Transmission and Distribution Engineering and Technology
输配电工程与技术, 2012, 1, 35-40
http://dx.doi.org/10.12677/tdet.2012.12006
Published Online December 2012 (//www.abtbus.com/journal/tdet.html)
The Direct Current Control Method and Simulation of
Flexible HVDC System
Yuqiu Guan, Xiaohong Nian, Zheng Huang, Leilei Ding
School of Information Science and Engineering, Central South University, Changsha
Email: 245588152@qq.com
Received: Oct. 26
th
, 2012; revised: Nov. 8th, 2012; accepted: Nov. 26th, 2012
Abstract:
VSC-HVDC technology has small, efficient and flexible control characteristics and has become a hot spot
gradually in transmit and distribute of electric power. The basis of the composition of the VSC-HVDC system structure
and function are described, and established the precise mathematical model of VSC-HVDC under the dq rotating coor-
dinate system, then proposed a direct current control stra
tegy of the VSC-HVDC system, and built some different con-
trol models and combinations which aim
to the characteristics of the VSC-HVDC system. At last, the results of simula-
tion shows that the proposed control strategy has a simple structure, excellent dynamic and stationary performance and
successfully achieved the active and reactive power control independently.
Keywords:
DC Flexible Transmission; Direct Current Control; Simulation
柔性直流输电系统的直接电流控制方法与仿真
管于球，年晓红，黄
正，丁磊磊
中南大学信息科学与工程学院，长沙
Email: 245588152@qq.com
收稿日期：
2012
年
10
月
26日；修回日期：
2012
年11月8日；录用日期：
2012
年11 月
26 日
摘
要：
基于变流技术的柔性直流输电(VSC-HVDC) 系统具有小型、高效、控制灵活等特点，已成为当前输配
电领域的研究热点之一。本文阐述了柔性直流输电系统的结构及其功能，建立了
d-q
旋转坐标系下精确的
VSC-HVDC
数学模型，提出了柔性直流输电系统的直接电流控制方法，并针对柔性直流输电系统的特点，构建
了不同的控制模式及其组合。仿真结果表明，所提出的控制方法结构简单，具有良好的动静态性能，成功实现
了有功功率和无功功率的独立控制。
关键词：
直流柔性输电；直接电流控制；仿真
1.
引言
随着风能、太阳能等可再生能源开发规模的不断
扩大，其固有的分散性、小型性、远离负荷中心等特
点不断突显出来。基于变流技术的柔性直流输电技术
具有小型、高效、控制灵活等特点，经济效益和环保
价值可观，并能有效地减少输电线路电压降落和闪
变，提高电能质量。
自从上世纪五十年代
ABB 公司的高压直流输电
(High-Voltage Direct Current, HVDC)
工程在瑞士投入
商业运行以来，
HVDC 输电技术在远距离大功率输
