VSC-HVDC輸電系統(tǒng)設(shè)計

1、汪洋：風(fēng)電并網(wǎng)VSC-HVDC輸電系統(tǒng)設(shè)計 第1章 緒論1.1 高壓直流輸電的概況及發(fā)展人類對電的認(rèn)識和應(yīng)用以及電力科學(xué)的發(fā)展首先是從直流電開始的。1882 年，法國物理學(xué)家M得彼列茨進行了歷史上第一次直流輸電試驗，將1.5kW 、1.52kV 的直流電通過電報線路驅(qū)動57km外的水泵旋轉(zhuǎn)，這次試驗雖然線路功耗高達78%，幾乎沒有使用價值，但它標(biāo)志著高電壓、遠距離大容量輸電的嶄新開始。這次試驗由于具備發(fā)電、輸電和用電設(shè)備，所以也被認(rèn)為是世界上第一個電力系統(tǒng)。1954 年，第一座高壓直流（HVDC）輸電工程投入工業(yè)化運行，它是從瑞典本土至果特蘭（Gotland）島之間的一條20MW、100kV

2、海底電纜直流輸電線，線路全長96km。1972 年，加拿大伊爾河（Eel River）HVDC輸電工程正式投入使用，這座20MW 、280kV 背靠背式HVDC輸電工程以首次全部采用晶閘管閥而著稱于世。到目前為止，全世界共有70 多個HVDC輸電工程，其中，大部分電壓等級超過400kV，輸送功率大于1000MW 或線路長度大于600km。 高壓直流輸電(HVDC)的基本原理是通過整流器將交流電變換為直流電形式，再通過逆變器將直流電變換為交流電，從而實現(xiàn)電能傳輸和電網(wǎng)互聯(lián)。典型雙極HVDC的主系統(tǒng)如圖l所示： 圖1一1典型雙極HVDC主系統(tǒng)示意圖在這個過程中，換流裝置是高壓直流輸電系統(tǒng)最重要的的

3、電器設(shè)備，除此之外，為了滿足交、直流系統(tǒng)對安全穩(wěn)定及電能質(zhì)量的要求，高壓直流輸電系統(tǒng)還需要其他的重要設(shè)備，如：換流變壓器、平波電抗器、無功補償裝置、濾波器、直流接地極、交直流開關(guān)設(shè)備、直流輸電線路及控制與保護裝置、遠程通信系統(tǒng)等。從系統(tǒng)構(gòu)成上劃分，高壓直流輸電系統(tǒng)由三部分組成，即：整流站、直流輸電線路和逆變站。其中，整流站和逆變站稱為換流站。對同一個高壓直流輸電工程而言，整流站和逆變站的設(shè)備種類、設(shè)備數(shù)量甚至設(shè)備布置方式幾乎完全一樣，僅僅在于少數(shù)設(shè)備臺數(shù)和容量有所差別。換流裝置、環(huán)流變壓器平波電抗器、無功補償裝置、濾波器、直流接地極以及交直流開關(guān)設(shè)備均位于兩側(cè)換流站中。由電力電子器件組成，具有

4、將交流變?yōu)橹绷麟娀蛑绷麟娹D(zhuǎn)換為交流電的設(shè)備稱為換流裝置，或稱為換流器，在高壓直流輸電系統(tǒng)中，換流器通常采用三相橋式全控整流電路作為基本單元，換流站由基本換流單元組成。在高壓直流輸電系統(tǒng)中，換流器不僅具有整流和逆變的功能，而且整流器還具有開關(guān)的功能。通過對整流器實施快速控制，實現(xiàn)高壓直流輸電系統(tǒng)的起動和停運。在交、直流系統(tǒng)故障后的恢復(fù)過程中，對整流器的開速控制可有效保護直流輸電系統(tǒng)，同時也是交流電網(wǎng)安全和穩(wěn)定運行的重要保障。與交流輸電方式相比，HVDC輸電技術(shù)有許多獨特的優(yōu)點，概括起來主要有以下幾點：（l）在傳輸功率相同的條件下，直流輸電的換流站設(shè)備投資較大，而線路投資較小，因此當(dāng)用于遠距離輸電

5、時造價要小于交流輸電。（2）可實現(xiàn)大區(qū)電網(wǎng)的異步互聯(lián)，不存在穩(wěn)定問題，互聯(lián)后也不會增大原系統(tǒng)的短路容量。（3）雙極型直流系統(tǒng)可分期建設(shè)，先建成單極系統(tǒng)運行以發(fā)揮效益。雙極系統(tǒng)運行中如有一極發(fā)生故障，另一極能繼續(xù)運行，減小功率損失。（4）調(diào)節(jié)快速，高度可控。不但在故障情況下可快速閉鎖停運，而且可以利用其功率調(diào)制功能，迅速增加或減小輸送功率，提供緊急功率支援，功率調(diào)制功能還可抑制交流系統(tǒng)的低頻振蕩等問題。（5）直流輸電的線路電容較小，充電功率較小，當(dāng)采用電纜輸電時優(yōu)勢明顯，而交流電纜的充電功率較大，有時甚至因為此原因而無法送出功率，如跨海電纜送電。（6）在輸送同等功率水平下比交流方式節(jié)省輸電走廊，

6、更環(huán)保。在當(dāng)前我國土地資源緊張的局面下，這一優(yōu)點不但可以減小土地占用和拆遷費用，而且可減小投資。 直流工程從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上看，可以劃分為兩端直流輸電系統(tǒng)和多端直流輸電系統(tǒng)。多端直流輸電系統(tǒng)盡管可以實現(xiàn)多個交流電網(wǎng)的互聯(lián)和電能傳輸，但由于其控制復(fù)雜限制了其應(yīng)用。多端直流工程在二十世紀(jì)八、九年代初期經(jīng)歷了短暫的發(fā)展后，現(xiàn)已較少引起關(guān)注，目前全世界只有北美的Nelson、太平洋聯(lián)絡(luò)線、Quebec一New England、意大利撒丁島等為數(shù)不多的幾個多端直流工程，而其它均為兩端直流工程兩端直流工程又可分為單極系統(tǒng)、雙極系統(tǒng)和背靠背系統(tǒng)三類。另外，從HVDC的換流器結(jié)構(gòu)看，還可分為6脈動和12脈動。盡管1

7、2脈動換流器比6脈動換流器的閥元件數(shù)多，但交、直流兩側(cè)特征諧波含量較小，所需的濾波設(shè)備較少，具有較高的技術(shù)經(jīng)濟優(yōu)勢。目前世界上絕大多數(shù)直流工程都采用兩端系統(tǒng)，而換流器多采用12脈動。對于遠距離輸電工程，由于雙極系統(tǒng)能消除大地中的電流，因而被廣泛采用。表1 我國已建成的直流工程基本情況序號工程名稱電壓等級（kv）輸送功率（MW）輸電距離（km）1舟山直流工程-10050542葛洲壩上海士500120010453天生橋廣州士50018009604三峽常州士5030008605嶸泅直流工程士50060666三峽一廣東士50030009567貴州一廣東士50030009008靈寶背靠背工程士12036

