多端柔性直流输电(VSC—HVD)系统直流
电压下垂控制
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多端柔性直流输电系统(voltage sourcedconverter based
multi-terminal high voltage direct current transmission，VSC-MTDC)与传统的电网换相换流器构成的多端直流输电系统相比，具有控制灵活、能够与短路容量较小的弱交流系统甚至无源交流系统相连、扩建容易等诸多优点直流电压的稳定直接影响到直流潮流的稳定，因此直流电压控制是多端柔性直流输电系统稳定运行的重要因素之一。下垂控制策略具有无需通讯、可靠性较高等优点，但存在直流电压质量较差、功率分配不独立、参数设计困难等问题。本文首先介绍了多端柔性直流输电系统控制方法的分类比较，然后重点介绍了下垂控制数学模型，分析MTDC 系统中下垂控制参数对直流电压与电流(功率)的影响机理，研究满足MTDC 系统功率平衡和直流电压稳定的V-I(V-P)下垂特性曲线。
关键词：VSC-MTDC 下垂控制模块化多电平换流器
一、引言
基于电压源换流器（Voltage Source Converter，VSC）的高压直流输电（High Voltage Direct Current，HVDC）技术（HVDC based on VSC，VSC-HVDC，也称柔性直流输电技术）系统以其灵活性、经济性和可靠性，在新能源并网、城市直流配电网、孤岛供电等领域有着广泛的应用前景。MTDC 系统接线方式分为串联、并联和混联等，目前主要采用并联式[1]。并联接线的MTDC 系统中所有VSC 工作于相同直流母线电压下，因此直流电压控制是系统稳定运行的关键，类似于交流系统中的频率控制。
多端柔性直流输电系统级直流电压控制策略可以分为三大类，分别是单点直流电压控制策略、多点直流电压控制策略以及直流电压斜率控制策略。单点直流电压控制策略将一个换流站作为直流电压控制站，其余换流站负责控制其他的变量，例如交流功率、交流频率、交流电压等，系统中仅有一个换流站对直流电压进行控制，如果这个换流站失去了直流电压的控制能力，整个柔性直流输电系统的潮流将失稳，因此单点直流电压控制策略的适用性较差。多点直流电压控制策略是使直流输电系统中的多个换流站具备直流电压控制能力。按照是否需要换流站间通信设备进行分类，多点直流电压控制策略又可分为主从控制策略和直流电压偏差控制策略。主从控制策略是一种需要换流站间通信的控制策略，这种控制方式利用换流站间的通信系统实现了直流电压的稳定，具有控制特性好、直流电压质量高等优点，但系统可靠性依赖于换流器控制器与系统控制器之间的高速通讯，这严重制约了多端直流输电尤其是长距离输电系统可靠性的提高。直流电压偏差控制策略是一种无需站问通信的控制策略，这种控制策略的实质是在定直流电压站故障退出运行后，后备定直流电压站能够检测到直流电压的较大偏移并转入定直流电压运行模式，保证了直流电压的稳定性；同时其设计简单、可靠性强。
下垂控制策略为多点控制，控制器通过测量本地直流母线电压对功率分配进行调节，因而不依赖于换流站间的高速通讯，系统可靠性较高。
二、多端柔性直流输电系统的直流电压控制策略
2.1柔性直流输电系统概述
总体上来看，目前的多端直流输电系统接线方式主要有串联型、并联型和混联型 3 种类型。由于并联型多端系统具有调节范围宽、扩建灵活、易于控制和可靠性高等突出优点，成为研究的热点和应用的重点。本文设计的直流电压混合控制策略主要是针对并联型多端系统。多端柔性直流输电系统控制是一个庞大复杂且相互耦合的多输入、多输出系统，为满足系统控制的快速性和高可靠性，一
般可以分为系统级控制、换流器级控制、换流阀级控制和子模块级控制4 层。多端柔性直流输电分层控制系统框图如图 1 所示：
图 1 中，系统级控制除完成顺控功能以外，主要是产生换流器级控制所需的有功及无功功率指令；换流器控制是系统控制的核心，目前电压源型换流器一般采用直接电流矢量控制策略，最终生成换流阀级控制所需的调制信号；换流阀级控制主要是根据调制波生成功率器件的直接控制信号；子模块级控制主要完成功率器件的最终触发控制。
本文的直流电压混合控制策略属于系统级控制，与换流器拓扑方式无关。
图1 多端柔性直流输电分层控制系统框图
图1中：图中 AGC(automatic generation control)为自动发电控制AVC(automatic voltage control)为自动电压控制；abc U 和abc I 分别为换流器交流侧相电压、相电流；θ为换流器交流侧相电压同步角；sd u ，sq u 和sd i ，sq i 分别为换流器交流侧相电压、相电流经旋转变换后的 d 、q 轴分量；ref P 、ref Q 和 dcref U 分别为换流器有功功率、无功功率和直流电压指令；Q P , 和dc u 分别为换流器实际有功功率、无功功率和直流电压；dqref I 为外环控制器计算得到的
内环电流控制器 d 、q 轴电流指令值； dq I 为仅电流单闭环控制时的电流控制器 d 、q 轴电流指令值。
2.2控制策略分类比较
由于MTDC 系统控制中需协调控制多个换流站，对于串联型MTDC 系统，需保持各换流站直流电压的平衡；对于并联型MTDC 系统，需保持各换流站直流电流的协调分配。选择适合的运行模式和控制方式是MTDC 正常运行的基础。MTDC 的控制模式与换流器类型、系统规模、运行要求等密切相关，并决定了MTDC 的上层协调与上层控制器设计。MTDC 系统控制最基本的要求是需要满足Ⅳ-1原则，即任一换流站退出都不影响系统的稳定运行。目前MTDC 的控制方式按照直流电
压控制方式主要分为单点直流电压控制方式和多点直流电压控制方式，常见的多端直流输电控制方法分类如图2所示，其中各方式的优缺点对比如表2所示。
图2 MTDC系统控制方式分类
图3 各方式的优缺点对比
1．主从控制：主从控制器控制方法优点是控制简单，缺点是对换流站间的通信要求较高．通信故障后系统难以控制。
2．电压裕度控制：是主从控制的一种扩展，相当于一种改进的具有多个可选择功率平衡节点的定直流电压控制，当一端功率平衡节点故障或达到系统限制时，电压调节控制由另一换流站接替。电压裕度控制并用于直流电网，该控制是定直流电压和定有功／电流控制的结合，换流站正常运行在定有功／电流控制下，当直流电压偏差达到电压裕度的限制后，换流站切换为定直流电压控制，使直流电压保持在电压裕度限制值以内，防止直流电压偏差进一步增大，但该控制方法在主控制器切换时会引起系统振荡。
3．电压下垂控制：基本思想是基于功率一频率下垂控制。各换流站通过测量自身功率的大小，基于电压下垂特性，将功率转换为以输出电压为指令的控制信号，再根据调整后的功率反作用于输出电压信号，达到自我调节、自动分配功率的目的。系统中各个换流站共同承担功率平衡，通过调节直流电压来控制功率的大小。因为下垂控制中多个换流站共同参与功率的平衡和直流电压的调节，因此，其相对于主从控制具有更高的可靠性，且不会造成电压振荡。当某一个换流站发生故障停运时，系统剩余部分通过调整各个换流站功率分配和直流电压参考值，仍能维持直流网络电压相对稳定。直流电压下垂控制策略根据控制量的不同，分为电流特性(V-I)和功率特性(V-P)，其中电流特性下垂控制的MTDC 系统中，直流电容的充放电基于线性的电压–电流关系，具有直观的物理含义；而在功率特性下垂控制中，受控量为有功功率，直流电容的充放电为非线性关系(双
曲线)，系统的功率传输特性更为直观。合理设计下垂系数是MTDC 系统稳定、可靠运行的前提。在传统下垂控制基础上，增加上层系统控制器，求解各换流器直流电压和有功功率参考值的最优解，以提高系统的运行效率和动态性能；但这类方法依赖于换流站与上层系统控制器间的高速通讯，降低了系统可靠性。通过引入公共直流参考电压提高了系统动态响应速度。传统下垂控制策略中，下垂特性曲线为正比例函数，直流电压质量与功率分配特性是一对相互制约的因素：若下垂斜率较小，则直流电压刚性较好，但功率分配特性较差；若下垂斜率较大，则功率分配特性好，但直流电压对传输功率变化敏感，系统电压偏差较大。此外，所有参与下垂控制的换流站均需要根据各自的设计容量、运行工况等条件预先设定各自的下垂系数，应用于大规模MTDC 系统时控制器参数设计难度较大。而采用固定下垂系数的MTDC 系统在复杂工况下的灵活性和经济性也会降低。
4．分段下垂控制：结合了电压裕度控制和下垂控制的优点，以两阶分段下垂控制为例，改进的电压-功率下垂控制，在下垂控制中增加两条线段，同时在有功和直流电压控制的切换过程中加入滞环控制，避免模式之间的频繁切换。
三、MTDC 系统结构
3.1换流器电路拓扑