电、海底电缆送电、不同额定频率或相同额定频率交
流系统之间的联结等场合得到了广泛地应用。
随着电力半导体技术，尤其是绝缘栅双极晶体管
(IGBT)
的快速发展，在 HVDC中采用以全控型器件为
基础的电压源换流器
(Voltage Source Converter, VSC)
的条件已经具备。
1990 年，McGill 大学的 Boon-Teck
Copyright © 2012 Hanspub
35
柔性直流输电系统的直接电流控制方法与仿真
Ooi
等首先提出了利用
PWM 控制的 VSC 进行直流输
电的概念
[1]
。新一代的HVDC 输电技术(VSC-HVDC)，
是以全控型、可关断器件构成的电压源换流器
(VSC)
以及脉宽调制
(Pulse Width Modulation, PWM)控制技
术为基础的新型输电技术。换流器中全控型器件代替
半控型的晶闸管，使得
VSC-HVDC
输电具有对其传
输有功功率和无功功率进行同时控制的能力，以及可
实现对交流无源网路供电等众多优点。
VSC-HVDC输
电技术克服了传统
HVDC
输电技术的不足，并扩展了
直流输电的应用领域。为了区别传统上基于可控硅的
HVDC
系统和基于 FACTS技术的灵活交流输电系统，
国内专家学者建议把这种基于
VSC
的
HVDC 系统称
为柔性直流输电系统
(VSC-HVDC or HVDC Flexi-
ble)
[2,3]
。
本文首先简要概述了柔性直流输电系统的结构
及其功能，其次建立了
d-q 旋转坐标系下精确的
VSC-HVDC
数学模型，提出了柔性直流输电系统的矢
量控制方法，并针对柔性直流输电系统的特点，构建
了不同的控制模式及其组合。仿真结果表明，所提出
的控制方法结构简单，具有良好的动静态性能，成功
实现了有功功率和无功功率的独立控制。
2. VSC-HVDC
系统的基本原理和
数学模型
传统的高压直流输电技术采用的是无自关断能
力的低频晶闸管所组成的电网换相换流器来进行换
流，而柔性直流输电技术
(VSC-HVDC)采用的是具有
自关断能力的高频电子器件来进行换流。新一代的
HVDC
输电技术，是以全控型、可关断器件构成的电
压源换流器
(Voltage Source Converter, VSC)为基础。换
流器中全控型器件代替半控型晶闸管，使得
VSC-
HVDC
输电系统具备对其传输有功功率和无功功率
进行同时控制的能力，以及可实现对交流无源网络供
电等众多优点
[4,5]
。
如图
1
所示为两端联结电网的柔性直流输电系统
主要设备及系统构成示意图，
VSC 换流站的主要设备
有全控换流器、直流电容器、换相电抗器、交流滤波
器以及换流变压器等。
由文献
[6]
可知，组成柔性输电系统的两个VSC
换流器拓扑结构相同，同时都可通过对控制角
与
两个参数的控制来实现对柔性直流输电系统的有功
功率和无
功功率的独立控制，使两个 VSC 分别作为
功率的发送端和接收端来完成能量的四象限传输。因
此建立柔性直流输电系统的数学模型也就是对
VSC
换流器进行数学建模。
c
U
柔性直流输
电系统两端均采用电压源型换流器
(VSC)
来进行换流，则整流侧和逆变侧的 VSC 具有相
同的物理结构，其中
VSC主电路拓扑图如图
2
所示，
图中、、为三相对称电网电压；
a、 、
为三相电网相电流；
、 、
为换流器开关管的
开关信号
，
s
a
U
sb
U
sc
Ui
b
i
c
i
a
S
b
S
c
S
c
1
j
Sjab
0
、、
j
S
(
上桥臂开关管导通，
下桥臂开关管关断
)，
(
下桥臂开关管导通，上
桥臂开关管关断
)；
Udc 为直流电压；R、L为滤波电
抗器的电阻和电感；
C为直流侧电容； 、
U
、
为换流器的输入电压。由
参考文献[7]可知VSC 在dq0
同步旋转坐标系下的数学模型为：
ca
U
cb cc
U
d
d
d
d
d
s
sdcd sdsq
q
s
sqcqs qs d
i
LUURiL
t
i
LUURiL
t
i
i
(1)
其中，
为系统角频率，
s
R
，
s
L
为交流侧电感
数，参
s
d
U
，
s
q
U
，，，，分别为 dq0 旋
cd
U
cq
U
d
i
q
i
交流电网 Ⅰ
直流输电线路
1
换相电抗器 换相电抗器
交流
滤波器
交流
滤波器
换流
变压器
换流
变压器
交流电网 Ⅱ
VSC
换流站ⅠVSC换流站Ⅱ
2
Figure 1. Block diagram of both ends of the links HVDC flexible grid system
图
