蒋辰晖，王志新，吴定国

（1.上海交通大学电子信息及电气工程学院，上海 200240；2.无锡清源电气科技有限公司，江苏 无锡 214174）

直流输电技术就是以直流电的方式实现电能的输送，人类电力科学技术的发展,最早就是从直流电开始的。到了19世纪80、90年代，由于交流电的发电、变压、输电、分配和使用都较当时的直流电方便，从而使交流输电和交流电网技术得到迅速发展，并很快取代了直流输电占据了统治地位。但是随着用电领域和地域的不断扩大，电网规模迅速膨胀，这直接导致了一系列交流输电很难跨越的技术阻碍出现，如远距离电缆输电、异步电网互联等。而与此同时，由于高压大功率换流技术的快速发展，使得直流输电又重新为人们所重视[1]。

另外，随着电力电子器件和控制技术的发展，出现了新型的半导体器件——绝缘栅双极晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）。由于IGBT阀具有可控开通和关断的能力，并随着IGBT器件电压和容量等级的不断提升，这使得采用IGBT管构成电压源换流器来进行直流输电成为可能。对于这种新型的直流输电技术，国内很多专家建议将该技术简称为“柔性直流（HVDC-Flexible）”，以区别于采用晶闸管的常规直流输电技术。

相对于交流输电以及传统的直流输电技术，柔性直流输电技术可以概括出以下优点[1-4]：

1）有功无功快速独立控制

2）潮流反转方便快捷

3）提高现有交流系统的输电能力

4）提高交流电网的功角稳定性

5）事故后快速恢复供电

6）可以向无源电网供电

7）设计灵活，大部分设备安装在室内，施工工期短

本文所设计的海上风电场柔性直流输电系统，主电路采用实际工程中的三相两电平结构，SVPWM调制方式，和传统晶闸管直流输电相比，解决了向无源网络供电的问题并提高了开关频率；而相对于三电平或多电平结构，又具有结构简单，性能稳定等优势。最后采用双闭环矢量控制方式，对整个直流输电系统进行仿真，并结合35 kW实验平台的实验结果，验证了系统的正确性。

1 柔性直流输电系统结构

柔性直流输电系统作为直流输电的一种新技术，也同样由换流站和直流输电线路构成。本文所介绍的两端直流输电系统是只有一个整流站（送端）和一个逆变站（受端）的两端直流输电系统，它与交流系统只有两个连接端口，是结构最简单的直流输电系统。图1为柔性直流输电系统结构示意图。

图1 两端柔性直流输电系统结构示意图Fig.1 System architecture diagram of the two ends flexible HVDC

柔性直流输电系统换流站的主要设备一般包括：电压源换流器（VSC）、相电抗器、联结变压器、交流滤波器、控制保护以及辅助系统（水冷系统、站用电系统等）。

表1给出了各个设备的主要功能[5-6]。

表1 柔性直流输电系统设备主要功能Tab.1 The main functions of the flexible HVDC

2 主电路结构

在柔性直流输电系统中通常采用的是三相两电平结构的电压源换流器，主电路结构如图2所示。

图2 三相两电平电压源换流器主电路结构Fig.2 Main circuit of the three-phase two-level VSC

三相两电平电压源换流器共有3个桥臂，每个桥臂均由两组可关断器件IGBT及其相应的并联续流二极管组成。直流侧电压与功率开关器件的开关状态决定了电压源换流器每相输出[7]。

3 SVPWM调制

在变流器中，不控整流或相控整流引起的电网电压波形畸变，导致交流侧功率因素低，向电网注入大量的谐波电流，造成电网的谐波污染。三相PWM整流器具有功率因数高，输入电流为正弦的特点，是理想的DC-DC变流器方案。由于大功率三相电压源变流器（VSC）工作时电流大，电压高，因此系统和功率开关管的安全性，可靠性和运行效率等成了我们面临的重要问题。为了减小功率开关管应力和开关损耗，应该尽量保持变流器功率开关管的开关频率固定。与传统的电流滞环控制，相电流误差SPWM调制等方式相比，基于空间电压矢量脉宽调制（SVPWM）不仅使电机脉动降低，电流波形畸变减小，且直流电压利用率有很大提高并更利于数字化实现[8-9]。

