多端直流输电系统的控制策略研究讲解

1、南阳理工学院本科生毕业设计（论文）学 院：电子与电气工程学院专 业：电气工程及其自动化学 生：指导教师：完成日期2014年 5月南阳理工学院本科生毕业设计（论文）多端直流输电系统的控制策略研究Control Strategy Research of Multi-terminal HVDC System总计：31页表格：5个插图：19幅rw阳理工学院本科毕业设计（论文）多端直流输电系统的控制策略研究Control Strategy Research of Multi-terminal HVDC System学院：电子与电气工程学院专业：电气工程及其自动化学生姓名：学号：指导教师（职称）：评阅教师

2、：完成日期：南阳理工学院Nanyang Institute ofTeclmology多端II流输电系统的控制策略研宪多端直流输电系统的控制策略研究摘 要本文主耍研究VSC-MTDC基I* VSC换流器的新型多端百流输 电系统的运行控制问题。首先，论文通过Park变换建立了 dqO坐标系下VSC换 流器的数学模型，并研究了两端及多端VSC-HVDC系统的控制器设计，设计了一 种基于dq解耦控制理论的控制器。然后，论文建立了采用主从式单点直流电压 控制的柔性三端胃流输电系统，并在PSCAD中对其进行了仿真验证与分析。仿 真结果表明大多数工况下系统的控制性能具有良好的电压特性，但是当主站因故 障退出

3、运行时，系统将不能稳定运行，故供电可靠性仍有待提高。关键词电压源换流器：Park变换：dq解耦；电力系统仿真Control Strategy Research of Multi-terminal HVDC SystemElectrical Engineering And Automation Specialty ZHAO Xiao-qiAbsti act:Tliis dissertation focuses on the opet ation and control of the VSC-based multi-tenninal HVDC system. Firstly, a static m

4、odel of VSC in dqO coordinate system is developed tluougli the Park transfonnation. After that, controllers for rectifier and inverter are studied, here we design a controller based on d-q decoupling control strategy . Then, this paper established flexible three-terminal DC transmission system, wlii

5、ch used master-slave single point DC voltage confaol ancl canied out a simulation by use of PSCAD. Simulation results show that the control system has good control perfonnance in most cases But when the master station exit, the system will not be able to operate stably. So the power supply reliabili

6、ty of this control system remains to be improved.Keywords:VSC converter;Park transfonnation;d-q decoupling;PSCAD simulation多端II流输电系统的控制策略研宪目录1引言11.1传统直流输电的不足21.2柔性直流输电概述31. 2. 1 VSC-HVDC的应用与特点31.2.2多端直流输电系统的优势及应用领域42 VSC-HVDC系统模型及控制器设计52. 1 VSC-HVDC 系统模型52. 1. 1 VSC-HVDC 工作原理52. 1. 2 VSC-HVDC 系统建模62

7、. 2 VSC本地控制器的设计82. 2. 1柔性直流输电系统基本控制方式82. 2. 2基于d-q解耦的VSC系统的控制器设计103系统控制器仿真验证及分析123.1仿真主框架和控制量选择123. 1. 1仿真主框图123. 1. 2仿真主要参数的选取123.2有源系统控制器的仿真验证与分析133.2.1系统按照上述控制方案稳定启动运行的仿真与分析133.2.2系统正常运行后SE端参考自功功率减半的仿真与分析154 VSC-MTDC系统的控制策略及仿真分析174.1多端直流输电系统的基本原理174.2多端直流输电系统的基本控制策略194. 2.1多端直流输电系统的基本控制策略概述194. 2

8、.2多端直流输电系统的电压下降控制方式204.2.3多端直流输电系统的主从式控制策略204. 3基于主从式控制的VSC-MTDC系统的仿真与分析204.3.1仿真主框图的设计204. 3.2仿真主要参数的选取214. 3. 3多端有源系统控制器的仿真验证与分析22多端II流输电系统的控制策略研究4.3.4系统稳定启动运行时的仿真与分析234. 3. 5系统运行后SE端参考有功功率减半的仿真与分析244. 3.6系统运行后RE2侧从直流端端断开的仿真与分析254. 3. 7系统运行后RE1侧从直流端端断开的仿真与分析27结束语29参考文献30致谢31in多端II流输电系统的控制策略研究1引言电力

