交流系统故障时VSC—HVDC的保护策略研究

　　【摘要】本文分析了交流系统电压平衡时VSC-HVDC系统的控制策略，阐述了柔性直流输电系统的控制，SC-HVDC系统的控制策略，内环电流控制器设计，VSC-HVDC系统仿真与分析，指出交流系统故障时VSC-HVDC系统的控制策略。
　　【关键词】交流系统 故障 VSC-HVDC 保护 策略
　　至目前为止，国内很少有科研机构对交流系统出现故障时，VSC-HVDC的故障机理及失稳控制进行研究，在 VSC-HVDC的控制措施及建模方面所取得的科研成果也较少，仅在VSC-HVDC的原理、控制及调制措施等方面取得了较好的科研成果。针对这种情况，有关学者应加强对不足之处的研究。本文重点研究内容为VSC-HVDC系统的故障特性提出相应的暂态控制策略。
　　1 交流系统电压平衡时VSC-HVDC系统的控制策略
　　1.1 柔性直流输电系统的控制
　　这是属于建立在可闭合器件的触发脉冲上的控制，由于系统在运行时需要一定的元素，就会出现相应的触发脉冲，通过对其进行控制，则会得到所需要的电压、波形。根据该系统的功能可将其控制分为三个级别，按照由低到高的顺序分别是：换流器阀级、换流站级、系统级的控制。
　　在该输电系统里面的系统级控制为高级别控制，无功功率类与有无功率类物理量的整数经由调度输入进此级控制中，换流阀级控制若要经由PWM触发脉冲对开关器件的闭合与开通进行控制，须先对该级控制产生的信号的移相免d-与调制度M进行接收，然后再采取适合的调制方法。该级控制时的输入衡量值即为得到的这两种整定值。换流站级控制在产生换流器阀级控制的触发脉冲时，须先获取此控制的无功功率类与有功功率类的衡量值，以及调制信号的相应信息。此步骤对做好该系统控制是非常重要的。
　　在进行柔性直流输电系统换流站级控制时，可采取如下的四种方式，分别为：
　　（1）变频率控制方式，这种方式主要用于进行黑启动与风电场并网中，来控制交流系统频率。
　　（2）定交流电压控制方式，这种方式主要用来控制两种情况下的交流侧母线电压，一种情况为向无源网络供电，另一种情况为有源网络连接VSC-HVDC时一端为弱交流系统。
　　（3）定功率控制方式，这种方式分为两种类型的控制，即无功功率与有功功率控制，其主要是用来保持系统这两种功率的平衡。
　　（4）定直流电控制，这种方式主要是控制全部系统直流电的变动范围，从而能够确保系统正常地运转。
　　在有源电网的输电中采用VSC-HVDC系统时，如果要保证此系统始终处于正常状态，就要求系统的直流电压处于一个恒定值，所以须用定直流电压来进行控制此系统一侧换流站：通常以有功功率对另一端进行控制，因为这样使有功功率传输能始终稳定，此外，可采用定交流电压或定无功功率来进行两端换流站的控制，以保持系统的稳定。本文以定无功功率与定有功功率来控制所设立的此系统MMC2侧，以定无功功率与定直流电压来控制MMC1侧。
　　1.2 VSC-HVDC系统的控制措施
　　直接电流控制与间接电流控制是控制柔性直流输电的两种主要方式。间接电流控制也叫作直接控制，它是在PI控制器中将拟控制的系统参数差与所确系统参数的控制目标值输入，按照要求确定好参数后，就可将所需的移相角d与调制度M输出，为实现所要求的交流电压输出，须在阀控制层输进得到的数据。直接电流控制也叫作矢量控制，一般进行双闭环控制，其有两种控制方式，一种是内环电流控制，另一种是外环功率类控制。外环功率类控制在将系统级控制器传出的无功功率或有功功率的指令值、直流电压接收后，会产生相应的控制信号作为内环电流的衡量值。内环电流控制器将外环功率类控制器传出的内环电流衡量值接收后，再经由相应的控制环节产生换流器出口侧交流电压衡量值，这个衡量值经由计算之后就能够产生调制信号的移相角d与调制度A。
　　对式（1）和式（2）进行整理转换可得VSC-HVDC换流器电压如式（1）式（2）所示：
　　vd=usd?idR?（Lx+）+ω（Lx+）iq （1）
　　vq=usd?iqR?（Lx+）-ω（Lx+）id （2）
　　vd'=idR+（Lx+） （3）
　　vq'=iqR+（Lx+） （4）
　　有功电流、无功电流的衡量值依次为式1、2，由外环功率控制器的输出来确定其数值。从式（1）、式（2）与式（4）中可知，引入比例积分环节后，易于得出该系统换流器出口电压。
　　2 VSC-HVDC系统在交流系统故障时的控制措施
　　若交流系统在VSC-HVDC系统运行当中出现不对称故障时，所设计的系统控制器将不能正常的发挥出应有的作用，其对系统的控制将会处于不准确的状态，这样就会对该系统的正常工作产生非常不利的影响。
　　（1）不对称故障在VSC-HVDC系统一侧交流系统出现时，交流系统与换流器之间的有功功率在产生的负序电流、电压作用下会出现变化，进而又使直流电压出现大的变化。这样出现的直流电压与有功功率会经由直流线路传至系统的另一侧，使另一侧设备不能正常地工作。
　　（2）交流系统出现这种故障时，就会有较大的负序电流在换流站出现，这样不仅会干扰换流器的正常工作，而且还会使得三相电流失衡，进而引发系统启动保护机制。
　　鉴于上述的分析，当VSC-HVDC系统交流侧发生故障时，需要改变控制目标，采用新的控制策略对系统进行控制，保证VSC-HVDC系统在交流侧发生故障时能够继续运行。由于拓扑结构的差异，VSC-HVDC与两电平VSC会存在很大的不同：MMC的电容分散分布于各相的子模块中，每相可独立运行，不会与其他各相产生影响。因而MMC在运行时，不会像两电平VSC存在各相之间的稱合问题，因而在交流系统电压不平衡的情况下，VSC-HVDC系统能够带故障长时间运行。
　　参考文献
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