8、001.2 基于電壓源換流器的高壓直流輸電系統(tǒng)（VSCHVDC）的發(fā)展傳統(tǒng) HVDC 輸電的核心是相控換流器（PCC）技術(shù)，其原理是：以交流母線線電壓過零點為基準(zhǔn)，一定時延后觸發(fā)導(dǎo)通相應(yīng)閥，通過同一半橋上兩個同時導(dǎo)通的閥與交流系統(tǒng)形成短時的兩相短路，當(dāng)短路電流使先導(dǎo)通閥上流過的電流小于閥的維持電流時，閥關(guān)斷，直流電流經(jīng)新導(dǎo)通閥繼續(xù)流通。通過順序發(fā)出的觸發(fā)脈沖，形成一定順序的閥的通與斷，從而實現(xiàn)交流電與直流電的相互轉(zhuǎn)換。晶閘管的單向?qū)щ娦允筆CC 技術(shù)只能控制閥的開通而不能控制閥的關(guān)斷，關(guān)斷必須借助于交流母線電壓的過零使閥電流減小至閥的維持電流以下才能使閥自然關(guān)斷。因此基于PCC 技術(shù)的HVDC

9、 輸電具有以下不足：（1）不能向小容量交流系統(tǒng)及不含旋轉(zhuǎn)電機的負荷供電如果受端系統(tǒng)短路容量不足，不能提供足夠的換相電流，就不能保證可靠換相，逆變器容易發(fā)生換相失敗故障。如果受端系統(tǒng)為不含旋轉(zhuǎn)電機的負荷，逆變器因無法換相而不能對交流系統(tǒng)供電。（2）換流器產(chǎn)生的諧波次數(shù)低、容量大雙極雙橋換流站產(chǎn)生最低次數(shù)為 11 次、13 次的諧波電流，其容量分別約占基波容量的9%和7.7%，加重了濾波的負擔(dān)。（3）換流器吸收較多的無功功率正常穩(wěn)態(tài)運行時，整流器和逆變器分別吸收占所輸送直流功率30%50%和40%60%的無功功率，暫態(tài)運行時換流器吸收的無功功率更多。（4）換流站投資大、占地面積大為滿足諧波標(biāo)準(zhǔn)和換

10、流器的無功需要，換流站裝設(shè)有大量的無功補償裝置和濾波設(shè)備，加大了換流站的投資及占地面積，無功補償裝置和濾波設(shè)備的投資約占換流站總投資的15%，占地面積約為全站總面積的三分之一。因此基于PCC技術(shù)的傳統(tǒng)HVDC輸電雖是一門成熟的技術(shù)，但在與交流輸電的競爭中處于不利地位，其應(yīng)用領(lǐng)域局限在220kV 及以上電壓等級的遠距離大容量輸電、海底電纜輸電及不同額定頻率或相同額定頻率交流系統(tǒng)間的非同步互聯(lián)等方面。 輕型直流輸電是在電壓源換流器(VSC)技術(shù)和門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）及絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)等全控型功率器件基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，由高頻開關(guān)器件IGBT 構(gòu)成的正弦脈寬調(diào)制（SPWM）式VSC

11、，換流器的單相電路。基于VSC 技術(shù)的HVDC輸電在技術(shù)和經(jīng)濟上均比基于PCC 技術(shù)的HVDC 輸電有了很大改進，輕型直流輸電的特點主要表現(xiàn)在以下幾個方面：(1)VSC 換流器為無源逆變，對受端系統(tǒng)沒有要求，故可用于向小容量系統(tǒng)或不含旋轉(zhuǎn)電機的系統(tǒng)供電。(2)VSC 換流器產(chǎn)生的諧波大為減弱，對無功功率的需要也大大減少，因此只需在交流母線上安裝一組高通濾波器即可滿足諧波要求；無功補償裝置的容量也大為減少，可不裝設(shè)換流變壓器，同時可簡化開關(guān)。(3)不會出現(xiàn)換相失敗故障。即使對小容量系統(tǒng)或無源負荷供電，VSC 換流器也不會發(fā)生換相失敗故障，從而避免了受端系統(tǒng)出現(xiàn)持續(xù)幾個周期的短時電源中斷，提高了受

12、端系統(tǒng)的電能質(zhì)量。(4)模塊化設(shè)計使輕型直流輸電的設(shè)計、生產(chǎn)、安裝和調(diào)試周期大為縮短，換流站的主要設(shè)備能夠先期在工廠中組裝完畢，并預(yù)先做完各種試驗。最重的模塊重約20 t， 可方便地用卡車直接運至安裝現(xiàn)場。從而大大減輕了現(xiàn)場安裝調(diào)試時間和勞動強度，而且可顯著縮小換流站的占地面積。一個20MW、30 kV 的輕型直流輸電換流站占地面積不足，交貨時間不超過12 個月。(5)可實現(xiàn)無人值班或少人值守。由于換流站主要設(shè)備大為簡化，而且實現(xiàn)了模塊化設(shè)計，因此正常維護工作量大大減少，有利于實現(xiàn)無人值班或少人值守換流站，提高生產(chǎn)效率。到目前為止，世界上已建或在建的輕型直流輸電工程有：(1)赫爾斯揚（Hell

13、sjon）試驗工程：1997 年3月10 日投運，為歷史上第一個試驗性輕型直流輸電工程。這條輸送容量3MW，電壓10 kV，長10 km 的線路是利用一條暫時沒用的交流50 kV 線路使Hellsjon與瑞典中部的Grangesberg 交流系統(tǒng)通過直流互連，多年運行情況表明該工程運行良好，為輕型直流輸電建設(shè)積累了許多寶貴的經(jīng)驗。(2)果特蘭（Gotland）工程: 瑞典，50MW，80 kV，70 km長，建設(shè)目的是將Gotland 島上的風(fēng)力發(fā)電站發(fā)出的電力送至負荷中心。1999 年6 月投運。運行測試數(shù)據(jù)表明該工程各項指標(biāo)均達到了設(shè)計要求。（3）Tiaereborg 示范工程：丹麥，7.

