A-基于电压源换流器的交流系统电压调节研究

无功无法通过长距离交流输电线传输。而 VSC 通过直流线路输送功率，没有功率传输极限的问题，
只有一些有功损耗。而换相电抗则是只在 VSC 站到交流母线之间安装， X 的值可以根据功率传输的 需要和其它动态要求来设计，这样就没有了交流线路长距离传输时的 X 很大的问题，使 VSC 与交流
母线的有功和无功传输能力大大增强。VSC-HVDC 的运行还受到两个电流的限制，一是 IGBT 允许流过
VSC 通常的稳态基本控制方式有四种（不计频率控制）： a）定Udc 定 V（定直流电压和交流电压）； b）定Udc 定 Q（定直流电压和无功）； c）定 P 定 V（定有功和交流电压）； d）定 P 定 Q（定有功和无功）。 当交流侧电压US 下降时，相应侧的 VSC 输送功率能力会下降。此时 VSC 需要考虑两个因素：一 是换流器的过流；二是两端换流站功率传输不匹配造成直流电压的波动。 当交流系统电压下降时，VSC 为保证原来的功率输送值，就会增大换流器的输出电流。如果交流 电压过低，那么 VSC 输出电流就会达到 IGBT 耐流的上限，从而启动过流保护，输出电流不会增加， 而此时交流系统电压继续降低的话，VSC 输出的功率容量也开始下降。这时功率容量在低电压下对于 P 和 Q 的分配就会有不同的控制方式： （1）P 不变，Q 减小，当 Q 减为 0 时再减小 P。 该方式是为保证系统电压下降时 VSC 的有功传输，尽量避免原来 VSC 传输的有功功率转移给并 联的其它交流线路上引起过载；如果故障侧的 VSC 采用的是定直流电压控制，也利于直流电压的保 持和恢复。 （2）P 和 Q 按比例减小； 该方式是一种折中的控制，保证 VSC 输出给交流侧功率的功率因数不变。 （3）Q 不变，P 减小，当 P 减为 0 时再减小 Q； 该方式保证在系统电压下降时 VSC 提供足够的无功功率，利于恢复系统电压。 这三种控制方式如图 7。
Uc/p u Q / pu
0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
P/pu
-6
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
Uc / pu
图 3 输电线 PV 曲线
图 4 输电线 QV 曲线
Fig.3 Transmission line PV curve Fig.4 Transmission line QV curve
到一定程度时，送端已经无法将无功传到送端侧，相反送端反而也在发出无功，这些无功功率都消
耗在了线路电抗 X 上面。δ 较大时，功率圆的斜率也变大，那么增加 1 单位的有功传输，所引起的
无功增加量就变大。因此在重载下（ δ 较大），无功功率传输特性变差甚至不能传输，而且线路电流 较大，考虑线路电阻时，损耗较大。所以通常交流线路两端的相角差 δ 比较小。而且根据发电机功 角特性，线路上的相角差 δ 也有稳定运行的区间限制。
0.9 超前三种情况绘制；QV 曲线取UC 母线固定负荷有功 P 分别为 3、5、7pu（对应轻载、正常、重
载）三种情况绘制，Q 为正时表示UC 端母线向US 端发出无功。
1.4
6
0.9滞 后
1.0
0.9超 前
1.2
data4
4
data5
1 2
0.8 0
0.6
-2 0.4
0.2
-4
P=3pu P=5pu P=7pu
2013 电力系统自动化专委会学术交流研讨会论文集
本文所分析的电网只限于交流输电系统（输电线路有 X >> R ），首先运用交流系统电压问题的
静态分析方法对交流系统和 VSC 的电压、功率特性进行了研究，分析了 VSC 对交流系统电压调节作 用的本质原理，进而分析了 VSC 不同的控制方式体现出的不同系统电压调节特性，最后通过仿真观 察并验证了 VSC 对交流系统电压的改善作用。
若要使受端可以接收来自送端的无功功率，则受端电压UC 要小于送端电压US ，并且 δ 不能过大。
但是 UC 不能过小，过小会使功率圆的斜率变大，无功功率大部分都消耗在线路上，而且输电系统的
发电机和负荷设备也不允许电压过大或者过小。
线路电抗 X 过大时（线路较长）功率传输能力下降，功率圆曲率变大，若是保证一定量的有功
即使不考虑 IGBT 和直流电缆的限流，VSC 功率传输容量也是有上限的，因为出于动态响应特性 的考虑，换相电抗 X 不能很小，VSC 所联交流系统有一定的电压等级，VSC 容量的设计受到这两个因 素的限制。
（2）体现在 VSC 对有功和无功独立调节特性上面。对于图 1 中的交流线路，UC 是受源端电压US 、 负荷特性（包括无功补偿设备）和网络参数决定的，前面分析的 PV、QV 曲线就是在一定负荷条件（功 率因数、有功需求）下得到的。而 VSC 则是UC 是可调的，通过改变UC 大小和相位来调节有功和无 功，VSC 对功率的控制是主动的，只要是 P、Q 在合理的范围内。 1.3 不同 VSC 控制方式下电压-功率特性
1 VSC 对交流系统电压调节机理的静态分析
1.1 交流输电线功率传输特性
分析图 1 中的一段交流输电线路的功率传输情况，由于输电系统的线路 X >> R ，为分析方便， 忽略线路电阻，用电抗 X 表示线路阻抗。设US 为送端，UC 为受端，各电气量参考方向如图 1 所示。
PS QS
I
PC QC
US ∠0
的电压最低点上移。
通过前面对交流输电线路的分析，整理如下：
1） 交流输电线一般运行在两端相角差 δ 较小的情况下； 2） 线路重载（δ 较大）和长距离输电（ X 较大）时，线路无功传输能力变差甚至无法传输，
线路的有功和无功损耗较大；
3）交流线路传输功率的能力由线路阻抗和电压等级决定，线路阻抗越小，电压等级越高，输送
X
U C ∠δ
图 1 输电线路功率传输图
Fig.1 Transmission line diagram for power transmission
由相量方程，得到功率传输的关系。
送端母线：

