面向无源网络的VSC-HVDC系统仿真研究

梁海峰，李庚银，李广凯，张凯，周明

华北电力大学电气工程学院，河北保定（071003）

E-mail: hfliang@ncepu.edu.cn, ligy@ncepu.edu.cn

摘要：基于电压源换流器（VSC）的高压直流输电技术（VSC−HVDC）不仅继承了传统直流输电方式在占地面积、输送能量及不增加短路容量等方面的优势，而且由于全控型器件的采用，使其可以直接向无源网络输电，从而成为解决大城市高密度配电网问题的有力措施之一。本文通过对dq0坐标系下VSC模型的分析，得出VSC−HVDC的有功和无功功率可以分别由i d和i q分量控制，并因之设计了定直流电压、定交流电压控制器。在建立VSC−HVDC向无源网络输电的MATLAB仿真模型的基础上，对定直流电压、定无功功率、定交流电压等控制方式进行了仿真。仿真结果表明，建立的VSC−HVDC系统能很好地满足向无源网络供电的需要，而且控制方式灵活、简便，并且在传输有功功率的同时，VSC还可以吞吐交流系统的无功功率，起到STATCOM的作用。

关键词：高压直流输电；VSC−HVDC；无源网络；城市电网；MATLAB仿真

1．引言

随着城市工商业的蓬勃发展和人们生活水平的日益提高，对城市电网的供电能力和供电质量提出了更高的要求。城市电网，尤其是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、电压不稳等问题急需解决。高压直流输电（HVDC）与交流输电相比，同样的输电走廊直流的输送能力是交流的1.5倍，所以采用HVDC是缓解输电走廊不足的有力措施。但对于许多城市电网，出于环境因素考虑，多是无源网，而传统的基于线换相电流源换流器的HVDC无法完成向无源网络供电的任务，从而了HVDC的应用。

随着GTO、IGBT等全控型器件的发展，出现了基于电压源换流器（V oltage Source Converter, VSC）的HVDC技术，即VSC−HVDC，由于其传输容量与传统HVDC相比较小，亦称轻型高压直流输电（HVDC Light）[1~3]。全控型器件的应用赋予了VSC−HVDC一些传统直流输电无法比拟的优点，如可以向无源网络供电[4]，同时且地控制有功功率和无功功率，动态补偿交流母线的无功功率，稳定交流母线电压等，甚至能够在不受一侧交流系统故障的影响下仍然通过另一正常交流侧输送功率[5]，而且可以方便地构成并联多端直流系统。理论上讲[6]，VSC−HVDC能消除有功环流，合理分配有功负荷，克服电压稳定性约束，改善电能质量，所以VSC−HVDC技术是未来城网改造的理想工具。然而，要想将VSC−HVDC 技术应用到实际之中，深入的仿真研究是必须的。

本文首先通过对dq0坐标系下的VSC数学模型的分析，得出了由i d和i q分量控制有功功率和无功功率的关系式。在此基础上，设计了向无源网络供电的定直流电压和定交流电压控制器，并利用MATLAB 6.5/Simulink®建立了向无源网络供电的VSC−HVDC仿真系统。利用该仿真系统对各种控制方式下的输电情况进行了仿真，得出了一些有意义的结论。

1本课题得到高等学校博士学科点专项科研基金（项目编号：20010079001）资助

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2．VSC 的数学模型

典型的三相2电平的VSC 结构如图1所示。用u sa ，u sb ，u sc 分别代表交流系统侧三相电压瞬时值，i a ，i b ，i c 分别代表流入换流器的三相电流瞬时值，u ca ，u cb ，u cc 分别代表换流器端三相电压瞬时值，U dc 为直流侧电压值，C dc 为直流侧电容值。交流侧电抗X =ωL ，L

表示滤波电感，假设换流器为理想换流器，R 用于等效换流器损耗和变压器电阻损耗。

交流侧三相微分方程的向量形式为：

abc cabc sabc abc i u u i L

R L L dt d −−=1

1 (1) 式中，i abc =[i a i b i c ]T ，u sabc =[u sa u sb u sc ]T ，u cabc =[u ca u cb u cc ]T 。

对式(1)进行PARK 变换[7]，可得

()

010000

1

1dq cdq dq sdq dq i P P u i u i dt

d L L R L dt d −−−−= (2) 式中，i dq 0=[i d i q i 0]T ，u sdq 0=[u sd u sq u s 0]T ，u cdq 0=[u cd u cq u c 0]T 。

在稳态情况下，假设系统三相对称运行，并令交流侧A 相电压初相角为0°，即u sd =|u s |，u sq =0，忽略换流器和变压器损耗，取R =0，则式(2)可化简为：

⎩⎨

⎧−=+=d

cq q sd cd Xi u Xi u u (3)