模块化多电平换流器(modular multilevelconverter ，MMC)是近年来应用于HVDC 和MTDC 的VSC 热门拓扑之一。图4 为MMC 的主电路拓扑，每桥臂由n 个功率模块(sub-module ，SM)和桥臂电感a r m L 组成，上下两个桥臂构成一个相元。c b a U U U ,,为MMC 交流输出电压；d c U 为直流电压；N 、P 为直流母线连接点
图4 MMC 电路拓扑
要关注其外特性，采用简化等效模型对MMC 的电气特性进行分析。MMC 在交流侧等效为受控电压源，直流侧等效为受控电流源，如图5
图5 MMC 直流侧简化模型
3.2 MTDC 系统拓扑结构
以连接海上风力发电场的MTDC 系统为例，其拓扑结构主要取决于海上风电场的地理位置、岸上交流电网的连接点以及海底电缆的分布。一种典型的连接海上风电场MTDC 系统拓扑结构如图6(a)所示。系统由n 个风机侧换流站(wind farmconverters ，WFCs)，m 个网侧换流站(grid sideconverters ，GSCs)以及直流网络构成。此外，通常还以增加直流连接线的方式将已有HVDC 系统拓展为MTDC 系统，如图6(b)。
图6 连接海上风电场的MTDC 系统拓扑
3.3 MTDC 系统模型
3.3.1直流电压下垂控制
直流电压下垂控制通过检测直流电压与设定参考值的差值控制输入直流网络的有功功率，实现功率平衡和电压稳定。本文以V-I 特性下垂控制为例进行分析，采用V-P 特性下垂控制可用类似方法分析。对下垂控制节点，下垂系数为droop k ，设定运行参考点的直流电压dcref U 、电流dcref I 和功率ref
P ，满足
dcref dcref ref I U P =。以电流流出直流网络为正方向，直流电压d c U 与直流电流d c I 关系: )1()
(dcref dc droop dcref dc U U k I I -=-
有功功率P 与直流电压dc U 的关系为： )2()(2dc dcref droop dcref dc droop ref U U k I U k P P -+=-
由式(1)、(2)可得，多端系统的直流电压控制和功率分配特性取决于下垂系数，亦或V-I 特性曲线的斜率droop k 1
。设计良好的下垂系数能够使多端系统稳
定运行；当传输功率变化或某一换流站检修或故障停运时，系统能够从当前运行点平稳过渡于新的稳态运行点。
3.2.2 MTDC 下垂控制模型
对图6(a)所示MTDC 系统进行建模。系统正常运行时，WFCs 将有功功率实时输入直流网络，称作输入节点；GSCs 承担直流电压控制和功率分配，称作输出节点。利用p 型等效电路对直流电缆建模，支路阻抗简化为电阻。对图7 所示输入输出节点与直流网络模型，列写电压电流方程：
图7 MTDC 系统直流网络模型
1）输入节点模型。
式中： i u 和i u 分别为输入节点i 和j 的直流电压；i i 、j i 和i R 、j R 分别为输入节点i 、j 连接支路的直流电流和线路阻抗；k k k ref k K R u u ,,,,分别为输出节点k 对应的直流电压测量值、直流电压参考值、线路阻抗和下垂系数，如图7(a)所示。
2）输出节点模型。
)4()1()1(,,j ref j j j k k i ref i i i k k k u i k R i R u i k R i R u +++=+++=
式中：k k k R i u ,,分别为输入节点k 的直流电压、连接支路的直流电流和线路
阻抗；
i ref u ,、j ref u ,、i i 、j i 、i R 、j R 和i k 、j k 分别为输出节点i 、j 的直流电压参考值、连接支路的直流电流、线路阻抗和下垂系数，如图7(b)所示。当节点i 与节点j 直流电压参考值相等，即
0,,u u u j ref i ref == 时，等效为支路并联：
3）直流网络模型。
当m 个输出节点直流电压参考值相等，由式(3)—(5)可得图7(c ）
式中：
其中T n T n T n m m n n r u u u U u u u U i i i I k R k R R R ]...[;]...[;]...[);/1(...)/1(00002121110
===+++=++
输出节点：
式中：i u 为节点直流电压；i i 为支路直流电流；i R 为支路线路阻抗；i i=1,2,...,n +m ；i k 为m 个采用下垂控制的输出节点下垂系数，其直流电压
参考值均为u 0；j =n +1,
n +2,...,n +m ；r R 为中间连接支路线路阻抗；如图7(c)所示。式(6)、(7)构成的MTDC 系统数学模型可以简化等效为两端HVDC 系统。对图6(d)所示增加直流连接线扩展而来的MTDC 系统，采用类似的方法可得其下垂控制等效模型为：
式中：i u 为节点直流电压；
i i 为支路直流电流；i R 为支路线路阻抗i=1,2,3,4；j k 为采用下垂控制节点的下垂系数，其直流电压参考值为j u ；j=3,4；5R 为直
流连接线线路阻抗；如图7(d)所示。式(6)—(8)为MTDC 系统节点电压与输入电流方程构成的下垂控制数学模型。包含复杂直流网络的大规模MTDC 系统可由上述模型拓展而得。
3.4 直流电压自适应下垂控制策略
3.4.1系统描述
对图8所示MMC-MTDC 系统，问题描述如下：
)9(GU I =
图8 MTDC 系统下垂控制策略
其中T m n T m n i i i I u u u U ),...,(),...,(2121++==和表示n 个输入节点和m 个输出节点的直流电压和电流；G 为MTDC 直流网络导纳矩阵；)(k k k i f u =表示下垂控制的MMC 换流站(输出节点)V-I 特性曲线。
3.4.2 约束条件
MTDC 下垂控制策略的约束条件包括：直流电压、直流电流、换流器容量等。以额定直流电压、额定直流电流为基值，采用标幺制表示，如图9所示。
图9 下垂控制约束条件
1）直流电压等级。主要由换流器拓扑、开关器件和直流电缆的耐压等级等决定。MTDC
10%以内。在V-I 特性曲线中，电压限制表现为双横线。
2）换流器容量。主要由换流器拓扑和开关器件额定电流决定。在V-I 特性曲线中，容量限制表现为双曲线。
3）直流电流限制与直流电缆最大电流、开关器件额定电流等有关。在V-I 特性曲线中，电流限制表现为双竖线。
3.4.3 自适应下垂控制
在满足上述约束条件情况下，当MTDC 系统中所有VSC 的V-I 特性曲线满足)(k k k i f u =为连续且单调递增函数时，即能维持系统功率平衡： )12(in loss out P P P ==
传统下垂控制策略中，所有换流站下垂系数droop k 均为预先单独设定。其中第k 个换流站：
)13()(,,,k ref k k droop k ref k u u k i i -=-
式中：k u 、k ref u , 为换流站k 的直流电压实际值和参考值；k i 、k ref i ,为换流站k 的直流电流实际值和参考值。当传输功率波动或直流网络拓扑变化(例如换流站停运退出等)时，传统下垂控制有直流电压质量低、功率分配不独立等缺点，影响系统运行的经济性、灵活性。针对上述问题，提出一种改进的自适应下垂控制策略。通过测量本地电气量，引入功率影响因子：
)14(,,,k m k
k ref k p p i u =ξ
式中P m,k 为换流站k 的设计额定容量。则换流站k 的V-I 特性曲线为 )15()()(,,,,k ref k ref k k droop k
p k k k u i i k i f u +-==ξ
将式(14)代入式(15)可得：
)16()(,2,,,,k k ref k k droop k m k
ref k ref k i i i k P u u u -=-
由式(15)、(16)可得，功率影响因子对V-I 特性曲线斜率的影响与直流电流成正比。换流站k 直流母线电压偏差值)(,k ref k k k u u u u -=??与直流电流成抛物线关系。通常设定MTDC 系统运行参考点为：传输功率为零0=k i 时，直流母线电压为系统额定电压；即0,=k ref i ，m k ref u u =,，m u 为额定直流母
线电压。因此，由传输功率变化引起的直流电压偏差k u ?与直流电流的二次方成正比。
)17(,,2
,,k
droop k m k k ref k ref k k k P i u u u u =-=?
u'k 相比：)18(,,,,k m k m k ref k k droop k
k k P P u i k i u u -='?-?
