柔性直流输电系统控制方法与器件串联技术的研究

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3.0 赵德峰 2024-11-19 4 4 6.97MB 63 页 15积分
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I
摘 要
基于电压源型变流器的柔性直流输电技术（VSC-HVDC）作为以中新型高压
直流输电技术，具有很多技术优点和广阔的应用前景。目前，国内对该技术的研
究处于起步阶段，诸多基础理论问题尚待深入研究。本文的主要工作是通过对柔
性直流输电系统进行建模，完成系统控制方法的研究，研究器件串联均压这一柔
性直流输电的关键技术。为我国柔性直流输电系统的产业化出一份力量。
本文对三相电压源型换流器的交流侧和直流侧进行了分析，确定了柔性直流
输电系统中直流电压、有功功率、无功功率、交流电压与 dq0 同步坐标系下 VSC
输出端交流电压 dq 分量之间的约束关系，并设计了相应的控制器。进而设计了适
用于柔性直流输电系统连接交流有源网络和向无源网络供电两种情况下的系统控
制策略，并对这两种情况进行了 MATLAB 仿真。仿真结果表明，本课题所设计的
控制策略可以很好地实现柔性直流输电系统的功率传输，具有抗扰性好、稳态精
度高、响应速度快等优点。
以IGBT 为例进行了器件串联均压技术的研究。设计了用于 3个IGBT 串联的
驱动板，以及可以实现最小调节步长为 5nS 的信号延时调节控制板。提出了通过
调节器件触发延时实现器件串联均压的方案，通过实验验证了该方案的有效性。
通过实验对应用不同的延时调节原则产生的均压效果进行了分析，并提出了应用
器件触发延时调节的方法实现串联器件的动态均压与在器件两端并联较大的电阻
实现器件静态均压相结合的均压方法，实验证明了该方案的实用性。
关键词：柔性直流输电 直接电流控制 SPWM IGBT 串联
II
ABSTRACT
Flexible Direct Current transmission technology (VSC-HVDC) is a new High Voltage
Direct Current transmission technology based on voltage source converters. It has many
technical advantages and broad prospects. As the domestic technology is in its infancy, it is
important to study on fundamental theoretical issues such as modeling and simulation. This
disertation will study on the control strategy of VSC-HVDC and switches series, hoping to
do something with the industrilization of VSC-HVDC.
Theoretical analysis on the DC and AC side characteristics of the 3-phase two-level
VSC is conducted, and describe the relationship between the controlled variables such as the
active power, reactive power, dc voltage, ac voltage and the controlling variables such as the
d and q parts of the AC voltage of VSC side. Two control strategy are established, one of
which suits the VSC-HVDC connecting two active AC systems, the other suits the
VSC-HVDC supplying passive loads. With the help of MATLAB2006/Simulink,
VSC-HVDC asynchronous interconnection and VSC-HVDC supplying passive loads
runnning and control mode are analyzed and the simulation results verify that the control
strategy has high anti interference ability, strong stability and fast response.
Voltage sharing of IGBT series is studied. The drive board for 3 IGBT series is designed
and a delay controller which is capable of fine 5 ns step adjustment is established. This paper
proposes a approach of gate signal delay control to make voltage sharing for serie swiches.
And the validity of this strategy is verified by experiments. The effects of gate signal delay
adjusted by different principles are analied. Based on that, this paper proposes a practical
approach by combining resistor sharing voltage and gate signal delay control. And the
experiment verified the practical value of this approach.
