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基于VSC的动态可控相间功率控制器改善系统暂态稳定性的研究

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资料介绍

根据电压源换流器(VSC)和相间功率控制器(IPC)的基本工作原理及特性,以VSC代替IPC的移相环节,晶闸管控制电抗器(TCR)代替电感支路,晶闸管控制串联电容器(TCSC)代替电容支路,构建了动态可控的相间功率控制器(DCIPC);基于DCIPC的原理结构,建立了VSC注入电压与联络线传输功率的关系,对无IPC与带IPC的简单系统的功角特性曲线进行分析,说明DCIPC可以改善系统的暂态稳定性机理,确定提高系统稳定的参数可控制范围.针对VSC的移相环节,设计了直流电压外环、输出电流内环的比例-谐振(PR)控制器;搭建了带DCIPC的简化系统模型进行仿真.仿真结果验证了控制器的有效性,并说明通过控制DCIPC中VSC的注入电压,可以改善带DCIPC电力系统的暂态稳定性.

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电工电能新技术

V01．35．No．6

Jun．2016

第35卷第6期

2016年6月

of Electrical

and

Energy

Advanced

Technology

Engineering

基于VSC的动态可控相间功率控制器改善

系统暂态稳定性的研究

李

娟1，王维羽1，陈璩毅1，逯沙鸥1，严宇昕2

(1．东北电力大学电气工程学院，吉林省吉林市132012；

2．国网辽宁省电力有限公司朝阳供电公司，辽宁朝阳122000)

