基于simulink的VSC―HVDC高压直流应用与研究

【摘 要】随着电力电子器件的发展，特高压的直流输电相继问世。本文以电压源性逆变器为原理并采用PMW调制方式，搭建1kV柔性高压直流输电一次电路和对应控制部分的simulink模型，通过矢量控制的原理实现PQ解耦控制，通过采用PI调节器最终实现无静差控制，通过分析仿真后的结果说明该系统传送的有功P和无功Q能够实时跟随给定参考的有功和无功，动态性能良好，最后通过仿真结果进行了谐波分析，基本满足标准。

【关键词】simulink仿真；FFT ；VSC-HVDC；PQ解耦控制

【Abstract】With the development of power electronic devices， the HVDC transmission field. Based on inverter of voltage source sex principle and PMW modulation method is adopted to build 1 kV flexible HVDC power transmission circuit and corresponding control part of the simulink model， PQ decoupling control was achieved by the principle of vector control， controlled by PI regulators eventually astatic， through the analysis of the results of simulation show that the system can transmit the active and reactive power Q P in real time with a given reference active and reactive power， good dynamic performance，， finally， the simulation results for the harmonic analysis， basic meet the standard.

【Key words】simulink simulation； FFT； VSC-HVDC； PQdecoupling control

0 前言

柔性高压直流输电（VSC-HVDC）相比交流输电具有不存在两段交流系统之间的同步运行稳定性问题的明显优点，并且便于分区调度管理，有利于故障时甲流系统之间的快速紧急支援和限制事故的扩大，且联网后虽然扩大了系统容量，但不需要更换断路器的遮断容量，而柔性高压直流输电（VSC-HVDC）传统高压直流输电（HVDC），采用大量的IGBT器件构成电压源性换流器[1]，该电力电子器件能够自关断，无功消耗相对较小并且在直流侧有利于新能源的接入[2]。

首先研究分析了高压直流输电、电压源型换流器、矢量PQ解耦控制和PWM调制的基本原理，本文高压直流输电的主电路采用双端接线方式；然后再simulink中搭建整个主电路和控制电路模型；实验结果证明了整个系统的有效性、稳定性和动态性。

1 模型原理

1.1 柔性直流输电的原理

柔性高压直流输电的原理图如图1所示，该输电系统主要构成有整流站、逆变站和直流输电线路三部分，并且本文采用的系统可进行功率反送的两段直流输电系统，所以整流站也可以是逆变站，逆变站也可以是整流站。本文通过矢量控制并且采用PWM技术控制变流器。最终实现有功和无功的解耦控制。

1.2 PWM调制原理

PWM控制原理是通过对脉冲的宽度进行调制的技术，即通过一系列脉冲的宽度进行调制，来等效获得所需要的波形。它是冲量相等而形状不同的宽窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。在调制信号和载波信号的交点时刻控制各电力电子开关器件的通断。在调制过程中输入一个信号级的Ur就对应输出一个功率级的交流信号。可见PWM调制的优越性。本文采用双极性PWM的控制方式，在信号波Ur的半个周期内三角波载波也是双极性的，即有正有负的，因而所得的PWM波也是有正有负。在Ur的一个周期内，输出的PWM波有±Ud两种电平。在调制信号Ur和载波信号Uc的交点时刻控制各电力电子器件IGBT的通断[3]。

2 换流器的的数学模型

设无穷母线电压为Vsa，Vsb，Vsc；逆变器输出电压Vca，Vcb，Vcc；输出电流为ica，icb，icc，连接电感与电阻分别为L和R。在静止坐标系下的方程为：

本实验中，通过矢量控制整流侧的无功和直流侧的电压，而逆变侧控制其交流侧的有功P和无功Q，从而实现控制目的[4]。

3 仿真结果分析

将两端的三相电源的相电压设置成1kV，并且使左端的电压相位超前右端100度，使功率从左端传向右端。通过矢量控制实现控制目的。在simulink中仿真后通过矢量控制分别发出的两路PWM控制其左右两个变流器。本实验在整流侧的控制系统给定一个阶跃信号使其无功60Kvar变化至10Kvar，而直流电压从2Kv跃变至1.8Kv。同时给逆变侧控制器的给定一个阶跃信号使有功从80kW变化至160kW，无功从0Kvar至20Kvar。由仿真结果表明，系统的响应能够跟随给定变化。基本满足要求。

4 结语

通过Simulink的仿真表明，利用simulink方法仿真具有成本低廉，可扩展性等优点，本文在仿真过程中通过分别在其整流侧和逆变侧给定的阶跃的信号，其相应的响应结果表明该系统能稳定运行，能够快速响应，同时稳定性、可靠性强。由于柔性直流输电的换流器采用了IGBT全控器件，其提高系统的灵活性发。VSC-HVDC与LCC-HVDC相比，柔性高压直流输电在智能配网、新能源和孤岛等领域具有明显的技术优势，与和传统交流输电相比具有输送电能损耗小优点。因此，VSC-HVDC在现代工业和未来电力系统中具有广阔的应用前景[5]。

【参考文献】

[1]汤光福.基于电压源换流器的高压直流输电技术[M].北京：中国电力出版社，2010.

[2]游菲，袁旭峰，刘跃.柔性直流输电在中国电网中的应用前景[J].现代机械，2014，3：1-3.

[3]王兆安，刘进军.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2009：79-81.

[4]丁冠军，丁明，汤光福.VSC-HVDC主电路拓扑及其调制策略分析与比较[J].电力系统自动化，2009，33（10）：50-68.

[5]蔡光宗.柔性直流输电技术在上海电网的应用研究[J].供用电，2012，29（2）：1-5.