柔性直流輸電技術(shù)（VSC-HVDC）系統(tǒng)的仿真模型的建立分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u26110柔性直流輸電技術(shù)（VSC-HVDC）系統(tǒng)的仿真模型的建立分析案例 1205831.1系統(tǒng)各部分等效模型 1278591.2VSC直流輸電系統(tǒng)控制策略 2220851.3仿真系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置及正常運行仿真結(jié)果 51.1系統(tǒng)各部分等效模型（1）交流系統(tǒng)等效模型圖2-3交流系統(tǒng)等效模型在柔性直流輸電系統(tǒng)中交流系統(tǒng)有送端與受端之分，兩者通過直流線路分別接入整流側(cè)換流站與逆變側(cè)換流站，以實現(xiàn)有功功率的輸送。由于本文主要分析直流側(cè)故障特性，可將兩端交流側(cè)系統(tǒng)等效為如上圖所示的模型。送端交流系統(tǒng)額定電壓為110kV，容量為25MVA，頻率為50Hz；受端交流系統(tǒng)額定電壓為110kV，容量為20MVA，頻率為50Hz。整流側(cè)換流站等效電阻為0.8Ω，等效電感為0.053H；逆變側(cè)側(cè)換流站等效電阻為0.6Ω，等效電感為0.053H。（2）交流濾波器模型整流側(cè)交流濾波器逆變側(cè)交流濾波器圖2-4交流濾波器等效模型換流器交流一側(cè)的電壓PWM波形所含有的諧波分量為：正序、負序和零序。前文已經(jīng)介紹過通過換流變壓器采用接法可以進行隔離諧波中的零序分量，但正序和負序分量仍然會在交流側(cè)產(chǎn)生諧波電流，交流側(cè)諧波電流以及交流側(cè)母線諧波電壓可以使用交流濾波器去除，整流側(cè)和逆變側(cè)的濾波器結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖2-4所示，均裝設(shè)于交流母線處。（3）平波電抗器與并聯(lián)電容器模型VSC-HVDC系統(tǒng)會在整流側(cè)和逆變側(cè)換流站出口處同時安裝平波電抗器，平波電抗器的主要有三個方面的作用：（1）能夠有效防止直流側(cè)所產(chǎn)生的陡波沖擊波進入換流閥，避免換流閥受電壓應(yīng)力而損壞。（2）平滑直流線路中直流電流的波紋，避免在較低直流傳輸功率下的電流斷續(xù)。（3）限制由電壓快速變化所導(dǎo)致電流的變化速度，為保護裝置爭取更多的動作時間。直流電容器常采用兩組電容器并聯(lián)安裝在VSC換流站出口處，形成直流中點，它作為儲能元件的主要作用是為換流站提供箝位電壓支撐，可以減小直流側(cè)電壓諧波成分，緩沖由橋臂開通關(guān)斷所產(chǎn)生的沖擊電流。1.2VSC直流輸電系統(tǒng)控制策略（1）柔性直流輸電控制系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)柔性直流輸電系統(tǒng)通常采用可關(guān)斷的IGBT器件以及PWM脈寬調(diào)制技術(shù)，其控制方法的本質(zhì)為控制系統(tǒng)根據(jù)運行要求產(chǎn)生PWM觸發(fā)脈沖，控制換流閥的開關(guān)，進而滿足所給定的潮流、電壓等運行指標。控制系統(tǒng)的設(shè)計不僅應(yīng)滿足柔性直流輸電正常運行時的啟?？刂?、功率輸送和無功補償?shù)裙δ?，還需要在故障發(fā)生時穩(wěn)定換流站所連接的交流系統(tǒng)，保護換流站相關(guān)設(shè)備，因此性能良好的控制器對柔性直流輸電系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行起著至關(guān)重要的作用。按照控制功能和控制對象所處的物理位置與邏輯，VSC-HVDC的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系可以分為三個層次，圖2-5中給出了相應(yīng)的原理示意框圖。圖2-5柔性直流系統(tǒng)分層控制圖圖2-5所示的控制系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)由高到低依次為：系統(tǒng)級控制、換流站級控制和換流器閥級控制。其中系統(tǒng)級控制主要用于接收電力調(diào)度中心的指令，即有功和無功物理量整定值，并將有功類別的物理量和無功類別的物理量的參考數(shù)值作為下一級別控制所需要的輸入?yún)⒖紨?shù)值。