* Vc* V ' kp (I* I ) k ( I c c i c I c )dt
V ' Vs Rc I c js Lc I c
向无源网络供电时，无PLL，θs可由控制器决定
-33电力工程系
3.2 VSC-HVDC的控制策略
VSC-HVDC 功率外环控制
• 定直流电压控制
– 基于电压源换流器的高压直流输电技术（ VSC-HVDC）
-11电力工程系
1.2 不同输电方式的对比
-12-
电力工程系
1.2 不同输电方式的对比
LCC-HVDC VSC-HVDC
采用晶闸管，相当于电流源，直流电流单向流 采用 IGBT （反并联二极管），相当于电压源，直 通。 流电流可双向流通。 电网换相，需要较强交流系统支撑，否则存在 自换相，可以给无源网络供电。 换相失败的危险。 控制有功时，无功也随之变化，吸收 40%-60% 可以同时相互独立的控制有功和无功，可以吸收/ 的无功，不能独立控制有功和无功。 发出无功，可四象限运行。 含有大量低次谐波，需大量滤波器及无功补偿 不需无功补偿装置，只需少量高次谐波滤波器， 装置，占地面积大。 占地面积小，约为相同容量传统直流的20%。 使用架空线路、电缆或二者结合。 目前商用化工程使用电缆（有利于降低直流线路 故障率，减小高次谐波对通信影响）。
2.2 VSC-HVDC的基本原理
• VSC的有功与无功：
P U s U c sin Xc
Q U s U s U c cos Xc
• 通过调节δ角可以控制VSC传输有功的大小和方向：
– 当δ＜0时，运行于整流状态，从交流电网吸收有功； – 当δ＞0时，运行于逆变状态，向交流电网发出有功。
• VSC-HVDC的拓扑结构
– 两电平：通过器件串联的阀构成桥臂，动态均压困难，高
次谐波含量大。 – 三电平：二极管钳位三电平电路，NPC结构不易扩展，难
以形成更多电平。
– MMC：模块化多电平变流器，避免了大量器件的直接串联 ，减小了开关频率和开关损耗，但控制系统复杂。
-20-
电力工程系
2.1 VSC-HVDC的拓扑结构

s
3 P Vd I d 2
Vd AC voltage or reactive power control
* Ic_d
* Ic_q
-34-
电力工程系
3.2 VSC-HVDC的控制策略
VSC-HVDC用于风电场并网控制策略
Ps Pm DFIG
Pg C Uc Ig Lc Ug
Us I s Pr
机侧变流器 网侧变流器
潮流反转时，改变电压极性，电流方向不变， 潮流反转时，电压极性不变，改变电流方向，换 不易于形成直流电网。 流站间无需通信，易于多端系统的潮流控制，适 合构建直流电网。 损耗较小 损耗大 直流线路故障时，电抗器可以有效限制故障电 直流线路故障时，直流电容会产生很大故障电流， 流，并且通过晶闸管的快速控制可以清除故障 并且故障电流通过反并联的二极管流向故障点， 电流。 需要断路器来清除。
-15-
电力工程系
1.3 VSC-HVDC技术的应用
• 典型工程
– 1997年ABB在瑞典赫尔斯杨进行第一个VSC-HVDC的工业试验，1999年哥 特兰工程投入商业运行； – 2002年ABB在美国长岛的克劳斯-桑德互联工程42km 、±150kV、330MW ，第一个三电平换流器拓扑结构； – 2005年挪威泰瑞尔工程，45MW、±60kV、70km海底电缆第一个从大陆向 海上平台供电系统； – 2007年西门子在美国跨湾工程采用MMC变流器， ±200kV、400MW； – 2007年中国上海启动示范工程：南汇风电接入，35kV，2011年投入运行； – 2010年国家863课题，汕头南澳风电多端直流网络，200MW、 ±160kV ； – 2013年舟山多端直流开工，采用五端柔性直流贯通舟山本岛岱山、嵊泗等 多个岛屿； – 大连跨海VSC-HVDC（世界最大跨海柔性直流±320kV/1000MVA）、深圳 柔性直流配电网。
dq
s
PLL
Us_abc 交流电网
abc
Ic_abc
电网侧换流站控制结构
-36-
电力工程系
3.2 VSC-HVDC的控制策略
VSC-HVDC用于风电场并网控制策略
Us_d Us_d
*
Icd
PI
直流网络
* Mdq
+
Icdref + Icqref