14、2MW，9 kV，4.3 km 長，建設(shè)目的是將位于西部Tiaereborg的風(fēng)力發(fā)電站與交流主網(wǎng)相聯(lián)，2000 年8 月投運。（4）Eagle Pass 工程: 美國和墨西哥，36MW，15.9 kV，采用背靠背方式,建設(shè)目的是使美國一側(cè)的德克薩斯 (Texas) 州電網(wǎng)與墨西哥電網(wǎng)實現(xiàn)非同步互聯(lián)。（5）Cross-Sound 聯(lián)絡(luò)工程：美國，330MW，150 kV，40 km 長，建設(shè)目的是通過海底電纜使位于New Mavend 的Connecticut 電網(wǎng)與紐約長島電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)。2000 年8 月開工，預(yù)計2002 年5 月投運。（6）Murraylink 工程：澳大利亞，200MW，1

15、50 kV，180km，建設(shè)目的是使南部電網(wǎng)與Victoria州電網(wǎng)互聯(lián)。預(yù)計2002 年4 月投運，該工程將是世界上最長的地下電纜輸電項目。1.3 輕型直流輸電的應(yīng)用前景據(jù)預(yù)測,輕型直流輸電在電壓低于150kV、容量不超過200MW 時具有經(jīng)濟上的優(yōu)越性，它在以下應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒖赡馨l(fā)揮極大的作用：（1）向偏遠地區(qū)供電偏遠地區(qū)一般遠離電網(wǎng)，負荷輕而且日負荷波動大，經(jīng)濟因素及線路輸送能力低是限制架設(shè)交流輸電線路發(fā)展的主要因素，制約了偏遠地區(qū)經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高。采用輕型直流輸電進行供電，可使電纜線路的單位輸送功率提高，線路維護工作量減少，使供電可靠性增加。測算表明，修建一座燃煤火電廠與修建

16、一條輕型直流輸電線路相比，在相同投資規(guī)模下，輕型直流輸電線路的等數(shù)距離可降至5060km。（2）海上供電遠離大陸電網(wǎng)的海上負荷如：海島或海上石油鉆井平臺等負荷，通?？績r格昂貴的柴油或天然氣來發(fā)電，不但發(fā)電成本高，供電可靠性難以保證而且破壞環(huán)境，用輕型直流輸電以后，這些問題得以解決，同時還可將多余氣體（如石油鉆井產(chǎn)生的天然氣）發(fā)出的電力反送給系統(tǒng)。（3）城市配電網(wǎng)增容改造城市特別是大中城市的空中輸電走廊已沒有發(fā)展余地，原有架空配電網(wǎng)絡(luò)已不能滿足電力增容的要求，合理的方法是采用電纜輸電（架空電纜或地下電纜）。而直流電纜不僅比交流電纜占有空間小，而且能輸送更多的功率，因此采用輕型直流輸電向城市中心區(qū)

17、供電有可能成為未來城市增容的唯一可行辦法。據(jù)資料介紹，由原有交流架空導(dǎo)線改送直流電，可提高50%的輸送功率。以115kV、70km 長的交流架空線路為例，將其改成100kV 雙極式輕型直流輸電供電后，線路輸送容量可提高1 倍，達到200MW，而改造增加的投資僅為兩側(cè)換流站和更換交流絕緣子的費用。（4）清潔能源發(fā)電受環(huán)境條件限制，清潔能源發(fā)電一般裝機容量小、供電質(zhì)量不高并且遠離主網(wǎng)，如中小型水電廠、風(fēng)力發(fā)電站（含海上風(fēng)力發(fā)電站）、潮汐電站、太陽能電站等，由于其運營成本很高以及交流線路輸送能力偏低等原因使采用交流互聯(lián)方案在經(jīng)濟和技術(shù)上均難以滿足要求，利用輕型直流輸電與主網(wǎng)實現(xiàn)互聯(lián)是充分利用可再生能

18、源的最佳方式，有利于保護環(huán)境。（5）不同額定頻率或相同額定頻率的交流系統(tǒng)間的非同步運行模塊化結(jié)構(gòu)及電纜線路使輕型直流輸電對場地及環(huán)境的要求大為降低，換流站的投資大大下降，因此可根據(jù)供電技術(shù)要求選擇最理想的接入系統(tǒng)位置。（6）直流環(huán)網(wǎng)供電環(huán)網(wǎng)比輻射網(wǎng)及鏈?zhǔn)骄W(wǎng)的供電可靠性都高。多個VSC 換流器容易構(gòu)成并聯(lián)多端供電的直流環(huán)網(wǎng)，從而提高直流輸電的可靠性和靈活性。（7）提高配電網(wǎng)電能質(zhì)量非線性負荷和沖擊性負荷使配電網(wǎng)產(chǎn)生電能質(zhì)量問題，如諧波污染、電壓間斷、電壓凹陷突起以及波形閃變等問題，使一些敏感設(shè)備如工業(yè)過程控制裝置、現(xiàn)代化辦公設(shè)備、電子安全系統(tǒng)等失靈，造成很大的經(jīng)濟損失，輕型直流輸電可分別快速控制

19、有功/無功的能力并能夠保持電壓基本不變，使電壓、電流滿足電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求，將是未來改善配網(wǎng)電能質(zhì)量的有效措施。1.4 本文研究內(nèi)容由于風(fēng)電場多建在偏遠地區(qū)和沿海近海地帶，所以風(fēng)電的傳輸和并網(wǎng)問題直接影響著對風(fēng)能的開發(fā)利用效率。而輕型高壓直流（VSC-HVDC）技術(shù)正是可以很好地符合風(fēng)力發(fā)電的特點并完成輸送風(fēng)電到電網(wǎng)的輸電方式。除具有常規(guī)HVDC的優(yōu)點外，VSC-HVDC還可直接向小型孤立的遠距離負荷供電，更經(jīng)濟地向市中心送電，方便地連接分散電源，運行控制方式靈活多變，可減少輸電線路電壓降落和電壓閃變，進一步提高電能質(zhì)量等。因此研究風(fēng)電場通過VSC-HVDC并網(wǎng)具有很重要的理論和現(xiàn)實意義。本文主

20、要研究工作包括：（1）研究了VSC-HVDC 在連續(xù)時間狀態(tài)空間下的數(shù)學(xué)模型。首先根據(jù)瞬時功率平衡原理建立了VSC-HVDC 在 dq 兩軸同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型；其次通過前饋補償方法消除了兩軸之間的耦合。（2）利用多時間尺度系統(tǒng)理論對VSC-HVDC模型進行了簡化，分解出快慢子系統(tǒng)，并利用狀態(tài)反饋，推導(dǎo)出基于多尺度模型的非線性輸出反饋控制策略，利用MATLAB 進行了仿真分析，驗證了模型的正確性。（3）提出了向有源系統(tǒng)供電時VSC-HVDC的線性解耦控制策略，然后在MATLAB/Simulink 軟件下搭建了仿真模型，利用所設(shè)計的控制器來控制觸發(fā)，對兩端均接有源網(wǎng)絡(luò)供電的系統(tǒng)進行仿真，并

21、對結(jié)果進行分析。第2章 VSC-HVDC的結(jié)構(gòu)與原理2.1 電壓源型換流器的基本結(jié)構(gòu)及運行控制隨著大功率、高頻率的可關(guān)斷器件IGBT 的出現(xiàn)，1990 年加拿大McGill 大學(xué)的Ooi 等提出了用脈寬調(diào)制（PWM）控制的電壓源型換流器（VSC）進行高壓直流輸電（HVDC）的概念?；赩SC 的直流輸電（VSC-HVDC）系統(tǒng)可獨立調(diào)節(jié)有功和無功功率并且實現(xiàn)四象限運行、可以向無源網(wǎng)絡(luò)供電，克服了傳統(tǒng)HVDC 的本質(zhì)缺陷，并且具有聯(lián)網(wǎng)非同步運行的獨立電網(wǎng)、方便構(gòu)成多端直流系統(tǒng)、不需要交流側(cè)提供無功功率并能夠起到STATCOM 的作用、不會增加系統(tǒng)的短路容量、可以便捷高效地連接風(fēng)能、太陽能等距離偏