Key Word：VSC-HVDC, direct current control, SPWM, IGBT series
III
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 ............................................................................................................................ 1
§1.1 引言 ............................................................................................................................. 1
§1.2 柔性直流输电拓扑结构及工作原理 ....................................................................... 2
§1.3 柔性直流输电技术特点 ........................................................................................... 3
§1.4 国内外研究现状 ....................................................................................................... 4
§1.5 本文的主要工作 ......................................................................................................... 4
第二章 柔性直流输电系统建模 ............................................................................................ 6
§2.1 概述 ............................................................................................................................. 6
§2.2 柔性直流输电系统主电路结构 ................................................................................. 6
§2.3 电压源型换流器 VSC 的等值电路 ......................................................................... 7
§2.3.1 电压源型换流器 VSC 的等值电路介绍 .......................................................... 7
§2.3.2 换流变压器等值模型 .......................................................................................... 8
§2.4 电压源型换流器基于 dq0 旋转坐标的数学建模 ................................................. 10
§2.4.1 三相电量的坐标变换 ...................................................................................... 10
§2.4.2 电压源型换流器基于 dq0 同步坐标的数学模型 .......................................... 13
§2.5 小结 ......................................................................................................................... 14
第三章 柔性直流输电系统控制方法研究 .......................................................................... 15
§3.1 概述 ........................................................................................................................... 15
§3.2 电压源型换流器（VSC）控制器设计 ................................................................... 16
§3.2.1 电压源型换流器（VSC）控制方法介绍 ...................................................... 16
§3.2.2 电压源型换流器（VSC）电流内环控制结构设计 ...................................... 17
§3.2.3 电压源型换流器（VSC）直流电压控制器设计 .......................................... 18
§3.2.4 电压源型换流器（VSC）功率控制器设计 .................................................. 18
§3.2.5 交流系统电压控制器设计 .............................................................................. 19
§3.3 柔性直流输电两端 VSC 控制器设计 ..................................................................... 20
§3.3.1 柔性直流输电连接异步交流系统控制器设计 .............................................. 20
§3.3.2 柔性直流输电系统向无源网络供电控制器设计 .......................................... 21
§3.4 小结 ........................................................................................................................... 21
IV
第四章 柔性直流输电系统 MATLAB 仿真 ........................................................................22
§4.1 异步交流网络互联的柔性直流输电系统仿真 ....................................................... 22
§4.1.1 主电路仿真模型 .............................................................................................. 22
§4.1.2 基于 dq0 同步坐标的电流内环仿真模型 ...................................................... 22
§4.1.3 三相短路故障检测及其控制机制 .................................................................. 23
§4.1.4 仿真结果及分析 .............................................................................................. 24
§4.1.5 系统性能分析 .................................................................................................. 26
§4.2 向无源网络供电的柔性直流输电系统仿真 ........................................................... 27
§4.2.1 主电路仿真模型 .............................................................................................. 27
§4.2.2 基于 dq 旋转坐标系的定交流电压控制环仿真模型 .................................... 27
§4.2.3 仿真结果及分析 ............................................................................................... 28
§4.3 小结 ........................................................................................................................... 29
第五章 器件串联均压技术研究 .......................................................................................... 30
§5.1 概述 ......................................................................................................................... 30
§5.2 器件串联均压方法介绍 ......................................................................................... 31
§5.3 本课题采用的均压方案 ......................................................................................... 32
§5.3.1 调节触发延时实现器件串联均压策略原理 .................................................. 32