SVPWM是以磁链跟踪控制为目标，使变流器瞬时输出三相脉冲电压合成的空间电压矢量与期望输出的三相正弦波电压合成的空间电压矢量相等。介绍SVPWM工作原理的相关文献[10-12]很多，这里不再细述，以下给出算法步骤：

1）计算电压空间矢量V*；

2）计算所在的扇区；

3）根据扇区分配矢量与作用时间；

4）生成三相PWM信号。

根据上述实现方法，构造了如图3所示Simulink仿真模型。

图3 SVPWM仿真模型Fig.3 SVPWM simulink model

4 数学模型

双端柔性直流输电系统三相拓扑图及各物理量参考方向如图4所示。

图4 双端柔性直流输电系统三相拓扑图Fig.4 Topology of the three-phase flexible HVDC

图4中变流器采用前述的三相两电平结构，经长距离直流输电电缆连接，直流侧并联电容为VSC提供电压支撑，缓冲桥臂关断时的冲击电流。Ps1，Ps2，Qs1，Qs2分别为风电场侧和电网侧变流器输入有功/无功功率。Ud1≈Ud2为直流电压。

设风电场交流母线电压基波幅值为Us，变流器交流侧电压基波幅值为Uc，Us和Uc间相角差为δ，变压器电抗值为X=ωL。若忽略换流变压器损耗，则换流器从风电场吸收的有功功率及无功功率满足：

若Uc相位滞后Us，则换流器工作在整流状态，吸收有功功率；若Uc相位超前Us，着换流器工作在逆变状态向交流网络注入有功功率。由式（1）（2）可知，Ps主要受δ影响，而Qs主要受Uc的影响。由于换流器采用自换相技术，可对δ和Uc灵活独立控制，因而有功/无功功率可以灵活独立控制[1，13-14]。

在图4中，若忽略三相间及直流侧环流，则可简化为图5[15]。

图5 变流器等效电路图Fig.5 Equivalent circuit of VSC

图中，usa，usb，usc为交流系统三相电压，uca，ucb，ucc是等效电压源，为变流器输出的PWM电压，0为零电位参考点，L，R分别是变流器等效输入电抗和等效损耗电阻。

根据基尔霍夫电压定律，可得三相交流侧电压动态方程为：

利用dq坐标变换[16-17]，建立dq同步旋转坐标系（坐标以电网同步速ω速度旋转）下的两端柔性直流等效数学模型。abc三相静止坐标与dq坐标的转化过程有两步：Clark变换与Park变换。变换后，设usd，usq分别为交流网络d，q轴分量；ucd，ucq分别为变流器输出的PWM电压d，q轴分量；id，iq为变换后线电流d，q轴分量。以d，q轴电流为状态变量可得：

如式（4），基于dq坐标系下的数学模型为常系数微分方程，相对于三相静止坐标系下时变系数的微分方程，更加便于解析分析。另外，和三相静止坐标系相比，dq坐标变换后电压与电流量转换为不随电网频率变化的直流有功与无功分量，这样更有利于控制系统的研究。

5 双闭环控制

柔性直流输电系统的控制分为3个层次，按其功能由高到低依次为系统级控制、换流站级控制和换流器阀级控制。在三级控制中，换流站级控制是最核心的部分。目前柔性直流输电系统广泛采用的控制方式为双闭环PI控制方法，即所谓直接电流控制。采用直接电流控制策略的柔性输电系统两端换流器的控制系统结构对称，主要由内环电流控制器、外环电压控制器、锁相同步环节和触发脉冲生成环节等组成。由风电场侧变流器控制直流电压，电网侧变流器控制有功功率，无功功率由两端变流器分别独立控制。外环电压调节器及有功/无功功率均采用PI调节，调节器输出为内环有功电流（d轴），无功电流（p轴）给定值。直接电流控制的结构如图6所示。