22、遠、地理分散的可再生能源或“綠色”能源等優(yōu)點。VSC-HVDC 把HVDC 的優(yōu)勢擴展到配電網(wǎng)，極大地拓寬了HVDC的應(yīng)用范圍，具有廣闊的應(yīng)用前景。2.1.1 電壓源型換流器的基本結(jié)構(gòu)三相橋式電壓源換流器的基本結(jié)構(gòu)圖如下：圖2-1 VSC的原理圖換流器的各橋臂由全控型半導(dǎo)體器件（GTO、IGBT等）和一個反并聯(lián)的續(xù)流二極管組成。直流側(cè)并聯(lián)電容那個氣以保持一定的直流側(cè)電壓。從直流電容側(cè)來看，各相上下橋臂的開關(guān)狀態(tài)互為相反，不會出現(xiàn)短路狀態(tài)。如果將直流電壓的中點假設(shè)為電位參考點，那么換流器在一個周期內(nèi)存在6種動作狀態(tài)，每相的橋臂的導(dǎo)電角度為各相開始帶點的角度依次相差?？傊?，按開關(guān)狀態(tài)來組合共有8種

23、組合，除去上橋臂全開或下橋臂全開兩種狀態(tài)后，共有6中狀態(tài)。通過這種開關(guān)的動作切換，交流側(cè)線電壓就產(chǎn)生了每隔半個周期中有有幅值為電壓波形。根據(jù)運行原理，換流器可以分為兩大類：第一類需要交流系統(tǒng)提供換相電壓（傳統(tǒng)的換流器即屬此類）；第二類不需要交流系統(tǒng)支持換相而被稱為“自換相換流器”。自換相換流器克服了傳統(tǒng)換流器的許多缺點，有著傳統(tǒng)換流器所無可比擬的優(yōu)勢。按照直流電路的設(shè)計，自換相換流器可進一步分為電流源型換流器（CSC）和電壓型換流器（VSC）而這的根本區(qū)別在于：（1）CSC在換流變壓器沒相二次側(cè)繞組與換流橋之間以串聯(lián)電容連接，而VSC中電容（稱為換相電容器）連接在換流橋直流橋正負極之間；（2）

24、給予CSC的HVDC潮流反轉(zhuǎn)是有系統(tǒng)的直流電壓極性反轉(zhuǎn)實現(xiàn)的，而VSC-HVDC潮流反轉(zhuǎn)由系統(tǒng)的直流電流方向反轉(zhuǎn)實現(xiàn)。圖2-1為一個VSC（可以使整流器也可以使逆變器）的示意圖。VSC主要由換流變壓器、換流橋和換相電容等元件構(gòu)成。在有些VSC-HVDC中，也可以不用換流變壓器，而用電抗器即可。換流橋的橋閥由幾十乃至數(shù)百個有自關(guān)斷能力的絕緣柵雙極晶體管（IGBT）或門關(guān)斷晶體管（GTO）等全控型器件串聯(lián)組成，以達到所需要的功率額定值，這些器件開關(guān)速度快、頻率高，且可以工作在無源逆變方式；每個閥都有方向并聯(lián)連接的二極管，其是負載向直流側(cè)反饋能量的通道并使負載電流連續(xù)換相電容的作用是為換流器提供電壓

25、支持、緩沖橋臂關(guān)斷時的沖擊電流和減少直流側(cè)諧波并儲存能量以控制潮流。此外，在換流器的一次側(cè)（或換流電抗器）交流母線處還接有高通濾波器以濾除交流側(cè)諧波。VSC-HVDC系統(tǒng)的主要構(gòu)成部分包括VSC和高壓直流電路。目前，對一個12脈沖雙極花牛氣單元，VSC-HVDC系統(tǒng)的額定功率達到200MW，直流電流超過700A。2.1.2 電壓源型換流器的運行機理其工作原理是：工頻正弦波控制信號經(jīng)與三角波載波信號比較產(chǎn)生觸發(fā)信號，見圖2-2圖 2-2 由 IGBT 構(gòu)成的VSC 換流器單相圖當(dāng) 2+被觸發(fā)導(dǎo)通后，輸出電壓；當(dāng)2-被觸發(fā)導(dǎo)通后，由于2+和2-不同時觸發(fā)導(dǎo)通，所以只有兩種數(shù)值。經(jīng)換流電抗器和濾波器

26、濾除中的高次諧波分量后，交流母線上可得到與 波形相同的工頻正弦波電壓。其中，決定開關(guān)的動作頻率， 決定輸出電壓 的相位和幅值。改變 的相位，即改變 與 的相位關(guān)系，可改變有功功率的大小和方向；改變的幅值，即改變與的數(shù)值關(guān)系，可改變無功功率的大小和極性（感性或容性）。因此，VSC 換流器可單獨調(diào)節(jié)有功功率和無功功率。圖 2-3 VSC 波形圖有功功率的計算公式為：(2-1)無功功率的計算公式為：(2-2)式中、 分別為VSC 輸出電壓 和母線電壓基頻分量的有效值， 為與 的相位差，X 為換流電抗器的電抗。由式（1）可知，當(dāng)時，VSC從交流系統(tǒng)吸收有功功率而運行于整流器狀態(tài)；當(dāng)時，VSC向交流系統(tǒng)

27、送出有功功率而運行于逆變變壓器狀態(tài)。由此可知通過偶那個值與之間的相角即可控制有功的方向和大?。ㄅc交流系統(tǒng)中有功功率的控制類似）。由式（2）可知，系統(tǒng)中無功功率的傳輸方向有（）決定，當(dāng)時，Q0，VSC發(fā)出無功功率，而相當(dāng)于無功補償裝置；當(dāng)時，Q0，VSC吸收無功功率。因此，通過控制的模值就可以控制VSC吸收或發(fā)出無功功率及其大小?？梢姡琕SC不僅可以提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，而且還能起到靜止同步補償器的作用，從而穩(wěn)定交流母線電壓。2.1.3 常規(guī)控制策略在VSC-HVDC 中，換流站主要有三種控制方式：定直流電壓控制，用來控制直流輸電電壓和輸送到交流側(cè)的無功功率；定直流電流（或功率）控制，用來控制直流

