收稿日期:20072042101
背靠背型柔性直流输电的建模及其控制
杨少坤1,尹 明2,刘文丽3
(11保定供电公司,河北保定071000;21河北省电力公司保定培训中心,河北保定071051;
31河北大学,河北保定071002)
摘要:在dq 同步旋转坐标系下,推导出背靠背型柔性直流输电的连续时间状态空间模型。根据解耦控制方法,实现了有功与无功、直流电压与无功的控制。基于电磁暂态仿真软件PSCAD/EM TDC 的数字仿真结果验证了数学模型的正确性及控制策略的有效性。关键词:建模;高压直流输电;电压源型换流器;控制
中图分类号:TM721 文献标识码:A 文章编号:1007-2691(2007)05-0044-04
Modeling and control of back 2to 2back VSC 2HVDC
YAN G Shao 2kun 1,YIN Ming 2,L IU Wen 2li 3
(11Baoding Power Supply Company ,Baoding 071000,China ;
21Baoding Training Center of Hebei Electric Power Corporation ,Baoding 071051,China ;
31Hebei University ,Baoding 071002,China )
Abstract :The paper presents an equivalent continuous 2time state 2space model of Back 2to 2back Voltage S ource Con 2verter based HVDC (B TB 2VSC 2HVDC )in the synchronous dq reference frame.Independent control of active and re 2active power ,DC voltage and reactive power was achieved base on decoupling control strategy.Simulation results ob 2tained on PSCAD/EM TDC verify the validity of the mathematical model and the feasibility of the control strategies.K ey w ords :modeling ;HVDC ;voltage source converter (VSC );control
0 引 言
柔性直流输电(Voltage Source Converter
based HVDC ,VSC 2HVDC ),又称基于电压源型换流器(VSC )的高压直流输电,是近年发展起来的一种新型直流输电技术。VSC 2HVDC 的核心是基于全控电力电子开关的VSC 和脉宽调制(PWM )控制技术。与传统高压直流输电相比,VSC 2HVDC 具有很多优点,并日益受到重视[1,2]。随着大功率电力半导体技术的发展,VSC 2HVDC 的商业应用领域将会变得越来越宽。
对于VSC 2HVDC 的研究是近几年的一个热点,国内外学者对这项技术进行了不同方面的研究[3～6]。文献[3～4]对于VSC 2HVDC 的系统模型和控制策略进行了分析和研究。文献[5]
专门讨论了多端直流输电系统中采用基于直流电
压偏差控制的多点直流电压控制策略。文献[6]专门讨论并设计对无源网供电的控制器,并对各种控制方式进行了仿真。但是上述文献研究的是通过直流线路连接电压源型换流器的情况,而没有对背靠背型VSC 2HVDC (B TB 2VSC 2HVDC )的建模和控制进行深入研究。
本文首先在dq 同步旋转坐标系下导出了B TB 2VSC 2HVDC 的数学模型,为了提高仿真效
率,其中VSC 采用简化模型。在模型基础上,提出了B TB 2VSC 2HVDC 用于联结两个有源系统的控制策略。仿真结果验证了所提模型的正确性和控制策略的有效性。
1 数学模型
B TB 2VS
C 2HVDC 的基本结构如图1所示。
它主要包括三部分:直流部分、电压源换流器
第34卷第5期2007年9月
华北电力大学学报Journal of
North China Electric Power University
Vol 134,No 15
Sep 1,2007
(VSC 1,VSC 2)和换流变压器(T 1,T 2)。为了