PS
=
− USUC sinδ X
QS
=
US (US
−UC cosδ ) X

PS
2
+ (QS
−
U
2 S
X
)2
= ( U SU C X
)2
(1)
受端母线：

PC
=
− USUC sinδ X
QC
=
UC (US
cosδ X
−UC
)

PC
2
+ ຫໍສະໝຸດ BaiduQC
+ UC2 X
)2
= ( U SU C X
)2
(2)
传输线消耗：
QX
=
U
2 S
+
U
2 C
− 2USUC cosδ X
Fig.5 VSC Transmission system diagram
VSC-HVDC 系统每个 VSC 站与相应侧交流母线功率交换特性是一致的，故可以用单个 VSC 站与交
流母线的功率交换来进行分析。单个 VSC 站与交流系统的功率传输特性与前面分析的交流输电线路 的特性是类似的，图 2 的功率圆图以及公式（1）（2）（3）可以直接拿来在这里使用，只是UC 变成了
VSC-HVDC 系统很重要的一个特点是可以对有功和无功进行快速并且独立的控制，可以向系统提 供无功来对电压进行支撑，特别是当 VSC-HVDC 传输的容量在交流系统中占的比重较大的时候，其对 交流系统电压特性有着显著影响。文献[1-2]系统的阐释了交流系统电压稳定问题产生的机理、现象 和相应的调节手段；文献[10]对影响电压稳定的因素从稳态和暂态两个方面进行了说明；文献[6]讨 论了利用低压减载措施来应对系统电压崩溃的问题；文献[5]分析了 VSC 与交流系统在直流线路故障、 换流站站内故障和交流系统故障情况下 VSC 装置与交流系统受到的影响及相应的控制策略；文献[7] 分析了适合不同时间尺度和分析目的的模块化多电平换流器（MMC）的模型；文献[8-9]分析了 VSC 的稳态控制和故障下的保护策略；文献[11]分析了传统直流与交流系统的交互特性，为分析 VSC 与 交流系统的相互影响提供了参考。目前国际和国内的文献研究较多的是纯交流系统的电压稳定问题， 或者是传统直流与交流系统交互作用下的电压特性；对于 VSC 与交流系统相互作用分析多是集中在 电磁暂态过程上面，从而制定 VSC 装置级的控制策略。而把 VSC 放在详细的交流电网中进行整体系 统的电压特性分析和长时间尺度（如机电暂态）下的电压稳定问题则分析较少。
VSC 交流侧输出电压基波相量，而 X 则变成了 VSC 换相电抗。一些前面说到的交流输电线路的结论也
同样适用，比如系统要运行在相角差 δ 较小的情况下，传输功率的能力由 X 和电压等级决定，等等。
那么，VSC 功率传输特性与交流输电线路的区别在哪里呢？ （1）体现在 X 上面。交流线路在长距离输电时， X 不可避免的会比较大，从而电气联接变弱，
电压稳定是电力系统稳定的一个重要方面。电压稳定是电力系统在额定运行条件下和遭受扰动 之后系统中所有母线都持续地保持可接受的电压的能力。当有扰动、增加负荷或改变系统条件造成 渐进的、不可控制的电压降落，则系统进入电压不稳定状态。造成电压不稳定的主要因素是系统不 能满足无功功率的需要。电压稳定同系统的发电机和负荷特性、网络结构、无功补偿设备的配置及 系统控制方式密切相关[1-2]。电力系统中的各种设备（发电机、变压器、负荷等）对其工作电压都有 严格的要求，超出正常运行电压的范围会造成设备运转异常直至退出运行，甚至引起系统大范围的 电压崩溃，对系统造成严重危害。因此保证电压稳定是保证电力系统正常运行的不可缺少的前提。 文献[4]《电力系统安全稳定导则》中规定了电力系统主要元件允许的工作电压范围。
的最大电流，该电流决定了 IS 的上限 IS max ： P2 + Q2 ≤ ( 3US IS max )2 (4)
另一个是直流线路(电缆或架空线)允许通过的最大稳态直流电流 Id max ，它限制了有功功率的传
输范围：
−Ud Id max ≤ P ≤ Ud Id max (5)
综合式（2）（4）（5），得到 VSC 的稳态运行区间：
-15
-20
-25
-25