28、側(cè)的電流（或功率）和輸送到交流側(cè)的無功；定交流電壓控制，僅控制交流系統(tǒng)母線電壓。其中控制方式、適合用于向有源網(wǎng)絡(luò)供電，方式適用于向無源網(wǎng)絡(luò)供電。在VSC-HVDC 中，至少有一端采用定直流電壓控制，其他的控制方式則根據(jù)實際的要求選擇合適的控制策略。2.2 HVDC直流輸電系統(tǒng)簡介發(fā)電廠產(chǎn)生的電是交流電（AC）；大多數(shù)輸電線路無論是高壓、中壓還是低壓配電網(wǎng)，傳輸?shù)亩际且悦棵?0或60個周期進行振蕩的交流電；而最終到達用戶端，即家庭、工廠和辦公室的也是交流電。直流電不產(chǎn)生振蕩，因此直流輸電的電能損失較少。在直流輸電系統(tǒng)中，交流電在換流站被轉(zhuǎn)換為直流電，然后通過架空線纜傳輸至接收點。在接收點，另一個

29、換流站將直流電轉(zhuǎn)換為交流電并接入交流電網(wǎng)。ABB在1954年建成了世界上第一條HVDC輸電線路，并承建了全球一半以上的HVDC項目。1997年，ABB建成了首條HVDC Light（輕型高壓直流）輸電線路。該技術(shù)一般采用地下或水下線路輸電，它的出現(xiàn)為改善交流電網(wǎng)的供電質(zhì)量提供了新的可能。2.2.1 基于電壓源型換流站的直流輸電系統(tǒng)(VSC- HVDC)基于電壓源型換流站技術(shù)是輕型直流輸電系統(tǒng)廣泛采用的換流站技術(shù)，其典型的基于電壓源型換流站直流輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2-2所示，VSC HVDC兩側(cè)換流站采用電壓源型換流器，直流側(cè)并聯(lián)大電容，起到為換流器提供電壓支撐、緩沖橋臂關(guān)斷時沖擊電流、減小直流側(cè)諧

30、波的作用。換流器中1GBT上并聯(lián)反向二極管，除了作為主回路以外，還起到保護和續(xù)流的作用。兩端換流站均采用VSC結(jié)構(gòu)，由換流站，換流變壓器、換流電抗器、直流電容器和交流濾波器等部分組成。 圖2-4 典型的電壓源型直流輸電系統(tǒng)(1)換流站電壓源換流器的橋臂由大功率可關(guān)斷型電力電子器件(如GTO、IGBT、或IGCT和反并聯(lián)的二極管組成。目前，隨著大功率電力電子器件的發(fā)展，IGBT的耐受電壓已達到6.5kV、通斷電流最大達到3kA，而IGCT能承受的斷態(tài)重復(fù)峰值電壓達到6kV，最大可控關(guān)斷電流達3 6kA，這些為大功率電壓源型換流器技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。在電壓源型直流輸電工程中，主要采用三相二電平和

31、三相三電平兩種換流器拓撲結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖2-5所示。圖2-5 電壓源型換流器圖2-5(a)所示為兩電平拓撲結(jié)構(gòu)，是最簡單的電壓源型換流器結(jié)構(gòu)，包含六個橋臂，每個橋臂由IGBT和與之反向并聯(lián)的二極管組成。圖2-5(b)所示為中點鉗位式三電平換流器拓撲結(jié)構(gòu)，適用于高壓、大容量功率的輸送。由圖可知，在三電平換流器中，每一橋臂均由4個閥組成，并通過兩個二極管與直流電容的中點電位相連接。與兩電平換流器由兩個電壓水平構(gòu)成不同，三電平換流器的交流端輸出電壓由三個電水平構(gòu)成，因此，與兩電平換流器相比，三電平換流器輸出交流電壓的總諧波畸變率低，輸出波形質(zhì)量好。當(dāng)然，換流器也有其它更多電平的拓撲結(jié)構(gòu)，但是由于多電

32、平換流器設(shè)計復(fù)雜，可靠性差，在電壓源型直流輸電系統(tǒng)中一般不采用。(2)換流變壓器圖2-4所示的系統(tǒng)采用三相三繞組變壓器作為換流變壓器。事實上，電壓源型直流輸電系統(tǒng)既可以采用常規(guī)的單相變壓器，也可以采用三相變壓器。一般來說，與交流系統(tǒng)側(cè)連接的變壓器一次繞組采用星形接法，而靠近換流器側(cè)的變壓器二次繞組采用三角形接法。如果采用三相三繞組變壓器，其二次繞組和三次繞組將分別與兩個換流器連接，其中一個為星形接法，另一個為三角形接法，而一次側(cè)仍然為星形接法。換流變壓器的主要作用在于將系統(tǒng)交流電壓變換到與換流器直流側(cè)電壓相匹配的二次側(cè)電壓，以確保開關(guān)的調(diào)制度不至于過小，以減小輸出電壓和電流的諧波量，進而減小交

33、流濾波裝置的容量。(3)換流電抗器換流電抗器是電壓源型換流器與交流系統(tǒng)之間傳輸功率的紐帶，決定著換流器的功率輸送能力和有功功率與無功功率的控制；同時，換流電抗器能抑制換流器輸出的電流和電壓中的開關(guān)頻率諧波量，以獲得期望的基波電流和基波電壓。另外，換流電抗器還能抑制系統(tǒng)的短路電流。(4)直流側(cè)電容直流側(cè)電容是電壓源型換流器直流側(cè)的儲能元件，既可以緩沖橋臂開斷的沖擊電流、減小直流側(cè)的電壓諧波，并為受端換流站提供電壓支撐。同時直流側(cè)電容的大小還決定了其抑制直流電壓波動的能力，也會影響控制器的響應(yīng)性能。換流電抗和直流側(cè)電容是電壓源換流器的兩個重要參數(shù)，這兩個參數(shù)的設(shè)計影響著換流器的動態(tài)特性和靜態(tài)特性，

34、制約著換流器的輸出功率，功率因數(shù)以及直流電壓。因此必須統(tǒng)一優(yōu)化設(shè)計。(5)交流濾波器由于電壓源型直流輸電系統(tǒng)采用PWM技術(shù)，在較高的開關(guān)頻率下，VSC交流側(cè)和直流側(cè)都會產(chǎn)生高次諧波，通過改進或優(yōu)化PWM波形的方法可以提高最低諧波的次數(shù)，但不能完全消除高次諧波。實際系統(tǒng)中還需在以下三個位置裝設(shè)濾波器，如下圖所示：圖2-6 VSC-HVDC直流輸電系統(tǒng)濾波器VSC換流橋與換流變壓器之間安裝低通濾波器，可采用圖2-6(a)所示的低通濾波器(LFP)，它可以濾除VSC產(chǎn)生的高次諧波，以使換流變壓器免受這些高次諧波的不良影響。VSC直流側(cè)與直流線路之間安裝圖2-6(b)所示的單調(diào)諧波濾波器，濾除VSC-