9、科学的发展是从直流电开始的，1882年，法国物理学家徳普勒用装设 在米斯巴赫煤矿中的直流发电机，沿着57公里的电报线路，以1.5-2RV的直流 电压，把电力送到了慕尼黑举办的国际展览会上，完成了有史以來的第一次输电 试验。但由于高床大容量直流电机的换向有困难，而且当时所采用的串联运行方 式比较复杂，可靠性也差，加之交流电发展迅猛，因此交流电就儿乎完全代替了 直流电，并发展成为今日规模巨大的电力系统W但是，随着电网的扩大，交流输电的局限性口益显露出來，比如交流远距离 输电会受到同步运行稳定性的限制。而与此同时，由于电力电子技术的迅速发展, 高电床大功率的换流技术被研究出來并得以应用，使得高压直流

10、输电乂重新被人 们所重视。由于在电力系统中从发电到用电大部分都是交流电，要使用直流电必须要经 过交直流转换，因此，直流输电的发展很大程度上依赖于换流技术的发展。在 20世纪30年代，高电压大容量的可控汞弧阔换流器研制成功，使得直流输电应 用于工程成为了现实4 5o1954年，瑞典本土到果特兰岛之间一条20MW、100kV 的海底电缆铺设完成，成为世界上第一个投入工业运行的直流输电工程。至此之 后，高斥直流输电技术在远距离大功率送电、大电网互联等场合得到广泛应用。 到1977年，世界上己经有12项应用汞弧阔换流器的直流输电工程投入运行。这 一段时期被认为是直流输电发展的第一阶段，即汞弧阔换流阶段

11、。但是汞弧阔制造技术较为复杂、逆弧率较高、可靠性较差，并且价格昂贵的 这些特点使其发展受到限制。20世纪70年代，晶闸管换流技术得到应用，由于 其不存在逆弧问题，可靠性也比较好，使得基于晶闹管换流的直流输电匸程大量 出现。并且在此期间，计算机控制技术、传输技术、控制保护技术等也得到迅速 发展，这也促进了高压直流输电的发展（l）o自1970年哥特兰岛直流输电工程 投入运行，到2010年，世界上己投产的直流输电工程有100余项。自1987年我 国自行建设的舟山直流输电工程投运以來，我国现已有十多项直流输电工程投入 使用冋。然而，由于传统高圧直流输电的核心部件一一换流器采用的是半控型晶闸管 器件，这

12、就决定了其在与无源网络互联和无功消耗等方面有许多不足。1982年, 全控型器件IGBT被用于低电压场合，随后，基于IGBT的电压源型换流器（VSC） 在工业上得到广泛运用。随着电力电子技术的发展，一些具有可关断能力的电力 电子器件（IGBT、GTO等）的出现促进了新一代直流输电技术一一柔性直流 输电技术VSC-HVDC的出现。1997年，世界上首个VSOHVDC工程赫尔 斯扬直流输电匸程投入运行，其换流器采用基于IGBT的两电平三相桥拓扑结构,多端II流输电系统的控制策略研究使用PWM调制方式，大大提高了开关频率。对于这种新型的直流输电技术，国 际大电网会议（CIGRE）和美国电气电子工程师协

13、会（IEEE）将其命名为”基于 电压源换流器的高压直流输电”（WSCHVDC”或WSC nansmission”）； ABB公 司称之为”轻型直流”（”HVDCLight”）：西门子公司称其为”新型直流” （MHVDC-Plus）；而我国的专家将该技术称为”柔性直流”（“HVDC-Flexible”）。1.1传统直流输电的不足采用晶闸管换流阀的传统HVDC输电的核心是相控换流器Phase Change Converter, PCC技术。其原理是以交流母线线电压过零点为基准，经过一定时延 后触发导通相应的换流阀。通过顺仔发出的触发脉冲，形成一定顺序的导通与开 断，从而实现交流电与直流电的相互转换

14、。晶闸管的半控性使PCC技术只能控 制阀的开通而不能控制阀的关断，关断必须借助于交流母线电床的过零使阀电流 减小至换流阀的维持电流以下才能使阀自然关断。因此基于PCC技术的 HVDC输电具有以下不足：（1）不能向小容暈交流系统及不含旋转电机的负荷供电。如果受端系统短 路容星不足，不能提供足够的换相电流，就不能保证可靠换相。逆变器容易发 生换相失败故障，如果受端系统为不含旋转电机的负荷，逆变器因无法换相而不 能对该交流系统供电：（2）换流器产生的谐波次数低，容量大，双极双桥换流站产生最低次数为 11次，13次的谐波电流其容暈分别约为基波容量的9%和7.7% ,加重了滤波 的负担：（3）换流站运行