1. 两端联结电网的柔性直流输电系统结构图
Cop
yright © 2012 Hanspub
36
柔性直流输电系统的直接电流控制方法与仿真
N
-
+
+
+
-
-
Ls
Ls
Ls
Rs
Rs
Rs
a
S
b
S
c
S
b
i
a
i
c
i
B
C
2C
dc
U
+
-
A
dc
i
O
cb
U
ca
U
cc
U
2C
U
sa
U
sb
U
sc
load
i
Figure 2. VSC inverter schematic
图
2. VS C换流器原理图
转坐标系下的交流电源电压
d轴和
q
轴分量，VSC 侧
控制电压
d轴和
q轴分量，输入交流电流
d轴和
q轴
分量。
此外，根据瞬时功率理论
[8]
，在忽略换流电抗器
电阻和换流器开关损耗的稳态情况下，换流器交流侧
的有功功率与无功功率和直流侧的有功功率可分别
表示为：
3
2
3
2
acsddsq q
acsq dsd q
PUiUi
QUiUi
(2)
在三相电网电压平衡条件下，通常将
d
轴定向于
与电源电压矢量同方向上，若三相对称电源相电压最
大值为
s
U
(
s
U
为电网电压空间矢量的幅值)，则有：
0
s
d
sq
UU
U
s
(3)
将式
(3)
代入式
(2)
中可得：
3
2
3
2
acs d
acs q
PUi
QU
i
(4)
在无穷大系统中，
s
U
基本上维持恒定。显然，由
式
(4)
可知，可以通过有功电流和无功电流 分别控
制有功功
率和无功功率，从而实现有功功率和无功功
率的独立控制。
d
i
q
i
3. VSC-HVDC
系统的控制方法
VSC-HVDC
系统控制方法主要有间接电流控制
与直接电流控制两种。间接电流控制通过控制
VSC
交流侧基波电压的幅值与相位以控制交流电流。这种
控制方法结构简单、易于实现，但存在有功功率与无
功功率解耦困难、动态响应慢的缺点，同时无法直接
实现电流的保护和限流控制功能。与间接电流控制相
比，直接电流控制采用了电流闭环控制方式，具有快
速的电流响应特性、易于实现限流控制、有功分量与
无功分量易于实现解耦控制的优点，因而本文采用了
直接电流控制方法
[9,10]
。
直接电流控制采用了电流内环与功率外环的控
制方式，因此也被称为双闭环控制法。
VSC-HVDC双
闭环控制框图如图
3
所示。外环用于控制交流系统有
功功率、无功功率、交流侧电压以及直流侧电压。内
环用于保证
VSC 的输出交流电流能够跟踪外环控制
输出电流指令，输出
VSC 电压参考波，由
PWM 实现
开关控制。
柔性直流输电系统必须具备以下两大类控制模
式
[11,12]
：
1)
有功功率相关控制器。主要功能是通过 VSC
换流站直接控制注入到交流系统的有功功率或者间
接调节与有功功率相关的物理量，主要有：
a) 有功功
率控制，
b) 直流电压控制，
c) 频率控制等；
2)
无功功率相关控制器。主要功能是通过 VSC
换流站直接控制注入到交流系统的无功功率或者间
接调节与无功功率相关的物理量，主要有：
a) 无功功
率控制，
b) 交流电压控制。
柔性直流输电系统正常稳态运行时，每个
VSC
可以各自独立地控制其交流侧无功功率或交流母线
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yright © 2012 Hanspub 37
柔性直流输电系统的直接电流控制方法与仿真
外
环
控
制
器
内
环
控
制
器
PLL
V
S
C
dq
abc
dq
abc
P
W
M
功
率
计
算
s
d
U
s
q
U
d
i
q
i
()
abc
s
U
()
abc
s
U
()abc
i
f
*
d
i
*
q
i
a
i
b
i
c
i
ac
P
ac
Q
+
+
-
-
+
-
+
-
*
cd
U
*
cq
U
*
ca
U
*
cb
U
*
cc
U
*
P
A
*
Q
A
P
A
Q
A
Figure 3. Schematic of flexible the DC transmission control method
图
3. 柔性直流输电控制方法框图
电压，但直流网络的有功功率必须保持平衡，即输入
直流网络的有功功率必须等于直流网络输出的有功
功率加上换流器和直流网络的有功功率损耗。如果出
现任何差值，都将会引起直流电压的升高或降低。为
了实现有功功率的自动平衡，在
VSC-HVDC 系统中
必须选择一端
VSC
控制其直流侧电压，充当整个直
流网络的有功功率平衡换流器，其它
VSC
则可在其
自身容量允许的范围内任意设定有功功率。控制模式
组合如图
4
所示。
4.