利用式(3)求取送入换流器的有功功率P 和无功功率Q ，可得到：

有功功率 ()d sd q cq d cd i u i u i u P 2323=+= (4)

无功功率 ()q sd q sd d sq i u i u i u Q 2

323

−=−=

(5) 根据式(4)、(5)可以看出，假设交流系统为无穷大系统，则u sd 为恒定值，显然有功功率P 和无功功率Q 分别与d 轴电流i d 和q 轴电流i q 成线性关系，因此，通过控制i d 与i q 就可以控制系统的有功与无功。

3．控制器设计

3.1 基本控制方式

根据已有的VSC −HVDC 工程实践，VSC − HVDC 换流站一般有4种基本控制方式[6-10]： （1）定直流电压控制，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（或功率）控制，用以控制直流电流（或功率）和输送到交流侧的无功功率；

（3）定交流电压控制，仅控制交流侧母线电压，适用于无源网络供电。

流侧频率，适用于与风力发电厂连接

或黑启动方式。

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。由于本文只研究与无源交流

系统相联的VSC模型，故采用了（1）和（3）两种控制方式。

为了防止无源交流系统发生故障后产生过电流的情况，对逆变侧VSC在采用定交流电压控制的同时，又加入了过电流检测环节，一旦有过电流发生，就将定交流电压控制转换为过电流控制模式。无源侧控制系统框图如图2所示。

3.2控制器设计

根据向无源网络供电的两端VSC−HVDC系统的基本原理，本文针对整流侧和无源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3中，直流电压的控制是通过四个PI环节共同完成的。首先是一个电压调节环节，即将直流电压测量值U dc与直流电压参考值U dc_ref进行比较，其误差经过PI1给出系统电流的d轴分量i sd的参考值i d_ref；然后再经过一个电流调节环节，即将i d_ref与i sd比较，其误差经过PI3参与到PWM脉冲发生信号u cd的形成过程中；与此同时，由无功测量值Q与无功参考值Q ref进行比较，经过PI2给出系统电流的q轴分量i sq的参考值i q_ref；i q_ref与i sq比较后的误差经过PI4参与到PWM脉冲发生信号u cq的形成过程中；最后由u cd与u cq产生PWM 脉冲对换流器进行调节，从而达到在保持某一无功功率定值的基础上维持直流电压恒定的目的。其中信号u cd与u cq的具体产生过程参见式（3），图3中的电抗标么值即指式（3）中的

电抗X的标么值。

图3 定直流电压控制器

图4中，交流电压的控制是通过一个电压调节环节完成的。首先将三相交流电压测量值

u abc经过dq0变换后与交流电压参考值u ref进行比较，此处的u ref是一个向量[1 0 0]T，分别代表u ref的dq0各轴分量，比较后的误差经过PI调节器分别得到u d、u q、u0分量，参照式（3），

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3

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最终形成PWM 脉冲发生器的输入信号u dq 0，产生PWM 脉冲对换流器进行调节，从而达到维持交流系统电压恒定的目的。

图4 定交流电压控制器

4．仿真结果及分析

4.1 向无源网络供电的Simulink 仿真模型

利用MATLAB 6.5/Simulink ®建立了向无源网络供电的VSC −HVDC 系统仿真模型，如图5所示。

4.2 仿真模型参数

在图5所示的仿真模型中，整流侧系统参数为110kV/3000MV A/50Hz ；变压器变比为110/10kV ，YN, d 接线，额定容量50MV A ；低通滤波器1的参数为0.5mH+180µF ；换流器额定容量50MW ，PWM 开关频率2kHz ，调制采用SPWM 方式；直流侧定电压20kV ；直流侧电容C dc =3×104µF ；线路长10km ，线路电阻0.015Ω/km ，电感0.792mH/km ，电容14.4×10-3

µF/km ；无源网络母线2额定电压10kV ；低通滤波器2参数为2mH+66µF 。低通滤波器结构如图6

所示。

定直流电压控制器中的PI1和PI2的参数K p = 0.015，K i =1.6；PI3和PI4的参数K p =0.3，K i =20；电抗标么值X =0.1055。定交流电压控制器中的PI 参数K p =0.4，K i =500；电抗标么值X =0.3。由于仿真模型是离散系统，因此定义各环节的采样时间均为5µs 。

u sabc _B1 i sabc _B1 U dc

Q

u sabc i sabc

U dc Q

Pulses u abc _B2 i abc _B2

Pulses

u abc

i abc

图5 向无源网络供电的VSC −HVDC 仿真模型

L

A B

（1）无源侧纯电阻负荷变化

无源侧纯电阻负荷20MW，0.5s再增加纯电阻负荷20MW。整流侧系统功率因数p.f.=1，即无功参考值为0，系统只发纯有功。仿真波形见图7。

（2）无源侧阻感性负荷变化

无源侧阻感性负荷20MW，功率因数p.f.=0.85，0.5s再增加一倍同样负荷。整流侧系统功率因数p.f.=1。仿真波形见图8。

（3）整流侧无功定值变化

在无源侧阻感性负荷20MW，功率因数p.f.=0.85的条件下，整流侧无功定值0.5s由0变为20Mvar，即换流器吸收20Mvar无功功率；1s时无功定值由20Mvar变为-20Mvar，即换流器发出20Mvar无功功率。仿真波形见图9。