15、时吸收大量的无功功率，稳态运行时，其吸收的无功功率 约为所输送宜流功率的30%60%，因此换流站需箜大量的无功补偿装置；（4）换流站投资大，占地而积大，为满足谐波标准和换流器的无功需要，换流 站装设有大量的无功补偿装置和滤波设备，加大了换流站的投资及占地面积，无功 补偿装置和滤波设备的投资约占换流站总投资的15%,占地面积约为全站总面积 的三分之一；（5）换流站运行时会产生大量的低次谐波，因此换流站需要大量滤波装置。 可见，基于PCC技术的传统HVDC输电虽是一门成熟的技术，但在与交流输 电的竞争中处于不利地位，其应用领域局限220kV及以上电压等级的远距离大 容量输电，海底电缆输电以及不同额

16、定频率或相同额定频率交流系统间的非同步 互联等方面，在配电网和近距离输电方面仍不如交流输电占优势。多端II流输电系统的控制策略研究1.2柔性直流输电概述1.2.1 VSC-HVDC的应用与特点用來完成电力变换过程的三相换流器有两种基本结构：电流源换流器（CSC） 和电床源换流器（VSC）,传统直流输电技术都采用电流源换流器（其在直流侧 作为恒定电流源），而新一代的柔性直流输电技术是以全控型、可关断器件构成 的电圧源换流器VSC （其在直流侧作为恒定电斥源）以及脉宽调制控制技术 PWM为基础的。与传统HVDC相比，VSCHVDC有以下特点：（1）VSC换流器中电流能够自关断，可以工作在无源逆变方

17、式，不需要外 加的换向电压，从而克服了传统HVDC受端必须是有源网络的根本缺陷，故可 用于向小容量交流系统或不含旋转电机的交流系统供电：（2）不会出现换相失败故障，即使对小容最系统或无源负荷供电VSC换流 器也不会发生换相失败故障，从而避免了受端系统出现持续儿个周期的短时电源 中断，提高了受端系统的电能质量；（3）正常运行时VSC可以同时且独立地控制有功和无功，控制更加灵活方 便：（4）VSC不仅不需要交流侧提供无功功率，而且能够起到S1ATCOM的作 用即动态补偿交流母线无功功率，稳定交流母线电丿玉，这意味着如果VSC容量 允许，故障时VSC-HVDC系统既可以向故障区域提供有功功率的紧急支

18、援，乂 可以提供无功功率的紧急支援，从而提高系统的电压和功角稳定性，无功补偿装 置的容量与传统HVDC相比大为减少，由于交流滤波器具有一定的无功容虽， 其至可以不装设专用的无功补偿装置：（5）市于使用电用源型换流器，故潮流反转时直流电流方向反转，而直流 电压极性不变，与传统的HVDC恰好相反。这个特点有利于构成既能方便地控 制潮流又有较高可靠性的并联多端直流系统，多个VSC可以接到一个固定极性 的宜流母线上，易丁构成与交流系统具有相同拓扑结构的多端直流系统，运行控 制方式灵活多变；（6）由于VSC交流侧电流可以控制，所以不会增加系统的短路容量这意 味着增加新的VSC-HVDC线路后，可以做到不

19、影响交流系统继电保护的整定：（7）VSC通常采用PWM技术，开关频率相对较高，因此换流器产生的谐 波大为减弱，因此只盂在交流母线上安装一组高通滤波器即可满足谐波要求所 需滤波装置的容屋也大大减小。由丁经过滤波后就可得到所需交流电压，因此若 无电压变换要求可以不装设变压器，同时可简化开关设置；（8）采用模块化设计是新型直流输电的一个重要特点，模块化设计使新型 直流输电设备的设计。生产安装和调试周期大为缩短，换流站的主要设备能够先多端II流输电系统的控制策略研宪期在工厂中组装完毕，并预先做完各种试验。柔性直流输电目前的经济功率传输范围为儿兆瓦至上T兆瓦，既可以用于中 小功率的输电场合，也可用于远距

20、离输电场合，因此，可以说柔性直流输电是传 统直流输电的有益补充。随着可关断器件功率等级的提升和技术的成熟，柔性臣 流输电的成本会进一歩降低，凭借其优良的技术特性，有可能在大功率、远距离 输电场合代替传统直流输电。1.2.2多端直流输电系统的优势及应用领域与传统直流输电类似，柔性直流输电工程按结构也可分为两大类，一类是两 端柔性直流输电，其与交流系统只有两个连接端口，每个端口处有一个换流站； 另一类是多端柔性直流输电，其与交流系统有三个或三个以上的连接端口，分别 有三个或三个以上的换流站。现阶段，一般的直流输电多为双端系统，仅能实现 点对点的功率传送，无法满足多电源供电和多落点受电的需要，且当一

