一种优化控制策略在基于电压源换流器的hvd..

　　 一种优化控制策略在基于电压源换流器
的HVDC系统中的应用 胡兆庆，毛承雄，陆继明 （华中科技大学电气与电子工程学院，湖北省 武汉市 430074）
APPLICATION OF AN OPTIMAL CONTROL STRATEGY TO A NEW TYPE OF
HVDC SYSTEM BASED ON Voltage source converters HU Zhao-qing，MAO Cheng-xiong，LU Ji-ming（School of Electrical Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，Hubei Province，China）ABSTRACT：Comparing with traditional HVDC system the merits of a new type of HVDC system based on voltage source converters (VSC) and pulse width modulation (PWM) technologies is expounded. On the basis of establishing the model of parallel AC/DC transmission system an optimal control strategy is proposed in which the control of HVDC system itself is integrated with the control of generator excitation, when fault occurs in the system the generators and the HVDC transmission can be stabilized at the same time. The new type of HVDC system based on VSC and the traditional HVDC system are simulated under the same conditions, the simulation results show that by use of the proposed optimal control strategy the former possesses a better damping characteristic under the fault, and the former itself also possesses better stability with this control strategy being used.

KEY WORDS：HVDC；AC/DC；Voltage source converters (VSC)；PWM；Control performance
摘　要：文章阐述了基于电压源换流器（VSC）和脉冲宽度调制（PWM）技术的直流输电与传统的直流输电相比具有的诸多优点。在建立交/直流（AC/DC）并联输电系统模型基础上，提出一种优化控制策略，该控制策略将直流输电本身的控制与发电机励磁控制相综合，在系统发生故障时能同时稳定发电机和直流输电系统。还在相同的条件下对基于VSC的HVDC和传统的HVDC进行了仿真比较，仿真结果表明，在该优化控制策略指导下，前者在系统发生故障时体现了较好的阻尼特性，且该HVDC系统本身在该控制策略下也有较高的稳定性。
关键词：高压直流输电；交/直流； 电压源换流器；脉宽调制；控制特性
1 引言
新型直流输电（HVDC）系统采用电压源换流器（VSC）及脉冲宽度调制（PWM）技术，使换流器的全控器件[1]工作在高开关频率状态，与传统采用自然换相的HVDC相比，具有如下优点[2]：
（1）不需交流电网提供换相电流，因此可以向无源网络（如孤立的远端负荷）供电，且接入系统后系统的短路比不会发生变化；而传统HVDC需要交流电网提供换相电流，因此在电力接受端必须有发电机等旋转设备。
（2）由于滞后角和熄弧角的存在，传统HVDC要吸收直流传输功率中的40%~60%的无功功率[3,4]，因此需对系统进行无功补偿；且在甩负荷时系统还会出现无功过剩，导致过电压，传统HVDC还要求接入系统的短路比足够大。基于VSC的HVDC则可灵活控制无功，不需无功补偿设备。
（3）交流侧电压跌落或波形发生畸变时基于VSC的HVDC不会导致换相失败，甚至能够在不受一侧交流系统故障的影响下仍然通过另一正常交流侧输送功率[5]；传统HVDC则会在交流侧电压跌落的影响下发生换相失败。


一种优化控制策略在基于电压源换流器的hvdc系统中的应用 : 　
本文建立了含有VSC的交/直流（AC/DC）并联输电系统模型，提出一种优化控制策略，该控制策略综合了发电机励磁控制及新型直流输电系统控制，用于研究在该控制策略下的新型HVDC在系统发生故障时的系统阻尼特性并考察该系统在该控制方式下的稳定性。2 AC/DC系统的控制策略
2.1 AC/DC系统模型
实际电力系统中交/直流并列运行的常见方式是在直流传输线路下添加一交流双回线路，本文建立的基于VSC的AC/DC模型如图1所示。 图中，R1、R2用于模拟换流器的损耗，X1、X2为换流电抗[6]，Un为变压器副方电压，XL为交流输电线路电抗，XT为变压器电抗，Rd为中间直流传输线路电抗，Us为无穷大母线电压。
如采用传统的HVDC来代替AC/DC系统中的基于VSC的HVDC，则需重新建立传统HVDC的模型，其中间直流线路模型如图2所示[7]。 图中，Ldr、Ldi分别为整流侧和逆变侧平波电抗器的电感；Ld、Rd分别为1/2的直流线路电感值和电阻值；Cdc为直流输电线路总的对地电容；Idr、Idi分别为整流侧和逆变侧的直流电流，UC为电容电压，Udr、Udi分别为整流和逆变直流侧的电压。
论文一种优化控制策略在基于电压源换流器的HVDC系统中的应用