換流站級控制是控制系統(tǒng)的核心，可以采用幅相控制或矢量控制的方式，根據(jù)系統(tǒng)級控制指令中有功類別的物理量、無功類別的物理量參考數(shù)值得到完成PWM控制所需要的調(diào)制比例M和移相角度，進而實現(xiàn)對交流網(wǎng)絡(luò)與換流器相互傳遞的有功和無功功率的控制。換流器閥級控制則是通過適當(dāng)?shù)恼{(diào)制方式產(chǎn)生PWM觸發(fā)脈沖，其控制策略的選擇主要取決于換流器的拓撲結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)諧波含量要求。（2）VSC換流站的控制方法對于采用PWM控制的電壓源換流器，可以通過調(diào)節(jié)交流電壓的幅值和相角以達到分別控制交流網(wǎng)絡(luò)與換流器相互交換的有功和無功功率的目的。有功功率交換可以實現(xiàn)定有功功率控制和定直流電壓控制，無功功率交換可以實現(xiàn)定無功功率控制或定交流電壓控制。由于VSC-HVDC系統(tǒng)處于正常穩(wěn)態(tài)運行時整個輸電系統(tǒng)的有功功率必須保持動態(tài)平衡，即送電端換流站向直流系統(tǒng)輸送的功率等于直流系統(tǒng)向受電端輸出的功率與換流站和直流網(wǎng)絡(luò)的有功損耗之和。為了使有功功率能夠自動平衡，系統(tǒng)中必須有一側(cè)換流站的控制方式為定直流電壓，作為直流網(wǎng)絡(luò)的有功功率平衡換流器。對于雙端VSC輸電系統(tǒng)，整流側(cè)一般采用定電流控制以控制功率傳輸大小，逆變側(cè)采用定電壓控制以維持系統(tǒng)功率平衡。換流站控制作為VSC控制系統(tǒng)中的核心部分，所采用的控制策略與系統(tǒng)運行性能息息相關(guān)。目前，電壓源換流器所采用的控制方式主要有電壓幅值相位控制和矢量控制，而矢量控制能夠?qū)崿F(xiàn)電流的快速響應(yīng)，在大功率換流器及柔性直流輸電技術(shù)中被廣泛使用。圖2-6是基于矢量控制的VSC-HVDC系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)圖。圖2-6基于矢量控制的VSC-HVDC系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)矢量控制即通過控制正交同步旋轉(zhuǎn)坐標系中的dq分量以控制有功和無功。為了具有限流功能，本文采用內(nèi)環(huán)電流控制和外環(huán)電壓控制的雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，主要包括內(nèi)環(huán)電流控制、外環(huán)電壓控制、鎖相環(huán)同步環(huán)節(jié)和觸發(fā)脈沖調(diào)制等。為消除電流dq分量和電壓dq分量的耦合關(guān)系，通常還在電流內(nèi)環(huán)加入解耦算法，矢量解耦控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示于圖5-3。圖2-7VSC-HVDC的矢量解耦控制1.3仿真系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置及正常運行仿真結(jié)果本文在PSCAD/EMTDC中搭建了VSC-HVDC雙端輸電系統(tǒng)模型，送端系統(tǒng)和受端系統(tǒng)主電路如圖2-8所示，整流一側(cè)采用的控制方式為定有功和定無功功率，逆變一側(cè)采用的控制方式為定直流和定交流電壓，換流站變壓器采用Yn/接線方式。分別設(shè)置雙極金屬性短路和單極接地故障以驗證所提故障定位方法的有效性和準確性，由于雙端VSC兩側(cè)換流站出口的故障特性一致，在任意一端安裝定位采樣裝置均不會對定位結(jié)果產(chǎn)生影響，本文選擇將采樣裝置安裝于整流側(cè)換流站出口處，采樣頻率設(shè)置為10kHz。直流線路及VSC換流站主要參數(shù)如表2-1所示。(a)送端主電路(b)受端主電路圖2-8送端、受端主電路模型圖 表2-1VSC-HVDC系統(tǒng)參數(shù)系統(tǒng)部分參數(shù)名稱數(shù)值總長度200km直流額定電壓±200kV直流額定電流1kA線路單位長度電感0.000159H/km直流線路線路單位長度電阻0.0139Ω/km線路單位長度電容0.0071μF/km平波電抗器0.01H并聯(lián)電容器1000μF交流系統(tǒng)額定電壓110kVVSC換流站換流變壓器額定容量400MVA換流變壓器額定變比200kV/110kV交流系統(tǒng)頻率50Hz根據(jù)上述參