21、端换流站 出现故障退出后，整个直流系统将处于瘫痪状态，而多端系统则可以解决这些问 题。多端直流输电系统是由三个或三个以上的换流站及相互之间的输电线路所组 成的输电系统，可以实现多电源供电和多落点受电，比两端输电系统更经济。由 于柔性直流输电具有在潮流翻转时，点流电压极性不变、直流电流方向反转的特 点，电斥源换流器对于直流侧相当于电圧源，十分有利于构成并联多端直流输电 系统。柔性多端直流输电系统在运行灵活性、可幕性、经济型等方面占有优势，其 主要存在的应用领域如下：(1) 分布式发电(distributed geneiation)。分布式发电装置足指小型的与环 境兼容的独立电源。这些电源为电力部

22、门、电力用户或第三方所有，用以满足电 力系统和电力用户特定的要求，如调峰、为边远用户供电、为商业区和居民区供 电，节省输变电投资、提高供电可靠性等。分布式电源主要是指具有良好的环保 性能的微型燃气轮机Micro-turbines、燃料电池Fuel Cell等。这类电源比较分散, 并且有些电源输出的电力难以直接并入交流电网，比如燃料电池输出的是直流电 压。因此VSC-MTDC系统为分布式电源的联接提供了可行的技术平台。(2) 可再生能源发电，包扌舌太阳能发电、风力发电等。使用柔性直流输电 技术进行风电场并网，可以缓解由风电场输出功率波动而引起的电斥波动问题， 改善电能质最：当交流系统发生短路故障

23、时，可有效隔离故障，保证风电场稳定 运行；柔性输电采用地埋式直流电缆，非常满足环保的要求。但是由于风力发电、 太阳能发电有不稳定的特点，故最好与稳定电源配合使用，以保证重要负荷的供 电可靠性，从而构成了一个VSC-MTDC系统。0 时，P0, VSC吸收有功功率，其作用相当于传统的HVDC输电系统中的整流 器：当$0时，P0, VSC输出有功功率，其作用相当于传统HVDC输电系统中 的逆变器。所以，通过对/值的控制，就可以达到控制直流电流方向和输出功率 大小的双重目的。(U5 -Uc cos0 时，QX),这时 VSC 吸收无功功率：(U;-Uc cos5)0 时，Q Usb、Use为交流系统

24、的三相电压瞬时值，Uca、Ueb、Ucc 为VSC交流侧的三相电圧瞬时值，R、L为换流变圧器、线路的等效电阻和电感, Ide为换流器流出的直流电流，Idl为直流侧线路的电流。由上图结构中，可以根据基尔霍夫定律得到在abc坐标系下的方程:多端II流输电系统的控制策略研允(2)为了方便进行控制，把abc坐标系下的上方程（2）进行Park变换，其中变 换的Park矩阵为：对式（1）进行Park变换得到在dqo坐标下的方程：，dlsd、dTdlsqdTdlsO、dt丿忽略电阻R和换流器的损耗，由瞬时功率相等可以得到下列功率半衡等式:1=LUsd、Usq1L，Ucd、UcqUc0IsdIsqIso、|

25、69lsq-69lsd丿0(4)(cosftt2COS(cd-TT)2 、COS(Cti + 7r)P =13-sinftt_sin_ 討)-sin(at + 扌;r)111(5)P = - (Usd Isd + Usq Isq) 2Q = (Usd Isq-Usq* Isd)P = Ude* Ide由（5）式可得:ld3VSd lsi UM：2Udc乂在vse模型中，由电路定理可以得到：JUdc TIde G+ Idt综合(6)和(7)可得：dUdc 3(Usd * Isd + Usq * Isq) Idl(6)dt2Udc*C综合上述关系式我们可以得到：(8)多端n流输电系统的控制策略研究

26、Isd IsqUde7Isd + coLsqIsq - 69lsd+R3(U sd * Isd +Usq* Isq) Idl 2Udc * Cc丿flL01 fUsd-Ued0 1Usq_Ucq 丿这样我们初步得到了在dqO坐标系的VSC的数学模型，当令系统的a相电 压方向和旋转dqO坐标下的d轴方向重合，即取0初相角。以三相系统中的a 相电压作为参考电压。则根据功率守恒定律，dqO旋转坐标下的系统功率传输方 程可由式子（5）得到：(10)P = (Usd* Isd) Q = (Usd Isq) 2P = Ude* Ide由（10）可知：系统的交流电流可以分解成两个相互独立的分量Isd和Isq

27、, 在实际控制系统中，换流器的有功功率P只与Isd相关，从而证明该模型下，有 功与无功是解耦的。另外，考虑到在系统正常运行时，系统的功率损耗值远远小 于系统功率传输值，因此可以近似地认为P与【sd的关系也是线性的，因此该模 型非常有利于稳态控制器的设计和工程控制实现。2.2 VSC本地控制器的设计2.2.1柔性直流输电系统基本控制方式VSC- HVDC控制系统分为系统级控制、换流站级控制、触发级控制12,13, 本文主要针对换流站级的控制研究。换流站级的控制是系统级控制盒触发级控制 的桥梁，接收并跟踪系统级控制系统产生的直流电床指令、有功、无功功率指令, 以及交流电床指令及频率指令等。根据这些