忽略Cdc[7]时Idr=Idi=Id，中间直流线路的动态变化情况可描述为

器和逆变器的换流电抗；Uar、Uai分别为整流器和逆变器交流侧电压；a、b 分别为整流器的触发滞后角和逆变器的触发越前角。
对发电机采用三阶简化模型[8,9]，用微分方程表示为
式中 x为发电机状态参量矢量，本文选取 x=[δ,w,U]T，其中δ为发电机功角，w为角频率，U为机端电压，这样选取有利于发电机状态参量的检测[10]，u为输入矢量,u=E-则代表发电机励磁电压2.2 含有VSC的AC/DC系统控制设计
图1中系统初始状态由发电机和直流线路换流器的状态共同决定，换流器采用PWM控制方式时，换流器输出的交流电压与中间直流线路电压之间满足一定比例关系[11]，且换流器可通过控制调制波幅值和相位来输出一定限度下的任意相位、幅值的交流电压[2]。本文将直流输电系统控制和发电机励磁调节相结合，用于系统发生故障时稳定系统。假定换流器本身不消耗有功功率，则通过换流器的功率与直流线路传输功率相平衡[6]。由此可推导出图1中交流母线电压Un与其他参量之间的关系式为

式中Mi、φi分别为整流侧(i=1）和逆变侧(i=2）脉冲宽度调制波的幅值和相角，这里的相角分别是两侧交流母线电压相量相位的相对值。
将式(2)与式(3)联立、线性化后得到系统的线性方程[12,13]为 、 分别为发电机功角、角频率、机端电压变化量； =( , , , , )T为系统输入矢量； 为发电机励磁电压增量； 、 分别为整流侧（i=1）和逆变侧（i=2）的调制幅值和调制相角增量。由式(4)可知，系统输入量有5个，即发电机励磁电压输入及与HVDC相关的4个控制量。根据线性最优理论[8]，采用二次型最优控制规律来进行控制设计。选择性能指标为


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的解，式(5)中性能指标的权矩阵Q的选取对系统的控制特性有很大影响，一般可通过调整Q阵的对角线元素来调整对应状态量的阻尼[8,10]。
2.3 传统的HVDC系统控制方式
传统HVDC的换流站采用不可关断器件，可通过适当调节整流器的触发滞后角 和逆变器的触发越前角 得到换流器各种电压–电流特性[4]。正常运行时，系统通常采用整流器定直流电流和逆变器定关断越前角的运行控制方式，考虑调节器性能时，系统动态运行情况可用式(1)和下列两式来描述[7]


式中 为调节器参数； 为设定值； 为输入控制量，在整流器定直流电流和逆变器定关断越前角的运行方式下有

式中 Ids、 分别为直流电流和熄弧角的设定值；Id、 为实际直流电流以及熄弧角的值。3 仿真结果
本文仿真实验采用如下参数：
（1）发电机和变压器参数
（2）基于VSC的直流输电参数
　（4）常规自动电压调整器+电力系统稳定器（AVR+PSS）传递函数及其参数

　针对图1系统，在保持发电机状态不变的情况下，采用传统HVDC替换基于VSC的HVDC，分别采用各自对应的控制方式，假定系统在0.5s时交流母线Un处发生三相短路，0.1s后切除故障，发电机状态仿真波形及HVDC两端电压、电流见图3、4　由图3可见，AC/DC并联传输时，采用该优化控制策略对增强发电机本身的阻尼有一定作用；同时基于VSC的HVDC的稳定性也可得到保证。由图4所示的直流系统两侧电压及中间传输电流波形可见，基于VSC的HVDC能够在系统发生故障后迅速恢复到原状态运行。 4 结论


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