（4）无源侧单相接地故障，过电流控制

整流侧系统功率因数p.f.=1。无源侧纯电阻负荷50MW，即I pu.=1时，无源侧0.5s发生a相接地故障，接地电阻0.001Ω。此时无源侧过电流，控制方式由定电压控制转换为过电流控制，过电流定值为1（标幺值），0.7s故障消失，控制方式又由过电流控制转换到定电压控制。仿真波形见图10。

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5

4.4 仿真结果分析

通过仿真实验结果，可以得出以下结论：

1) 本文建立的VSC−HVDC仿真模型及其控制方法能良好地模拟VSC−HVDC向无源网络输电的情况。

2) 仿真结果表明，VSC−HVDC技术能稳定灵活高效地向无源网络输电。

3) 在传输有功的同时，VSC还可以吞吐交流系统的无功功率，起到了STATCOM的作用。

4) VSC−HVDC技术可以将无源网络电压控制得非常稳定，且可以避免有源系统电压波动对负荷电压的不利影响，从某种意义上说，提高了系统的电压稳定性。

5．结论

本文通过分析dq0坐标系下的VSC数学模型，得出VSC−HVDC的有功和无功功率可以分别由i d和i q分量控制。在建立VSC−HVDC向无源网络输电的MATLAB仿真模型的基础上，对定直流电压、定无功功率、定交流电压等控制方式进行了仿真研究。结果表明，所建立的VSC−HVDC系统能很好地满足向无源网络供电的需要，而且控制方式灵活、简便，

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并且在传输有功功率的同时，VSC还可以吞吐交流系统的无功功率，起到了STATCOM的作用。

本文只仿真了VSC−HVDC向无源网络输电的稳态情况，下一步将对故障情况及多端直流系统仿真展开研究。

参考文献

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[2] 李庚银, 吕鹏飞, 李广凯, 等. 轻型高压直流输电技术的发展与展望. 电力系统自动化, 2003, 27(4):

77~81

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2004, 28(10): 38-41

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[6] 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. 中国电机工程学报,

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[10] Durrant M, Werner H, Abbott K. Model of a VSC HVDC terminal attached to a weak AC system [A]. In:

Proceedings of 2003 IEEE Conference on Control Applications, Vol.1. Istanbul (Turkey): IEEE, 2003.

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Simulation Study of VSC-HVDC System To Passive Network Haifeng LIANG, Gengyin LI, Guangkai LI, Kai ZHANG, Ming ZHOU

School of Electrical Engineering

North China Electric Power University, Baoding, PRC, 071003

Abstract

High Voltage Direct Current transmission based on Voltage Source Converter (VSC-HVDC) does not only inherit the advantages of traditional HVDC, which are small occupying land, great transmitting electric energy and not increasing short circuit capacity, but also for adopting fully- controlled power electronic devices, it can supply to passive networks. Thereby VSC-HVDC is one of means of solving distributed network question to intensively large city in population. Through the analysis of VSC equations in dq0 coordinate system, this paper draws a conclusion that VSC- HVDC can control active and reactive power independently by i d and i q respectively. Based on the conclusion constant DC voltage controller and constant AC voltage controller are designed. After establishing a VSC-HVDC simulation model supplying to passive network, constant DC voltage control, constant AC voltage

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7control and constant reactive power control are simulated. The simulating results indicate that the founded VSC-HVDC system can satisfy the need of supplying to passive network and the control methods are flexible and feasible, moreover when VSC-HVDC system transmits active power, it may absorb or issue reactive power and has the STATCOM effects.

Keywords: HVDC; VSC−HVDC; passive network; urban network; MATLAB simulation

作者简介：

梁海峰（1976−），男，在职博士研究生，讲师，研究方向为新型输配电技术、人工智能在电力系统中的应用等。

李庚银（19−），男，博士，教授，博士生导师，主要研究方向为电力市场、电能质量、新型输配电技术等。

李广凯（1975−），男，在职博士研究生，讲师，研究方向为新型输配电技术、电能质量等。

张凯（1980−），男，硕士研究生，研究方向为新型输配电技术。

周明（1967−），女，在职博士研究生，副教授，研究方向为电力市场、电网调度自动化等。

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