28、指令得到SPWM的调制比和移相角, 从而实现对变流站的控制，使变流站运行于目标状态。目前对于电斥源换流器的 控制量主要可以分为两大类：（1）定有功功率类控制：即根据有功功率类物理量参考值与测量值间的偏 差，调节换流站输出端电压与交流系统电压间的相角差，使有功功率稳定在设定 值。其调节量直接或间接的与有功功率相关，包括定有功功率控制、定直流电圧 控制、定直流电流控制和定频率控制。多端II流输电系统的控制策略研究(2)定无功功率类控制：即根据无功功率类物理帚:参考值与测最值间的偏 差，调节换流站输出端电压与交流系统电压间的相角差，使无功功率稳定在设八 值。其调节量直接或间接的与无功功率相关，包括定

29、无功功率控制和定交流电压 控制。其调节屋直接或间接的与无功功率相关，包扌舌定无功功率控制和定交流电 压控制。而具体的控制方式也有两种： 间接电流控制间接电流控制实际上就是电斥幅值和相角控制。即通过控制交流侧的电斥基 波的幅值和相角來实现对换流站的控制。这种控制方式结构简单，但是存在交流 侧电流反应慢、难以实现过电流控制等缺陷。 直接电流控制直接电流控制是目前占主导地位的控制方式。直接电流控制乂称为矢量控 制。由外环电斥控制和内环电流控制组成，具有快速响应的电流特性，同时具有 很好的内在限流能力。目前对直接电流控制的研究比较多，本文所研究的dq解 耦控制也是直接电流控制的一种。其典型控制框图如图

30、3所示。图3三相电斥型PWM整流器双闭环直接电流控制结构图整个控制器由内环电流控制器、外环电圧/功率控制器、脉冲触发、锁相环等部分组成。内环电流控制器可以实现对换流器交流侧电流的直接控制，外环电压控制器则根据实际运行需耍，实现对定直流电压控制、定有功功率控制、定无功功率控制、定频率控制等，并产生对应的dq坐标系下的标准电流和儿応。然后利用标准电流在dq坐标系下利用式(9)进行dq解耦，产生需要的标准电压和儿檢，再经过小口到abc的变换产生需要的abc坐标系下的标准电压。继而通过一个载波比较器产生所需耍的触发脉冲。其中锁相环是使电路的输出信号能够跟踪其输入信号的一种信号检测电路。电力系统中的锁相

31、环充分利用了三多端II流输电系统的控制策略研宪相系统的特点，采用同步旋转坐标变换的办法，通过控制q轴或d轴的电圧为零 來获得同步相位，从而实现dq坐标与abc坐标三相保持同步。其提供的相位信 号用于提供电压矢量定向控制和生成触发脉冲所需的基准相位。2.2.2基于d-q解耦的VSC系统的控制器设计在2.3.1中我们己经大致介绍了 d-q解耦的双端VSC的控制策略，本节将 具体的介绍各个模块的控制器设计和相应的结构程斥图。(1)内环电流解耦控制器根据上文式(9)可以得到如下的内环pscad程序控制框图如图4所示。IsdlIsl：ld?efFoUsq1oJsdref图4内坏程序控制框图(2)外环控制

32、器这次本文所用到的外环控制器有有功功率控制器，直流电压控制器和无功功 率控制器，其pscad S序控制框图分别如图5、6、7所示图5仃功功率控制器10多端II流输电系统的控制策略研宪图5、6、7所展示就是本文仿真所用到的三种外环控制策略的程序图，输出 为d轴或q轴的参考电流，然后就进入了内环电流控制，再由内环控制器输出d 轴和q轴的参考电丿玄，经过dq-abc变换后就可以通过下面的三角载波比较器产 生IGBT所需要的触发脉冲。（3 ）调制波与三角载波比较器及触发脉冲的产生如图8所示。图8三角波比较器及脉冲发生框图11多端II流输电系统的控制策略研宪图中比较器的输入就是所要的abc坐标系下的参考