分析方便,假设图1中VSC 1工作在整流状态,VSC 2工作在逆变状态。两侧的交流电压和交流电流通过Park 变换转化为在dq 同步坐标系表示的物理量。以整流侧为例,其电压平衡关系为
d i 1d d t =-R 1L 1i 1d +ω1i 1q +
u s 1d -u c 1d
L 1
(1)d i 1q d t =-R 1L 1i 1q -ω1i 1d +
u s 1q -u c 1q
L 1
(2)
式中:u s 1d ,u s 1q ,i 1d 和i 1q 分别为交流母线基波电压u s 1和交流系统基波电流i 1的d 轴和q 轴分量;u c 1d ,u c 1q 分别为换流器输出基波电压的d 轴和q 轴分量;R 1,L 1分别为换流电抗器的等效电阻和电感;ω1为系统1的角频率。直流部分存在如下电流平衡关系:
i dc 1=C 1d u dc1
d t
+i dc2
(3)式中:u dc1是直流电压;i dc1和i dc2分别为VSC 1流入和注入VSC 2的直流电流。
本文为了提高仿真速度采用了换流器的简化模型,忽略在换流器上的功率损耗和电子开关的实际开合动作。换流器从交流系统吸收的有功功率与换流器输出的直流功率相等。因此有公式(4)所示的功率平衡关系:
u dc i dc1=P 1=u s 1d i 1d +u s 1q i 1q
(4)
这样,式(1)和(2)就构成了在dq 同步旋转坐标系下整流器VSC 1的数学模型;式(3)是直流部分的模型。
同理,逆变器VSC 2的数学模型如下:
d i 2d d t =-R 2L 2i 2d +ω2i 2q +
u c 2d -u s 2d
L 2
(5)d i 2q d t =-R 2L 2i 2q +ω2i 2d +
u c 2q -u s 2q
L 2
(6)
忽略在换流器上的功率损耗,则VSC 2侧存在公式(7)所示的功率平衡关系:
u dc i dc2=P 2=u s 2d i 2d +u s 2q i 2q
(7)
综合公式(3)、(4)和(7)可以得到VSC 1
和
VSC 2之间的直流关系,如图2所示
图2 GSC 的具体结构图
Fig 12 Detailed structure of GSC
整流器、逆变器和直流部分的模型共同构成了B TB 2VSC 2HVDC 在dq 坐标系下的数学模型。
2 B TB 2VSC 2HVDC 的解耦控制
当B TB 2VSC 2HVDC 联结有源系统时,数学
模型表明它是一个非线性、非解耦的受控对象。当两侧的被联结的交流系统之间的传输功率平衡时,直流电容器的电压是常数。根据式(3)可知,一旦这种功率平衡被打破,直流电容器上的电压就将发生变化。所以,必须有一侧的VSC 要控制直流电压的稳定;而另一侧的VSC 作为功率控制器[6]。本文中,假设图1中的
VSC 1为功率控制器,VSC 2为电压控制器。
图1 B TB 2VSC 2HVDC 基本结构图
Fig 11 Basic structure of B TB 2VSC 2HVDC
211 功率控制此时所采用基于系统电压的dq 坐标系,有如下规定:u s 1d =0,u s 1q =u s 1,即交流系统母线电压的基波相量与q 轴同相位。此时VSC 1吸收的功率为
P 1=u s 1q i 1q =u s 1i 1q (8)Q 1=u s 1q i 1d =u s 1i
1d
(9)
假设P 1ref 表示有功功率设定值。则q 轴电流参考值可由有功功率偏差(P 1ref -P 1)通过一个
比例-积分控制产生。而d 轴电流参考值可直接由无功参考值Q 1ref 给定。
图3给出了功率控制的原理结构图。为了实现对d 轴和q 轴的解耦,本文采用前馈补偿技术[7]补偿式(1)、(2)中的耦合项ω1i 1d 和
5
4第5期 杨少坤,等:背靠背型柔性直流输电的建模及其控制
图3 功率控制原理图
Fig 13 Principle diagram of power control
ω1i 1q 。u s 1d 和u s 1q 可作为常干扰项进行处理
。从而,有功功率和无功功率的控制分别通过对交流
电流的q
轴分量和d 轴分量进行控制得以实现解耦控制。图2中的K q =u s 1。212 电压控制
VSC 2用来控制直流电压u dc 和无功功率Q 2。
其中,u dc 的控制可以根据公式(4)、(7)表示
的功率平衡关系以及公式(3)表示的电流平衡关系来设计,如图4所示。
图4 直流电压控制原理
Fig 14 DC voltage control principle
在图4中,P 1是VSC 1发出的有功;u dcref 是