35、HVDC在不對稱運行時直流側(cè)電壓上產(chǎn)生的二次諧波，或者還安裝2-6(c)所示的二階高通濾波器，濾除VSC開關(guān)頻率及其以上的諧波，安裝在直流側(cè)的濾波器可以統(tǒng)稱為直流濾波器(DCF)，由于直流側(cè)安裝了濾波器，對直流線路或直流電纜抗諧波性能的要求就可降低，可降低VSC-HVDC工程造價。VSC換流變壓器與所聯(lián)交流系統(tǒng)之間安裝2-6(b)或2-6(c)所示的濾波器(ACF)，以消除VSC產(chǎn)生的高頻諧波所聯(lián)交流系統(tǒng)的不良影響。 2.2.2 CSC-HVDC與VSC-HVDC混合連接基于電流源換流器的高壓直流輸電（CSC-HVDC）已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，但它有缺點，例如吸收大量無功，以及容易發(fā)生換相失敗等

36、，同CSC-HVDC相比，VSC-HVDC可以獨立控制有功和無功，無換相失敗之弊，同時適合于向較弱的交流系統(tǒng)供電，但VSC-HVDC也有缺點，同CSC-HVDC系統(tǒng)相比較，其直流故障影響較為嚴(yán)重，一般而言，全控器件的過流能力較差，發(fā)生直流接地短路故障時，其整流站完全等效為一個二極管橋，電容則被完全短路，這樣會造成嚴(yán)重后果，所以VSC- HVDC往往采用背靠背的方式，或者采用埋地直流電纜取代架空線；另一方面，目前VSC HVDC系統(tǒng)損耗比起CSC-HVDC要大，且直流電壓要增加額外的控制，所以在應(yīng)用中，可以考慮為CSC同VSC混合連接的方式進行供電。這里總結(jié)出三種方式：(1)整流側(cè)采用CSC，逆

37、變側(cè)采用VSC型這種方式特別適合于逆變側(cè)電壓需要得到控制的場合，VSC本身的優(yōu)點就是換流站輸出交流電壓能夠有效控制，在這種方式下，整流側(cè)直流電壓不需要添加額外控制，如圖2-7。該方式在工業(yè)驅(qū)動上獲得廣泛應(yīng)用，但是CSC串連的平波電抗器和VSC并聯(lián)的電容之間容易發(fā)生諧振，引起功率振蕩。圖2-7 整流側(cè)采用CSC，逆變側(cè)采用VSC型系統(tǒng)連接結(jié)構(gòu)(2)CSC與VSC的串連或者并聯(lián)使用CSC與VSC的串連方式圖2-8，逆變側(cè)CSC換相失敗故障時容易引起直流過壓， CSC本身加載的電流控制環(huán)往難于控制直流過壓。圖2-8 CSC與VSC的串連結(jié)構(gòu)圖CSC與VSC的并聯(lián)方式如圖2-9，這是一種較為經(jīng)濟的連接

38、方式，利用了CSC-HVDC傳輸?shù)母呖煽啃裕诖笕萘抗β蕚鬏攬龊舷略黾恿私?jīng)濟性，同時并聯(lián)的VSC能夠提供類似STATCOM的性能。非常適用于整流側(cè)電壓和無功需要控制的場合，如整流側(cè)連接風(fēng)力發(fā)電且輸送容量較大時(如超過500MW)，這種情況下如果直接采用VSC-HVDC進行傳輸成本較高。圖 2-9 CSC與VSC的并聯(lián)結(jié)構(gòu)圖(3)CSC與VSC構(gòu)成雙極性混合連接方式CSC與VSC雙極性一種較好的方式，因為VSC HVDC提供了交流電壓的快速控制，可以減少CSC換相失敗的危險，同時也可以給CSC提供無功。且不會有LC諧振的危險。圖2-10 CSC與VSC構(gòu)成雙極性混合連接方式2.2.3 VSC-H

39、VDC輸電系統(tǒng)物理模型實際的有中間電纜傳輸?shù)膬啥薍VDC Light輸電系統(tǒng)的簡化物理模型如圖2-11，VSC換流器可簡化為一比例放大器，換流電抗器L1和L2是VSC與交流側(cè)能量交換的紐帶同時也起到濾波的作用，R1和R2為兩側(cè)換流電抗器和換流器的等效損耗，直流側(cè)電容器C1和C2為換流器提供電壓支撐、緩沖橋臂關(guān)斷時的沖擊電流、減小直流側(cè)諧波，交流濾波器作用是濾去交流側(cè)諧波；Zs1、Zs2為交流網(wǎng)絡(luò)的等效阻抗；直流線路用阻抗Rd和感抗Ld等效；AC濾波器等效容抗為Xc1、Xc2。圖2-11 兩端VSC-HVDC輸電系統(tǒng)的簡化物理模型由于VSC-HVDC系統(tǒng)的整流和逆變站采用完全相同VSC換流站結(jié)構(gòu)

40、，因此，每個VSC換流站的物理模型均可如圖2-11中虛線框內(nèi)部分表示。2.3 輕型直流輸電系統(tǒng)的控制策略研究電壓源換流器采用GTO或IGBT等全控型的大功率開關(guān)元件，其控制方法與基于半控晶閘管的傳統(tǒng)線換向換流器有很大的差異。PWM-VSC換流器在直流電壓恒定時，PWM的調(diào)制度M決定VSC輸出基波電壓的幅值，而正弦給定的相位決定VSC輸出電壓的相位。由于正弦給定信號的調(diào)制度和相位可以獨立調(diào)節(jié)，可以實現(xiàn)在同一電壓源換流器中既能調(diào)節(jié)交流端母線基波電壓幅值同時又能調(diào)節(jié)電壓相位。由于VSC吸收或發(fā)出的有功和無功的大小和方向取決于VSC交流輸出端基波電壓的調(diào)制度和相位，因此通過控制PWM的調(diào)制度和給定正弦

41、信號相位就可以實現(xiàn)有功和無功相互獨立的調(diào)節(jié)。2.3.1 VSC-HVDC系統(tǒng)有功的控制系統(tǒng)啟動時，兩個換流站可以分別通電。由于交流斷路器閉合，通過反并聯(lián)二極管向直流母線充電。當(dāng)向柵極驅(qū)動單元充電時，兩站中的換流器可以通過直流側(cè)的開關(guān)來接通。將要接通的第一個換流器控制直流電壓。一旦當(dāng)另一個換流器接通時既開始傳輸有功功率。在正常運行方式中，每個站各自控制其無功潮流。但是進入直流電網(wǎng)的有功必須保持平衡。這意味著離開VSC HVDC系統(tǒng)的有功功率必須等于逆變側(cè)交流電網(wǎng)接收的有功功率減去VSC HVDC系統(tǒng)的換流損耗及線路損耗，出現(xiàn)任何差值將會因此系統(tǒng)直流電壓的迅速增加或減少。為了實現(xiàn)功率平衡，由其中一