33、交流电压，输出就是IGBT 的触发脉冲用来产生需要的调制波形。3系统控制器仿真验证及分析上一章依据dq解耦理论分别设计了控制器，为了验证所设计控制器的正确性， 并进一步分析VSC-HVDC的运行特性，本章应用电磁暂态软件PSCAD/EMTDC 搭建了两端与有源网络相联的VSOHVDC系统模型和向无源网络供电的 VSC-HVDC系统模型，在此基础上对各控制器进行了仿真验证与分析。3.1仿真主框架和控制量选择3.1.1仿真主框图本次双端系统仿真的主框图如图9所示。RE1图9秤序主框图如图9所示，本次仿真所涉及的两端VSC系统均是与有源网络相连。其中 换流站SE选择了定有功功率控制和定无功功率控制的

34、控制策略；换流站RE则 选择了定直流电压控制和定无功功率控制的控制策略。3.1.2仿真主要参数的选取仿真主要参数的选取如表1、表2所示。表1SE侧主要仿真参数SE侧Pief冇功参考值10MWQrcf无功参考值5Mrar?P有功PI控制P参数4Pi白功P1控制I参数0.01X联结电抗0.053H12多端II流输电系统的控制策略研究Qp无功PI控制P参数40Qi无功PI控制I参数0.02交流额定频率/线电丿R/额定容量50Hz/230KV/100MrA衷2 RE侧主要仿頁参数RE侧Ucref直流电压参考值60KVQrcf无功参考值(-)6MVarUp直流电压pi控制p参数8ui直流电压pi控制I参

35、数0.01X联结电抗0.053HQp无功pi控制p参数27Qi无功pi控制I参数0.2交流侧额定频率/线电压/额定容量50Hz/230KV/100MrA3.2有源系统控制器的仿真验证与分析如上文所述，系统运行时，换流站1采用定有功功率、定无功功率控制；换 流站2采用定直流电压、定无功功率控制，设定直流电圧参考值为60kV,有功 功率参考值为10MW,两侧功率分别设为5Mvar和-6Mvar,仿真中分别设定下列 两种运行工况：（1）系统按照上述控制方案稳定启动运行：、（2）系统正常运行2s后SE端参考有功功率减半，变成5MW：用本章所设计的控制器对两种情况分别进行仿真，并对仿真进行对比分析。3.

36、2.1系统按照上述控制方案稳定启动运行的仿真与分析其仿真波形如图10所示。图（a） SE侧有功功率13多端II流输电系统的控制策略研几vsc2: GraphsPRE-15.00 J-0.00 olo too 150200Z5010015000I?00 图(b) RE侧冇功功率I图(c) SE侧无功功率vsc2 : Graphs5.00 n4.50- 4.00- 3.50 3.00 250 2001.50- 1.00- 0.50- 0.00- -0.50 -1.00- -1.50- -2.00REQ0.0 1.0 2.03.04.05.0图(d) RE侧无功功率多端II流输电系统的控制策略研究图

37、(e)直流侧电压图10稳定启动后仿真波形仿真结果分析：观察图10可知，仿真结果中的SE换流站的有功功率和无 功功率在正常启动后都能够很快的稳定在参考值附近并因为PI控制器的存在而 有微小的上下波动：RE换流站的有功功率则能够很好的跟踪SE侧的有功功率, 其波动的來源则有可能是换流站白身损耗和线路损耗：他们的直流侧电圧也能够 稳定在参考值60KV附近。结果说明该d-q解耦的控制方式起到了很好的控制作 用，仿真结果验证了控制理论及控制器设计的正确性。3.2.2系统正常运行后SE端参考有功功率减半的仿真与分析其仿真波形如图11所示。Graphs 图(a) SE侧冇功功率15多端I流输电系统的控制策略

38、研究vsc2: Graphs.2.00 PRE-15.000.0 1.0 2.03.05.0图(b) RE侧冇功功率VSC1 : Graphs0.01.02.03.04.05.0图(c) SE侧无功功率vsc2: Graphs0.000.501.001.502.002.503.004图(d) RE侧无功功率16多端II流输电系统的控制策略研几ysc2; Graphs图(e)直流侧电压图11系统有功功率减半的仿真波形仿真结果分析：观察图11可知，仿真结果中的SE换流站的有功功率和无功 功率在正常启动后都能够很快的稳定在参考值附近，并且当参考功率发生变化 时，该端功率也能够很快的稳定在新的状态下面

39、：RE换流站的有功功率则能够 很好的跟踪SE侧的有功功率，其波动的來源则同样有可能是换流站白身损耗和 线路损耗：他们的胃流侧电压也能够稳定在参考值60KV附近。结果说明该dq 解耦的控制方式不仅适用于稳态过程，也在动态过程中起到了很好的控制作用， 仿真结果同样验证了控制理论及控制器设计的正确性。4 VSC-MTDC系统的控制策略及仿真分析4.1多端直流输电系统的基本原理多端直流输电系统(MTDC, Multitemiinal HVDC)是指联接三个以上换流 器的直流系统。MTDC系统比两端HVDC系统具有更好的经济性和灵活性， 充分发挥了直流输电技术的经济优点和技术优点因而更具吸引力，这种认识

