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 年 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
南 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：
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指 导 教 师（职称）：
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南阳理工学院
Nanyang Institute of Technology
多端直流输电系统的控制策略研究
[摘 要]本文主要研究VSC-MTDC ——基于VSC 换流器的新型多端直流输电系统的运行控制问题。首先，论文通过Park 变换建立了dq0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d-q 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直流输电系统，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；d-q 解耦；电力系统仿真
Control Strategy Research of Multi-terminal HVDC System
Electrical Engineering And Automation Specialty ZHAO Xiao-qi
Abstract:This dissertation focuses on the operation and control of the VSC-based multi-terminal HVDC system. Firstly, a static model of VSC in dq0 coordinate system is developed through the Park transformation. 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, which used master-slave single point DC voltage control and carried out a simulation by use of PSCAD. Simulation results show that the control system has good control performance in most cases. But when the master station exit, the system will not be able to operate stably. So the power supply reliability of this control system remains to be improved.
Keywords :VSC converter;Park transformation;d-q decoupling;PSCAD simula- tion
目 录
1 引言.............................................................. 1
1.1 传统直流输电的不足 . ........................................... 2
1.2 柔性直流输电概述 . ............................................. 3
1.2.1 VSC-HVDC的应用与特点 ..................................... 3
1.2.2 多端直流输电系统的优势及应用领域 .......................... 4
2 VSC-HVDC系统模型及控制器设计 ..................................... 5
2.1 VSC-HVDC系统模型 ............................................. 5
2.1.1 VSC-HVDC工作原理 ......................................... 5
2.1.2 VSC-HVDC系统建模 ......................................... 6
2.2 VSC本地控制器的设计 .......................................... 8
2.2.1 柔性直流输电系统基本控制方式 .............................. 8
2.2.2 基于d-q 解耦的VSC 系统的控制器设计 ....................... 10
3 系统控制器仿真验证及分析......................................... 12
3.1 仿真主框架和控制量选择 . ...................................... 12
3.1.1 仿真主框图 ............................................... 12
3.1.2 仿真主要参数的选取 ....................................... 12
3.2 有源系统控制器的仿真验证与分析 . .............................. 13
3.2.1 系统按照上述控制方案稳定启动运行的仿真与分析 ............. 13
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 .......... 15
4 VSC-MTDC系统的控制策略及仿真分析 ................................ 17
4.1 多端直流输电系统的基本原理 . .................................. 17
4.2 多端直流输电系统的基本控制策略 . .............................. 19
4.2.1 多端直流输电系统的基本控制策略概述 ....................... 19
4.2.2 多端直流输电系统的电压下降控制方式 ....................... 20
4.2.3 多端直流输电系统的主从式控制策略 ......................... 20
4.3 基于主从式控制的VSC-MTDC 系统的仿真与分析 . ................... 20
4.3.1 仿真主框图的设计 ......................................... 20
4.3.2 仿真主要参数的选取 ....................................... 21
4.3.3 多端有源系统控制器的仿真验证与分析 ....................... 22
4.3.4 系统稳定启动运行时的仿真与分析 ........................... 23
4.3.5 系统运行后SE 端参考有功功率减半的仿真与分析 .............. 24
4.3.6 系统运行后RE2侧从直流端端断开的仿真与分析 ............... 25
4.3.7 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............................................................... 31
1 引言
电力科学的发展是从直流电开始的，1882年，法国物理学家德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—2kV 的直流电压，把电力送到了慕尼黑举办的国际展览会上，完成了有史以来的第一次输电试验。但由于高压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，因此交流电就几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[1-3]。
但是，随着电网的扩大，交流输电的局限性日益显露出来，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，高电压大功率的换流技术被研究出来并得以应用，使得高压直流输电又重新被人们所重视。
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[4，5]。1954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，高压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，世界上已经有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。
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工程大量出现。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（1）。自1970年哥特兰岛直流输电工程投入运行，到2010年，世界上已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来，我国现已有十多项直流输电工程投入使用[6-9]。