同时，换流站直流电流满足： k
ref u k m P k U k P k i ,,≤= (19) 代入式(18)有： )20('?≤?k k u u
由式(19)、(20)可得，与传统下垂控制策略相比，采用本文提出的自适应下垂控制策略的MTDC 系统，直流电压偏差较小。对式(17)求导可得，直流电压对输入电流的变化率为)21(2,,,k droop k m k k ref k k k P i u i u =?
分析在不同工况下的系统运行特性。
1）工况1，换流站有功功率较低，直流电流 )2/(,,k ref k m k u P i >。
下垂系数满足： )22(12,,,,k
droop k droop k m k k ref k k P i u < 此时自适应下垂控制侧重于直流电压调节，实际直流电压相对额定直流电压偏差
较小。 2）工况2，换流站有功功率较高，接近额定容量，直流电流)2/(,,k ref k m k u P i >。 下垂系数满足： )23(12,,,,k droop k droop k m k
k ref k k P i u >
此时自适应下垂控制侧重于功率分配以避免MMC 换流站功率超限或桥臂电流过流，功率分配特性较好。由上述分析可得，本文提出的自适应下垂控制策略，能够减小传输功率变化造成的直流电压偏差，同时在不增加通讯的情况下适用于各种工况并提高系统运行特性。控制器设计如图7 所示。自适应下垂控制检测换流站当前运行状态，通过功率影响因子对下垂系数实时修正，实现V-I 特性曲线的闭环控制。其中外环采用自适应下垂控制，内环采用传统dq 轴电流解耦控制。控制外环根据测量本地直流电压dc u 和直流电流dc i ，在自适应下垂控制作用下计算相应的d 轴电流参考值f dre i _；根据无功功率测量值Q 和参考值
ref Q ，在PI 调节器作用下计算相应的q 轴电流参考值f qre i _。在电流内环作用下，生成MMC 三相参考电压ref a u _、ref b u _、ref c u _，经过均压和调制环节，产生换流器中开关器件IGBT 触发脉冲。图7中，dc i 、dc u 分别为直流电流和直流电压；abc i 、abc u 分别为交流电网三相电流和三相电压；q 为锁相环(phase lock l oop ，PLL)输出的相位角；交流电网三相电压abc u 和三相电流abc i 分别进行dq 变换后得到q d u ,、q d i ,。
图10 MMC 换流站自适应下垂控制策略
四、总结
本文分析了MMC-MTDC 系统的数学模型，推导了多端系统在各种典型直流网络拓扑下，采用下垂控制算法的节点直流电压和电流(功率)的关系解析式。直流电压控制是MTDC 系统稳定运行的重要因素之一，系统电压质量与下垂控制参数的选择密切相关。分析下垂控制约束条件，当传输功率较低时，系统侧重于维持直流电压稳定以提高电压质量；当传输功率较高时，系统侧重于功率分配，避免换流站容量超限和过流。
1）传输功率变化时，直流电压质量较高。在相同的最大直流电压偏差限制条件下(不超过额定电压%10 )，自适应下垂控制的直流电压偏差较小。
2）控制器参数设计简化。只需设定每个换流站的直流电压偏差上下限，降低了系统设计复杂度，尤其适用于大规模MTDC 系统。
3）无需上层控制器与换流站的高速通讯，有利于提高MTDC 系统的稳定性和可靠性。
五、感谢
首先感谢任课老师对我仿真的指导与帮助，然后感谢我的导师对我的指导与关怀，还要感谢在这门课程学习过程中给过我无私帮助的其他同学。
这篇报告是我对新型输电这门课学习的一个总结，通过对这门课的学习，我获益良多，不仅学习到了与专业，研究生研究课题相关的知识，还锻炼了对知识检索，整理的能力。老师的教课方式轻松，上课能全面了解新型输电这门课；课后布置讲课PPT很用心，会对每个同学的选题进行指导，课上讲完PPT还会进行提问，对于最后结课报告的内容给出专业的意见。对于结课作业也是需要先给老师初期审查，经过修改，最后完成作业。总之，老师是一位严肃，认真，对学生学习很负责的老师。
通过课上以及课下让我全面了解新型输电系统的内容，针对自己感兴趣和不懂的知识，在课后通过查阅文献资料，最终选择讲解为的内容为多端柔性直流输电(VSC—HVD)系统直流电压偏差斜率控制，经过几次修改，最终由我做讲解的PPT,虽然前期PPT的内容主要是直流电压偏差斜率控制的内容。但我选择了多端柔性直流系统电压下垂控制这方面来写，主要是因为通过查阅文献对直流电压偏差斜率控制已经有了比较多的了解。这个报告对电压下垂控制以及电压自适应下垂控制有比较系统详细的描述。
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基于DOE方法的转速传感器输出电压的精确控制 目前，我厂转速传感器输出电压的控制较为粗放，一致性较差，实际测量结果与设计指标误差较大，设计存在反复，影响研发周期。文章基于实验设计（DOE）方法，运用Minitab软件，对输出电压进行流程分析及降噪处理，通过实验方案设计、实施、分析，构建合理模型，给出拟合公式，并经预测、验证，提出有效的控制手段。 标签：DOE；Minitab；转速传感器；输出电压；精确控制 1 概述 磁电式传感器运用电磁感应原理，将输入的运动速度转换成感应电动势输出，具有不需要供电电源、电路简单、性能稳定、输出阻抗小等优点[1]。磁电式转速传感器广泛应用于发动机转速测量，在监控发动机状态过程中发挥着重要作用。当发动机工作时，具有导磁性的音轮旋转，通过传感器线圈的磁通量发生周期性变化，传感器线圈中产生周期性电压，通过对输出电压处理计数，测出齿轮转速[2]。 根据磁场回路的大小，磁电式传感器可分为开放式磁电转速传感器和半封闭式磁电转速传感器。开放式磁电转速传感器外壳是不导磁的，线圈在磁钢和音轮组成的大回路的磁场下工作，音轮旋转时产生交变的磁场，使线圈产生感应电势。开放式磁电转速传感器对磁钢的要求不高，一般采用普通的铝镍钴永磁材料。虽然在使用过程中磁性能容易下降，但可以在外部用重新充磁来调整，容易返修。半封闭式磁电转速传感器是由铁芯、磁钢、导磁体、外壳组成的E形磁导体和音轮构成小回路的磁场，當音轮旋转时，磁场变化，在线圈内产生感应电动势。半封闭式磁电转速传感器要求磁钢的磁性能强，一般采用钐钴磁钢。半封闭式磁电转速传感器在使用中如果磁性能下降，很难再重新充磁。由于易调整的特点，目前我厂的磁电式传感器以开放式磁电转速传感器为主。下文论述均以开放式磁电转速传感器为基础。 目前，我厂转速传感器输出电压的控制较为粗放，一致性较差，实际测量结果与设计指标误差较大，设计存在反复，影响研发周期。本文基于实验设计（DOE）方法，对输出电压进行流程分析及降噪处理，运用Minitab软件，通过实验方案设计、实施、分析，构建合理模型，给出拟合公式，并经预测、验证，提出有效的控制手段。 2 流程分析 转速传感器是根据电磁感应原理设计的，完整的测量系统由传感器及音轮两部分组成。音轮按齿形不同可分为端面齿音轮与径向齿音轮，如图1所示。以径向齿音轮为例，传感器的测量端正对音轮的齿，传感器的测量端与音轮的齿之间存在间隙，音轮转动时，间隙交替变化周期性地改变磁路中的磁阻，磁阻周期性
下垂控制的原理是什么。？ 下垂控制是并网逆变器的常用控制原理，但是具体下垂控制的深层原理和物理含义是什么啊？查到的几乎所有的文献对此都是基于下垂控制XXXX、仿照同步发电机下垂特性XXXX，却没有一个真正说清楚仿照哪了，电机书上对同步发电机的下垂特性也没讲清楚其物理原理。向各位知乎大神求教，我看网上也有很多问这个的却没有一个回答说清楚的。 添加评论 分享 简单来说，所谓下垂控制就是选择与传统发电机相似的频率一次下垂特性曲线（Droop Character）作为微源的控制方式，即分别通过P/f下垂控制和Q/V下垂控制来获取稳定的频率和电压，这种控制方法对微源输出的有功功率和无功功率分别进行控制，无需机组间的通信协调，实现了微源即插即用和对等控制的目标，保证了孤岛下微电网内电力平衡和频率的统一，具有简单可靠的特点。—————————————————————————————————————————— 补充说一说。 学过电机学都知道，发电机有个功角特性曲线，其中凸极同步发电机的 无功功率表达式是： 有功 功率表达式： 我们可以看出，通过控制U和功角来控制有功功率P和无功功率Q。那么反过来， 可以通过控制有功功率P和无功功率Q来控制U和功角 所以， 微电网中的常规下垂控制是通过模拟传统发电机的下垂特性，实现微电网中微电源的并联运行。其实质为：各逆变单元检测自身输出功率，通过下垂特性得到输出电压频率和幅值的指令值，然后各自反相微调其输出电压幅值和频率以达到系统有功和无功功率的合理分配。 逆变器输出电压频率和幅值的下垂特性为：