摘要：根据电压源换流器(VSC)和相间功率控制器(IPC)的基本工作原理及特性，以VSC代替IPC

的移相环节，晶闸管控制电抗器(TCR)代替电感支路，晶闸管控制串联电容器(TCSC)代替电容支

路，构建了动态可控的相间功率控制器(DCIPC)；基于DCIPC的原理结构，建立了VSC注入电压与

联络线传输功率的关系，对无IPC与带IPC的简单系统的功角特性曲线进行分析，说明DCIPC可

以改善系统的暂态稳定性机理，确定提高系统稳定的参数可控制范围。针对VSC的移相环节，设

计了直流电压外环、输出电流内环的比例．谐振(PR)控制器；搭建了带DCIPC的简化系统模型进行

仿真。仿真结果验证了控制器的有效性，并说明通过控制DCIPC中VsC的注入电压，可以改善带

DCIPC电力系统的暂态稳定性。

关键词：电压源换流器；动态可控相间功率控制器；PR控制器；暂态稳定性

中图分类号：TM76

文献标识码：A

文章编号：1003．3076(2016)06-0036．08

稳定性。相间功率控制器电感和电容支路分别串联

于不同的移相环节，控制电感和电容支路的移相角，

可以实现功率的控制。目前，国内外对于将具有灵

活移相功能的电压源换流器(VSC)引入IPC的研究

尚处起步阶段，因此，本文对基于VSC的动态可控

引言

随着国民经济的持续进步和电力工业的迅猛发

展，现代电力系统进入了大系统容量、高电压等级、

电网跨区域互联及系统市场化运营的新阶段。然

而，电网的日趋复杂使得系统的运行环境更加严峻，

稳定性问题更加突出且难以分析uJ。应用灵活交

流输电系统(FACTS)技术可以在不改变电网结构

contmlled

Pow—

相间功率控制器(Dynamic

Inte印hase

Controller，DCIPC)进行分析，并采用比例一谐振

(PR)控制方式对Vsc加以适当控制，提高带IPC

的条件下，灵活地控制有功和无功功率，提高线路传

线路的输送能力，从而提高系统运行的稳定性，并进

行算例仿真验证。

输能力，改善系统稳定性¨ 1。

Power

相间功率控制器(Interphase

Controller，

基于VSC的DCIPC基本结构原理

IPC)是一种典型的串联型FACTS设备，具有鲁棒潮

流控制、短路电流限制和电压解耦的优良特性。国

外对于IPC的研究已经发展到研制出实际装置并将

其应用于电网的阶段，国内也在其潮流调节、稳态特

性及改善系统稳定性等方面取得了一定的理论成

果旧1。文献[4，5]在分析相间功率控制特性的基础

上，研究通过控制IPC的电感参数提高系统的暂态

2．1

基于VSC的DCIPC基本结构

传统IPC的通用模型如图1所示。PST．和

PST：为等效的移相环节，x。和瓦分别为从属于移

相环节的电感、电容支路的等效感抗和容抗，两条支

路并联后构成相间功率控制器串联于输电线路上。

VSC是可交直流双向变换且交流有功功率和无

收稿日期：2015-07_04

作者简介：李娟(1972-)，女，山东籍，教授，博士，主要研究方向为电力系统运行控制及FACTS研究；

王维羽(1988一)，男，吉林籍，硕士研究生，主要研究方向为电力系统运行控制及FAc．I'S研究。

万方数据

第6期

李

娟，等：基于Vsc的动态可控相间功率控制器改善系统暂态稳定性的研究

图3中，u。、6分别为发电机端电压大小与相

角，U为无穷大系统母线电压，U，和U：分别为

DcIPc电感、电容支路Vsc注入线路电压，它们分

别与电感和电容支路的电流正交，其相量关系如图

4所示。其中，口，、日：为电感、电容支路电流相角，

妒．、妒：为VSC注入电压引起的等效移相角。

图1 常规IPc通用电路模型

General circuit model of usualIPC

Fig．1

功功率可分别独立控制的电力换流器。VSC的基本

电压由直流侧并联电容器提供，除自身损耗外，通常

与系统间不存在有功功率交换，因此，其向输电线路

注入的电压为近似正弦的且与线路电流正交的可控

电压’6’“。VSC的基本结构如图2(a)所示。

图2(b)显示了VsC注入电压与电流关系的相

量图。如虚线部分所示，其注入电压使得VSC两端

电压的幅值和相位均发生改变，可以起到移相器的

移相作用，且VsC的注入电压可以通过控制VSC中

IGBT的触发角灵活地进行调节，并且其响应速度可

以达到ms级，能够达到动态可控的目的。

图4基于VSC的DCIPc电感、电容支路相量图

Phasor

of inductance and

capacitance

Fig．4

diagram

branch in DCIPC based on VSC

2．2基于VSC的DCIPC功率控制机理

由图4可见，VSC的引入可以实现IPC的移相

功能。由图3可知，DCIPc电感、电容支路移相后的

电压U：、U：分别为：

』u：=us+u-=u：￡(6+9-’

【u：=u。+￡，2=u：[(6+92)

(1)

经由DCIPC流入无穷大系统的有功功率表达

式为：

l。¨ ＼_轧基本结构

c¨ 注入· 乜j!、tI电流胡；吐泛系

竺；竺!!!!!± !!!

1‘一X+Xf+XX?，X

，，l

r．，、

一

+竺!竺!!!!!!竺!!

、‘’

r+X+Xxr／xt

图2 VSc基本结构及注入电压与电流相量关系图

Basic stnIcture of VSC and

and current

式中，x为双回输电线的等值电抗。

Fig．2

injecting voltage

一一‘一

由式(1)和式(2)可见，经带IPC联络线向无穷

大系统传输的功率与DcIPc电感、电容支路的等效

移相角度及感抗、容抗参数有关，通过控制这些参

数，能够调节控制发电机向系统传输功率的能力。

因此，将VSC应用于常规IPC的各支路取代移

相环节，用晶闸管控制电抗器(TCR)和晶闸管控制

串联电容器(TCSC)分别代替电感、电容支路的感抗

和容抗旧’91，构建出动态可控的相间功率控制器，并

将其应用于单机无穷大系统的线路中，其基本结构

如图3所示。

基于VSC的DCIPC改善系统稳定性机

理分析

当图3中的单机经双回线与无穷大系统相连，

双回线中无IPC时，系统正常运行时的功角特性为

P¨ ’=U。Usin艿／x，功角特性曲线可以如图5中P¨ ’

所示。发电机输送的功率为P0，原动机输出的功率

为PT(等于Po，设故障后P，保持不变)，图5中a

点为正常运行工作点，功角为瓦。当双回输电线一

回的始端发生短路故障时，发电机向系统输送的功

率将显著减少，三相短路故障则为0；故障后，经过

一段时间，在c点时切除故障线路，故障切除后的传

输功率表达式为P¨ ’=u。usin6／(2x)，功角特性曲

图3 基于VSC的DCIPC模型结构图

Stmcture of

DCIPC based on VSC

improved

Fig．3

万方数据

电工电能新技术

第35卷

线如图5中P∞’所示，其减速面积为bcd所围成的

阴影部分。若系统的稳定裕度较低，减速面积过小，

系统将失去稳定性noj。因此，若在故障切除的同时

提高传输功率极限，增大减速面积，将有利于改善系

统的暂态稳定性。

尸

氏

瓯

氏

图6带DCIPC系统调节其感抗参数后的功角特性曲线

curve after

chamcteristic

Fig．6

Powe卜angel

inductances in

adjusting

witlI DCIPC

sy8tem

U：usin(6+妒，)

u：usin(6+92)