然而，由于传统高压直流输电的核心部件——换流器采用的是半控型晶闸管器件，这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——柔性直流输电技术VSC-HVDC 的出现。1997年，世界上首个VSC-HVDC 工程——赫尔斯扬直流输电工程投入运行，其换流器采用基于IGBT 的两电平三相桥拓扑结构，
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会（IEEE ）将其命名为" 基于电压源换流器的高压直流输电" （"VSC-HVDC" 或"VSC Transmission"）；ABB 公司称之为" 轻型直流" （"HVDC-Light" ）；西门子公司称其为" 新型直流" （"HVDC-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。通过顺序发出的触发脉冲，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。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压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]：
（1）不能向小容量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量不足， 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 其容量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直流功率的30%-60%，因此换流站需要大量的无功补偿装置；
（4）换流站投资大, 占地面积大, 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。
1.2 柔性直流输电概述
1.2.1 VSC-HVDC的应用与特点
用来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 ）和电压源换流器（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压源换流器VSC （其在直流侧作为恒定电压源）以及脉宽调制控制技术PWM 为基础的。与传统 HVDC 相比，VSC-HVDC 有以下特点[10,11]：
（1）VSC 换流器中电流能够自关断，可以工作在无源逆变方式，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，即使对小容量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几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 STATCOM 的作用 即动态补偿交流母线无功功率，稳定交流母线电压，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援, 又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量，甚至可以不装设专用的无功补偿装置；
（5）由于使用电压源型换流器，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直流母线上，易于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，因此只需在交流母线上安装一组高通滤波器即可满足谐波要求 所需滤波装置的容量也大大减小。由于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
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几兆瓦至上千兆瓦，既可以用于中小功率的输电场合，也可用于远距离输电场合，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，柔性直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，直流电压极性不变、直流电流方向反转的特点，电压源换流器对于直流侧相当于电压源，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、可靠性、经济型等方面占有优势，其主要存在的应用领域如下[1]：
（1）分布式发电（distributed generation）。分布式发电装置是指小型的与环境兼容的独立电源。这些电源为电力部门、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，包括太阳能发电、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压波动问题，改善电能质量；当交流系统发生短路故障时，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。
（3）孤岛供电。我国是世界上海岛最多的国家之一，而海岛供电问题是多年来影响海岛经济发展和人民生活水平提高的主要问题之一。海岛具有用电量较
小、呈区域性分布、风力资源丰富等特点，十分适合采用VSC-MTDC 系统。
（4）城市供电。对于一些大中城市的供电系统来说，重负荷、短路电流超标、严格的环境约束等都是供电所面临的严峻挑战。采用柔性直流输电系统向城市供电，不仅可以快速控制有功和无功功率，有效改善电能质量，还能提供系统阻尼，提高系统稳定性，并在系统出现严重故障全停电后提供“黑启动”功能；同时，柔性输电采用地埋式电缆，可以同时满足城市对电量与环保节能的要求。
2 VSC-HVDC系统模型及控制器设计
2.1 VSC-HVDC系统模型
2.1.1 VSC-HVDC工作原理
两端VSC-HVDC 输电系统的电压源换流器之间靠直流输电线路联接，交流系统1侧的换流器工作于整流状态，交流系统2侧的换流器工作于逆变状态，二者相互配合，完成这两个系统之间的功率传输交换如图1所示。
图 1柔性直流输电基本结构
如上图所示，两侧换流站采用VSC 换流器。换流器由换流桥、换流电抗器、直流电容器和交流滤波器组成。整流电抗器是VSC
与交流侧实现能量交换的纽带，同时也起到滤波器的作用。而直流电容器能为换流器提供电压支撑、缓冲桥臂关断时的冲击电流、减小直流侧谐波。交流侧通常接有滤波器以实现滤除交流侧谐波的作用，下面我们探讨一下换流器与交流电网之间的功率传输基本原理
[14]
：
设系统交流母线电压的基波分量为U s ，换流器输出电压的基波分量是U c ，代表与二者的相角差，
X
代表换流电抗器的电抗值。在忽略换流器损耗的情况下，交流系统向换流器输送的有功功率P 和无功功率Q 分别为：
U c U s ⎫
sin δ⎪⎪X
⎬ （1）
U
Q G =s (U s -U c cos δ) ⎪
⎪X ⎭P G =
由上面式（1）可以看出，系统有功功率P 的传输是由δ的值控制着的，当δ>0时，P >0，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δ
(U s -U c cos δ) >0 时，Q >0，这时 VSC 吸收无功功率；(U s -U c cos δ)
通过以上分析可知，VSC 换流器输出电压的幅值和相位决定着它对无功功率和有功功率的吸收，因此要想独立地控制有功功率和无功功率的大小和传输方向，可以通过控制PWM 所给定的正弦信号的相位和调制度来实现。 2.1.2 VSC-HVDC系统建模
由于两端VSC-HVDC 输电系统两端采用完全对称的结构，因此只对其中一端进行分析，Usa 、Usb 、Usc 为交流系统的三相电压瞬时值，Uca 、Ucb 、Ucc 为VSC 交流侧的三相电压瞬时值，R 、L 为换流变压器、线路的等效电阻和电感，Idc 为换流器流出的直流电流，Idl 为直流侧线路的电流。
一端VSC 的结构图如图2所示。
图2 VSC 结构图
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：
⎛I s a ⎫d
L I s ⎪b +⎪dt ⎪
⎝Isc ⎭U a ⎛I s ⎫a ⎛⎫c ⎛⎫U s a
⎪ ⎪ ⎪
s b （2） R I s +b U =c b ⎪ ⎪ ⎪ U
Isc ⎪ Ucc ⎪ Usc ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭
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：
⎛
cos ωt 2 P =-sin ωt
3
1 ⎝2
22⎫
cos(ωt -π) cos(ωt +π) ⎪
33
⎪
22⎪
-sin(ωt -π) -sin(ωt +π) （3）
33⎪
⎪
11⎪⎪22⎭
对式（1）进行Park 变换得到在dq0坐标下的方程：
⎛dIsd ⎫
dt ⎪
⎛Usd ⎫⎛Ucd ⎫⎛Isd ⎫⎛-ωIsq ⎫ ⎪
dIsq ⎪=1 Usq ⎪-1 Ucq ⎪-L Isq ⎪- ωIsd ⎪
⎪ （4） ⎪L ⎪R ⎪ dt ⎪L Uso ⎪ Uco ⎪ Iso ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝0⎭dIs 0 ⎪ ⎪