其中w0，U0分别为逆变器输出的额定角频率，额定电压。kp，kq为逆变器下垂系数。P,Q 分别为逆变器实际输出的有功功率和无功功率。P0，Q0分别为逆变器额定有功和无功功率。 由上式我们可以得到三相逆变器常规的P-f 和Q-U 下垂控制框图。 注：常规下垂控制是在系统并联逆变器的输出端等效阻抗为大电感的条件下推导得到的。然而不同电压等级的连接线路对应不同的阻感比。 在电压等级较低的线路中，阻感比相对较高。 加之每个逆变器到交流母线的距离不同，线路越长，线路电阻越大，可能会导致线路电阻相对线路感抗较大，常规下垂控制已经不能满足低压微电网控制的需求。 所以就有了一种改进型功率耦合下垂控制策略。 因为低压微电网中线路阻抗的影响已经不能完全忽视，有功功率和无功功率对电压和频率的调节存在耦合关系。 逆变电源输出的有功功率P和无功功率Q可以写为： 单台逆变器到交流母线的功率传输示意图：
ICS 中国南方电网有限责任公司企业标准 Q/CSG XXXXX—2015 柔性直流输电换流器技术规范 Technical specification of converters for high-voltage direct current (HVDC) transmission using voltage sourced converters (VSC) （征求意见稿） XXXX-XX-XX发布XXXX-XX-XX实施 中国南方电网有限责任公司发布
目次 前言............................................................................... III 1 范围 (1) 2 规范性引用文件 (1) 3 术语和定义 (1) 3.1 额定直流电流 rated direct current (1) 3.2最大直流电流maximum direct current (2) 3.3 短时过载（过负荷）直流电流short time overload direct current (2) 3.4 额定直流电压rated direct voltage (2) 3.5 额定直流功率rated direct power (2) 4 文字符号和缩略语 (2) 4.1 文字符号 (2) 4.2 缩略语 (2) 5 使用条件 (2) 5.1 一般使用条件的规定 (3) 5.2 特殊使用条件的规定 (3) 6 技术参数和性能要求 (3) 6.1 总则 (3) 6.2 换流器电气结构 (4) 6.3 阀设计 (5) 6.4 机械性能 (6) 6.5 电气性能 (7) 6.6 冗余度 (7) 6.7 阀损耗的确定 (8) 6.8 阀冷却系统 (8) 6.9 防火防爆设计 (8) 6.10 阀控制保护设计 (8) 7 试验 (9) 7.1 试验总则 (9) 7.2 型式试验 (9) 7.3 例行试验 (11) 7.4 长期老化试验 (11) 7.5 现场试验 (12) 8 其它要求 (12) 8.1 质量及使用寿命 (12) 8.2 尺寸和重量 (12) 8.3 铭牌 (12) 8.4 包装和运输 (12)
柔性直流输电 一、常规直流输电技术 1. 常规直流输电系统换流站的主要设备。常规直流输电系统换流站的主要设备一般包括：三相桥式电路、整流变压器、交流滤波器、直流平波电抗器和控制保护以及辅助系统(水冷系统、站用电系统)等。 2. 常规直流输电技术的优点。 1）直流输送容量大，输送的电压高，最高已达到800kV，输送的电流大，最大电流已达到4 500A；所用单个晶闸管的耐受电压高，电流大。 2）光触发晶闸管直流输电，抗干扰性好。大电网之间通过直流输电互联（背靠背方式），换流阀损耗较小，输电运行的稳定性和可靠性高。 3）常规直流输电技术可将环流器进行闭锁，以消除直流侧电流故障。 3. 常规直流电路技术的缺点。常规直流输电由于采用大功率晶闸管，主要有如下缺点。 1）只能工作在有源逆变状态，不能接入无源系统。 2）对交流系统的强度较为敏感，一旦交流系统发生干扰，容易换相失败。 3）无功消耗大。输出电压、输出电流谐波含量高，需要安装滤波装置来消除谐波。 二、柔性直流输电技术
1. 柔性直流输电系统换流站的主要设备。柔性直流输电系统换流站的主要设备一般包括：电压源换流器、相电抗器、联结变压器、交流滤波器和控制保护以及辅助系统(水冷系统、站用系统)等。 2. 柔性直流输电技术的优点。柔性直流输电是在常规直流输电的基础上发展起来的，因此传统的直流输电技术具有的优点，柔性输电大都具有。此外，柔性输电还具有一些自身的优点。 1）潮流反转方便快捷，现有交流系统的输电能力强，交流电网的功角稳定性高。保持电压恒定，可调节有功潮流；保持有功不变，可调节无功功率。 2）事故后可快速恢复供电和黑启动，可以向无源电网供电，受端系统可以是无源网络，不需要滤波器开关。功率变化时，滤波器不需要提供无功功率。 3）设计具有紧凑化、模块化的特点，易于移动、安装、调试和维护，易于扩展和实现多端直流输电等优点。 4）采用双极运行，不需要接地极，没有注入地下的电流。 3. 柔性直流输电技术的缺点。系统损耗大（开关损耗较大），不能控制直流侧故障时的故障电流。在直流侧发生故障的情况下，由于柔性直流输电系统中的换流器中存在不可控的二极管通路，因此柔性直流输电系统不能闭锁直流侧短路故障时的故障电流，在故障发生后只能通过断开交流侧断路器来切除故障。可以使用的最佳解决方式是通过使用直流电缆来提高系统的可靠性和可用率。 三、常规直流输电技术和柔性直流输电技术的对比
多端柔性直流输电(VSC—HVD)系统直流 电压下垂控制 学院： 姓名： 学号： 组员： 指导老师： 日期：
摘要： 多端柔性直流输电系统(voltage sourcedconverter based multi-terminal high voltage direct current transmission，VSC-MTDC)与传统的电网换相换流器构成的多端直流输电系统相比，具有控制灵活、能够与短路容量较小的弱交流系统甚至无源交流系统相连、扩建容易等诸多优点直流电压的稳定直接影响到直流潮流的稳定，因此直流电压控制是多端柔性直流输电系统稳定运行的重要因素之一。下垂控制策略具有无需通讯、可靠性较高等优点，但存在直流电压质量较差、功率分配不独立、参数设计困难等问题。本文首先介绍了多端柔性直流输电系统控制方法的分类比较，然后重点介绍了下垂控制数学模型，分析MTDC 系统中下垂控制参数对直流电压与电流(功率)的影响机理，研究满足MTDC 系统功率平衡和直流电压稳定的V-I(V-P)下垂特性曲线。 关键词：VSC-MTDC 下垂控制模块化多电平换流器
