柔性直流输电系统的改进型相对控制策略

柔性直流输电系统的改进型相对控制策略

摘要：电压源换流器(VSC)中交流滤波器可滤除交流网络侧谐波，交流侧换流电

抗器或换流变压器有助于交流网络和VSC的能量交换，直流侧电容器可减小换流

桥切换时的冲击电流，同时也可滤除直流网络侧谐波。

关键词：柔性直流输电；控制策略；应用

前言

在柔性直流输电系统(VSC－HVDC)中电压源换流器采用全控型可关断器件，可实现对交流无源网络供电，同时对有功功率、无功功率进行控制。笔者采用外环

电压控制和内环电流控制，外环电压控制中送端VSC系统采用相对控制策略，通

过分别控制输出电压相对发电机端电压的相位角和幅值，进而控制其与送端系统

交换的有功功率和无功功率。受端VSC系统采用定交流电压和定直流电压控制方法，通过调制比和移相角信号产生器件的驱动脉冲，内环控制采用空间矢量控制

策略，PI控制器实现对d、q轴电流的解耦控制，运用PSCAD/EMTDC暂态仿真软

件建立相应的内外环控制模型，验证所设计控制方案的有效性和可靠性。

1柔性直流输电技术的概述

1.1柔性直流输电技术概念

柔性直流输电技术是由加拿大的科学家开发出来的。这是一种由电压源换流器、自关断器和脉宽调制器所共同构成的直流输电技术。作为一种新型的输电技术，该技术不仅可以向无源网络进行供电，还不会在供电的过程中出现换相失败

的现象。在实际使用的过程中，换相站之间不会直接依赖于多端直流系统进行运作。柔性直流输电技术属于一类新型的直流输电技术。虽然在结构上和高压输电

技术相类似。但是整体结构仍然是由换流站和直流输电线路构成的。

1.2柔性直流输电的特点

柔性直流输电是由高压直流输电改造而来的。应该说在技术性和经济性方面

都有很大的改善。具体来说，柔性直流输电技术内部的特点可以表现为如下几个

方面：

（1）在运用柔性直流输电技术的过程中，如果能够有效地采用模块化设计的技术，其生产和安装调试的周期都会最大限度地缩短。与换流站有关的设备都能

够在安装和使用的过程中完成各项试验。

（2）柔性直流输电技术内部的VSC换流器是以无源逆变的方式存在的。在使用的过程中可以向容量较小的系统或者不含旋转机电的系统内部进行供电。

（3）柔性直流输电技术在使用的过程中都伴随有有功潮流和无功潮流

（4）整个柔性直流输电系统可以有效地实现自动调节。换流器不需要经常实现通信联络。这也就在很大程度上减少了投资、运行和维护的费用。

（5）整个柔性直流输电技术内部的VSC换流器可以有效地减弱产生的谐波，并减少大家对功率的要求。一般情况下，只需要在交流母线上先安装一组高质量

的滤波器，就可以有效地满足谐波的要求。目前，多数无功补偿装置内部的容量

也不断地减少。即便不装换流变压器，内部的开关也可以更好地被简化。

2柔性直流输电技术的战略意义

目前，柔性直流输电技术在智能电网中一直都发挥着重要的作用。一般来说，柔性直流输电技术可以有效地助力于城市电网的增容改造和交流系统内的互联措施。目前，多数柔性直流输电技术也在大规模风电场建设的过程中发挥出了较好

的技术优势。如果大面积地选择柔性直流输电技术，将会在很大程度上改变电网

的发展格局。但是，相关的专业人员还需要有效地研究如何更好地建设大规模和

高电压的架空线路。并在使用的过程中对混合结构的直流输电网络形成挑战。在

今后，大家可以通过更有效地研究来将柔性直流输电技术并入大规模的风电场内部，这样就能够更好地提高供电网络的可靠性，并有效地缓解用电需求量较大的

电网的压力。

3内外环控制策略

3.1送端VSC控制策略

送端VSC通过控制输出电压相对发电机端电压的相位角和幅值，分别控制与

送端系统交换的有功功率和无功功率。当VSC－HVDC系统在稳态工况下运行时，应优先触发电流控制单元，可以将电流理想化，使电流等于其参考值，即

式中:P*———有功功率设定值，MW;

ud———直流电压设定值，kV;

id———有功参考电流，kA。

根据VSC吸收感性无功功率的参考值(默认为－0．1)与实际吸收的无功功率，得出无功功率差值，通过PI校正环节后得到调制比信号M。通过直流电压和直流电流计算得到直流有功功率信号Pd。这两个信号和发电机端电压信号UR一起用

于产生VSC开关管的驱动脉冲。与常规的两电源并联的情况略有不同的是，当相

角差△δ=0时，两系统之间无有功功率交换。因此，参考信号的移相角必须是根

据传输有功功率P计算得出的角度加上送端和受端系统之间原有的相角差(δS－

δR)。首先利用送端的发电机端三相电压信号UR得出与A相电压同步的0～360°

变化的信号T，乘以33(或其整数倍)后，再转换为0～360°范围内的信号，最后转

换为－1到+1范围的三角载波信号。同时设置每个开关管的导通、关断载波信号

相位相反。利用送端的发电机端三相电压信号UR产生6个相隔60°的信号，分别加上控制电路计算得到的触发角，并减去30°(Y型变压器产生的超前30°)，通过

函数控制，将这些角度信号控制在0～360°范围内，通过正弦函数发生元件产生

幅值为调制比M的6个正弦信号，作为6个开关管开通的参考信号。并将其中的

1和4、2和5以及3和6的参考信号对换，作为6个开关管关断的参考信号，最后利用脉冲发生元件，根据这些载波信号和参考信号产生开关管的触发脉冲。

3.2受端VSC控制策略

根据受端交流系统母线电压有效值UP及其参考值UR得出误差信号，经PI

校正环节后得到调制比信号N。该信号与受端直流电压信号Ul，以及受端交流系

统母线电压信号一起用于产生VSC开关管的驱动脉冲。该电路将根据实际的直流

电压信号Ul和直流电压指令(默认118kV)计算得到的误差通过PI校正环节，得到

参考信号移相角信号SF，最后利用调制比N和移相角信号SF产生器件的驱动脉冲。

3.3内环电流控制策略

由外环控制单元决定内环控制单元的参考电流设定值，输出值为正弦参考电

压udq，udq为系统换流器输出基波电压期望值的d、q轴分量，udq作用于触发

控制部分，实现对系统换流器的触发。电流d、q轴分量会受到交叉耦合项和交

流网络电压d、q轴分量的影响，为消除交叉耦合项以及交流网络电压d、q轴分

量的扰动，计算出VSC系统换流器交流侧期望输出电压的d、q轴分量值。电流d、q轴分量分别与电压d、q轴分量ud1、uq1的关系可用一阶方程描述。电压ud1

和uq1作为前馈补偿单元，不仅完成了电流d、q轴分量的独立解耦控制，同时

提高了系统的动态响应性能。从控制原理分析，电压前馈补偿单元通过开环控制