仿真分析
根据上面的分析可知，柔性直流输电系统的控制
方法已经给出，在这里为了验证上述的控制方法，运
用
Matlab/Simulink 仿真软件对其进行仿真实验。仿真
参数见表
1。
4.1.
稳态仿真结果
图
5与图 6是系统在额定功率条件下的稳态仿真
结果图，此时系统是连接两个交流电网，在发送端换
流站采用的控制方法是定直流电压和定无功功率的
组合，接收端换流站采用的控制方法是定有功功率和
定无功功率的组合。有功功率的参考值为
20 MW
，无
功功率参考值为零，即单位功率因素控制。
由图
5与图 6可知，系统的直流母线电压控制非
常稳定，系统的稳定性能好，有功功率与无功功率的
控制是独立的，从而证明了本文所设计的解耦控制是
十分有效的。而相对于发送端的功率控制结果，接收
端的功率控制效果略微差一些，只是对系统的稳定的
影响是微乎其微的，除去输电线路损耗等因素，整体
上系统发送端与接收端的功率是几乎相等的。验证了
本文所提出的柔性直流输电系统控制方法是有效的。
4.2.
暂态仿真结果
对于暂态仿真做了两种情况下的仿真研究，分别
是
(1)
有功功率在
2 s
时由
10 MW阶跃至 20 MW，无
功功率在
4 s时由
0 MVA阶跃至10 MVA，仿真结果
如图
7和图 8所示；(2)有功功率在 2 s时由 10 MW 反
转至
–10 MW
，无功功率在
4 s
时由
–10 MVA反转至
10 MVA
，仿真结果如图 9和图 10所示。
Figure 4. HVDC flexible control method block diagram
图
4. 柔性直流输电控制方法框图
Table 1. Simulation parameter flexible DC transmission system
表
1. 柔性直流输电系统仿真参数表
参数名称
参数数值
输电容量
20 MVA
交流电网电压
(
Us) 10.5 kV
直流母线电压
(
Udc) 20 kV
交流电网电压
(
Us) 520 V
换流电抗器
(
Ls) 16 mH
换流电抗器内阻
(
Rs) 0.0025 Ω
直流母线电容
(
C) 7500 μF
IGBT
开关频率
2000 Hz
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38
柔性直流输电系统的直接电流控制方法与仿真
0
0.511.5
2
2.53
3.54
4.55
0
10
20
30
40
Time(s)
Direc t current volt age(kV)
direct current volt age
0
0.511.5
2
2.53
3.54
4.55
-20
-10
0
10
20
Time(s)
Acti v e power(MW)
s ended acti ve power
0
0.511.5
2
2.53
3.54
4.55
-20
-10
0
10
20
Time(s)
Reac t i ve power(MVA)
s ended reacti ve power
Figure 5. Converter station simulation results for steady-state
transmission sender
图
5. 稳态时输电发送端换流站仿真结果
0
0.5 11.522.5 3
3.544.55
0
10
20
30
40
Time(s)
Direct current voltage(kV)
direct current voltage
0.5
11.5 22.533.5 44.5 5
-50
-10
0
20
50
Time(s)
Acti ve power(MW)
rec ei ved ac tive power
0.5
11.5 22.533.5 44.5 5
-50
-20
0
20
50
Time(s)
Reactive power(MV A )
rec e i ved reactive power
Figure 6. Converter station simulation results for steady-state
transmission recipient
图
6. 稳态时输电接收端换流站仿真结果
0 12 34 56
0
10
20
30
40
Time(s)
Direct current volt a ge(kV)
direct c urrent voltage
0 12 34 56
0
10
20
30
40
Time(s)
Active power(MW)
s ended active power
0 12 34 56
-20
-10
0
10
20
Time(s)
Reactive power(MVA)
s ended reactive power
Figure 7. Converter station simulation results for transient-state
transmission sender
图
7. 暂态时输电发送端换流站仿真结果
0 12 34 56
0
10
20
30
40
Time(s)