⎝dt ⎭
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平衡等式：
3⎧P =(Usd *Isd +Usq *Isq ) ⎪2⎪
3⎪
⎨Q =(Usd *Isq -Usq *Isd ) （5）
2⎪
⎪P =Udc *Idc ⎪⎩
由（5）式可得：
3(U s d *I s +d U *s q ) I s q
（6）
2U d c
又在VSC 模型中，由电路定理可以得到：
d U d c =+I d I d c l （7）
dt
综合（6）和（7）可得：
dUdc 3(Usd *Isd +Usq *Isq ) Idl
=- （8） dt 2Udc *C C
综合上述关系式我们可以得到： = I d c
⎛L ⎫-Isd +ωIsq ⎪⎛1
⎛Isd ⎫ R ⎪ ⎪ L ⎪+ L Isq =-Isq -ωIsd ⎪ ⎪ 0 Udc ⎪ R
0⎝⎭ 3(Usd *Isd +Usq *Isq ) Idl ⎪⎝⎪- ⎪
2Udc *C C ⎭⎝
0⎫
⎪0⎫1⎪⎛Usd -Ucd
⎪ （9）
0Usq -Ucq L ⎪⎝⎭
0⎪⎭
这样我们初步得到了在dq0坐标系的VSC 的数学模型，当令系统的a 相电压方向和旋转dq0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，dq0旋转坐标下的系统功率传输方程可由式子（5）得到：
3⎧
P =(Usd *Isd ) ⎪2⎪
3⎪Q =(Usd *Isq ) （10） ⎨
2⎪
⎪P =Udc *Idc ⎪⎩
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 , 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Isd 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压指令、有功、无功功率指令，以及交流电压指令及频率指令等。根据这些指令得到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。目前对于电压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、定直流电压控制、定直流电流控制和定频率控制。
（2）定无功功率类控制：即根据无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，使无功功率稳定在设^值。其调节量直接或间接的与无功功率相关，包括定无功功率控制和定交流电压控制。其调节量直接或间接的与无功功率相关，包括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：
①间接电流控制
间接电流控制实际上就是电压幅值和相角控制。即通过控制交流侧的电压基波的幅值和相角来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。
②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。直接电流控制又称为矢量控制。由外环电压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3所示。
图3三相电压型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、外环电压/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要，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d-q 坐标系下的标准电流
I dref
和
I qref
。
然后利用标准电流在d-q 坐标系下利用式（9）进行d-q 解耦，产生需要的标准电压
U dref
和
U qref
，再经过d-q 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要的触发脉冲。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。电力系统中的锁相环充分利用了三
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 轴的电压为零来获得同步相位，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中我们已经大致介绍了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序图。
（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。
图4 内环程序控制框图
（2）外环控制器
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 程序控制框图分别如图5、6、7所示。
图5 有功功率控制器
图6 直流电压控制器
图7 无功功率控制器
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 轴的参考电压，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
图中比较器的输入就是所要的abc 坐标系下的参考交流电压，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d-q 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VSC-HVDC 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。 图9 程序主框图
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1 SE侧主要仿真参数
表2 RE侧主要仿真参数
3.2 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，设定直流电压参考值为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。 3.2.1 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
图(b) RE 侧有功功率
图(c) SE 侧无功功率
图(d) RE 侧无功功率
图(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，其波动的来源则有可能是换流站自身损耗和线路损耗；他们的直流侧电压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。
图(a) SE 侧有功功率
图(b) RE 侧有功功率
图(c) SE 侧无功功率
图(d) RE 侧无功功率
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；RE 换流站的有功功率则能够很好的跟踪SE 侧的有功功率，其波动的来源则同样有可能是换流站自身损耗和线路损耗；他们的直流侧电压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, Multi-terminal 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，这种认识已经成为与日俱增的共识。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-MTDC ；（2）所有换流站都是电压源型换流站VSC-MTDC ；（3）既有电流源型换流站又有电压源型换流站的混合多端直流输电系统Hybrid-MTDC 。
现已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
）美国太平
洋岸联络线双极四终端系统，于1989 年建成，原有直流系统电压为400kV ，经过串接整流阀后升压为 500kV ，另外再并联一组双极 500kV 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-MTD 系统潮流反转时直流电流方向不变，直流电压方向发生反转。而 VSC-MTDC 系统潮流反转时直流电压方向不变，直流电流方向反转。由图12可见 CSC-MTDC 发生功率反转时，电压极性改变，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。
(a) CSC －MTDC （b ） VSC －MTDC
图12 M T D C 接线示意图
VSC-MTDC 根据换流站在直流电网中的联接方式又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，从而比它在满电压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，并为将来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，又可以运行在逆变方式，换流器3与无源网络相联，只能运行在逆变方式。
四端 V S C - M T D C 结构示意图如图13所示。
图13 四端 V S C - M T D C 结构示意图