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
25
P/pu
图 2 交流传输线功率圆图
Fig.2 AC transmission line power circle diagram
图 2 中横坐标为有功，纵坐标为无功。
随着两端相角差 δ 变大，线路传输的有功增大，此时线路上消耗的无功 QX 也越来越大，当 δ 大
(3)
标幺系统下，取US =1.0， X =0.05，UC 分别取 0.9，1.0，1.1，令 δ 在-45°到+45°变化，得到
送端和受端的功率圆，如图 2 所示。
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Q/pu
20
15
10
5
UC = 0.9
0
UC = 1.0
UC = 1.1
QX
-5
-10
能力越强；
4）输电线的电压和相角有稳定运行的范围。 1.2 VSC 功率传输能力分析
VSC 输电系统电路如图 5 所示：
PS1QS1
I1
PC1QC1
PC 2QC 2
I2
PS 2QS 2
U S 1∠0
直流线路
X1
VSC1
VSC2
UC1∠δ1
U C 2 ∠δ 2
X2 US 2∠0
图 5 VSC 输电系统示意图
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基于电压源换流器的交流系统电压调节研究
韩丛达 １，2， 赵岩 2，汤广福 2
(1 中国电力科学研究院，北京市 100192；2 中电普瑞电力工程有限公司, 北京市 102200) 摘要: 基于电压源换流器的高压直流输电技术对于电力系统的电压具有支撑和调节作 用。本文在包括发电机励磁器、电力系统稳定器（PSS）、负荷模型以及无功补偿装置的静 态和动态模型相互作用的交流系统环境中，分析了 VSC 的加入对系统电压稳定性带来的影 响。首先使用静态分析方法研究了交流系统输电线路和 VSC 的电压-功率特性，然后分析了 不同的 VSC 控制策略对交流系统的影响，最后在电力系统分析软件 pss/e 中通过稳态和机电 暂态仿真验证了 VSC 对交流系统电压调节的有效性。 关键词: 电压源换流器；高压直流输电; 电压稳定；静态分析；机电暂态仿真
传输， X 的增大使得无功传输能力下降甚至无法传输，这就是为什么无功不能远距离输送的原因。
对图 1 的输电线路，仍取US =1.0， X =0.05，对送端受端母线UC 作 PV 、 QV 分析，得到相应
曲线如图 3、图 4。其中 PV 特性曲线取受端UC 母线固定负荷功率因数分别为 0.9 滞后、只传有功、
0 引言
基于电压源型换流器的直流输电系统（VSC-HVDC）采用了可关断器件（IGBT）和 PWM 调制技术 进行换流，有许多不同于交流输电和传统高压直流输电的特性。由于采用了全控器件，VSC 不需要交 流系统提供换相电压，本身可以作为电压源运行在四个象限，能够快速独立的调节其输出给交流系 统的有功和无功，可连接强、弱或者是无源电网，稳定交流系统的电压，提高交流系统的稳定性， 具有广阔的应用前景。
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−U d Id max
Q
U d Id max
− 3U S IS max
3U S IS max
（a）
Q
(0,
U
2 S
)
X
P
U SU C
d1 d1
X
感性
P
容性
（b）
图 6 换流站 P-Q 运行区间
Fig.6 Converter station P-Q operating range
从 PV、QV 曲线中可以看到，在一定的负荷条件下，母线电压UC 不能低于某一值，否则 P −V 和 Q −V 的变化率正负发生变化，系统不再稳定。另外，由 PV 曲线可以看到，输电线路有功传输有最
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大值，并且随着负荷功率因数的提高而变大；由 QV 曲线可以看到，线路负载加重时，能够稳定运行