42、個站來控制直流電壓，這意味著另一個站可以在系統(tǒng)設(shè)定的范圍內(nèi)，任意整定有功功率，而控制電壓的那個站可以通過調(diào)整其功率信號來保證其平衡(即獲得恒定的直流壓)。站與站之間可以在沒有通訊的情況下實現(xiàn)功率平衡，而只是測量直流電壓即可。由于在穩(wěn)態(tài)運行時，變壓器損耗電阻和VSC換流損耗可以忽略不計，可以得到:(2-3)(2-4)并且有：(2-5)所以：(2-6)其中為VSC1所聯(lián)交流系統(tǒng)的有功，為VSC1向交流系統(tǒng)輸送的有功，為VSC1直流測功率，為VSC1側(cè)直流電流；為VSC2所聯(lián)交流系統(tǒng)的有功，為VSC2向交流系統(tǒng)輸送的有功，為VSC2直流測功率，為VSC2側(cè)直流電流；由式(2-8)可以看出，若直流電流

43、恒定，則直流電壓變化量正比于傳輸有功的變化量，則定直流電壓控制和定有功控制將是等效的；同理，當(dāng)某端采用定直流電壓來控制有功功率時，則直流線路中的直流電流變化量將正比于另一端有功的變化量，因此另一端可以用定直流電流來控制有功，直流電流的設(shè)定值正比于有功的設(shè)定值。這樣VSC HVDC系統(tǒng)的一端采用定直流電壓控制，另一端采用定直流電流控制，可以分別通過實時檢測各自控制端直流電壓和直流電流，對偏差量進行相應(yīng)的控制，即可實現(xiàn)兩端交流系統(tǒng)之間傳輸定直流控制端制定的有功功率，不再需要換流站的通訊聯(lián)絡(luò)，有利于提高遠距離高壓直流輸電的運行可靠性，也是VSC-HVDC優(yōu)于傳統(tǒng)HVDC的一個方面。2.3.2 VSC

44、-HVDC系統(tǒng)無功的控制當(dāng)VSC-HVDC系統(tǒng)互聯(lián)兩交流有源網(wǎng)絡(luò)時，其兩端無功的控制，可根據(jù)各端所聯(lián)交流有源網(wǎng)絡(luò)對各自無功的需求，分別由各端VSC獨立進行控制，也可采用定無功的控制方法；對于向無源網(wǎng)絡(luò)供電的VSC-HVDC系統(tǒng)，根據(jù)逆變端的實際需要(一般要求逆變端交流母線的電壓幅值保持恒定)，可以通過設(shè)定VSC與交流系統(tǒng)鏈接處母線的交流電壓幅值來調(diào)節(jié)無功需求量，以使其所聯(lián)交流母線的電壓維持恒定，即采用定交流電壓的控制方法。若VSC-HVDC的一端工作在整流狀態(tài)，另一端工作在逆變狀態(tài)，即可將整流側(cè)交流系統(tǒng)的有功經(jīng)高壓直流線路輸送到逆變側(cè)的交流系統(tǒng)中。同時，若兩端VSC還可以給予一定的無功補償則可

45、對各端交流系統(tǒng)的電壓給與一定的支持，達到提高電壓質(zhì)量的目的。若兩端VSC都不傳送無功，只起到調(diào)節(jié)兩端各自無功的作用，則各端VSC僅對所聯(lián)交流網(wǎng)絡(luò)起到STATCOM的作用，目的僅在提高所聯(lián)交流系統(tǒng)的電壓質(zhì)量。2.3.3 VSC-HVDC系統(tǒng)的基本控制方式VSC-HVDC系統(tǒng)與互聯(lián)交流系統(tǒng)之間的相互作用主要體現(xiàn)在穩(wěn)態(tài)物理量之間的關(guān)系，因此只要研究VSC HVDC兩端的控制策略。首先通過對VSC輸出相電壓的基波分量進行分析，確定VSC HVDC的控制量與被控制量，以此為基礎(chǔ)從理論上建立VSC HVDC系統(tǒng)的基本控制模式及控制方法?；谝陨戏治?，并結(jié)合實際工程經(jīng)驗，目前HVDC Light系統(tǒng)主要采用

46、以下五種控制方式： (1)定直流電壓控制控制的基本方法是：利用直流電壓變化量去調(diào)節(jié)VSC交流輸出端電壓與所聯(lián)交流系統(tǒng)電壓之間的相位差，以使被控直流電壓達到其設(shè)定值。(2)定直流電流控制控制的基本方法使：利用直流電流的變化量去調(diào)節(jié)VSC交流輸出端電壓與所聯(lián)交流系統(tǒng)電壓之間的相位差，以使被控直流電流達到設(shè)定值。(3)定有功功率控制控制的基本方法是：利用VSC傳送的有功功率的變化量去調(diào)節(jié)VSC交流輸出端電壓與所聯(lián)交流系統(tǒng)電壓之間的相位差，以使被控VSC傳送有功功率達到其設(shè)定值。(4)定無功功率控制控制的基本方法是：利用VSC吸收或發(fā)送的無功功率的變化量去調(diào)節(jié)VSC交流輸出端電壓的幅值，以使被控VSC

47、吸收或傳送無功功率達到其設(shè)定值。(5)定交流電壓控制控制基本方法是：利用VSC所聯(lián)交流母線電壓幅值的變化量去調(diào)節(jié)VSC交流輸出端電壓的幅值，以使被控交流母線電壓幅值達到其設(shè)定值。以上五種控制策略，(1)(2)(3)是通過調(diào)節(jié)VSC交流輸出端電壓與所聯(lián)交流系統(tǒng)電壓之間的相位差來實現(xiàn)的，(4)(5)是通過調(diào)節(jié)VSC交流輸出端的幅值來實現(xiàn)，且這兩種調(diào)節(jié)是同時進行和相互獨立的。因此VSC HVDC控制方案選擇的原則是：每端VSC都具有兩種基本控制策略，首先有一端必須采用(1)定直流電壓控制，另一端則可從(2)、 (3)中任選一種，其次每端VSC再從(4)(5)中任選一種。本文所涉及的仿真主要采用(1)

48、、 (3)、(4)、(5)這四種控制方式。兩端直流系統(tǒng)中，換流站可以進行遙控，并可以通過兩個站中的任何一個站進行監(jiān)控，或者從另外一個遙控點通過通訊線進行監(jiān)控。在正常運行方式中，每個站都不受另一個站的影響而獨立地各自控制其無功潮流，但是直流電網(wǎng)的有功潮流必須保持平衡，也就是離開電網(wǎng)的有功潮流必須等于電網(wǎng)所接收的有功功率減去直流系統(tǒng)中的損耗，否則會引起系統(tǒng)直流電壓的迅速升高或降低。因此，為了實現(xiàn)功率平衡，兩個換流站中必須有一個作為直流電壓調(diào)節(jié)器(DC Voltage Regulator)來調(diào)節(jié)直流電壓，而另一個作為功率調(diào)節(jié)器(Power dispatcher)用于控制系統(tǒng)中傳輸?shù)挠泄β蕿槎ㄖ?這