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，实现基于VSC 的多端直流输/配电系统就成为直流输电技术进一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[13]。对于现有投入商业运行的CSC-MTDC 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压恒定，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电压控制。这也是本节主要要研究和仿真验证的主从式控制策略[11]。
另外，与两端系统不同的是，通常MTDC 系统还需要设置上层控制器，对于一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
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直流电压随着输出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，采用这种控制方法会造成一定的静态电压误差 。换流器的稳态下降特性曲线如图14所示。
图14 换流器的稳态下降特性曲线
换流器的下降特性曲线中Uref 为直流侧参考电压，Idc 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已提到过，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压将不再稳定，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
4.3.1 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d-q 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，仿真的主框图如图15所示。
图15 VSC-MTDC 程序主框图
由上图可知这是一个三端的VSC-MTDC 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，又可以运行在逆变方式，每一端的控制方式都是d-q 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选择定直流电压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。 4.3.2 仿真主要参数的选取
仿真主要参数的选取如下表3—5所示。
表3 SE 侧主要仿真参数
表4 RE1侧主要仿真参数
表5 RE2侧主要仿真参数
4.3.3 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中分别设定下列四种运行工况：
（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6.5MW ； （3）系统正常运行2s 后RE2侧从直流端端断开，其余各站正常运行； （4）系统正常运行2s 后RE1侧从直流端端断开，其余各站正常运行。 下面利用PSCAD 软件对上述四种情况分别进行仿真，并对仿真进行对比分析。
4.3.4 系统稳定启动运行时的仿真与分析
其仿真波形如图16所示。
图(a) SE 侧有功 图(b) SE 侧无功
图(c) RE1侧有功 图(d) RE1侧无功
图(e) RE2侧有功 图(f) RE2侧无功
图(g) 三端直流侧电压（三侧直流电压相同）
图16 系统稳定启动时仿真图形
仿真分析：由图16可知利用主从式控制策略各个换流站均能够很快的稳定工作在其所控制的参考值附近，并且各站的直流侧电压也能够稳定在RE1的参考工作点。另外，RE1换流站的有功功率能够快速的跟踪稳定在-26MW 附近，即能够使整个网络的有功功率之和为零，满足基尔霍夫定律。 4.3.5 系统运行后SE 端参考有功功率减半的仿真与分析
其仿真波形如图17所示。
图(a) SE 侧有功 图(b) SE 侧无功
图(c) RE1侧有功 图(d) RE1侧无功
图(e) RE2侧有功 图(f) RE2侧无功
图(g) 三端直流侧电压（三侧直流电压基本相同）
图17 系统有功功率减半的仿真波形
仿真分析：由图17可知利用主从式控制策略各个换流站均能够很快的稳定工作在其所控制的参考值附近，而当SE 站的有功功率参考值发生变化后，在控制器的作用下，整个系统都能够稳定在新的参考工作点。动态变化过程中，RE1换流站的有功功率能够快速的跟踪系统功率的变化并稳定在新的工作点，从而使整个网络的有功功率满足基尔霍夫定律。并且各站的直流侧电压在整个动态过程中也能够稳定在RE1的参考工作点。仿真结果充分验证了主从式控制策略在VSC 多端直流传输系统中具有很好的控制作用，但是这只是对于三端稳定运行过程，为了验证某一端断开的效果如何，我们进行了下面两个工况的仿真和分析。
4.3.6 系统运行后RE2侧从直流端端断开的仿真与分析
其仿真波形如图18所示。
图(a) SE 侧有功 图(b) SE 侧无功
图(c) RE1侧有功 图(d) RE1侧无功
图(e) SE 端直流侧电压 图(f) RE1端直流侧电压
图18 系统从直流端断开的仿真波形
仿真分析：由于RE2侧在两秒后从直流侧断开，其状态这里不再研究，图18
反映的是另外两个换流站的工作状态。由图可知利用主从式控制策略各个换
流站均能够很快的稳定工作在其所控制的参考值附近，而当从换流站RE2从直流侧断开后，在控制器的作用下，整个系统都能够稳定在新的参考工作点。变化过程中，RE1换流站的有功功率也能够快速的跟踪系统功率的变化，从而使整个网络的有功功率满足基尔霍夫定律。并且由于实行直流电压控制的主换流站RE1端仍然保持正常运行，SE 站和RE1站的直流侧电压也仍然能够稳定在RE1的参考工作点，系统仍然能够保持稳定运行。
4.3.7 系统运行后RE1侧从直流端端断开的仿真与分析
其仿真波形如图19所示：
仿真分析：由于RE1侧在两秒后从直流侧断开，其状态这里不再研究，图19反映的是另外两个换流站的工作状态。由图可知断开前，系统能够稳定运行，而当主换流站RE1站从直流侧断开后，由于没有了主换流站的直流电压控制，剩余两站的直流侧电压不再能够保持稳定，由以上工作情况可得系统不再能够稳定运行。仿真如图19所示。
图(a) SE 侧有功 图(b) SE 侧无功
图(c) RE2侧有功 图(d) RE2侧无功
图(e) SE 端直流侧电压 图(f) RE2端直流侧电压
图19 系统从直流端断开的仿真波形
本节首先介绍了多端直流输电系统的基本运行原理，继而探讨了两种多端系统的协调控制策略——电压下将控制和主从式控制策略，并且大致介绍了两种控制策略的优劣。最后，本章基于主从式控制策略设计了一个三端的直流输电系统并在PSCAD 软件上对四种工况进行仿真。仿真结果表明在系统稳定运行或潮流变化时系统都能够稳定运行，即使当某个从换流站退出运行，系统仍然能够依靠主换流站的控制在新的工作参考点稳定运行。但是，当主换流站因为某种原因退出运行后，整个系统的直流侧电压不再能够稳定，系统也不能够继续稳定运行，这些仿真结果都充分验证了主从式控制理论的优点与短处。
结束语
柔性直流输电采用全控型换流器件以及PWM 调制技术，和传统的电流型控制换流器相比具有良好的运行可靠性和灵活性。并且我们可以看到，越来越多的柔性直流输电系统在中/低压输配电、分布式发电以及电力市场等方面将得到应用。但是一般的直流输电系统为两端系统，仅能实现点对点的功率传输，当多个交流系统间需要直流互联时，多端系统具有较好的经济型和灵活性，并且，由于柔性直流输电功率反转时直流电压极性不变，直流电流方向反转，非常有利于构成多端系统。而现有的多端直流输电系统都是CSC-MTDC ，而VSC-MTDC 相比其有很大的优势，所以本文在双端VSC 输电系统的基础上研究了多端直流输电的控制策略，并对其进行了仿真验证，结果表明所选用的主从式控制方式确实取得了不错的控制结果。
本文主要取得了以下成果：
（1）总结了柔性直流输电相比于传统直流输电的技术优势，并进一步说明了多端柔性直流输电的可行性与广阔的应用前景及其国内外研究现状；
（2）在abc 三相静止坐标系下构建了两端VSC-HVDC 系统数学模型，进而又转化推导出dq 旋转坐标下的数学模型；
（3）并利用d-q 解耦理论设计了VSC 换流站的各种控制单元，并搭建了相应的两端柔性直流输电系统，利用PSCAD 进行了仿真验证与分析，仿真结果表明各控制器均具有良好的动态稳定性和稳态控制精度，同时也表明柔性直流输电系统具有良好的灵活性和供电可靠性；
（4）总结并分析了应用于VSC-MTDC 系统的控制方法，即主从式控制和电压下降式控制，由于采用电压下降控制方式的多端系统电压质量和功率分配特性不可兼得，而主从式控制具有良好的刚性，故一般采用主从式单点直流电压控制方式；建立了采用主从式单点直流电压控制的柔性三端直流输电系统，并对其进行了仿真验证与分析，仿真结果表明系统的控制性能具有良好的电压特性，但是该控制没有考虑主站因故障退出运行的情况，故供电可靠性仍有待提高。
参考文献
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PamphletPOW-0049，February 2009.
[16]屠卿瑞，徐政. 多端直流系统关键技术概述[J].华东电力.2009,37（2）:4-5.
致谢
半年的毕业设计转眼就过去了，在这次毕业设计的过程中，有很多困难，无论是在理论学习阶段，还是在论文的选题、资料查询、开题、研究和撰写的每一个环节，无不得到导师的悉心指导和帮助。借此机会我向导师表示衷心的感谢!