2x+x_c+2xXc／x

。

6。

氏

2x+x

L+2XxL，xc

图5简单系统的功角特性曲线

(6)

characteristic curve of

simple system

Fig．5

Po啊er-angle

一。．．．．．．-----．—．．．．．．．．．—------．．-．-．-．．．．-----．--一．‘-一

此时，式(6)与IPC移相电压、电感和电容的等

效电抗均有关，三个参数同时进行调节控制很复杂，

本文先从简单情况人手，只针对调谐型IPC进行分

析，即五=一石。=x。，。，x眦为调谐型IPC等值电

当图3的单机无穷大系统线路的始端配置有

DCIPC时，由式(2)可知，其DCIPc中VSC注入电

压及电感、电容参数对输电线路的功率传输能力有

一定的影响。

抗，则其传输功率表达式为：

当VSC的注入电压U。=％=0，DCIPC中的

移相环节不进行移相，即妒。=妒：=0时，故障切除

后发电机向无穷大系统传输的功率表达式为：

P，=U。Usin6·

P。=iL[U’。usin(6+91)一U”。usin(6+妒2)]

AIPC

(7)

由于VSC注人电压的引入使得经VSC移相后

的电压大小以、W较U。有所增加，因此在x。，。=2x

，

、

时，通过调节移相角妒。、妒：也可以提高传输功率极

限。

‘西了i再丽+酉了i了丽’

(3)

由图4相量关系可知，DCIPC各支路移相后的

为了在切除故障后利用DClPc提高系统的暂

态稳定性，由式(3)可见，调控邑及丘使满足：

电压u：、以与VSC注人电压及移相角之间的关系

为：

2x+x_L+2xxL／xc

>孺

晔等=意％

(4)

以cos赴

U．co哂2

即

．

一2XX．

“c

式中，占。=6。一口。。，6：=p：。一艿。，p。。、日2。分另H为故障

切除时刻电感、电容支路电流相角，6。为故障切除

时功角。令A=“wx眦，曰=一Wwx球。，则式(7)

可表示为：

严>订t菘

【x。>一2x

(LJ5，)

可提高传输功率极限，增大减速面积。功率极限提

高的幅度与电感、电容的大小有关，电感、电容可以

同时调节，也可以固定一个元件参数，调节另一个元

件参数。调节后的功角特性曲线如图6中Po’所

示，增大后的减速面积为cef所围成的阴影部分，

P‘2’为未装设DCIPC的系统故障切除后的功角曲

线。

P，=Asin(艿+91)+艿sin(艿+妒2)=Gsin(6+妒’)

(9)

式中

fc=√页2+82+2ABcos(妒l一妒2)

q∞

tan-t慧

当控制VSC注入电压，对DCIPC中的移相环节

进行移相时，故障切除后的传输功率表达式为：

若调节IPC移相环节，使功角特性曲线向左移

万方数据

第6期

李娟，等：基乇VsC的动态可控相间功率控制器改善系统暂态稳定性的研究

动，如图7所示，使妒’满足：

(11)

0<妒’<妒：

能够保证功率极限得到提高。式(11)中移相角妒’

的最大值妒二满足：

f：(P(2)一P。)d6=f：[P，盯sin(6+妒，m)一P。]d6

即

(12’

图8 向右移柏后的功角特性曲线

6。=sin一≠一妒：

characteristic cur、re心er

Fig．8

Powe卜angle

phase

式中，P。，为输出功率参考值。移相后的功角特性

曲线如图7中P。’所示，6。为曲线P‘3’与P。交点，

增大后的减速面积由cef围成，P∞1为未装设

DCIPC的系统故障切除后的功角曲线。

shift to

right

DCIPC中VSC的控制器设计

4．1控制策略概述

电压源换流器Vsc的注入电压传统上经常采

用PI控制 1，但PI控制只能对直流信号实现零稳

态误差，不能消除因逆变桥死区效应而引起的谐波

分量。因此，本文采用直流电容电压外环，VSC输出

电流内环的双环控制方式，电压外环采用PI控制

器，电流内环采用PR控制器。

PR控制器的传递函数为：

图7 向左移相后的功角特。r洲“线

characteristic curve after

shift to left

Fig．7

Power—angle

phase

G，。=I|}，+F笔(15)

十二∞c5十(￡J0

PR控制器在谐振频率∞。处的增益为无穷大，

而在非谐振频率处的增益迅速下降，将∞。设置为基

波角频率可实现对VSc输出交流电流信号的零稳

态误差控制，截止频率∞．的引入增加了控制器的带

若调节IPc移相环节，使功角特性曲线向右移

动，则使p7满足：

(13)