直流电压参考值;P 2ref 是VSC 2从直流侧吸收的有功。在图1中,i dc1是由P 1和直流电压u dc 确定的;而i dc2是由直流电压与其参考值通过一个比例—积分控制器PI2产生。
将VSC 2当作受控电流源处理,i 2的q 轴和d 轴电流分量i 2q 和i 2d 分别用来控制直流电压u dc 和无功功率Q l 。同样,采用前馈补偿的方法予以消除q 轴和d 轴的耦合[9]
。本文提出的直流电
压控制原理如图5所示。
图5 直流电压的控制原理
Fig 15 Control principle of DC voltage
图5中,P 2ref 由图4所示的直流电压控制得
到;Q 2ref 是VSC 2的无功功率参考值(本文取Q 2ref =0);“电流参考值计算”模块的功能是根据公式(10)计算i 2的d 轴和q 轴电流分量的参考值i 2d ref 和i 2q ref 。产生的参考电流值与实际电流值比较,偏差量通过比例—积分控制环节作用,再根据前馈补偿的方法产生电流值i 2d 和i 2q 。
i 2d gref i 2q ref
=
1u 2s 2d +u 2
s 2q u s 2d
-u s 2q u s 2q
-u s 2d
P 2ref Q 2ref
(10)
3 系统仿真与分析
311 系统参数
为了验证所提出的B TB 2VSC 2HVDC 的数学模型及其控制策略的正确性,本文采用电磁暂态软件PSCAD/EM TDC 进行了仿真试验。仿真系统的参数为:
表1 仿真系统主要参数
Tab 11 Main parameters of the simulation system
物理量VSC 1侧VSC 2侧电阻/Ω
01198175电抗/Ω
015432125直流电容/μF 550550变压器变比1318/6215
6215/115额定容量/MVA
100
100
整流变压器和逆变变压器的额定容量均为100MVA ,直流电压参考值为70kV ;载波信号频率为2250Hz 。312 联结有源系统时的仿真
本文对4种情况进行了仿真,具体内容如表2所列:
表2 联结有源系统时的仿真内容
Tab 12 Simulation cases for linking active systems
编号仿真内容
对应图情况1VSC1侧的有功功率发生由50～70MW
图6情况2VSC1侧的有功功率发生由70～50MW
图7情况3
有功功率发生50～-30MW 翻转时,
交流功率
图8情况4
无功功率由0～-20Mvar 时,VSC1侧交流系统发出的有功功率和无功功率的波形
图9
以上4项仿真内容的指令动作时间均定在第
华北电力大学学报 2007年
0172s 。从仿真结果可以获得如下结论:
(1)B TB 2VSC 2HVDC 控制不需换流站间的
通讯;
(2)文中的功率控制器对于有功阶跃和翻转指令及无功阶跃指令都具有较理想的稳定性和较快的响应速度,一般可在3～10个周波进入稳态;
(3)在不同的运行点,被控量均可达到较高的精度;
(4)本文提出的有功功率控制器可快速地实现潮流翻转,在翻转过程中,直流线路上的有功传输方向没有发生第
2次翻转。
图6 有功功率由50～70MW 变化时的波形 Fig 16 AC power when active power changed
from
50to 70MW
图7 有功功率由70～50MW 变化时的波形 Fig 17 AC power when active power
changed from
70to 50MW
图8 有功功率由50～-30MW 变化时的波形 Fig 18 AC power when active power changed from
50to -30MW
图9 无功功率由0～20Mvar 变化时的波形 Fig 19 AC power when reactive power changed from 0
to 20Mvar
4 结 论
本文推导了在dq 坐标系下B TB -VSC -HVDC 的数学模型。根据所得到的模型,针对所提出的模型,提出了采用前向补偿方法消除耦合后的解耦控制策略,并设计了功率控制器和电压控制器。同时,采用电磁暂态软件PSCAD/EM TDC 进行了仿真,验证了数学模型的正确性以及控制策略的可行性和有效性。
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作者简介:杨少坤(1974-),男,保定供电公司工程师。
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