一、引言 基于电压源换流器（Voltage Source Converter，VSC）的高压直流输电（High Voltage Direct Current，HVDC）技术（HVDC based on VSC，VSC-HVDC，也称柔性直流输电技术）系统以其灵活性、经济性和可靠性，在新能源并网、城市直流配电网、孤岛供电等领域有着广泛的应用前景。MTDC 系统接线方式分为串联、并联和混联等，目前主要采用并联式[1]。并联接线的MTDC 系统中所有VSC 工作于相同直流母线电压下，因此直流电压控制是系统稳定运行的关键，类似于交流系统中的频率控制。 多端柔性直流输电系统级直流电压控制策略可以分为三大类，分别是单点直流电压控制策略、多点直流电压控制策略以及直流电压斜率控制策略。单点直流电压控制策略将一个换流站作为直流电压控制站，其余换流站负责控制其他的变量，例如交流功率、交流频率、交流电压等，系统中仅有一个换流站对直流电压进行控制，如果这个换流站失去了直流电压的控制能力，整个柔性直流输电系统的潮流将失稳，因此单点直流电压控制策略的适用性较差。多点直流电压控制策略是使直流输电系统中的多个换流站具备直流电压控制能力。按照是否需要换流站间通信设备进行分类，多点直流电压控制策略又可分为主从控制策略和直流电压偏差控制策略。主从控制策略是一种需要换流站间通信的控制策略，这种控制方式利用换流站间的通信系统实现了直流电压的稳定，具有控制特性好、直流电压质量高等优点，但系统可靠性依赖于换流器控制器与系统控制器之间的高速通讯，这严重制约了多端直流输电尤其是长距离输电系统可靠性的提高。直流电压偏差控制策略是一种无需站问通信的控制策略，这种控制策略的实质是在定直流电压站故障退出运行后，后备定直流电压站能够检测到直流电压的较大偏移并转入定直流电压运行模式，保证了直流电压的稳定性；同时其设计简单、可靠性强。 下垂控制策略为多点控制，控制器通过测量本地直流母线电压对功率分配进行调节，因而不依赖于换流站间的高速通讯，系统可靠性较高。 二、多端柔性直流输电系统的直流电压控制策略 2.1柔性直流输电系统概述 总体上来看，目前的多端直流输电系统接线方式主要有串联型、并联型和混联型 3 种类型。由于并联型多端系统具有调节范围宽、扩建灵活、易于控制和可靠性高等突出优点，成为研究的热点和应用的重点。本文设计的直流电压混合控制策略主要是针对并联型多端系统。多端柔性直流输电系统控制是一个庞大复杂且相互耦合的多输入、多输出系统，为满足系统控制的快速性和高可靠性，一
双向可控硅控制角与输出电压关系
众所周知，使用双向可控硅的通与断可以实现交流电输出电压的调节。输出电 压的控制采用控制可控管的导通角来实现。 控制角是指可控硅断开的正弦波角度。 输出电压与输入电压、及控制角的关系表： 正弦波半周（90度角）面积 2 交流电输入电压（V）230 1角度对应的弧度0.0174 弧度与角度对应关系：2 n = 360度 控制角角度控制角弧度 Sin（x）积分积分百分率输出电压 0 0.0000 0.0000 0.00% 230.00 1 0.0174 0.000 2 0.01% 229.98 2 0.0349 0.0006 0.03% 229.93 3 0.0523 0.001 4 0.07% 229.84 4 0.0698 0.0024 0.12% 229.72 5 0.0872 0.0038 0.19% 229.56 6 0.104 7 0.0055 0.27% 229.37 7 0.1221 0.0074 0.37% 229.14 8 0.1396 0.0097 0.49% 228.88 9 0.1570 0.0123 0.61% 228.59 10 0.1744 0.0152 0.76% 228.25 11 0.1919 0.0184 0.92% 227.89 12 0.2093 0.0218 1.09% 227.49 13 0.2268 0.0256 1.28% 227.06 14 0.2442 0.0297 1.48% 226.59 15 0.2617 0.0340 1.70% 226.09 16 0.2791 0.0387 1.93% 225.55 17 0.2966 0.0437 2.18% 224.98 18 0.3140 0.0489 2.44% 224.38 19 0.3314 0.0544 2.72% 223.74 20 0.3489 0.0602 3.01% 223.07 21 0.3663 0.0664 3.32% 222.37 22 0.3838 0.0727 3.64% 221.63 23 0.4012 0.0794 3.97% 220.87 24 0.4187 0.0864 4.32% 220.07 25 0.4361 0.0936 4.68% 219.24 26 0.4536 0.1011 5.06% 218.37
柔性直流输电系统的改进型相对控制策略 摘要：电压源换流器(VSC)中交流滤波器可滤除交流网络侧谐波，交流侧换流电 抗器或换流变压器有助于交流网络和VSC的能量交换，直流侧电容器可减小换流 桥切换时的冲击电流，同时也可滤除直流网络侧谐波。 关键词：柔性直流输电；控制策略；应用 前言 在柔性直流输电系统(VSC－HVDC)中电压源换流器采用全控型可关断器件，可实现对交流无源网络供电，同时对有功功率、无功功率进行控制。笔者采用外环 电压控制和内环电流控制，外环电压控制中送端VSC系统采用相对控制策略，通 过分别控制输出电压相对发电机端电压的相位角和幅值，进而控制其与送端系统 交换的有功功率和无功功率。受端VSC系统采用定交流电压和定直流电压控制方法，通过调制比和移相角信号产生器件的驱动脉冲，内环控制采用空间矢量控制 策略，PI控制器实现对d、q轴电流的解耦控制，运用PSCAD/EMTDC暂态仿真软 件建立相应的内外环控制模型，验证所设计控制方案的有效性和可靠性。 1柔性直流输电技术的概述 1.1柔性直流输电技术概念 柔性直流输电技术是由加拿大的科学家开发出来的。这是一种由电压源换流器、自关断器和脉宽调制器所共同构成的直流输电技术。作为一种新型的输电技术，该技术不仅可以向无源网络进行供电，还不会在供电的过程中出现换相失败 的现象。在实际使用的过程中，换相站之间不会直接依赖于多端直流系统进行运作。柔性直流输电技术属于一类新型的直流输电技术。虽然在结构上和高压输电 技术相类似。但是整体结构仍然是由换流站和直流输电线路构成的。 1.2柔性直流输电的特点 柔性直流输电是由高压直流输电改造而来的。应该说在技术性和经济性方面 都有很大的改善。具体来说，柔性直流输电技术内部的特点可以表现为如下几个 方面： （1）在运用柔性直流输电技术的过程中，如果能够有效地采用模块化设计的技术，其生产和安装调试的周期都会最大限度地缩短。与换流站有关的设备都能 够在安装和使用的过程中完成各项试验。 （2）柔性直流输电技术内部的VSC换流器是以无源逆变的方式存在的。在使用的过程中可以向容量较小的系统或者不含旋转机电的系统内部进行供电。 （3）柔性直流输电技术在使用的过程中都伴随有有功潮流和无功潮流 （4）整个柔性直流输电系统可以有效地实现自动调节。换流器不需要经常实现通信联络。这也就在很大程度上减少了投资、运行和维护的费用。 （5）整个柔性直流输电技术内部的VSC换流器可以有效地减弱产生的谐波，并减少大家对功率的要求。一般情况下，只需要在交流母线上先安装一组高质量 的滤波器，就可以有效地满足谐波的要求。目前，多数无功补偿装置内部的容量 也不断地减少。即便不装换流变压器，内部的开关也可以更好地被简化。 2柔性直流输电技术的战略意义 目前，柔性直流输电技术在智能电网中一直都发挥着重要的作用。一般来说，柔性直流输电技术可以有效地助力于城市电网的增容改造和交流系统内的互联措施。目前，多数柔性直流输电技术也在大规模风电场建设的过程中发挥出了较好 的技术优势。如果大面积地选择柔性直流输电技术，将会在很大程度上改变电网