杜老师对工作精益求精，严格要求学生，使我受益匪浅。每当毕设遇到困难时，他总是不断的激励和帮助我，在百忙之中，他还抽出很多时间对我进行讲解，在我毕业设计过程中，杜老师一直耐心地给予指导、悉心讲解疑难问题，本文的许多思想是在和杜老师交流的过程中产生并实践的。
此外，还要感谢实验室的同学们，他们对我的毕设论文完成给予很大的帮忙。
最后，向评阅本论文的专家学者以及答辩组的各位老师致敬！
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 年 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
南 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：
完 成 日 期：
南阳理工学院
Nanyang Institute of Technology
多端直流输电系统的控制策略研究
[摘 要]本文主要研究VSC-MTDC ——基于VSC 换流器的新型多端直流输电系统的运行控制问题。首先，论文通过Park 变换建立了dq0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d-q 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直流输电系统，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；d-q 解耦；电力系统仿真
Control Strategy Research of Multi-terminal HVDC System
Electrical Engineering And Automation Specialty ZHAO Xiao-qi
Abstract:This dissertation focuses on the operation and control of the VSC-based multi-terminal HVDC system. Firstly, a static model of VSC in dq0 coordinate system is developed through the Park transformation. 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, which used master-slave single point DC voltage control and carried out a simulation by use of PSCAD. Simulation results show that the control system has good control performance in most cases. But when the master station exit, the system will not be able to operate stably. So the power supply reliability of this control system remains to be improved.
Keywords :VSC converter;Park transformation;d-q decoupling;PSCAD simula- tion
目 录
1 引言.............................................................. 1
1.1 传统直流输电的不足 . ........................................... 2
1.2 柔性直流输电概述 . ............................................. 3
1.2.1 VSC-HVDC的应用与特点 ..................................... 3
1.2.2 多端直流输电系统的优势及应用领域 .......................... 4
2 VSC-HVDC系统模型及控制器设计 ..................................... 5
2.1 VSC-HVDC系统模型 ............................................. 5
2.1.1 VSC-HVDC工作原理 ......................................... 5
2.1.2 VSC-HVDC系统建模 ......................................... 6
2.2 VSC本地控制器的设计 .......................................... 8
2.2.1 柔性直流输电系统基本控制方式 .............................. 8
2.2.2 基于d-q 解耦的VSC 系统的控制器设计 ....................... 10
3 系统控制器仿真验证及分析......................................... 12
3.1 仿真主框架和控制量选择 . ...................................... 12
3.1.1 仿真主框图 ............................................... 12
3.1.2 仿真主要参数的选取 ....................................... 12
3.2 有源系统控制器的仿真验证与分析 . .............................. 13
3.2.1 系统按照上述控制方案稳定启动运行的仿真与分析 ............. 13
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 .......... 15
4 VSC-MTDC系统的控制策略及仿真分析 ................................ 17
4.1 多端直流输电系统的基本原理 . .................................. 17
4.2 多端直流输电系统的基本控制策略 . .............................. 19
4.2.1 多端直流输电系统的基本控制策略概述 ....................... 19
4.2.2 多端直流输电系统的电压下降控制方式 ....................... 20
4.2.3 多端直流输电系统的主从式控制策略 ......................... 20
4.3 基于主从式控制的VSC-MTDC 系统的仿真与分析 . ................... 20
4.3.1 仿真主框图的设计 ......................................... 20
4.3.2 仿真主要参数的选取 ....................................... 21
4.3.3 多端有源系统控制器的仿真验证与分析 ....................... 22
4.3.4 系统稳定启动运行时的仿真与分析 ........................... 23
4.3.5 系统运行后SE 端参考有功功率减半的仿真与分析 .............. 24
4.3.6 系统运行后RE2侧从直流端端断开的仿真与分析 ............... 25
4.3.7 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............................................................... 31
1 引言
电力科学的发展是从直流电开始的，1882年，法国物理学家德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—2kV 的直流电压，把电力送到了慕尼黑举办的国际展览会上，完成了有史以来的第一次输电试验。但由于高压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，因此交流电就几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[1-3]。
但是，随着电网的扩大，交流输电的局限性日益显露出来，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，高电压大功率的换流技术被研究出来并得以应用，使得高压直流输电又重新被人们所重视。
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[4，5]。1954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，高压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，世界上已经有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。
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工程大量出现。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（1）。自1970年哥特兰岛直流输电工程投入运行，到2010年，世界上已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来，我国现已有十多项直流输电工程投入使用[6-9]。
