VSC_HVDC输电系统模式切换控制策略

ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１０２６．２０１２．０６．０１２ＶＳＣ－ＨＶＤＣ输电系统模式切换控制策略任敬国１，赵建国１，２，于大洋１，李可军１，牛　林２，梁永亮１（１．山东大学电气工程学院，山东省济南市２５００６１；２．国家电网技术学院，山东省济南市２５０００２）摘要：分析了基于电压源换流器的高压直流（ＶＳＣ－ＨＶＤＣ）输电系统在定直流电压控制端交流电网故障下的模式切换控制策略，提出了基于滞环和本地直流电压检测的模式切换控制，并给出了该控制的实现方法。

推导了正常运行时ＶＳＣ－ＨＶＤＣ输电系统直流功率与两侧换流器直流电压的关系式，给出了定有功功率控制端的直流电压正常工作范围的计算方法，提出了模式切换控制策略中直流电压阈值和故障穿越期间直流电压参考值的确定方法。

最后，ＰＳＣＡＤ／ＥＭＴＤＣ仿真验证了在不同故障类型和不同运行方式下ＶＳＣ－ＨＶＤＣ输电系统模式切换控制策略的有效性；仿真结果表明，该直流电压阈值和参考值的确定方法能够为模式切换控制策略的指令值整定与配合提供可靠参考。

关键词：直流输电；电压源换流器；矢量控制；模式切换控制；滞环；直流电压检测收稿日期：２０１１－０５－２５；修回日期：２０１１－１０－３０。

０　引言基于电压源换流器的高压直流（ＶＳＣ－ＨＶＤＣ）输电技术具有许多优点，譬如能够实现有功和无功功率的独立控制、具有一定的动态无功补偿能力、能够改善电能质量、向无源网络供电、容易实现潮流翻转和多端直流等［１－４］。

因此，ＶＳＣ－ＨＶＤＣ输电技术非常适用于风电场并网、弱电网或孤岛供电、交流系统的非同步互联、电力市场交易、多端直流输电以及城市供电等领域［５－８］，具有广阔的应用前景。

ＶＳＣ－ＨＶＤＣ输电系统为了维持功率平衡，一侧换流站必须采用定直流电压控制（ＤＣＶＣ）。

当故障发生在ＤＣＶＣ端交流系统时，电网电压跌落导致换流站输出相同功率需要更大的电流，从而使其进入限流控制模式，导致ＶＳＣ－ＨＶＤＣ输电系统的直流电压失去控制。

由于两侧换流站之间没有通信，定有功功率控制（ＡＰＣ）换流站仍按照参考值进行有功功率的输送，结果导致直流电压迅速上升或下降（取决于直流功率的传输方向），最终导致ＶＳＣ－ＨＶＤＣ输电系统退出运行。

文献［９］详细分析了ＤＣＶＣ换流站的交流系统故障时，ＶＳＣ－ＨＶＤＣ输电系统的直流电压控制逻辑，设计了一种换流站的控制模式切换方法来实现系统故障时的有功平衡和直流电压控制。

文献［１０］提出了利用阀的过电流能力、限流器和模式切换控制策略３种方法来实现交流系统故障时ＶＳＣ－ＨＶＤＣ输电系统的低电压穿越。

以上研究均没有给出模式切换控制策略的实现方法和检测信号的来源，对直流电压指令值的选取没有计算依据和方法，没有研究潮流反向时控制器的响应特性。

本文提出了一种基于滞环和本地信号的模式切换控制策略，并仿真验证不同故障情况下控制器的可行性。

１　ＶＳＣ－ＨＶＤＣ输电系统的结构与控制连接有源交流系统时ＶＳＣ－ＨＶＤＣ输电系统结构如图１所示。

图１　连接有源交流系统时ＶＳＣ－ＨＶＤＣ输电系统结构Ｆｉｇ．１　Ｂｌｏｃｋ　ｄｉａｇｒａｍ　ｆｏｒ　ＶＳＣ－ＨＶＤＣ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ　ｔｏ　ａｃｔｉｖｅ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ第３６卷　第６期２０１２年３月２５日Ｖｏｌ．３６　Ｎｏ．６Ｍａｒ．２５，２０１２ 图１中：Ｚｓ为系统等效阻抗；Ｌ为电抗器电感；Ｃ为换流器直流侧电容；Ｒｄ和Ｌｄ分别为直流线路的等值电阻和电感；ｕｓ１，ｕｓ２和ｕ１，ｕ２分别为两侧换流站的交流母线电压和交流出口电压；ｉ１和ｉ２分别为两侧换流站的电抗器电流；Ｐ１，Ｐ２和Ｑ１，Ｑ２分别为两侧交流系统流入换流站的有功和无功功率；Ｕｄｃ１和Ｕｄｃ２分别为两侧换流站的直流电压；Ｉｄｃ１，Ｉｄｃ２和Ｐｄｃ１，Ｐｄｃ２分别为两侧换流站流入直流线路的电流和功率。