49、兩者都既可以是整流端，也可以是逆變端)。直流電壓調(diào)節(jié)器可以調(diào)整其功率信號來保證系統(tǒng)的功率平衡(即獲得恒定的直流電壓。站與站之間可以在沒有通信的情況下實現(xiàn)平衡，而只需測量直流電壓即可。同理，在多端直流系統(tǒng)中，至少要有一個換流站作為直流電壓調(diào)節(jié)器，而其它的換流站可以作為功率調(diào)節(jié)器運行。 第3章 VSC-HVDC數(shù)學(xué)模型的建立3.1 主電路模型當(dāng) VSC-HVDC 聯(lián)結(jié)2 個有源系統(tǒng)時，一側(cè)的換流器要作為電壓控制器維持直流電壓的穩(wěn)定；另一側(cè)的換流器作為功率控制器調(diào)節(jié)2個有源系統(tǒng)之間功率的傳送，原理圖如3-1：圖 3-1 VSC-HVDC的基本結(jié)構(gòu)圖(3-1)(3-2)對VSC1 有：(3-3)進行d

50、q變換：(3-4)其中由兩邊求導(dǎo)可得：(3-5)(1)若P為等功率坐標(biāo)變換矩陣：可得（5）式代入（4）中：即 (3-6)和和直流電壓間存在如下關(guān)系： (3-7)整流器從交流側(cè)系數(shù)的功率： (3-8)注（8）式的推導(dǎo)：與q軸夾角為，與夾角為 由此可得 化簡得 由 可得 忽略換流器和變壓器的損耗，VSC1從交流系統(tǒng)吸收的有功與VSC1輸出的直流功率相等，即：（3-9）參照圖3-1中電流方向，在VSC1直流側(cè)有如下電流方程： （3-10）將（3-8）、（3-9）式代入（3-10）式中得：（3-11）（5）、（10）聯(lián)立便得到VSC1的數(shù)學(xué)模型：（3-12）經(jīng)Laplace變換得:同理，可以得到逆變器

51、VSC2的方程：KVL：Park變換（“等功率”）：KCL：代入KCL方程中得：由此可得逆變器VSC2的數(shù)學(xué)模型：經(jīng)Laplace變換得：3.2 控制電路模型1、連接有源系統(tǒng)時的控制策略VSC1作為功率控制其，VSC2作為電壓控制器。有兩種dq坐標(biāo)系定位方式：（1）所聯(lián)交流系統(tǒng)母線電壓基波相量與q軸相同，（2）所聯(lián)交流系統(tǒng)母線電壓基波相量與d軸相同，按第一種方式定位：與q軸相同，式（3-8）可化簡為 3.2.1 功率控制器以VSC1為例PI1:有功偏差通過PI1環(huán)節(jié)控制，產(chǎn)生q軸參考電流值；:d軸電流參考值由無功參考值給定，因此PI2、PI3：將式（11）進行拉式變換，可得： （3-13）此處

52、 令 （3-14） 則：3.2.2 電壓控制器忽略諧波分量時，換流器輸出電壓基波分量與直流電壓之間，關(guān)系式為： （i=1、2）3.2.3 鎖相環(huán)PLL鎖相環(huán)的作用：保證dq系統(tǒng)與abc系統(tǒng)同步（根據(jù)交流系統(tǒng)角頻率w，以及交流電壓的相位，產(chǎn)生一個同步信號，當(dāng)它與交流系統(tǒng)同步時，坐標(biāo)系統(tǒng)被鎖定，并與abc三相保持同步）按第二種定位方式：與d軸同相，則（3-8）式可化簡為 因此功率控制器設(shè)計要改為：PI2、PI3：（13）式與前同，而此處，令 則電壓控制器和PLL鎖相環(huán)與前相同若以VSC1為電壓控制器，VSC2為功率控制器，則:功率控制器： （ ，）PI2、PI3：將（3-12）式進行那個拉氏變換：

53、 則 其中 電壓控制器 VSC1: 為控制目標(biāo)PI2參數(shù)：如前，且PI3參數(shù)：如前，且參數(shù)： 則 則 第4章 仿真模擬及分析4.1 VSC-HVDC控制器的設(shè)計對于一個VSC-HVDC系統(tǒng)來說，首先必須保證一端的直流電壓保持恒定，因此必須有一端采用定直流電壓控制，另一端采用定功率控制還是定交流電壓控制取決于所聯(lián)交流系統(tǒng)是有源網(wǎng)絡(luò)還還是無源網(wǎng)絡(luò)。本文研究了兩端均為有源交流網(wǎng)絡(luò)的VSC-HVDC系統(tǒng),因此另一端采用定功率控制。下面給出VSC-HVDC聯(lián)結(jié)兩個有源系統(tǒng)時的仿真模型，如圖 4-1 所示，其中整流側(cè)VSC1 采用定直流電壓控制，逆變側(cè)VSC2 采用定有功功率控制。圖 4-1 聯(lián)結(jié)兩個有源

54、系統(tǒng)時的仿真模型對于一個VSC-HVDC 系統(tǒng)來說首先必須保證其整流側(cè)和逆變側(cè)有功功率平衡，因為當(dāng)系統(tǒng)有功功率不平衡時會引起直流電壓和直流電流的波動，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。無功功率的變化對交流系統(tǒng)的電壓有很大的影響，當(dāng)VSC中無功功率的整定值大于交流系統(tǒng)所能提供的無功功率值時，交流電壓就會抬高。4.1.1 VSC1的數(shù)學(xué)模型圖 4-2 給出了VSC1 的數(shù)學(xué)模型在MATLAB/ Simulink 中的具體形式。圖 4-2 VSC1的數(shù)學(xué)模型主電路參數(shù)： 圖4-2為VSC1的控制器數(shù)學(xué)模型在MATLAB/ Simulink 中的具體形式。在本文中VSC1采用電壓控制器。圖4-2 VSC1電壓控制器V

55、SC1控制電路的參數(shù)（直流電壓，無功） PI1（PI-U）： =1.5 10 PI2,PI3(PI-d, PI-q): =0.1 5.5 4.1.2 VSC2的數(shù)學(xué)模型圖 4-4 給出了VSC2的數(shù)學(xué)模型在MATLAB/ Simulink 中的具體形式。圖 4-4 VSC2的數(shù)學(xué)模型主電路參數(shù)： 圖4-5為VSC2的控制器數(shù)學(xué)模型在MATLAB/ Simulink 中的具體形式。在本文中VSC2采用功率控制器。圖 4-5 VSC2 功率控制器VSC2控制電路的參數(shù)（有功 無功） PI1（PI-P）： =0.11 1.1 PI2, PI3(PI-d, PI-q): =0.1 0.55 4.2 仿真結(jié)果與分析4.2.1 情況1：直流電壓控制圖4-1 分別為的 的仿真波形圖4-2 分別為和的仿真波形圖4-3 分別為I1d和I2d的仿真波形圖4-4 分別為I1q和I