40、己经 成为与| |俱增的共识。多端直流输电系统按照换流站的类型可分为以下三种：(1) 所有换流站都是电流源型换流站CSC-MTOC : (2)所有换流站都是电圧源型 换流站VSC-MTDC； (3)既有电流源型换流站乂有电压源型换流站的混合多端 直流输电系统Hybrid-MTDCo现己投入商业运行的多端直流输电系统都属于第(1)种类型，即所有的换 流站都是传统的CSC控制器。目前世界上已经有如下的CSC多端系统投入商 业运行包括：(1)加拿大的纳尔逊河双极，双回直流并列的四端直流系统，于1985 年建成。电压500kV输送功率2000 MW,输送距离940km；(2)美国太半17多端II流输电

41、系统的控制策略研究洋岸联络线双极四终端系统，于1989年建成，原有直流系统电斥为400kV , 经过串接整流阀后升圧为500RV，另外再并联一组双极500RV系统，输电功率 为3100 MW,输电距离1369km： (3) SACOI电力系统，即意大利萨丁岛法国 科西嘉岛意大利本土输电系统，该系统为单极三终端输电系统，线路电压 220kV,输电功率200MW,在科西嘉岛T接抽取25MW功率，于1987年底 投入运行：(4)加拿大魁北克水电局，美国新英格兰双极五终端直流系统，该工 程分两期建成，第一期建设一个450kV , 172km的两端直流系统，输电功率 690 MW于1986年投入运行。其

42、后扩展为一个5端直流系统，其中3个换流站 在加拿大的魁北克省，2个换流站在美国的新英格兰。由于传统CSC-HVDC的运行控制方案已经比较成熟，并且已有实际工程投 入商业运行，但是传统CSC-MTO系统潮流反转时直流电流方向不变，直流电床 方向发生反转。而VSC-MTDC系统潮流反转时直流电床方向不变，直流电流方 向反转。由图12可见CSC-MTDC发生功率反转时，电斥极性改变，并且需要 依靠机械刀闸操作，比较复杂，降低了可靠性。而VSC-MTDC发生功率反转时, 电压极性不变，不需要机械操作，速度较快，可靠性较高，因此本文的研究范围 主要限定在VSC-MTDC方面。MTDC接线如图12所示。(

43、a) CSC-MTDC(b) VSC-NdTDC图12 MT DC接线示意图VSC-MTDC根据换流站在直流电网中的联接方式乂可分为并联和串联两种 类型。一般而言，只有在小功率抽头应用中才考虑采用串联方案，因为这样它可 以运行于较高的电压和较低的电流，从而比它在满电圧和低电流的运行方案下运 行更经济。而通常并联方案被更广泛地接受与串联方案相比，并联方案有更好 的线路损耗，更容易控制，并为将來的扩展提供更多的灵活性。图13为4端VSC-MTDC示意图，图中所有换流器都VSC换流器。其中换 流器1 , 2 , 4与有源交流网络相联，既可以运行在整流方式，乂可以运行在逆 变方式，换流器3与无源网络相

44、联，只能运行在逆变方式。四端VSC-MTDC结构示意图如图13所示。多端II流输电系统的控制策略研究图13四端VSCMTDC结构示盘图两端VSC直流系统是最简单的VSC直流系统，它可以完成将电能从一个 换流站送往另一换流站的基本功能，包括实现功率反转的功能。虽然两端直流系 统控制相对简单，可靠，但是它在运行灵活性，经济性等方面仍存在许多不足之 处，主要表现在：（1）对每一处负荷或电源都需要建设一套完整的直流系统，相 对成本较高：（2）由于缺少后备，可靠性较差。而多端直流输电系统以其高度的 灵活性和可控性可以较好地解决上述问题，因此 实现基T VSC的多端直流输/ 配电系统就成为直流输电技术进一

45、步研究发展的重要方向。4.2多端直流输电系统的基本控制策略4.2.1多端直流输电系统的基本控制策略概述虽然多端系统比两端系统具有更高经济性与灵活性，但是多端系统的运行控 制更为复杂冋。对于现有投入商业运行的CSC-MTOC系统，一般设定唯一的换 流站控制直流电压恒定，其余采用定直流电流或定角度控制，这样的直流系统 各换流器靠一定的裕度配合运行，具有较强的刚性，对通讯的要求也不高。因此, 仿照实际的CSC-MTDC系统，VSC-MTDC系统也可以采用相似的控制策略，即 设定唯一的换流站控制直流电床恒定，其余与有源交流网络相联的换流器采用定 直流电流或功率控制，与无源交流网络相联的换流器采用定交流