+
* Ic_dq
Us_q=0
+ -
*
电流内 环控制
dq abc
柔性直流输电（VSC-HVDC）
1 概述
2 VSC-HVDC的拓扑结构及原理 3 VSC-HVDC建模及控制策略 4 VSC-MTDC的系统结构及控制策略 5 仿真分析
-1-
电力工程系
1 概 述
1.1 VSC-HVDC的概念及构成
1.2 不同输电方式的对比 1.3 VSC-HVDC技术的应用
-2-
– 直流侧电容：为换流器提供电压支撑、缓冲无功电流、缓 冲桥臂关断时的冲击电流、减小直流侧谐波。 – 换流电抗器：VSC与交流侧交换能量的纽带，同时起到滤波 作用。 – 交流滤波器：用于滤除交流侧高次谐波。
-5-
电力工程系
1.1 VSC-HVDC的概念及构成
IGBT模块
IGBT阀
-6-
换流电抗器
电力工程系
dIc Vc Vs Rc Ic js Lc Ic Lc dt dVs I c I s js Cf Vs Cf
dt
VSC-HVDC换流站模型
Ps+jQs + Vs Is jωsCfVs Cf Ic Rc jωsLcIc + Vc Lc + Pdc Idc Rdc Cdc + Vdc
4.1
VSC-MTDC的系统结构
• 点对点式拓扑结构
交流电网5
风电场2 交流电网6
风电场1
交流电网7
* Ic_q +
-
PI
-
* Vc_d
DC link
* Vc_dq
+ Vd’ * Vc_q
dq abc
PWM
Ic_q
PI
Vq ’
+ Vs_dq
s
dq abc
PLL
Vs_abc Grid Ic_abc
Decoupling Ic_dq
电流解耦控制系统结构
dI Vc Vs Rc Ic js Lc Ic Lc c dt
• MMC拓扑结构及输出电压
-25-
电力工程系
2.1 VSC-HVDC的拓扑结构
• 400MW MMC HVDC, 每个桥臂216模块串联
-26电力工程系
2.2 VSC-HVDC的基本原理
• 等效电路：
– 无论采用何种拓扑，VSC交流侧可等效为受控电压源，直流
侧可等效为电流源。。
-27-
电力工程系
PWM
PI
-
s
Us_q
Icq Uws_dq Icd
， Icq

恒值ωWF
dq abc
Uws_abc 风电场 Ic_abc
Ic_dq
风电场侧换流站控制结构
-37-
电力工程系
4
VSC-MTDC的系统结构及控制策略
4.1 VSC-MTDC的系统结构 4.2 VSC-HVDC的协调控制策略
-38-
电力工程系
′ us ′* us
L Udc
直流输电线路
内环电 流控制
* Udc
交流电 压控制
* is_dq
直流电 压控制
外环控制
* isd
* isq
无功或功率 因数控制
Q*
电压源 控制
有功或频率 控制
P*
-32-
电力工程系
3.2 VSC-HVDC的控制策略
VSC-HVDC 电流内环控制
* Ic_d +
Ic_d
-13-
电力工程系
1.2 不同输电方式的对比
• LCC-HVDC与VSC-HVDC的电压和功率等级的对比
-14-
电力工程系
1.3 VSC-HVDC技术的应用
• 应用于输、配电领域，实际工程从几MW到几百MW。
– 风电等新能源的联网 – 孤岛（海岛）和弱电网（偏远地区）的联网 – 中等容量电网互联 – 构筑城市直流输配电网 – 提高供电质量，向重要负荷供电
-16-
电力工程系
世界范围内代表性VSC-HVDC工程
-17-
电力工程系
1.3 VSC-HVDC技术的应用
• 汕头南澳风电多端直流工程
-18-
电力工程系
2 VSC-HVDC的拓扑结构及原理
2.1 VSC-HVDC的拓扑结构
2.2 VSC-HVDC的基本原理
-19-
电力工程系
2.1 VSC-HVDC的拓扑结构
IL
dVdc Cdc I dc I L dt 3 ˆ Ps jQs Vs I s 2 Pdc Ps I c Rc Vdc I dc
VSC在dq同步旋转坐标系下的等效电路图
-31-
电力工程系
3.2 VSC-HVDC的控制策略
VSC-HVDC 的总体控制策略
R 交流系统 is us ic PWM
Vdc
*
定交流电压控制
Vs_d=1
*
+ Vdc -
PI
* Ic_d
+ Vs_d +
PI