Direc t current volt age(k V )
direct current volt a ge
0.5
11.5
22.5
33.5
44.5
5
5.56
-50
-20
0
20
50
Time(s)
A c tiv e power(MW)
received active power
0.5
11.5
22.5
33.5
44.5
5
5.56
-50
-10
0
10
50
Time(s)
Reactiv e power(MV A )
received reactive power
Figure 8. Converter station simulation results for transient-state
transmission recipient
图
8. 暂态时输电接收端换流站仿真结果
0
0.5 11.522.5 3
3.544.5 5
0
10
20
30
40
Time(s)
Direct c u rrent volt age(kV)
direc t current volt age
0
0.5 11.522.5 3
3.544.5 5
-20
-10
0
10
20
Time(s)
Active power(MW)
s ended ac t i ve power
0
0.5 11.522.5 3
3.544.5 5
-20
-10
0
10
20
Time(s)
Reac tiv e power(M V A)
s ended reac t i ve power
Figure 9. Converter station simulation results for transient-state
transmission sender
图
9. 暂态时输电发送端换流站仿真结果
0
0.5 11.522.533.544.55
0
10
20
30
40
Time(s)
Direct current voltage(kV)
direc t current volt age
0.5
11.5
2
2.5 33.5
4
4.5 5
-50
-10
0
10
50
Time(s)
Active power(MW)
rec ei ved active power
0.5
11.5
2
2.5 33.5
4
4.5 5
-50
-20
0
20
50
Time(s)
Reactive power(MVA)
rec ei ved react i ve power
Figure 10. Converter station simulation results for transient-state
transmission recipient
图
10. 暂态时输电接收端换流站仿真结果
Cop
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柔性直流输电系统的直接电流控制方法与仿真
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图
7
所示的是柔性直流输电系统发送端换流站的
仿真结果图，当有功功率发生阶跃变化时，对直流母
线电压产生的影响是非常小，仅仅是在阶跃的一瞬间
有微小的影响。而有功功率的阶跃变化对无功功率的
影响也是很小的，在阶跃的很短时间内无功功率有所
冲击，但无功功率的响应时间非常快，调整效果非常明
显。当无功功率发生阶跃变化时，对直流母线电压和有
功功率的影响是非常小的，几乎可以忽略不计，从而也
验证了本文所设计的控制方法的效果十分理想。
图
8
所示的柔性直流输电系统接收端换流站的仿
真结果图，可以看出，不管是无功还是有功的阶跃变
化对于直流母线电压的影响是非常小的，有功与无功
功率之间的相互影响也是很小的，调节效果尽管不如
发送端，但对于系统的稳定性能是没什么影响的，仿
真结果基本上符合设计的要求。
图
9
所示的为柔性直流输电系统发送端的仿真结
果图，当有功功率发生反转变化时，直流母线电压的
略微有所降低
0.5 kV
，但迅速调整到额定电压，无功
功率有细微的振荡，快速的响应时间让无功功率受到
的影响降到了最低点。当无功功率反转变化时，对直
流母线电压的影响是近似为零的，对于有功功率的影
响时间非常短，快速的响应时间也让有功功率摆脱了
无功功率的影响，从而说明有功功率与无功功率的独
立控制有功率发生反转变化时是十分成功。图
10 所
示的为柔性直流输电系统接收端的仿真结果图，当有
功和无功功率发生反转变化时，对于直流母线电压影
响是微乎其微的，有功与无功功率也成功实现了独立
控制。
5.
结论
本文首先简要概述了柔性直流输电系统的结构
及其功能，其次建立了
d-q 旋转坐标系下精确的
VSC-HVDC
数学模型，提出了柔性直流输电系统的矢
量控制方法，并针对柔性直流输电系统的特点，构建
了不同的控制模式及其组合。仿真结果验证了，所提
出的控制方法结构简单，具有良好的动静态性能，成
功实现了有功功率和无功功率的独立控制，具有一定
的理论指导价值。
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