46、电圧控制。这也 是本节主要要研究和仿真验证的主从式控制策略。另外，与两端系统不同的是，通常MTOC系统还需要设置上层控制器，对 J：个多端直流系统而言，所有换流器注入直流输电网的电流之和因该为零。上 层控制的作用是在稳态运行状态下，根据系统潮流变化，为系统中各个换流器提多端II流输电系统的控制策略研究供优化后的指令值。在非正常运行状态下，如直流侧故障或交流侧故障后，上层 控制根据系统结构与运行参数的变化，协调系统进入稳定工作状态。但是由于篇 幅问题，本文主要研究多端系统的本地控制，而对于上层控制则不再赘述。4.2.2多端直流输电系统的电压下降控制方式电压下降式控制方式是指换流器自流电压随着输出

47、电流或功率的增加而线 性地下降，通常采用带下降特性的电压控制是为了保证随着并联换流器数目不 断增加，多端系统仍能维持稳定运行。然而，釆用这种控制方法会造成一定的静换流器的下降特性曲线中Uref为直流侧参考电压，Ide为直流电流。这种控 制方式基本上能够保证中小型系统的稳定运行，但是采用电压下降方式的实际并 联多端系统规模不易过大，因为这时的电压偏移将超过系统的电压稳定范围，而 采用主从式控制方法的多端系统基本上没有这样的限制，所以本文将主要研究主 从式控制策略。4.2.3多端直流输电系统的主从式控制策略主从式控制策略上文也己提到过，就是设定唯一的换流站控制直流电压恒 定，其余与有源交流网络相联

48、的换流器采用定直流电流或功率控制，与无源交流 网络相联的换流器采用定交流电压控制。而对于多端系统的某一个换流站的控 制，则与第3节中所叙述的控制策略完全一致，这里不再重复讨论。在运用主从 式控制策略的系统中，如果主换流站因为某种原因退出运行，则整个系统的直流 侧电床将不再稳定，系统将不能稳定运行：而当某个从换流站因为某种原因退出 运行，剩余的换流站则由于主换流站的直流电压控制仍然能够稳定运行。4.3基于主从式控制的VSC-MTDC系统的仿真与分析43.1仿真主框图的设计依据上一节所论述的主从是控制策略，并使用dq解耦的换流站控制方式， 本节将利用电磁暂态软件PSCAD对模型进行仿真，仿真的主框

49、图如图15所示。20多端II流输电系统的控制策略研宪图15 VSOMTDC程序主框图由上图可知这是一个三端的VSOMTDC系统，系统的主接线方式为并联 型。三端都连接的是有源网络，这就意味着三个换流站都既可以运行在整流方式, 乂可以运行在逆变方式，每一端的控制方式都是dq解耦控制，其中换流站SE 选择了定有功功率控制和定无功功率控制的控制策略：换流站RE1选择定直流 电圧控制和定无功功率控制的控制策略：其中换流站RE2选择了定有功功率控 制和定无功功率控制的控制策略。即三端协调则运用了主从式控制策略。43.2仿真主要参数的选取仿真主要参数的选取如下表35所示。表3 SE侧主要仿莫参数SE侧Pi

50、cf有功参考值13MWQref无功参考值(-)6MVaiPP有功PI控制P参数4Pi有功PI控制I参数0.01X联结电抗0.053HQp无功PI控制P参数30Qi无功PI控制I参数0.02交流额定频率/线电床/额定容量50Hz/230KV/100MrA21多端II流输电系统的控制策略研究表4 RE1侧主要仿真参数RE1侧Ucref直流电压参考值60KVQrcf无功参考值4MrarUp直流电压pi控制p参数8ui直流电压pi控制I参数0.01X联结电抗0.05HQp无功pi控制p参数27Qi无功pi控制I参数0.2交流侧额定频率/线电压/额定容量50Hz/230KV/100MrA表5 RE2侧主要仿真参数RE2侧Picf有功参考值13MWQref无功参考值4MVaiPP有功PI控制P参数4Pi有功PI控制I参数0.01X联结电抗0.053HQp无功PI控制P参数80Qi无功PI控制I参数0.01交流额定频率/线电斥/额定容量50Hz/230KV/100MVA4.3.3多端有源系统控制器的仿真验证与分析如上文所述，系统运行时，换流站SE采用定有功功率、定无功功率控制； 换流站RE1做为主换流站，采用定直流电压、定无功功率控制；换流站RE2侧 也采用定有功功率、定无功功率控制仿真