然而，由于传统高压直流输电的核心部件——换流器采用的是半控型晶闸管器件，这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——柔性直流输电技术VSC-HVDC 的出现。1997年，世界上首个VSC-HVDC 工程——赫尔斯扬直流输电工程投入运行，其换流器采用基于IGBT 的两电平三相桥拓扑结构，
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会（IEEE ）将其命名为" 基于电压源换流器的高压直流输电" （"VSC-HVDC" 或"VSC Transmission"）；ABB 公司称之为" 轻型直流" （"HVDC-Light" ）；西门子公司称其为" 新型直流" （"HVDC-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。通过顺序发出的触发脉冲，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。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压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]：
（1）不能向小容量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量不足， 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 其容量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直流功率的30%-60%，因此换流站需要大量的无功补偿装置；
（4）换流站投资大, 占地面积大, 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。
1.2 柔性直流输电概述
1.2.1 VSC-HVDC的应用与特点
用来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 ）和电压源换流器（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压源换流器VSC （其在直流侧作为恒定电压源）以及脉宽调制控制技术PWM 为基础的。与传统 HVDC 相比，VSC-HVDC 有以下特点[10,11]：
（1）VSC 换流器中电流能够自关断，可以工作在无源逆变方式，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，即使对小容量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几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 STATCOM 的作用 即动态补偿交流母线无功功率，稳定交流母线电压，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援, 又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量，甚至可以不装设专用的无功补偿装置；
（5）由于使用电压源型换流器，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直流母线上，易于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，因此只需在交流母线上安装一组高通滤波器即可满足谐波要求 所需滤波装置的容量也大大减小。由于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
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几兆瓦至上千兆瓦，既可以用于中小功率的输电场合，也可用于远距离输电场合，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，柔性直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，直流电压极性不变、直流电流方向反转的特点，电压源换流器对于直流侧相当于电压源，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、可靠性、经济型等方面占有优势，其主要存在的应用领域如下[1]：
（1）分布式发电（distributed generation）。分布式发电装置是指小型的与环境兼容的独立电源。这些电源为电力部门、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，包括太阳能发电、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压波动问题，改善电能质量；当交流系统发生短路故障时，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。
（3）孤岛供电。我国是世界上海岛最多的国家之一，而海岛供电问题是多年来影响海岛经济发展和人民生活水平提高的主要问题之一。海岛具有用电量较
小、呈区域性分布、风力资源丰富等特点，十分适合采用VSC-MTDC 系统。
（4）城市供电。对于一些大中城市的供电系统来说，重负荷、短路电流超标、严格的环境约束等都是供电所面临的严峻挑战。采用柔性直流输电系统向城市供电，不仅可以快速控制有功和无功功率，有效改善电能质量，还能提供系统阻尼，提高系统稳定性，并在系统出现严重故障全停电后提供“黑启动”功能；同时，柔性输电采用地埋式电缆，可以同时满足城市对电量与环保节能的要求。
2 VSC-HVDC系统模型及控制器设计
2.1 VSC-HVDC系统模型
2.1.1 VSC-HVDC工作原理
两端VSC-HVDC 输电系统的电压源换流器之间靠直流输电线路联接，交流系统1侧的换流器工作于整流状态，交流系统2侧的换流器工作于逆变状态，二者相互配合，完成这两个系统之间的功率传输交换如图1所示。
图 1柔性直流输电基本结构
如上图所示，两侧换流站采用VSC 换流器。换流器由换流桥、换流电抗器、直流电容器和交流滤波器组成。整流电抗器是VSC
与交流侧实现能量交换的纽带，同时也起到滤波器的作用。而直流电容器能为换流器提供电压支撑、缓冲桥臂关断时的冲击电流、减小直流侧谐波。交流侧通常接有滤波器以实现滤除交流侧谐波的作用，下面我们探讨一下换流器与交流电网之间的功率传输基本原理
[14]
：
设系统交流母线电压的基波分量为U s ，换流器输出电压的基波分量是U c ，代表与二者的相角差，
X
代表换流电抗器的电抗值。在忽略换流器损耗的情况下，交流系统向换流器输送的有功功率P 和无功功率Q 分别为：
U c U s ⎫
sin δ⎪⎪X
⎬ （1）
U
Q G =s (U s -U c cos δ) ⎪
⎪X ⎭P G =
由上面式（1）可以看出，系统有功功率P 的传输是由δ的值控制着的，当δ>0时，P >0，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δ
(U s -U c cos δ) >0 时，Q >0，这时 VSC 吸收无功功率；(U s -U c cos δ)
通过以上分析可知，VSC 换流器输出电压的幅值和相位决定着它对无功功率和有功功率的吸收，因此要想独立地控制有功功率和无功功率的大小和传输方向，可以通过控制PWM 所给定的正弦信号的相位和调制度来实现。 2.1.2 VSC-HVDC系统建模
由于两端VSC-HVDC 输电系统两端采用完全对称的结构，因此只对其中一端进行分析，Usa 、Usb 、Usc 为交流系统的三相电压瞬时值，Uca 、Ucb 、Ucc 为VSC 交流侧的三相电压瞬时值，R 、L 为换流变压器、线路的等效电阻和电感，Idc 为换流器流出的直流电流，Idl 为直流侧线路的电流。
一端VSC 的结构图如图2所示。
图2 VSC 结构图
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：
⎛I s a ⎫d
L I s ⎪b +⎪dt ⎪
⎝Isc ⎭U a ⎛I s ⎫a ⎛⎫c ⎛⎫U s a
⎪ ⎪ ⎪
s b （2） R I s +b U =c b ⎪ ⎪ ⎪ U
Isc ⎪ Ucc ⎪ Usc ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭
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：
⎛
cos ωt 2 P =-sin ωt
3
1 ⎝2
22⎫
cos(ωt -π) cos(ωt +π) ⎪
33
⎪
22⎪
-sin(ωt -π) -sin(ωt +π) （3）
33⎪
⎪
11⎪⎪22⎭
对式（1）进行Park 变换得到在dq0坐标下的方程：
⎛dIsd ⎫
dt ⎪
⎛Usd ⎫⎛Ucd ⎫⎛Isd ⎫⎛-ωIsq ⎫ ⎪
dIsq ⎪=1 Usq ⎪-1 Ucq ⎪-L Isq ⎪- ωIsd ⎪
⎪ （4） ⎪L ⎪R ⎪ dt ⎪L Uso ⎪ Uco ⎪ Iso ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝0⎭dIs 0 ⎪ ⎪
⎝dt ⎭
