基于VSC的柔性直流输电技术研究

介绍了基于VSC的柔性直流型输出电力系统的基本结构、基本工作原理和技术特点，并使用ATP-EMTP软件仿真建立其模型，得出其正常工作时的谐波及其不同故障情况下的运行特点。最后总结了柔性直流型输电系统需重点研究的几个基础理论问题及其发展前景。

1 引言

随着能源日益紧张和环境污染日益严重，目前中国在极力开发和利用可再生的清洁型能源。由于风能、太阳能等可再生能源利用规模的日益增大，其分散性、小规模性、离供电中心较远等问题，使得采用传统的交流输送电力系统或传统的直流输电系统显得不是很经济。

相关电子技术的迅猛发展以及控制技术的突飞猛进使得采用直流型输电力系统即可解决上述问题。采用基于可关断型电压源换流装置和PWM技术进行直流电输送，适合应用于可再生能源并网、分布式发电并网、孤岛供电、城市区域电网供电等诸多领域。

根据实际情况，特别是西电东送、全国电网联网迫在眉睫的情况下，研发直流型输电系统，建设新一代直流型输电联网系统，将会促进大规模电网合并，并逐步完善城市供电和孤岛供电等技术。

2 柔性直流输电的系统结构和基本原理

与传统自然换相技术的直流型输电系统不同，VSC-HVDC(Voltage Source Converter-High Voltage Direct Current)是一种以电压源换流器、可控关断装置和脉宽调制(PWM)技术为基础的新型的直流型输电技术。该技术能在短时间内实现有功率和无功率的独立解耦控制，能够自主地向无源电网供电，极易于构成多端直流型电力系统，能极大的增加供电系统的稳定性，提高电力系统的输电能力。下面将介绍VSC- HVDC的系统基本结构和基本的工作原理。

2.1 系统结构

图1为柔性直流型输出电力系统的基本原理框图，两端的换流站全部采用VSC基本结构，由换流站、换流变压设备、换流电抗设备、直流电容和交流滤波电路等部分组成。

图2为在ATP-EMTP中建立模型如下所示：

其中各部分的基本作用如下：

电压源换流器VSC：电压源换流器的桥由功率比较大的可控制关断电子器件和反并联的二极管构成。在本论文仿真设计中，电压源换流设备采用HVDC型模块，其基本结构为12脉动控制整流装置。

变压器：变压器可采用常规的单相变压器或者三相变压器。常见的是采用Y/接法。

换流电抗：换流电抗是VSC与交流电力系统之间的功率传送的桥梁，它决定换流设备功率的大小。

直流电容：直流电容是VSC的基本储能元器件，缓冲桥开断的冲击电流的能量，减小直流电压谐波分量。

交流滤波装置：改善输出的交流电压中高次谐波分量，其容量及参数的设定依据换流器开关的频率来选定。

2.2 工作原理

直流型输电系统可分为端对端直流型供电系统和多端型直流型系统两类，目前已成功运行的直流型系统基本全是两端型系统，图1所示即为两端型直流系统原理图。

与传统的晶闸管直流型供电有所差别，柔性直流型供电采用电压源型换流电路和PWM技术，利用IGBT可以在高速的情况下进行通断，可将PWM技术引入到 VSC的基本模型中。由调制载波和三角型载波比较，产生相对应的触发脉冲，使VSC上端桥和下端桥的高频开关开通和关断，则桥中端电压uc在两端稳定电压+ud和-ud之间进行快速转换，uc再经过电抗电路滤波后则转换为电网一侧的交流输出电压US。

VSC的基本控制工作原理公式：

公式中，uc为电流转换器输出端电压的基波分量;uS为电网一侧的交流输出电压;d为uc和uS的相位差;XT为换流电抗电路的同效电抗。从式中可看出，通过调控uS，d即可较方便地控制电路输送的有功功率和无功功率。如果利用PWM技术，uc同PWM调制度M成正比关系，d是PWM调制波相位差，因此可利用PWM调制幅度M和PWM调制波相位差d，在瞬间改变电网一侧交流输出电压的相位和幅值，进而实现有功率和无功率的单独控制。

3 谐波分量分析

柔性直流型输电系统影响供电电压的质量，其主要的影响因素就是谐波分量。电压源换流电路在正常工作时，其直流电压一端和交流电压一端会同时产生相应的谐波分量;当工作电压不平衡时或交流供电系统发生不对称的故障时，直流电压一端和交流电压一端会产生很多非特征要求的谐波分量，这将使电力系统产生大量的过电压和过电流，最终影响电路和整个系统的正常运行与安全工作。

柔性直流型输电系统的控制谐波分量的一个方法是在控制电力系统中采用 PWM技术。在开关的频率要求相对较高的情况下，换流电路在比较高的开关频率下工作，其输出的交流电压和交流电流中含有的低次谐波分量比较少，本文使用 12脉动换流装置，同6脉动换流装置相比较12脉动换流装置谐波分量特性有很大的改善，目前换流站大部分只采用12脉动换流装置作基本的换流单元。另一个方法就是在换流设备交流电一端装配换流站交流滤波装置，用来吸收谐波分量的电流，使流入交流供电系统的谐波电流变小，从而进一步的降低了谐波分量电压。依据高电压状态直流型输电系统的模型，利用滤波器的相关滤波特性进行了一定的研究。选取适当的滤波器设置参数，得出在ATP-EMTP环境下整流一端和逆变一端的电压波形，如图3和图4所示：

从图3和图4可看出：电流转换站在比较高的开关频率下运行，在交流电压一端和直流电压一端装设相应滤波设备后，其相应的输出电压含有低次谐波分量很少，较容易达到谐波分量标准，可基本正常工作。

4 不同状态的故障分析

同传统的直流输电型输电系统相比较，柔性直流型输电系统还有另外一个显著的优点：连接两个独立交流系统的柔性直流型输电系统，一端交流系统产生故障时，但并不影响另一端交流系统和换流电路设备的正常运行。

利用ATP-EMTP软件仿真结果如下：

由图5与图6可看出：如果在一端交流系统出现单相的故障或远端出现三相短路故障时，柔性直流输电系统仍具备一定的有功功率传输能力。因此，在柔性直流型输电的控制系统中，我们利用合理有效的控制来提高系统在出现故障情况时不间断运行能力。