同步发电机输出电压的控制系统工作原理 同步发电机输出电压的调控 调控的目的就是实现在同步发电机额定负荷范围内稳住输出电压。调控技术的理念是实时地从主发电机电枢取得电压和电流,经整流和负反馈调理后供给励磁机的定子线圈,使其产生变化规律与主发电机输出电压变化规律相反的直流电磁场,这个磁场也必然使励磁机转子电枢的输出电压及旋转整流器供给主发电机转子线圈的直流电流按同样的规律而变化。从而起到实时调节主发电机转子磁场大小,使主发电机在额定负荷范围内保持良好输出特性的作用。 对发电机输出电压的调节过程,可以用以下的流程表示; 由于负荷增加使主发电机电枢电压↓(降) →经负反馈调理后励磁机定子电流及磁场↑→励磁机转子电枢输出电压↑→旋转整流器输出电流↑→主发电机转子磁场↑→使主发电机电枢电压↑ 若主发电机电压升高,则其反馈调控使以上各环节作用降低,导致电压回到额定值。 可见通过励磁机实时调控主发电机转子磁场的大小,就可以稳住输出电压。这其中起重要作用的是负反馈调节单元,通常称其为恒压励磁装置和自动电压调节器。 (3)自动电压调节器 现代交流同步发电机常用自动电压调节器A VR这种电子部件调节励磁机定子磁场的强弱。虽然A VR的种类很多,但性能大同小异;都是实时采样主发电机的输出电压值与预先设定的值相比较,用比较的结果去调节脉冲宽度调制器PWM;输出电压值高则调制器输出脉冲宽度窄,反之则宽。然后再用这些脉冲去调控大功率开关器件即三极管或场效应管控制送入励磁机定子线圈的电流的时间。从而使它的磁场强弱随着主发电机输出电压的变化而相反变化;即输出电压升高则励磁机定子磁场减小,输出电压降低励磁机定子磁场增强。从而达到负反馈调控的目的。 图2 自动电压调节器电路原理方框图 图2是常用的一种A VR类型。取样自主发电机输出电压的信号从8、9两端输入到电压测量比较单元,与内部预先设定的电压值(例如380V)相比较。比较结果以输出电压UA送入脉冲宽度调制单元PWM,输出电压UC送入低频保护单元。电压测量比较单元的L、S、H是连接主发电机输出电压幅值调节电位器的三个端子。 脉冲宽度调制器由稳压器输出的直流电压UCC作为工作电源,以确保其性能稳定。它的输出电压UB控制调制管VT3。若由电压测量比较单元送来的UA大,表明主发电机输出电压升高,则大的UA就会使脉冲宽度调制器输出的脉冲UB 的宽度变窄。窄的脉冲就会使VT3导通时间短,通过的电流少。反之,主发电机电压降低UA变小,脉冲宽度调制器输出的脉冲UB的宽度随之变宽,从而使VT3导通时间变长,通过的电流增多。 励磁机定子线圈一端接在端子X1上,另一端接在XX1端子上。由主发电机电枢送来的EA、EB、Ec三相电压,经过三个二极管VD10、VD11、VD12整流后,电流从X1端流入励磁机的定子线圈,由XX1流出,再经过调制管VT3和XN 端子流回主发电机电枢,形成励磁机定子线圈的励磁电流通路。VT3是这个通路上的开关,它导通时间长,则定子线圈流过电流时间长,定子磁场强度大;VT3导通时间短,定子线圈电流少,定子磁场强度小。 A VR就是这样调控主发电机的电压的;主发电机由于负荷原因输出电压升高,电压测量比较单元输出的UA随着升高,受UA控制的脉宽调制器输出脉冲UB宽度变窄,开关管VT3导通时间短,励磁机定子磁场减弱,转子电枢电压及旋转整流器输出电流随之减小,导致供给主发电机转子的励磁电流变小,则主发电机因其转子磁场的减小而使输出电压降低。反之,A VR的负反馈调控功能就会使主发电机的输出电压升高。 在主发电机因负荷超出额定值而输出极大电流时,柴油发动机也需随之输出巨大的动力以致导致其转速低于额定值。低频保护单元的作用就是在这种情况下限制励磁机定子线圈里电流的超额增大。它以电阻和电容构成的充放电支路预先设定一个低频保护点,当主发电机负荷正常时,从电压测量单元来的UC小于低频保护点,则低频保护单元输出的电压Ud高,二极管VD8被截止,Ud到不了脉宽调制器,起不了作用。若主发电机超载则Ud变低,VD8导通,Ud和UA就可同时作用于脉宽调制器,使其输出的脉冲UB随Ud的下降而变窄,调制管VT3导通时间随之变短,励磁电流减小励磁机定子磁场变弱,从而导致主发电机转子磁场减小。发电机输出电压下降、电流减小。低频保护单元起到了保护励磁机和主发电机的作用。 3 同步发电机的维护 同步发电机是柴油发电机组的关键部分。为柴油发电机组建立一个合适的工作环境,做好日常维护是十分必要的。
柔性直流输电 一、柔性直流输电技术 1. 柔性直流输电系统换流站的主要设备。柔性直流输电系统换流站的主要设备一般包括：电压源换流器、相电抗器、联结变压器、交流滤波器和控制保护以及辅助系统(水冷系统、站用系统)等。 2. 柔性直流输电技术的优点。柔性直流输电是在常规直流输电的基础上发展起来的，因此传统的直流输电技术具有的优点，柔性输电大都具有。此外，柔性输电还具有一些自身的优点。 1）潮流反转方便快捷，现有交流系统的输电能力强，交流电网的功角稳定性高。保持电压恒定，可调节有功潮流；保持有功不变，可调节无功功率。 2）事故后可快速恢复供电和黑启动，可以向无源电网供电，受端系统可以是无源网络，不需要滤波器开关。功率变化时，滤波器不需要提供无功功率。 3）设计具有紧凑化、模块化的特点，易于移动、安装、调试和维护，易于扩展和实现多端直流输电等优点。 4）采用双极运行，不需要接地极，没有注入地下的电流。 3. 柔性直流输电技术的缺点。系统损耗大（开关损耗较大），不能控制直流侧故障时的故障电流。在直流侧发生故障的情况下，由于柔性直流输电系统中的换流器中存在不可控的二极管通路，因此柔性直流输电系统不能闭锁直流侧短路故障时的故障电流，在故障发生后只能通过断开交流侧断路器来切除故障。可以使用的最佳解决方式是通过使用直流电缆来提高系统的可靠性和可用率。 二、常规直流输电技术和柔性直流输电技术的对比 1. 换流器阀所用器件的对比。 1）常规直流输电采用大功率晶闸管，由于晶闸管是非可控关断器件，这使得在常规直流输电系统中只能控制晶闸管换流阀的开通而不能控制其关断，其关断必须借助于交流母线电压的过零，使阀电流减小至阀的维持电流以下才行。 2）柔性直流输电一般采用IGBT阀，由于IGBT是一种可自关断的全控器件，即可以根据门极的控制脉冲将器件开通或关断，不需要换相电流的参与。 2. 换流阀的对比。 1）常规直流输电系统中换流阀所用的器件是大功率晶闸管和饱和电抗器，
电流控制实际上一般是控制电感的电流.此时电感相当于一个内阻很大的电流源.由于要很快的跟踪直流电流,所以电流环速度很快.电压环控制的是输出电容上的电压,是外环.响应速度一般较慢. 在实际应用过程中,由于直接检测电感电流有时比较困难而且成本较高,所以检测开关管的峰值电流作为变通的方法.不过需要加入谐波补偿才能稳定. 电流模式DC-DC会有两个反馈回路控制输出电压稳定-- 内环即电流反馈回路,外环即电压反馈回路. 斜坡补偿是为了消除PWM占空比大于50%的条件下,电流环 出现的压谐波振荡现象,而在电流环反馈回路叠加一个正斜率 的补偿信号,或是在电压环反馈回路叠加一个负斜率的补偿信号.... 电流环的带宽一定要大于电压环的带宽. 1,他们的区别主要是采样电流比较的对象不同 2,电压控制模式采样电流是与振荡电路产生的固定三角波状电压斜坡比较 3,电流控制模式采样电流是一个变化的其峰值代表输出电感电流峰值的三角状波形或梯形尖角状合成波形信号比较,然后得到PWM脉冲关断时刻.因此(峰值)电流模式控制不是用电压误差信号直接控制PWM脉冲宽度,而是直接控制峰值输出侧的电感电流大小,然后间接地控制PWM脉冲宽度.(其实电流控制模式又分为峰值电流模式和平均电流模式) 关于电流型(峰值)控制,它的斜率补偿从某种程度上说,是引入了一些电压型控制特点.所以加了斜率补偿的电流型控制方法(峰值)实际上是一种混合体.加入斜率补偿注入的三角波完全遮蔽了采样电流,那么就是电压型控制了.如果在电压型控制芯片的三角波里边注入了电流信号,那就带有电流型控制的特点了,不过由于电压型控制的三角波还兼具CLK的共用,所以那样会改变频率…… 电压模式 误差电压同三角波比较,结果控制占空比. 电流模式 电流同误差电压比较,控制占空比.电流模式对振荡器斜率没有要求,振荡器主要是产生CLK 复位芯片内部的触发器用的. 电压模式的振荡器除了产生CLK外,还要产生波形质量很好的三角波供PWM单元使用. 所谓的电流型或者电压型问题实质上是讨论的PWM 的调制策略.此时还没有反馈还存在,所以是讨论的开环特性.并且这种控制策略可以和不同的拓扑结合,比如电流型正激,电压型反激(尽管几乎见不到,但是理论上是存在的.)电流型半桥(峰值电流是不适合半桥拓扑的,所以这里用的是平均电流型拓扑).