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平衡等式：
3⎧P =(Usd *Isd +Usq *Isq ) ⎪2⎪
3⎪
⎨Q =(Usd *Isq -Usq *Isd ) （5）
2⎪
⎪P =Udc *Idc ⎪⎩
由（5）式可得：
3(U s d *I s +d U *s q ) I s q
（6）
2U d c
又在VSC 模型中，由电路定理可以得到：
d U d c =+I d I d c l （7）
dt
综合（6）和（7）可得：
dUdc 3(Usd *Isd +Usq *Isq ) Idl
=- （8） dt 2Udc *C C
综合上述关系式我们可以得到： = I d c
⎛L ⎫-Isd +ωIsq ⎪⎛1
⎛Isd ⎫ R ⎪ ⎪ L ⎪+ L Isq =-Isq -ωIsd ⎪ ⎪ 0 Udc ⎪ R
0⎝⎭ 3(Usd *Isd +Usq *Isq ) Idl ⎪⎝⎪- ⎪
2Udc *C C ⎭⎝
0⎫
⎪0⎫1⎪⎛Usd -Ucd
⎪ （9）
0Usq -Ucq L ⎪⎝⎭
0⎪⎭
这样我们初步得到了在dq0坐标系的VSC 的数学模型，当令系统的a 相电压方向和旋转dq0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，dq0旋转坐标下的系统功率传输方程可由式子（5）得到：
3⎧
P =(Usd *Isd ) ⎪2⎪
3⎪Q =(Usd *Isq ) （10） ⎨
2⎪
⎪P =Udc *Idc ⎪⎩
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 , 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Isd 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压指令、有功、无功功率指令，以及交流电压指令及频率指令等。根据这些指令得到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。目前对于电压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、定直流电压控制、定直流电流控制和定频率控制。
（2）定无功功率类控制：即根据无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，使无功功率稳定在设^值。其调节量直接或间接的与无功功率相关，包括定无功功率控制和定交流电压控制。其调节量直接或间接的与无功功率相关，包括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：
①间接电流控制
间接电流控制实际上就是电压幅值和相角控制。即通过控制交流侧的电压基波的幅值和相角来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。
②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。直接电流控制又称为矢量控制。由外环电压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3所示。
图3三相电压型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、外环电压/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要，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d-q 坐标系下的标准电流
I dref
和
I qref
。
然后利用标准电流在d-q 坐标系下利用式（9）进行d-q 解耦，产生需要的标准电压
U dref
和
U qref
，再经过d-q 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要的触发脉冲。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。电力系统中的锁相环充分利用了三
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 轴的电压为零来获得同步相位，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中我们已经大致介绍了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序图。
（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。
图4 内环程序控制框图
（2）外环控制器
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 程序控制框图分别如图5、6、7所示。
图5 有功功率控制器
图6 直流电压控制器
图7 无功功率控制器
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 轴的参考电压，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
图中比较器的输入就是所要的abc 坐标系下的参考交流电压，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d-q 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VSC-HVDC 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。 图9 程序主框图
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1 SE侧主要仿真参数
表2 RE侧主要仿真参数
3.2 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，设定直流电压参考值为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。 3.2.1 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
图(b) RE 侧有功功率
图(c) SE 侧无功功率
图(d) RE 侧无功功率
图(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，其波动的来源则有可能是换流站自身损耗和线路损耗；他们的直流侧电压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。
图(a) SE 侧有功功率
图(b) RE 侧有功功率
图(c) SE 侧无功功率
图(d) RE 侧无功功率
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；RE 换流站的有功功率则能够很好的跟踪SE 侧的有功功率，其波动的来源则同样有可能是换流站自身损耗和线路损耗；他们的直流侧电压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, Multi-terminal 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，这种认识已经成为与日俱增的共识。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-MTDC ；（2）所有换流站都是电压源型换流站VSC-MTDC ；（3）既有电流源型换流站又有电压源型换流站的混合多端直流输电系统Hybrid-MTDC 。
现已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
）美国太平
洋岸联络线双极四终端系统，于1989 年建成，原有直流系统电压为400kV ，经过串接整流阀后升压为 500kV ，另外再并联一组双极 500kV 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-MTD 系统潮流反转时直流电流方向不变，直流电压方向发生反转。而 VSC-MTDC 系统潮流反转时直流电压方向不变，直流电流方向反转。由图12可见 CSC-MTDC 发生功率反转时，电压极性改变，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。
(a) CSC －MTDC （b ） VSC －MTDC
图12 M T D C 接线示意图
VSC-MTDC 根据换流站在直流电网中的联接方式又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，从而比它在满电压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，并为将来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，又可以运行在逆变方式，换流器3与无源网络相联，只能运行在逆变方式。
四端 V S C - M T D C 结构示意图如图13所示。
图13 四端 V S C - M T D C 结构示意图