妒，二<妒’<o

也能够保证传输功率极限的提高。式(13)中移相

4|。此外，PR

宽，忌¨ ．|}。分别为比例和积分系数¨ 2’1

角妒”最大值妒：满足：

控制器对由于逆变桥死区效应而引起的低次谐波

(主要为3、5次谐波)能够进行很好的补偿。

4．2控制系统设计

f6“(P(：)一P。)d6：f＆[尸，。，。in(6+9：)一P。]d6

6。

o碥

即

在无穷大系统双回输电线一回始端发生的短路

故障切除后，其经DCIPC向系统传输的功率P，及功

角6等参数将受到影响。及时调节VSC的注入电

压使传输功率上升至参考值，将有利于提高系统的

功角稳定。

6，m>6。(14)

◇6。(14)

6：

l：si

订

一

乞

m瓦

：

【艿。

6，m 6。

此时移相后的功角特性曲线如图8中P∞’所

示，6：为曲线尸∞’与P。交点，增大后的减速面积由

efg围成，P。’为未装设DCIPc的系统故障切除后

的功角曲线。

由式(7)～式(10)可知，传输功率参考值及

VSC注入电压参考值为：

U。Uco站1

．

而当移相角相对较小，即u：a玑一u。时，使

x。，。<2x也能够实现提高传输功率极限的目的。

由以上分析可知，在故障切除的同时，及时有效

地控制Vsc的注入电压及DcIPc各支路的电感、电

容值，使其满足一定的范围便能够提高传输功率的

极限，增大减速面积，进而改善系统的暂态稳定性。

一

XIPccos(61+9I)

一==一

曰一未案‰

％=c=∥1再丽丽阿

(16)

万方数据

电工电能新技术

第35卷

i：，li

。．

2I峨s

“ s2+2她s+程

耻

cos(6。一日l。+妒j)

燕

，．1、

，

坠塑竺i

cos(92。一占。+妒；)

矿一

。2

由式(10)～式(16)可知，妒7及P耐与控制量

妒。、妒：均有关，因此，在故障切除时刻，测算单元设

定妒：为固定角度，并依据故障切除角6。、DcIPC电

感和电容支路的电流相角口。。和口：。以及传输功率参

考值P扪由式(10)～式(14)给定的约束条件及式

(16)得出移相角的参考值妒?、妒；；然后由式(17)

计算得出Vsc注入电压参考值U?、嵋。这些值经

由VSC控制环节生成空间矢量脉宽调制器(SVP．

wM)的触发信号，进而驱动VsC各桥臂的通断来生

图ll

PR控制谐波补偿结构图

Harmonic

block

compensation diagram

Fig．1

of PR contmller

PR控制器输出信号与测算单元计算出的VSC

注入电压参考值虻、u：形成触发信号，并注入到

SVPWM以驱动VSC，从而及时有效地控制VSC输

成VSC注入电压U。、％。其简化的系统控制框图如

图9所示。

出电压。

仿真分析

以带DCIPC的单机．无穷大系统(如图12所

示)为例，对基于VSC的动态可控相间功率控制器

改善系统暂态稳定性的作用进行仿真验证。该电力

图9 系统简化控制框图

系统的发电机容量S。为1200Mw，变压器T的变比

为13．8／500kV，双回输电线的等值电抗x=

of control

system

Fig．9

Simplined diagram

o．02

pu，模拟在传输线路2始端发生三相短路接地

VSC控制环节由采用PI控制器的电压外环及

采用PR控制器的电流内环组成，其控制结构如图

10所示。

故障，8s时故障发生，O．2s后故障切除。

图12简化电力系统仿真图

of simulation

Fig．12 Simpli6ed diagram

power system

当系统未装设DCIPC时，其发生故障后的摇摆

曲线如图13(a)所示。可以看出，故障发生后，发电

机功角6呈弱阻尼振荡。当系统装设有DCIPC且

不对其进行移相时，在故障切除时刻，根据式(5)调

控TcR及Tcsc使噩=0．32 pu，xc=0．035 pu，则

调控后的系统摇摆曲线如图13(b)所示。故障切除

后，其振荡幅值最高为37．40，且在3．2s后恢复至6

图10 Vsc控制结构框图

Block

of VSC contmller

diagram

Fig．10

图10中，直流侧电容电压参考值u二与实际测

量值u扎的差作为电压外环的控制信号以保持直流

侧电容电压恒定，信号经由PI控制器生成VSC输

出电流参考值，lI和E，其与实际测量值，l、厶的差

经过坐标变换传递给PR控制器。PR控制器能够

对逆变桥死区效应产生的低次谐波进行补偿，其补

偿结构如图11所示。

=12．5。。通过比较可以看出，在故障切除时刻及时

调控DCIPC的电感、电容参数，能够改善系统的暂

态稳定性。

在装设有DCIPC且其彳。．=一X。=2X=

0．04pu的单机．无穷大系统中，本文分别采用PI控

制和PR控制方式调控故障切除时刻Vsc的注入电

压，以改变DCIPC移相角，改善系统的暂态稳定性。

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