基于simulink的VSC-HVDC高壓直流應(yīng)用與研究

袁 威 游 菲 羅 奇

（貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院，貴州 貴陽550025）

0 前言

柔性高壓直流輸電（VSC-HVDC）相比交流輸電具有不存在兩段交流系統(tǒng)之間的同步運行穩(wěn)定性問題的明顯優(yōu)點，并且便于分區(qū)調(diào)度管理，有利于故障時甲流系統(tǒng)之間的快速緊急支援和限制事故的擴大，且聯(lián)網(wǎng)后雖然擴大了系統(tǒng)容量，但不需要更換斷路器的遮斷容量，而柔性高壓直流輸電（VSC-HVDC）傳統(tǒng)高壓直流輸電（HVDC），采用大量的IGBT器件構(gòu)成電壓源性換流器[1]，該電力電子器件能夠自關(guān)斷，無功消耗相對較小并且在直流側(cè)有利于新能源的接入[2]。

首先研究分析了高壓直流輸電、電壓源型換流器、矢量PQ解耦控制和PWM調(diào)制的基本原理，本文高壓直流輸電的主電路采用雙端接線方式；然后再simulink中搭建整個主電路和控制電路模型；實驗結(jié)果證明了整個系統(tǒng)的有效性、穩(wěn)定性和動態(tài)性。

1 模型原理

1.1 柔性直流輸電的原理

柔性高壓直流輸電的原理圖如圖1所示，該輸電系統(tǒng)主要構(gòu)成有整流站、逆變站和直流輸電線路三部分，并且本文采用的系統(tǒng)可進(jìn)行功率反送的兩段直流輸電系統(tǒng)，所以整流站也可以是逆變站，逆變站也可以是整流站。本文通過矢量控制并且采用PWM技術(shù)控制變流器。最終實現(xiàn)有功和無功的解耦控制。

圖1 柔性高壓直流輸電原理圖

1.2 PWM調(diào)制原理

PWM控制原理是通過對脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)，即通過一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來等效獲得所需要的波形。它是沖量相等而形狀不同的寬窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。在調(diào)制信號和載波信號的交點時刻控制各電力電子開關(guān)器件的通斷。在調(diào)制過程中輸入一個信號級的Ur就對應(yīng)輸出一個功率級的交流信號?？梢奝WM調(diào)制的優(yōu)越性。本文采用雙極性PWM的控制方式，在信號波Ur的半個周期內(nèi)三角波載波也是雙極性的，即有正有負(fù)的，因而所得的PWM波也是有正有負(fù)。在Ur的一個周期內(nèi)，輸出的PWM波有±U d兩種電平。在調(diào)制信號U r和載波信號U c的交點時刻控制各電力電子器件IGBT的通斷[3]。

2 換流器的的數(shù)學(xué)模型

設(shè)無窮母線電壓為Vsa，Vsb，Vsc；逆變器輸出電壓Vca，Vcb，Vcc；輸出電流為ica，icb，icc，連接電感與電阻分別為L和R。在靜止坐標(biāo)系下的方程為：

做dq變換后得到如下：

方程為：

其中ws為電網(wǎng)頻率。

以系統(tǒng)電壓us定向，則，us=usq，ud=0，有功和無功分別為：

由以上式子可知，可通過調(diào)節(jié)Ucd和Ucq來控制Icd和Ucq。進(jìn)一步達(dá)到控制有功P和無功Q的目的。為了實現(xiàn)有功和無功的解耦控制由（3）式得：

因此由以上得，若u*cd和u*cq作為控制變量，即可實現(xiàn)有功和無功的解耦控制。本試驗中，左側(cè)變流器控制直流電壓和有功。左側(cè)變流器控制其有功P和無功Q。

本實驗中，通過矢量控制整流側(cè)的無功和直流側(cè)的電壓，而逆變側(cè)控制其交流側(cè)的有功P和無功Q，從而實現(xiàn)控制目的[4]。

3 仿真結(jié)果分析

將兩端的三相電源的相電壓設(shè)置成1kV，并且使左端的電壓相位超前右端100度，使功率從左端傳向右端。通過矢量控制實現(xiàn)控制目的。在simulink中仿真后通過矢量控制分別發(fā)出的兩路PWM控制其左右兩個變流器。本實驗在整流側(cè)的控制系統(tǒng)給定一個階躍信號使其無功60Kvar變化至10Kvar，而直流電壓從2Kv躍變至1.8Kv。同時給逆變側(cè)控制器的給定一個階躍信號使有功從80kW變化至160kW，無功從0Kvar至20Kvar。由仿真結(jié)果表明，系統(tǒng)的響應(yīng)能夠跟隨給定變化。基本滿足要求。

4 結(jié)語

通過Simulink的仿真表明，利用simulink方法仿真具有成本低廉，可擴展性等優(yōu)點，本文在仿真過程中通過分別在其整流側(cè)和逆變側(cè)給定的階躍的信號，其相應(yīng)的響應(yīng)結(jié)果表明該系統(tǒng)能穩(wěn)定運行，能夠快速響應(yīng)，同時穩(wěn)定性、可靠性強。由于柔性直流輸電的換流器采用了IGBT全控器件，其提高系統(tǒng)的靈活性發(fā)。VSC-HVDC與LCCHVDC相比，柔性高壓直流輸電在智能配網(wǎng)、新能源和孤島等領(lǐng)域具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢，與和傳統(tǒng)交流輸電相比具有輸送電能損耗小優(yōu)點。因此，VSC-HVDC在現(xiàn)代工業(yè)和未來電力系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景[5]。

［1］湯光福.基于電壓源換流器的高壓直流輸電技術(shù)[M].北京：中國電力出版社,2010.

［2］游菲,袁旭峰,劉躍.柔性直流輸電在中國電網(wǎng)中的應(yīng)用前景[J].現(xiàn)代機械,2014,3：1-3.

［3］王兆安,劉進(jìn)軍.電力電子技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社,2009：79-81.

［4］丁冠軍,丁明,湯光福.VSC-HVDC主電路拓?fù)浼捌湔{(diào)制策略分析與比較[J].電力系統(tǒng)自動化,2009,33(10)：50-68.

［5］蔡光宗.柔性直流輸電技術(shù)在上海電網(wǎng)的應(yīng)用研究[J].供用電,2012,29(2)：1-5.