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，实现基于VSC 的多端直流输/配电系统就成为直流输电技术进一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[13]。对于现有投入商业运行的CSC-MTDC 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压恒定，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电压控制。这也是本节主要要研究和仿真验证的主从式控制策略[11]。
另外，与两端系统不同的是，通常MTDC 系统还需要设置上层控制器，对于一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
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直流电压随着输出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，采用这种控制方法会造成一定的静态电压误差 。换流器的稳态下降特性曲线如图14所示。
图14 换流器的稳态下降特性曲线
换流器的下降特性曲线中Uref 为直流侧参考电压，Idc 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已提到过，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压将不再稳定，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
4.3.1 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d-q 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，仿真的主框图如图15所示。
图15 VSC-MTDC 程序主框图
由上图可知这是一个三端的VSC-MTDC 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，又可以运行在逆变方式，每一端的控制方式都是d-q 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选择定直流电压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。 4.3.2 仿真主要参数的选取
仿真主要参数的选取如下表3—5所示。
表3 SE 侧主要仿真参数
表4 RE1侧主要仿真参数
表5 RE2侧主要仿真参数
4.3.3 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中分别设定下列四种运行工况：
（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6.5MW ； （3）系统正常运行2s 后RE2侧从直流端端断开，其余各站正常运行； （4）系统正常运行2s 后RE1侧从直流端端断开，其余各站正常运行。 下面利用PSCAD 软件对上述四种情况分别进行仿真，并对仿真进行对比分析。
4.3.4 系统稳定启动运行时的仿真与分析
其仿真波形如图16所示。
图(a) SE 侧有功 图(b) SE 侧无功
图(c) RE1侧有功 图(d) RE1侧无功
图(e) RE2侧有功 图(f) RE2侧无功
图(g) 三端直流侧电压（三侧直流电压相同）
图16 系统稳定启动时仿真图形
仿真分析：由图16可知利用主从式控制策略各个换流站均能够很快的稳定工作在其所控制的参考值附近，并且各站的直流侧电压也能够稳定在RE1的参考工作点。另外，RE1换流站的有功功率能够快速的跟踪稳定在-26MW 附近，即能够使整个网络的有功功率之和为零，满足基尔霍夫定律。 4.3.5 系统运行后SE 端参考有功功率减半的仿真与分析
其仿真波形如图17所示。
图(a) SE 侧有功 图(b) SE 侧无功
图(c) RE1侧有功 图(d) RE1侧无功
图(e) RE2侧有功 图(f) RE2侧无功
图(g) 三端直流侧电压（三侧直流电压基本相同）
图17 系统有功功率减半的仿真波形
仿真分析：由图17可知利用主从式控制策略各个换流站均能够很快的稳定工作在其所控制的参考值附近，而当SE 站的有功功率参考值发生变化后，在控制器的作用下，整个系统都能够稳定在新的参考工作点。动态变化过程中，RE1换流站的有功功率能够快速的跟踪系统功率的变化并稳定在新的工作点，从而使整个网络的有功功率满足基尔霍夫定律。并且各站的直流侧电压在整个动态过程中也能够稳定在RE1的参考工作点。仿真结果充分验证了主从式控制策略在VSC 多端直流传输系统中具有很好的控制作用，但是这只是对于三端稳定运行过程，为了验证某一端断开的效果如何，我们进行了下面两个工况的仿真和分析。
4.3.6 系统运行后RE2侧从直流端端断开的仿真与分析
其仿真波形如图18所示。
图(a) SE 侧有功 图(b) SE 侧无功
图(c) RE1侧有功 图(d) RE1侧无功
图(e) SE 端直流侧电压 图(f) RE1端直流侧电压
图18 系统从直流端断开的仿真波形
仿真分析：由于RE2侧在两秒后从直流侧断开，其状态这里不再研究，图18
反映的是另外两个换流站的工作状态。由图可知利用主从式控制策略各个换
流站均能够很快的稳定工作在其所控制的参考值附近，而当从换流站RE2从直流侧断开后，在控制器的作用下，整个系统都能够稳定在新的参考工作点。变化过程中，RE1换流站的有功功率也能够快速的跟踪系统功率的变化，从而使整个网络的有功功率满足基尔霍夫定律。并且由于实行直流电压控制的主换流站RE1端仍然保持正常运行，SE 站和RE1站的直流侧电压也仍然能够稳定在RE1的参考工作点，系统仍然能够保持稳定运行。
4.3.7 系统运行后RE1侧从直流端端断开的仿真与分析
其仿真波形如图19所示：
仿真分析：由于RE1侧在两秒后从直流侧断开，其状态这里不再研究，图19反映的是另外两个换流站的工作状态。由图可知断开前，系统能够稳定运行，而当主换流站RE1站从直流侧断开后，由于没有了主换流站的直流电压控制，剩余两站的直流侧电压不再能够保持稳定，由以上工作情况可得系统不再能够稳定运行。仿真如图19所示。
图(a) SE 侧有功 图(b) SE 侧无功
图(c) RE2侧有功 图(d) RE2侧无功
图(e) SE 端直流侧电压 图(f) RE2端直流侧电压
图19 系统从直流端断开的仿真波形
本节首先介绍了多端直流输电系统的基本运行原理，继而探讨了两种多端系统的协调控制策略——电压下将控制和主从式控制策略，并且大致介绍了两种控制策略的优劣。最后，本章基于主从式控制策略设计了一个三端的直流输电系统并在PSCAD 软件上对四种工况进行仿真。仿真结果表明在系统稳定运行或潮流变化时系统都能够稳定运行，即使当某个从换流站退出运行，系统仍然能够依靠主换流站的控制在新的工作参考点稳定运行。但是，当主换流站因为某种原因退出运行后，整个系统的直流侧电压不再能够稳定，系统也不能够继续稳定运行，这些仿真结果都充分验证了主从式控制理论的优点与短处。
结束语
柔性直流输电采用全控型换流器件以及PWM 调制技术，和传统的电流型控制换流器相比具有良好的运行可靠性和灵活性。并且我们可以看到，越来越多的柔性直流输电系统在中/低压输配电、分布式发电以及电力市场等方面将得到应用。但是一般的直流输电系统为两端系统，仅能实现点对点的功率传输，当多个交流系统间需要直流互联时，多端系统具有较好的经济型和灵活性，并且，由于柔性直流输电功率反转时直流电压极性不变，直流电流方向反转，非常有利于构成多端系统。而现有的多端直流输电系统都是CSC-MTDC ，而VSC-MTDC 相比其有很大的优势，所以本文在双端VSC 输电系统的基础上研究了多端直流输电的控制策略，并对其进行了仿真验证，结果表明所选用的主从式控制方式确实取得了不错的控制结果。
本文主要取得了以下成果：
（1）总结了柔性直流输电相比于传统直流输电的技术优势，并进一步说明了多端柔性直流输电的可行性与广阔的应用前景及其国内外研究现状；
（2）在abc 三相静止坐标系下构建了两端VSC-HVDC 系统数学模型，进而又转化推导出dq 旋转坐标下的数学模型；
（3）并利用d-q 解耦理论设计了VSC 换流站的各种控制单元，并搭建了相应的两端柔性直流输电系统，利用PSCAD 进行了仿真验证与分析，仿真结果表明各控制器均具有良好的动态稳定性和稳态控制精度，同时也表明柔性直流输电系统具有良好的灵活性和供电可靠性；
（4）总结并分析了应用于VSC-MTDC 系统的控制方法，即主从式控制和电压下降式控制，由于采用电压下降控制方式的多端系统电压质量和功率分配特性不可兼得，而主从式控制具有良好的刚性，故一般采用主从式单点直流电压控制方式；建立了采用主从式单点直流电压控制的柔性三端直流输电系统，并对其进行了仿真验证与分析，仿真结果表明系统的控制性能具有良好的电压特性，但是该控制没有考虑主站因故障退出运行的情况，故供电可靠性仍有待提高。
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致谢
半年的毕业设计转眼就过去了，在这次毕业设计的过程中，有很多困难，无论是在理论学习阶段，还是在论文的选题、资料查询、开题、研究和撰写的每一个环节，无不得到导师的悉心指导和帮助。借此机会我向导师表示衷心的感谢!
杜老师对工作精益求精，严格要求学生，使我受益匪浅。每当毕设遇到困难时，他总是不断的激励和帮助我，在百忙之中，他还抽出很多时间对我进行讲解，在我毕业设计过程中，杜老师一直耐心地给予指导、悉心讲解疑难问题，本文的许多思想是在和杜老师交流的过程中产生并实践的。
此外，还要感谢实验室的同学们，他们对我的毕设论文完成给予很大的帮忙。
最后，向评阅本论文的专家学者以及答辩组的各位老师致敬！