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向有源网络供电的HVDC系统仿真研究 深圳大学机电与控制工程学院 摘要：通过分析在dq0坐标系下引入PI控制的高压直流输电（HVDC）系统，获知HVDC中有功和无功功率可以分别由解耦控制后的d轴电流分量和q轴电流分量独立控制，并基于此设计了定直流电压、定交流电压控制器。建立HVDC向有源网络输电的Matlab仿真模型，仿真结果表明，建立的HVDC系统能较好地向无源网络供电，且控制方式灵活、简便。 关键词：高压直流输电（HVDC）；解耦；有源网络；Matlab仿真 0引言 城市工商业的发展和人们生活水平的提高，对城市电网的供电能力和供电质量提出了更高的要求。人口密集地区的大型城市电网受到了前所未有的挑战，如输电走廊不足、供电电压不稳等问题亟待解决。高压直流输电（HVDC）与交流输电相比，在输电走廊宽度相同情况下其输送能力是交流的1.5倍[1]，HVDC是缓解输电走廊不足的有力措施。但由于环境因素的制约，许多城市电网是无源网络，而传统的基于线换相电流源换流器的HVDC无法向无源网络供电[2]，从而限制了HVDC的应用。 鉴于HVDC的诸多优势，近年来许多学者对这一技术进行了深入研究。文献[3]提出了一种优化控制策略，研究了该控制策略下HVDC在系统发生故障时的阻尼特性，并考察了该系统在该控制方式下的稳定性；文献[4]建立了 HVDC的稳态模型，并设计了该模型与比例积分（PI）控制相结合的非线性控制方案；文献[5]提出了基于dq0坐标的HVDC稳态模型，并设计了相应的PI控制器；文献[6]提出了混合仿真技术，还以HVDC的暂态数学模型为基础建立了等效仿真模型。虽然这些文献都针对HVDC技术给出了一种或几种控制方案并进行了相应的仿真研究，但对于应用 HVDC技术向有源网络供电却没有进行过详尽的分析和研究。 本文首先通过分析在dq0坐标系下引入PI控制的换流器数学模型，得到了由d轴电流分量id和q轴电流分量iq独立控制有功功率和无功功率的关系式，然后设计了向有源网络供电的定直流电压和定交流电压控制器，并利用Matlab/Simulink仿真软件建立的向有源网络供电的HVDC仿真系统的输电情况进行了仿真分析。 1在dq0坐标系下引入PI控制的换流器数学模型 经过d-q轴坐标转换得到输出电压的d轴和q轴分量，但是为了具有限流功能，本控制系统引入电流内环控制和目标外环控制的双闭环结构。尽管HVDC的有功控制目标仅仅与电流的d轴分量相关、而HVDC的无功控制目标仅仅与电流的q轴分量相关，但是电流的d轴和q轴分量都与电压的d-q轴分量相关，存在严重的耦合关系，因此，在电流的内环控制中引入解耦算法是很重要的。 （1） 式中，usd和usq为三相电网电压的d-q轴分量，ucd和ucq为三相逆变电压的d-q轴分量。显然，换流器输出电流的d-q轴分量与三相逆变电压的d-q轴分量相互耦合。令 （2） ud和uq为一对虚拟的中间变量，则（1）可以改写为 （3） 因此，若以ud和uq作为换流器的新的控制变量，将（3）带入（1），则换流器的数学模型变更为 （4） 显然，新模型中输出电流的d-q轴分量仅为三相逆变电压的虚拟同轴分量相关，而与异轴分量无关，即实现了控制上的解耦。 2控制器设计 2.1 基本控制方式 根据已有 HVDC工程的运行经验，HVDC换流站一般有四种基本控制方式[2,4-8]： （1）定直流电压控制方式，用以控制直流母线电压和输送到交流侧的无功功率； （2）定直流电流（功率）控制方式，用以控制直流电流（功率）和输送到交流侧的无功功率； （3）定交流电压控制方式，仅控制交流侧母线电压； （4）变频率控制方式，用以控制交流侧频率，适用于与风力发电厂连接或黑启动。 通常对于一个两端HVDC系统，必须有一端采用定直流电压控制方式。由于本文只研究与有源交流系统相联的换流器模型，因此采用控制方式（1）和控制方式（3）。为防止有源交流系统发生故障后产生过电流，对逆变侧换流器在采用定交流电压控制方式。 2.2 控制器设计 根据向有源网络供电的两端HVDC系统的基本原理，本文针对整流侧和逆变侧分别设计了不同的控制器，其中整流侧采用定直流电压控制方式，其控制器设计如图3所示，无源侧采用定交流电压控制方式，其控制器设