南京工程学院 远距离输电技术概论 班级：输电112 学号： 206110618 姓名：钱中华 2014年12月10日
目录 0.引言 (3) 1.研究与应用现状 (3) 2.原理 (4) 3.特点 (5) 4.关键技术 (6) 5.发展趋势 (7) 6.小结 (9)
柔性直流输电技术 0.引言 随着能源紧缺和环境污染等问题的日益严峻，国家将大力开发和利用可再生清洁能源，优化能源结构。然而，随着风能、太阳能等可再生能源利用规模的不断扩大，其固有的分散性、小型性、远离负荷中心等特点，使得采用交流输电技术或传统的直流输电技术联网显得很不经济。同时海上钻探平台、孤立小岛等无源负荷，目前采用昂贵的本地发电装置，既不经济，又污染环境。另外，城市用电负荷的快速增加，需要不断扩充电网的容量，但鉴于城市人口膨胀和城区合理规划，一方面要求利用有限的线路走廊输送更多的电能，另一方面要求大量的配电网转入地下。因此，迫切需要采用更加灵活、经济、环保的输电方式解决以上问题。 柔性直流输电技术即电压源换流器输电技术(VSC HVDC)采用可关断电力电子器件和PWM 技术，是一种新型直流输电技术，它能弥补传统直流输电的部分缺陷，其发展十分迅速。为了进一步推动柔性直流输电技术在我国的研究和应用，本文结合ABB 公司几个典型应用工程， 详细介绍了柔性直流输电的系统结构、基本工作原理和与传统直流输电相比的技术优势，并就我国的实际情况讨论了柔性直流输电在我国多个领域，尤其是风电场的应用前景。 1.研究与应用现状 自1954 年世界上第一个直流输电工程（瑞典本土至GotIand 岛的20MW、100kV 海底直流电缆输电）投入商业化运行至今，直流输电系统的换流元件经历了从汞弧阀到晶闸管阀的变革。然而由于晶闸管阀关断不可控，目前广泛应用的基于PCC的传统直流输电技术有以下固有缺陷：1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；2换流器产生的谐波次数低、谐波干扰大；3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；4换流站占地面积大、投资大。因此，基于PCC的常规直流输电技术主要用于远距离大容量输电、海底电缆输电和交流电网的互联等领域。 其先研究主要发展有一下几项基本技术： 1.高压大容量电压源变流器技术 模块化多电平变流器可以有效降低交流电压变化率，其拓扑结构如图 1 所示。桥臂中的每个子模块可以独立控制，每相上、下两个桥臂的电压和等于直流母线电压。交流电压通过控制每相中两个桥臂的子模块旁路比例来叠加实现，桥臂中的子模块越多，交流电压的谐波越小。与两电平变流器相比，由于不需要每一相上的所有器件在较高频率下同时动作，模块化多电平大大降低了器件的开关损耗。
第7章电压控制信号的输出 7.1电压控制信号输出系统7.1.1电压信号输出系统硬件电路的组成 图7.1 LF2407A电压输出接口电路 7.1.2电压信号的输出过程 7.2 MAX5121 7.2.1 MAX5121芯片功能介绍 图7.2 MAX5121引脚排列
7.2.2 MAX5121的SPI接口指令 7.2.3 MAX5121的SPI接口工作时序图 图7.3 MAX5121的SPI时序图 7.3 TMS320LF2407串行外设接口模块7.3.1串行外设接口概述 SPI模块共有4个相关的I/O引脚： ?SPISOMI（SPI主动输入/从动输出引脚） ?SPISIMO（SPI从动输入/主动输出引脚） ?SPICLK（SPI时钟引脚） ?SPISTE（SPI从动发送使能引脚） 7.3.2串行外设接口操作 1.主动方式
图7.4 串行外设接口主控制器/从控制器的连接 2.从动方式 3.串行外设接口波特率设置 (1)当SPIBRR=3~127时： SPI波特率=SYSCLK/(SPIBRR+1)，SPIBRR=(SYSCLK/SPI波特率)-1 (2)当SPIBRR=0，1或2时： SPI波特率=SYSCLK/4 7.3.3 串行外设接口控制寄存器 1.串行外设接口配置控制寄存器（SPICCR） 2.串行外设接口操作控制寄存器（SPICTL） 3.串行外设接口状态寄存器（SPISTS） 4.串行外设接口波特率设置寄存器（SPIBRR） 5.串行外设接口仿真接收缓冲器寄存器（SPIRXEMU）
6.串行外设接口接收缓冲器寄存器（SPIRXBUF） 7.串行外设接口发送缓冲器寄存器（SPITXBUF） 8.串行外设接口发送/接收缓冲器寄存器（SPIDAT） 9.串行外设接口中断优先级控制寄存器（SPIPRI） 7.4 TMS320C240xDSP开发工具CCS 7.4.1 CCS概述 7.4.2 CCS的安装和使用 7.4.3 CCS的使用 1.创建项目 2.新文件导入新项目 3.编译、汇编、链接新工程 7.5 CCS工程文件中的命令文件 7.5.1 CCS工程文件中的命令文件 MEMORY { PAGE 0: ROM: origin=2000H，length=1000H PAGE 1: RAM: origin=200H，length=1000H }
多端柔性直流输电（VSC—HVD系统直 流 电压下垂控制 学院： 姓名： 学号： 组员： 指导老师： 日期： 摘要： 多端柔性直流输电系统（voltage sourcedconverter based multi-terminal high voltage direct current transmission ， VSC-MTD（与 传 统的电网换相换流器构成的多端直流输电系统相比，具有控制灵活、能够与短路容量较 小的弱交流系统甚至无源交流系统相连、扩建容易等诸多优点直流电压的稳定直接影响 到直流潮流的稳定，因此直流电压控制是多端柔性直流输电系统稳定运行的重要因素之一。下垂控制策略具有无需通讯、可靠性较高等优点，但存在直流电压质量较差、功率 分配不独立、参数设计困难等问题。本文首先介绍了多端柔性直流输电系统控制方法的 分类比较，然后重点介绍了下垂控制数学模型，分析MTDC系统中下垂控制参数对直流电压与电流（功率）的影响机理，研究满足MTDC系统功率平衡和直流电压稳定的V-I （V-P）下垂特性曲线。 关键词：VSC-MTDC下垂控制模块化多电平换流器 一、引言 基于电压源换流器（Voltage Source Converter，VSC的高压直流输电（High Voltage Direct Current ，HVDC 技术（HVDC based on VSC VSC-HVD，也称柔性直流输电技术）系统以其灵活性、经济性和可靠性，在新能源并网、城市直流配电网、孤岛供电等领域有着广泛的应用前景。MTDC系统接线方式分为串联、并联和混联等，目前主要采用并联式［1］。并联接线的MTDC系统中所有VSC工作于相同直流母