各变量的参考方向如图１所示。

当ＶＳＣ－ＨＶＤＣ输电系统用来连接有源系统时，一侧换流站必须采用ＤＣＶＣ来维持直流电压稳定，另一侧换流站采用ＡＰＣ来控制有功功率的传送，其常用的控制器设计为双环矢量控制［１１－１２］。

为方便研究，假设换流站２采用ＤＣＶＣ模式，换流站１的外环控制器采用如图２所示结构。

图中：Ｃｔｒｌ信号用于换流站１在ＡＰＣ和ＤＣＶＣ模式之间的切换；ｉ１ｄｍａｘ和ｉ１ｄｍｉｎ分别为换流站１电流ｉ的ｄ轴分量的最大值和最小值；下标ｒｅｆ表示故障期间ＡＰＣ换流站的参考值，下同；ＰＩ为比例—积分控制器。

图２　换流站１的外环控制器Ｆｉｇ．２　Ｏｕｔｅｒ　ｌｏｏｐ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ｏｆ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　ｓｔａｔｉｏｎ　１２　基于滞环的模式切换控制策略为了避免ＤＣＶＣ端交流系统故障引起直流电压失去控制，可由ＡＰＣ换流站引入基于本地直流电压检测的控制模式切换策略来实现故障下直流电压的控制和有功功率的平衡，其基本原理如图３所示［９］。

图３　ＡＰＣ换流站的控制原理Ｆｉｇ．３　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ｄｉａｇｒａｍ　ｆｏｒ　ＡＰＣ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　ｓｔａｔｉｏｎ为了防止模式切换的频繁操作，该策略的实现可以引入滞环控制。

直流电压阈值与故障期间直流电压参考值的大小关系和控制模式切换的动作信号如图４所示，实现方法如图５所示。

图４　直流电压阈值与参考值的大小关系和控制模式切换的动作指令Ｆｉｇ．４　Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ　ｏｆ　ＤＣ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｔｈｒｅｓｈｏｌｄｓ　ａｎｄｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ　ａｎｄ　ｏｒｄｅｒ　ｏｆ　ｍｏｄｅ　ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　ｃｏｎｔｒｏｌ图５　基于滞环的模式切换控制策略的实现Ｆｉｇ．５　Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ　ｌｏｏｐ　ｂａｓｅｄｍｏｄｅ　ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　ｃｏｎｔｒｏｌ逻辑关系式Ｕｄｃ１＞１（标幺值）成立时，Ｐｄｉｒｅｃｔｉｏｎ＝１，确定了ＡＰＣ换流站处于整流状态；否则为逆变状态。

各指令信号的意义如下：下标３和４分别表示ＡＰＣ换流站处于整流、逆变状态下的指令值；下标ｕｐ和ｄｏｗｎ分别表示ＡＰＣ换流站切入ＤＣＶＣ模式和切入ＡＰＣ模式时的指令值；Ｕｄｃ１ｍａｘ和Ｕｄｃ１ｍｉｎ分别为正常运行时ＡＰＣ换流站直流电压的最大值和最小值。

当ＡＰＣ换流站工作于整流状态时，Ｕｄｃ１＞１逻辑关系式成立，Ｐｄｉｒｅｃｔｉｏｎ＝１。

若交流系统发生故障，ＡＰＣ换流站的模式切换过程分析如下。

在交流系统发生故障引起并网点电压深度跌落时，ＤＣＶＣ换流站进入限流模式，流入电容器的直流功率大于其交流侧输出的功率，导致系统直流电压上升。

当ＡＰＣ换流站的直流电压高于阈值Ｕｕｐ３时，ＡＰＣ换流站切换到ＤＣＶＣ模式；由于Ｐｄｉｒｅｃｔｉｏｎ＝１，直流电压参考值切换为Ｕｒｅｆ３，保证了故障期间ＶＳＣ－ＨＶＤＣ输电系统直流电压的控制。

当故障清除后，ＤＣＶＣ换流站退出限流模式，恢复了对直流电压的控制，但ＡＰＣ换流站仍采用ＤＣＶＣ，其参考值高于正常运行时的直流电压最大值，导致其有功电流进入限流模式，故其不能维持直流电压参考值，直流电压开始下降。

当ＡＰＣ换流站２０１２，３６（６）　直流电压下降至阈值Ｕｄｏｗｎ３时，ＡＰＣ换流站切回到ＡＰＣ模式，直流电压经过一个短暂的暂态波动过程之后进入正常运行范围。

当ＡＰＣ换流站工作于逆变状态，交流系统故障时该换流站的模式切换控制过程与工作于整流状态时类似，故不再赘述。

３　直流电压阈值和参考值的分析与计算由以上分析可知，基于滞环的模式切换控制策略的实现需要确定ＡＰＣ换流站的４个直流电压阈值Ｕｕｐ３，Ｕｄｏｗｎ３，Ｕｕｐ４，Ｕｄｏｗｎ４和２个故障期间直流电压参考值Ｕｒｅｆ３，Ｕｒｅｆ４。

