vsc-hvdc建模与仿真

毕 业 设 计（论 文）

院 系 电气与电子工程学院 专业班级 电气1405班 生姓名 葛青宇

指导教师 文俊

二○一七年四月

题 目

高压直流输电系统的建模与仿真 ——以VSC-HVDC 为例

摘要

得益于大功率全控型电力电子器件的发展，基于电压源换流器(VSC)和脉宽调制(PWM)技术的柔性高压直流输电(VSC-HVDC)技术已经有了许多成果。由于该技术较于传统的高压直流输电明显的技术和经济优势，它得到了多方面的关注，并在一定程度上得到了应用。而VSC-HVDC控制策略有许多，本文在分析各种控制策略的原理及特点之后提出有效的控制策略，随后设计出各环节控制器实现对VSC-HVDC系统的控制。本文首先介绍了基于电压源换流器的高压直流输电技术的基本原理，讨论并比较了多种控制策略，得到适用于本文中讨论的VSC-HVDC系统的控制策略——整流器直流侧采用定有功功率控制交流侧采用定无功功率控制，逆变器直流侧采用定直流电电压控制模式交流侧也采用定无功功率控制。随后分析了电压源换流器的控制方法及其控制器结构，分别介绍了PLL环节、外环控制回路和内环控制回路的功能及原理，并完成了各环节控制器设计。根据选择的控制策略，利用MATLAB软件建立了相应的VSC-HVDC的稳态、含扰动的暂态以及三相接地故障的仿真模型。通过对仿真结果的分析，验证了VSC-HVDC的优良特性。

关键词：VSC-HVDC；PWM；电压源换流器；MATLAB仿真

目录

第1章.前言 (3)

第2章.VSC-HVDC的基本原理 (3)

第3章.VSC-HVDC系统控制 (6)

3.1.PWM基本原理介绍 (6)

3.2.VSC-HVDC系统控制策略 (7)

3.3.电压源换流器各控制器设计 (8)

3.3.1.电压源换流器控制结构 (8)

3.3.2.锁相环（PLL） (8)

3.3.3.外环控制（Outer Active-Reactive Power and Voltage Loop） (9)

3.3.4.内环电流控制器（Inner Current Loop） (11)

第4章.VSC-HVDC的MATLAB仿真及结果分析 (12)

4.1.VSC-HVDC稳态情况仿真 (12)

4.2.VSC-HVDC有功、无功和直流电压的阶跃响应情况仿真 (14)

4.3.VSC-HVDC交流测电压跌落与三相接地故障情况仿真 (15)

4.4.VSC-HVDC仿真结果分析 (17)

第5章.总结 (17)

第1章.前言

传统的高压直流输电系统普遍采用晶闸管和自然换相技术,而晶闸管是一种只具有控制接通而无自关断能力的半控型器件,在换相过程中,需要外部电网提供换相电压,当受端电网比较弱时,容易发生换相失败。而柔性直流输电技术VSC-HVDC采用电压源型换流器(VSC),功率开关由绝缘栅双极晶体管(IGBT)组成。电压源换流器采用脉宽调制控制技术,无需任何换相电压,可以向各种有源或无源网络输电。IGBT是具有自关断能力的全控型器件,开关速度快、频率高、损耗小。1997年3月,世界上第一条10 kV的轻型直流输电系统在瑞典的赫尔斯扬(Hellsjon)工程正式投入运行,并取得了较为满意的实验结果[1-4]。本文介绍了VSC-HVDC的基本原理,基于MATLAB建立了两端直流输电模型,整流侧和逆变侧分别采用定直流功率控制和定直流电压控制的控制方式,针对阶跃变化、三相接地故障等情形,对VSC-HVDC系统的模型进行了仿真和分析。

第2章.VSC-HVDC的基本原理

VSC-HVDC系统作为直流输电的一种新技术，也同样由换流站和直流输电线路构成。图1为VSC-HVDC系统原理图，包括两个换流站和两条直流线路。VSC-HVDC 功率可双向流动，两个换流站中的任意一个即可以作整流站也可以作逆变站运行，其中处在送电端的工作在整流方式，处在受电端的工作在逆变方式。

图 1 vsc-hvdc系统原理图

VSC-HVDC系统换流站的主要设备一般包括：电压源换流器、相电抗器、联结变压器、交流滤波器、控制保护以及辅助系统（水冷系统、站用电系统）等。

双端VSC-HVDC系统的系统结构如图2所示。其中电压源换流器的主要器件包括：全控换流桥、直流侧电容器、交流侧换流变压器或换流电抗器以及交流滤波器。其中全控换流桥采用三相两电平的拓扑结构，每一桥臂均由多个IGBT或GTO等可关断器件组成；直流侧电容器为换流器提供电压支撑、并缓冲桥臂关断时的冲击电流、减小直流侧谐波；交流侧换流变压器或换流电抗器是VSC与交流系统问能量交换的纽带，同时也起到滤波的作用；交流侧滤波器的作用则是滤除交流侧谐波。双端电压源换流器通过直流输电线路连接，一端运行于整流状态，另一端运行于逆变状态，共同实现两端交流系统间有功功率的交换。

图2双端两电平VSC-HVDC系统结构图

两端电压源换流器的换流站与直流线路合在一起构成VSC-HVDC系统。VSC-HVDC系统通常是双极运行，从两组对称的直流电容器组的中间引出一点接地，换流器的两个直流端一端为正极，一端为负极。正常情况下，两个极导线中的直流电流大小相等、方向相反，没有电流通过接地点和大地。

VSC-HVDC中电压源换流器通常采用脉宽调制控制技术。以正弦脉宽调制(SPWM)为例[13]，其控制原理如图2.3所示。abc三相PWM的调制参考波u aref、u bref、和u cref 与三角载波u trig进行数值比较，当参考波数值大于三角载波，触发相应的上桥臂导通并关断下桥臂，反之则触发下桥臂导通并关断上桥臂。在上下桥臂开关的交替导通与关断下，电压源换流器交流出口电压将产生幅值为正负U d/2的脉冲序列，其中U d为电压源换流器的直流侧电压。该脉冲序列中的基频电压分量与调制参考波相位一致，幅值为U d /2。因此，从调制参考波与电压源换流器出口电压基频分量的关系上看，电压源换流器可视为无相位偏移、增益为U d/2的线性放大器。由于调制参考波的幅值与相位可通过PWM的脉宽调制比M(电压源换流器交流输出基频相电压幅值与直流电压的比值)以及移相角度δ实现调节，因此电压源换流器交流输出电压基频分量的幅值与相位亦可通过这两个变量进行调节。