·12· NO.14 2019 ( Cumulativety NO.50 ) 中国高新科技 China High-tech 2019年第14期（总第50期） 0 引言 随着电子技术的发展和绝缘栅双极性晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）的出现，电压源型换流站（Voltage Source Converter，VSC）技术应运而生，为柔性直流输电奠定了技术基础。柔性直流输电不需要传统交流输电系统的换相容量，并且对无源载荷提供电力，并广泛适用于城市供电、偏远地区供电、新能源发电并网等供电新领域。此外，柔性直流输电系统还具有较高的可控性，较低的成本，较小的电力损耗，可实现动态无功补偿等，因此成为当前输电领域研究的热点之一。 柔性直流输电技术中，输电系统的拓扑结构是关键环节之一。合理的拓扑结构能够有效提高直流输电系统的输电效率和可靠性，因此是目前柔性直流输电系统研究的重点。本文将分析柔性直流输电系统的技术原理，并对柔性直流输电系统的拓扑结构进行研究，从而为我国柔性直流输电系统的设计与建设提供理论参考。 1 柔性直流输电系统的技术原理 目前工程领域常用的柔性直流输电系统主要采用３种方式：两电平电压源换流器、多电平电压源换流器和模块化多电平电压源换流器（MMC）。1.1 两电平电压源换流器的技术原理 两电平电压源换流器的每一相都有２个桥臂，因此共有6个桥臂构成，每个桥臂都是由二极管和 IGBT通过并联方式组成，如图1所示。在工程应用中，为了提高柔性直流输电系统的供电电压和供电容量，一般可将多个二极管和IGBT并联再串联。并联的二极管与IGBT所串联的个数直接决定VSC的额定功率和耐压强度。在两电平电压源换流器的设计中，每一相的２个桥臂上的IGBT均可以单独导通，并单独输出２个电平，最后通过PWM对输出电平进 行调制，最终得到柔性直流输电波形。 图1 两电平电压源换流器示意图 两电平电压源换流器通过增加串联的二极管和GBIT提高供电电压和电流，因此在大容量直流输电方面存在较大技术缺陷。随着串联的二极管和GBIT 个数的增加，将增加动态电压的不稳定性，而且串联的二极管和GBIT也会增加输电系统输电波形的谐波含量，进而降低柔性直流输电系统的功率和效率。1.2 多电平电压源换流器的技术原理 多电平电压源换流器技术在两电平电压源换流 柔性直流输电系统拓扑结构 叶 林 （中国南方电网有限责任公司超高压输电公司广州局，广东 广州 510000） 摘要：柔性直流输电系统具有线路损耗低、可控性强等优势，成为当前电力网大力发展的输电方案。柔性直流输电系统的拓扑结构则是输电工程中的关键技术之一，决定输电网络的性能。文章分析了柔性直流输电系统的技术原理，重点对柔性直流输电系统的拓扑结构进行了研究，为柔性直流输电系统的拓扑结构方案设计与应用提供理论参考。 关键词：柔性直流；输电系统；拓扑结构；输电方案 文献标识码：A 中图分类号：TＭ131文章编号：2096-4137（2019）14-012-03 DOI：10.13535/https://www.doczj.com/doc/6813643127.html,ki.10-1507/n.2019.14.04 收稿日期：2019-04-30 作者简介：叶林（1987-），男，河南信阳人，供职于中国南方电网有限责任公司超高压输电公司广州局，研究方向：超（特）高压输电运维柔性直流输电系统拓扑结构。
龙源期刊网 https://www.doczj.com/doc/6813643127.html, 三相UPS输出电压不平衡控制的研究与实现 作者：廖慧张波陈艳峰 来源：《湖南大学学报·自然科学版》2012年第09期 摘要：三相电压的对称输出是衡量交流电源性能的一个重要指标.为了在不平衡负载和非线性负载等条件下获得高质量的输出电压波形,分析了三相UPS输出电压不平衡的机理,提出了在正/负序同步参考坐标系下,应用基于DSP的重复控制与PI控制的复合控制方案,功率开关管采用空间矢量调制(SVPWM)方式,基本消除了负序电压分量,有效地抑制了零序电压分量和谐波分量.研制了30～500 kVA UPS样机,实验结果验证了控制方案的有效性. 关键词：三相UPS; 不平衡负载; 重复控制 中图分类号： TM762 文献标识码：A 输出电压的对称性是衡量三相交流电源性能的一个重要指标,三相输出电压不平衡的抑制对大功率UPS的控制尤为重要.UPS逆变器若采用半桥式结构,在直流母线上的两个串联电容的中点和交流输出的中性点相连,三相可独立控制［1］,但电容在单相负载时必须承受全负载相电流,所需电容量较大,直流电压利用率低.若采用三相四桥臂结构,则具有固有的不平衡消除能力,但开关频率低,限制了调节带宽,也不适用于输入输出隔离的逆变器［2］.对于大功率UPS,应用最多的还是三相四线式结构,在三桥臂逆变器和负载间有隔离变压器,变压器次级绕组的Y0接法给负载不平衡所产生的中线电流提供一个通路,Δ形连接的初级绕组让三相不平衡所产生的零序电流在变压器初级绕组线圈内形成环流［3］. UPS带平衡负载运行时,基于同步旋转坐标系的PI控制器能使输出电压很好地跟踪参考正弦信号［3-4］,但是这种控制器在不平衡负载下的补偿作用是有限的.为此,文献［5］提出了使用两组PI控制器,一组在同步旋转坐标系下的PI控制器用于正序分量的调节,另一组在 反向旋转坐标系下的PI控制器补偿负序分量的影响.这种方法改善了逆变器输出在不平衡线性负载下运行的性能,但对于非线性负载来说起不到很好的谐波抑制作用.文献［6］加入了谐波补偿器,针对5次、7次谐波进行了补偿,在输出电压不平衡和谐波抑制方面都取得了很好的效果.但控制系统复杂,且只能对特定阶次谐波进行补偿. 文中分析了三相UPS输出电压不平衡产生的机理,结合重复控制和PI控制的优点,分别使用两组重复控制与PI复合控制器控制正序和负序电压,有效地抑制了UPS三相输出电压的不平衡和谐波分量,样机验证了理论分析结果的有效性.
1. 柔性直流输电系统换流站的主要设备。柔性直流输电系统换流站的主要设备一般包括：电压源换流器、相电抗器、联结变压器、交流滤波器和控制保护以及辅助系统(水冷系统、站用系统)等。 2. 柔性直流输电技术的优点。柔性直流输电是在常规直流输电的基础上发展起来的，因此传统的直流输电技术具有的优点，柔性输电大都具有。此外，柔性输电还具有一些自身的优点。 （1）潮流反转方便快捷，现有交流系统的输电能力强，交流电网的功角稳定性高。保持电压恒定，可调节有功潮流；保持有功不变，可调节无功功率。 （2）事故后可快速恢复供电和黑启动，可以向无源电网供电，受端系统可以是无源网络，不需要滤波器开关。功率变化时，滤波器不需要提供无功功率。 （3）设计具有紧凑化、模块化的特点，易于移动、安装、调试和维护，易于扩展和实现多端直流输电等优点。 （4）采用双极运行，不需要接地极，没有注入地下的电流。 3. 柔性直流输电技术的缺点。系统损耗大（开关损耗较大）， 不能控制直流侧故障时的故障电流。在直流侧发生故障的情况下，由于柔性直流输电系统中的换流器中存在不可控的二极管通路，因此柔性直流输电系统不能闭锁直流侧短路故障时的故障电流，在故障发生后只能通过断开交流侧断路器来切除故障。可以使用的最佳解决方式是通过使用直流电缆来提高系统的可靠性和可用率。 三、常规直流输电技术和柔性直流输电技术的对比
1. 换流器阀所用器件的对比。 （1）常规直流输电采用大功率晶闸管，由于晶闸管是非可控关断器件，这使得在常规直流输电系统中只能控制晶闸管换流阀的开通而不能控制其关断，其关断必须借助于交流母线电压的过零，使阀电流减小至阀的维持电流以下才行。 （2）柔性直流输电一般采用IGBT阀，由于IGBT是一种可自关断的全控器件，即可以根据门极的控制脉冲将器件开通或关断，不需要换相电流的参与。 2. 换流阀的对比。 （1）常规直流输电系统中换流阀所用的器件是大功率晶闸管和饱和电抗器，可以输送大功率。 （2）柔性直流输电系统中的换流阀采用了IGBT器件，可实现很高的开关速度，在触发控制上采用PWM技术，开关频率相对较高，换流站的输出电压谐波量较小，主要包含高次谐波。故相对于常规直流输电，柔性直流输电换流站安装的滤波装置的容量大大减小。（3）常规直流输电通过换流变压器连接交流电网，而柔性直流输电是串联电抗器加变压器，常规直流输电以平波电抗器和直流滤波器来平稳电流，而柔性直流输电则采用直流电容器。 3. 换流站控制方式的对比。 （1）常规直流输电系统的换流站之间必须进行通信，以传递系统参数并进行适当的控制，而柔性直流输电系统中各换流站之间的通信不是必需的。