图6 直接电流控制结构图Fig.6 Structure of direct current control

根据式（4）可知，系统的有功与无功电流是互相耦合的。因此，采用前馈解耦控制策略的电流内环控制算法。当电流内环采用PI调节器时换流器交流侧期望输出的基波电压量为:

u′d，u′q分别是与isd，isq具有一阶微分关系的电压分量。通过引入d，q轴电压耦合补偿项u′d，u′q，使非线性方程实现解耦，这个解耦项可以采用比例积分环节来实现，以补偿在等效电抗器上的电压降。同时通过对电网扰动电压usd，usd采取前馈补偿。由上述分析可得图7所示的电流内环解耦控制器。

图7 电流内环解耦控制器Fig.7 Current inner loop decoupling controller

直接电流控制和间接电流控制（幅值相位控制方法）相比，基于同步旋转dq坐标系的双闭环PI控制不仅可以实现有功无功的独立控制，进而实现换流站间功率的独立控制及功率流的四象限运行；而且提高了系统的动态性能和抗干扰能力。使用直接电流控制的柔性直流输电可以获得更快速且较高品质的电流响应。

6 仿真验证

为分析海上风电场柔性直流输电变流器系统的暂稳态过程，验证其转变和输送电能的能力，基于Matlab/Simulink建立了风电场和变流器模型。

系统各项参数如表2所示。

系统各项PI调节器参数如表3所示。

系统两侧电压电流波形如图8，9所示，有功/无功相应曲线如图10所示。

表2 柔性直流输电系统仿真参数Tab.2 The simulation parameters of the flexible HVDC power transmission system

表3 柔性直流输电系统仿真PI调节器参数Tab.3 The simulation parameters of the PI regulators for flexible HVDC power transmission system

图8 直流侧波形Fig.8 Waveform on the DC side

图9 交流侧波形Fig.9 Waveform on the AC side

图10 有功/无功功率响应Fig.10 Active/reactive power response

如图8~图10所示，系统直流侧电压在开始工作阶段上升迅速平稳，并且超调不显著。由于控制系统设计中引入了电流状态反馈和网侧电压前馈补偿，使得电流内环能迅速准确地跟踪有功、无功电流指令值，在很短的时间内完成电流调整过程；电压外环的平稳性设计使得直流侧电压过渡平稳，系统表现出较快的动态响应速度和较强的抗干扰能力。电网侧电流趋于正弦化，谐波含量少。

7 实验验证

为分析海上风电场柔性直流输电变流器系统的稳态过程，验证其转变和输送电能的能力，建立了小功率样机试验验证平台。

各项参数如表4所示。

表4 实验平台参数Tab.4 The parameters of the test platform

实验平台波形如图11~图13所示。

实验结果如表5所示。

8 结论

图11 整流侧波形Fig.11 Waveform on the rectifier side

图12 逆变侧波形Fig.12 Waveform on the converter side

图13 直流侧波形Fig.13 Waveform on the side of DC

表5 实验结果Tab.5 The results of the test

本文针对海上风电场直流输电系统，研究了三相两电平柔性直流输电变流器。介绍了该变流器的工作原理、调制方式和控制方法。采用谐波含量小且直流电压利用率较高,开关损耗较小的空间矢量PWM方法产生开关脉，使得交流侧电压能够快速准确地跟踪控制系统输出的电压指定值。在控制方式上，介绍了交流侧动态响应较快的双闭环直接电流控制方法。分析并推导了两端柔性直流输电系统基于dq同步旋转坐标下的数学模型，并进行了Matlab/Simulink仿真以及3.5 kW实验平台的搭建。实验结果表明，该方案控制效果良好，所设计的控制器具有较好的抗扰性、稳态精度及较高的响应速度；同时,提高了海上风电场交流系统稳定性、直流输电系统传输效率和电能质量。因此，基于dq坐标系的直接电流控制方法适用于海上风电柔性直流输电系统。

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