因此，需要首先分析正常运行时ＡＰＣ换流站的直流电压工作范围；而后基于该工作范围选取ＡＰＣ换流站的直流电压阈值和故障期间的参考值。

３．１　正常运行时ＡＰＣ换流站直流电压的工作范围根据基尔霍夫电压定律，对直流线路有：ＲｄＩｄｃ１＋ＬｄｄＩｄｃ１ｄｔ＝Ｕｄｃ１－Ｕｄｃ２（１）假设ＶＳＣ－ＨＶＤＣ输电系统工作在正常稳定状态下，忽略直流线路的谐波分量而仅考虑直流分量，则Ｉｄｃ１为常数，故式（１）可化简为：ＲｄＩｄｃ１＝Ｕｄｃ１－Ｕｄｃ２（２）因此，直流线路在正常稳定状态下的等效模型如图６所示。

图６　仅考虑直流分量时直流线路的稳态等效模型Ｆｉｇ．６　Ｓｔｅａｄｙ－ｓｔａｔｅ　ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ＤＣ　ｌｉｎｅ　ｏｎｌｙｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ　ＤＣ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔＡＰＣ换流站的直流功率Ｐｄｃ１可以表示为：Ｐｄｃ１＝Ｕｄｃ１Ｉｄｃ１＝Ｕｄｃ１Ｕｄｃ１－Ｕｄｃ２Ｒｄ（３）稳态时，不妨假设换流站２始终处于ＤＣＶＣ模式，未进入限流模式且直流电压参考值不变，则Ｕｄｃ２可视为常数。

忽略ＡＰＣ换流站的电抗器和变流器损耗，得　Ｐｄｃ１＝Ｐ１＝３２ｕｓ１ｉ１ｄ　ｉ１ｄ∈［ｉ１ｄｍｉｎ，ｉ１ｄｍａｘ］（４）式（４）中ｉ１ｄ取值范围取决于ＡＰＣ换流站的有功电流限流器设计。

联立式（３）和式（４）可解出ＡＰＣ换流站的直流电压工作范围为Ｕｄｃ１∈［Ｕｄｃ１ｍｉｎ，Ｕｄｃ１ｍａｘ］。

该直流电压工作范围为ＤＣＶＣ端交流系统故障时控制模式切换策略直流电压阈值的选择提供了一个基准。

３．２　直流电压阈值与参考值的确定方法本文提出了一种确定直流电压阈值和参考值的方法（选取ＤＣＶＣ换流站的额定直流电压作为直流电压的基准值）如下：Ｕｕｐ３＝Ｕｄｃ１ｍａｘ＋σ１＋ε１Ｕｄｏｗｎ３＝Ｕｄｃ１ｍａｘ＋ε２Ｕｒｅｆ３＝Ｕｄｏｗｎ３＋σ２＋ε３Ｕｕｐ４＝Ｕｄｃ１ｍｉｎ－σ１－ε１Ｕｄｏｗｎ４＝Ｕｄｃ１ｍｉｎ－ε２Ｕｒｅｆ４＝Ｕｄｏｗｎ４－σ２－ε烅烄烆３（５）式中：σ１为ＡＰＣ换流站有功功率指令值从额定整流功率阶跃到额定逆变功率时直流电压的最大超调量；ε１为指令值的裕度，为了保证各种正常指令信号变化引起的直流电压扰动不会产生误动作，该裕度值的选择需要偏大一些，典型取值范围为０．０２～０．０４（标幺值）；ε２为指令值的裕度，为了保证ＡＰＣ换流站能够由ＤＣＶＣ模式切回ＡＰＣ模式，该裕度值仅需保证Ｕｄｏｗｎ３高于ＡＰＣ换流站正常运行时的最大直流电压且Ｕｄｏｗｎ４低于最小直流电压即可，典型取值范围为０．００５～０．０１０（标幺值）；σ２为ＡＰＣ换流站由ＡＰＣ切入ＤＣＶＣ时直流电压的最大超调量；ε３为指令值的裕度，为了保证切入ＤＣＶＣ后直流电压的暂态波动不会引起模式切换控制的误动作，典型取值范围为０．０１～０．０２（标幺值）。

另外，考虑到换流站直流侧电容器设计时的耐压水平和直流线路电压过低时导致的过电流水平２个因素，附加２个直流电压阈值的限制条件为：Ｕｕｐ３＜１．２Ｕｕｐ４＞｛０．８（６）４　仿真验证为了验证不同故障类型下和不同运行方式下ＶＳＣ－ＨＶＤＣ输电系统的模式切换控制策略与直流电压阈值和参考值确定方法的有效性，本文在ＰＳＣＡＤ／ＥＭＴＤＣ环境中建立了如图１所示的ＶＳＣ－ＨＶＤＣ输电系统仿真模型，模型的参数选择如附录Ａ表Ａ１所示。