输出信号的频率就被 “锁定”在给定信号频率。锁相环输出的相位信号的精度将直接关系到电流控制器的控制性能直至决定其能否正常工作，另外由于换流器开关器件的动作产生大量谐波等因素，因此所需的锁相环不仅要具有响应速度快、无稳态误差等特点，而且

57、还要能抑制谐波并具有较宽的频带。该锁相环结构的特点是：（1）当相位锁定时，相位误差usd为常数，即没有低次谐波进入低通滤波器， 所以在参数设计时可以尽可能地满足锁相环的频率锁定范围和响应速度；（2）图中的低通滤波器采用PI调节器结构，不仅能起低通滤波作用，而且确保相位跟踪无稳态误差。图4.3 锁相环结构图4.3 外环控制对于不同的控制方法， 有不同的外环控制器。 由于所选的控制策略只包括定有功功率控制、 定无功功率控制和定直流电压控制三种方式， 故下文只讨论这对这三种控制方式的外环控制器结构。对于本文不使用的定交流电压控制和定频率控制两种方式下的外环控制器不予讨论。（1）外环有功功率、无功功率可控制。在三相电网电压平衡的条件之下，令电网电压矢量Us的方向为d轴方向，有usd =Us（Us即电压空间向量的模值），usq =0，那么（4.1）所以可通过isd和isq分别控制p和q，从而实现有功功率和无功功率的独立调节。为了消除稳态误差，引入PI调节器， 则有功功率控制器的无功功率控制器机构如下图所示（a）d轴有功电流调节（b）q轴无功功率调节图4.4 外环有功功率和无功功率控制器上图（a）中