§5.3.2 调节触发延时实现器件串联均压介绍 .......................................................... 33
§5.3.3 驱动电路设计 .................................................................................................. 34
§5.3.4 信号延时控制电路设计 .................................................................................. 39
§5.4 实验研究 ................................................................................................................. 45
§5.4.1 实验主电路 ...................................................................................................... 45
§5.4.2 延时控制电路性能测试实验 ............................................................................ 46
§5.4.3 IGBT 串联不均压因素研究实验 .....................................................................48
§5.4.4 采用延时调节策略的串联均压实验一 .......................................................... 50
§5.4.5 采用延时调节策略的串联均压试验二 .......................................................... 51
§5.4.6 动静态均压结合的均压试验 .......................................................................... 53
§5.5 小结 ......................................................................................................................... 55
第六章 总结与展望 .............................................................................................................. 56
§6.1 总结 ......................................................................................................................... 56
§6.2 展望 ......................................................................................................................... 57
参考文献 ................................................................................................................................ 58
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .................................................... 60
致 谢 ...................................................................................................................................... 61
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 引言
本课题来源于上海市委教委科研创新项目(08YZ101)和许继集团横向课题“轻
型高压直流输电技术的预研”。
柔性直流输电又叫轻型直流输电(HVDC Light)、VSC-HVDC 或HVDC Plus。
该输电技术以可关断电力电子器件和电压源型换流站(VSC)为基础，运用 PWM 调
制方法，以 BtB 连接或以地下电缆及海底电缆为传输媒介实现电能传输。
从1954 年世界上第一个投入工业化运行的直流输电工程——瑞典本土至
Gotland 岛之间的一条 20MW，100kV 海底电缆开始至今，直流输电系统的换流站
经历了从汞弧阀到晶闸管阀的变化。然而，由于晶闸管阀关断不可控，使目前广
泛采用的基于晶闸管电流源型高压直流输电技术具有以下固有缺点：只能工作在
有源逆变状态，且受端系统必须有足够大的短路容量，否则容易发生换相失败；
换流器产生的谐波次数低、容量大；换流器需吸收大量的无功功率，需要大量的
滤波和无功补偿装置；换流站占地面积大、投资大。
随着电力电子器件和控制技术的发展，换流站采用 IGBT、IGCT 等元件构成
电压源型换流站 VSC 来进行直流输电成为可能。自上世纪九十年代后期，以 ABB
公司为代表的国外公司发展了轻型直流输电(HVDC Light)技术，并成功地应用于多
个领域。
柔性直流输电克服了传统 HVDC 的固有缺陷，使得直流输电的应用范围得到
扩展，为直流输电技术的发展开辟了一个新的方向。柔性直流输电技术很适合应
用于可再生能源并网、分布式发电并网、孤岛供电、城市电网供电、异步交流电
网互联等领域。[1~3]
随着电力工业的不断发展，用电负荷不断增加，空中输电线路走廊日趋饱和，
架设新的线路受到环境、经济条件等因素的限制，变得越发困难。现有的传统高
压输电线路的使用已接近它们的边缘。发展柔性直流输电这一经济、灵活、高质
量的输电方式就显得尤为重要。
本课题主要研究柔性直流输电系统控制方法与器件串联技术，为进一步深入
研究打下基础。
柔性直流输电系统控制方法与器件串联技术的研究
2
§1.2 柔性直流输电拓扑结构及工作原理
图1.1 柔性直流输电系统结构图
如图 1.1 为以两电平 VSC 为例的柔性直流输电系统结构图。该系统以可关断
电力电子器件和电压源型变换器（VSC）为基础，运用 PWM 调制方式，以背靠背
或地下电缆及海底电缆为传输媒介实现电能传输。换流变压器及电抗器是 VSC 与
交流系统之间功率传输的纽带，并起到抑制换流器输出电压、电流中开关频率谐
波的作用。交流滤波器滤除交流侧的高次谐波。直流侧电容为受端提供电压支撑，
并具有减小直流侧电压谐波的作用。
a b c
图1.2 VSC 功率矢量图
见图 1.2，其中 Us 为电网侧相电压，Uc 为VSC 换流器交流侧相电压，I为流
经电抗器的相电流，δ为Us 和Uc 的夹角。
在基频下，有功功率和无功功率由下式得出：
sin
s o
U U
PL
 
（1-1）
L
UUU
Qoss
cos)(
（1-2）
式中：
δ——滤波器端压
s
U
和变流器输出端压
之间的夹角；
第一章 绪论
3
L——流器跟交流系统之间连接的电感的电感值；
ω——为交流系统的基频频率。
由式(1-1)及式(1-2)可以看出，改变角
，可以改变传输的有功功率；改变
o
U
的
幅值可以改变传输的无功功率。如图 1.2a 示，
为正时，有功功率从交流端流向
换流器，装置运行于整流状态；
为负时，有功功率从换流器流向交流端，装置运
行于逆变状态。如图 1.2b，当 Us 幅值大于 Uc 幅值时，变流装置消耗无功；当 Us
幅值小于 Uc 幅值时，变流装置释放无功。因此，通过控制 Uc 的角度与幅值就可
实现系统有功无功的四象限运行，如图 1.2c 示。
§1.3 柔性直流输电技术特点
与传统直流输电相比柔性直流输电技术具有以下技术特点：
（1）VSC 电流能够自关断，可以工作在无源逆变方式，不需要外加换向电压，
这样就克服了传统 HVDC 受端必须是有源网络的根本缺陷，使利用 HVDC 为远距
离的孤立负荷送点成为可能；
（2）正常运行时 VSC 可以同时且独立控制有功和无功，控制更加灵活方便。
而传统 HVDC 的控制量只有触发角，不可能单独控制有功功率或无功功率；
（3）
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，
稳定交流母线电压，这意味着如果 VSC 容量允许，故障时柔性直流输电系统既可
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支持，从而提高系统
的电压和功角稳定性；
（4）VSC 可以不需要交流侧提供无功功率，而且能够起到 STATCOM（Static
Synchronous Compensator）的作用，动态补偿交流母线无功功率，稳定交流母线电
压。这意味着在 VSC 容量范围内，故障时 VSC-HVDC 系统既可向故障区域提供
有功功率的紧急支援，又可以提供无功功率支持，从而提高系统的电压和功角稳
定性；
（5）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，增加
新的 VSC-HVDC 线路后，交流系统的保护整定值以及断路器无需更换；
（6）VSC 通常采用 SPWM 技术，开关频率相对较高，经过低通滤波后就可
得到所需交流电压，可以不用变压器，所需滤波装置的容量也大大减小；柔性直
流输电使用特殊的地下电缆跟传统的架空线路相比，大大降低了对环境的影响、
运用直流地下电缆更快捷更容易且没有电磁辐射。
摘要：

I摘要基于电压源型变流器的柔性直流输电技术（VSC-HVDC）作为以中新型高压直流输电技术，具有很多技术优点和广阔的应用前景。目前，国内对该技术的研究处于起步阶段，诸多基础理论问题尚待深入研究。本文的主要工作是通过对柔性直流输电系统进行建模，完成系统控制方法的研究，研究器件串联均压这一柔性直流输电的关键技术。为我国柔性直流输电系统的产业化出一份力量。本文对三相电压源型换流器的交流侧和直流侧进行了分析，确定了柔性直流输电系统中直流电压、有功功率、无功功率、交流电压与dq0同步坐标系下VSC输出端交流电压dq分量之间的约束关系，并设计了相应的控制器。进而设计了适用于柔性直流输电系统连接交流有源网络...

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