VSC_HVDC输电系统模式切换控制策略

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
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
ｍｏｄｅ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ
图 ２ 换 流 站 １ 的 外 环 控 制 器 Ｆｉｇ．２ Ｏｕｔｅｒ ｌｏｏｐ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｏｆ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｓｔａｔｉｏｎ １
２ 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］
流电压参考值，直流电压开始下降。当 ＡＰＣ 换流站
·研制与开发· 任敬国，等 ＶＳＣ－ＨＶＤＣ 输电系统模式切换控制策略
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 。
（１．山东大学电气工程学院，山东省济２）
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。
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 ｏｎｌｙ
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
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
＋Ｌｄ
ｄＩｄｃ１ ｄｔ
＝ 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 ，
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 ａｎｄ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ 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 ｂａｓｅｄ
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
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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 Ｕ 分 ｄｃ１ｍｉｎ 别 为正常运行时 ＡＰＣ 换 流 站 直 流 电 压 的 最 大 值 和 最 小值。
ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ ＤＣ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ
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。
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
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 。
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 。
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 Ｐ ＝ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ 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
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 。
第 ３６ 卷 第 ６ 期 ２０１２ 年 ３ 月 ２５ 日
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１０２６．２０１２．０６．０１２
Ｖｏｌ．３６ Ｎｏ．６ Ｍａｒ．２５，２０１２
ＶＳＣ－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
收 稿 日 期 ：２０１１－０５－２５；修 回 日 期 ：２０１１－１０－３０。
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２０１２，３６（６）
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；