46、电压源换流站建模与控制技术解析

电压源换流站建模与控制技术解析

1. 电压源换流站建模

电压源换流站（VSC）在直流配电网中扮演着重要角色，对其进行准确建模是研究直流配电网动态和稳定性的基础。常见的VSC建模技术有详细建模、开关建模和平均建模。

1.1 详细建模

详细建模基于对开关元件（通常为绝缘栅双极晶体管IGBT）的建模，包括理想或非理想（串联和反并联）开关、二极管和缓冲电路。非理想二极管可使用经典二极管函数建模为非线性电阻。这种建模方法在电路层面进行仿真，能精确呈现VSC的详细情况，例如可准确表示VSC站产生的谐波。然而，它也存在明显缺点，部分仿真工具（如PSpice）中该模型用含指数项的函数描述，导致执行时间长、生成数据量大且存在收敛问题；在MATLAB/SIMULINK中涉及大量通过状态空间法求解的微分方程，对于大型直流网络，计算耗时严重。

1.2 开关建模

开关建模使用开关函数描述功率变换器的性能，而非传统的电路拓扑。在这种方法中，开关被交流侧的三个电压源和直流侧的一个电流源替代。电压源是直流链路电压（vdc）和开关函数的函数，表达式如下：
[
\begin{bmatrix}
v_{ga}\
v_{gb}\
v_{gc}
\end{bmatrix}
=
\frac{1}{3}v_{dc}
\begin{bmatrix}
2 & -1 & -1\
-1 & 2 & -1\
-1 & -1 & 2
\end{bmatrix}
\begin{bmatrix}
s_{ga}\
s_{gb}\
s_{gc}
\end{bmatrix}
]
其中，$s_{ga}$、$s_{gb}$和$s_{gc}$是使用6 - IGBT阀脉冲作为控制输入的开关函数，采用正弦脉冲宽度调制（SPWM）控制策略生成IGBT阀脉冲。直流链路控制电流源定义为交流侧电流和开关函数的函数：
[
i_{dc} =
\begin{bmatrix}
s_{ga} & s_{gb} & s_{gc}
\end{bmatrix}
\begin{bmatrix}
i_{a}\
i_{b}\
i_{c}
\end{bmatrix}
]
开关模型能较好地表示VSC站产生的电磁暂态和谐波的主要成分。

1.3 平均建模

详细模型虽能准确描述VSC站的行为，但复杂且耗时，多数网络研究并不需要如此高的细节程度。因此，需要开发更高效的模型以降低复杂度，同时保持相似的动态响应。平均模型就是这样一种简化模型，它使用受控源和开关/平均函数表示VSC站的平均响应。在平均模型中，交流侧用三个参考信号表示三个平均电压源，受控电流源的值基于功率平衡计算，忽略VSC的内部损耗。VSC的直流侧量通过假设交流侧功率等于直流侧功率加上变换器损耗来获得。

2. 电压源换流站控制

直流配电网的控制与VSC站的控制直接相关，常见的VSC站控制方法有功率角控制和矢量电流控制。

2.1 功率角控制

功率角控制原理较为简单，通过VSC站与交流系统之间的相角偏移控制有功功率，通过改变VSC电压幅值控制无功功率。但该控制技术的主要缺点是控制系统无法限制流入变换器的电流。在直流侧发生故障或扰动时，如果控制器不能限制阀电流，为防止VSC和网络组件损坏，VSC必须被封锁。

2.2 矢量电流控制

矢量电流控制是一种基于电流控制的方法，能在扰动期间限制流入变换器的电流，是一种成熟且常用的VSC站控制技术。其具体步骤如下：
1. 将变换器的三相电压和电流转换到旋转的dq同步参考坐标系。
2. 通过锁相环（PLL）使转换后的量与交流电网电压同步。
3. 由控制系统的dq轴内部电流控制器确定VSC参考电压。
4. 使用逆Park变换将参考信号转换回三相。

矢量电流控制可独立控制瞬时有功功率和无功功率。其控制架构包括外部控制器和内部电流控制器（ICC）。外部控制器负责为内部电流控制器生成参考电流，内部电流控制器通常由快速比例积分（PI）控制器组成，跟踪外部控制器设置的参考电流并产生变换器的电压参考。外部控制器包括有功和无功通道，用于调节有功功率、直流电压、无功功率或交流电压幅值。

矢量电流控制有多种操作模式，具体如下：
|操作模式|适用情况|控制方式|
| ---- | ---- | ---- |
|恒定P - VAC控制|VSC站连接到弱交流电网|维持有功功率和PCC处交流电网电压在预定水平|
|VDC - VAC控制|VSC站连接到弱交流电网|通过无功功率补偿控制交流电压，通过有功功率补偿调节直流电压|
|P - Q控制|VSC站连接到强交流电网|控制有功和无功功率，无需调节交流或直流电压|
|VDC - Q控制|VSC终端连接到强交流电网，VSC站作为直流配电网的松弛母线|调节直流电网电压，若不需要无功功率供应，Q参考信号设为零|

mermaid图展示矢量电流控制流程：

graph LR
    A[三相电压电流] --> B[dq同步参考坐标系转换]
    B --> C[PLL同步]
    C --> D[内部电流控制器确定参考电压]
    D --> E[逆Park变换回三相]

3. 直流电压控制和功率共享

直流电压控制对直流配电网的稳定可靠运行至关重要。电压控制系统应满足以下要求：
- 保持母线电压在稳态极限内。
- 能在一定时间内承受电压或功率的扰动。
- 初级控制不依赖终端间的通信。
- 系统对VSC站的连接/断开具有灵活性（即插即用特性）。

直流电压控制和功率共享技术可分为单松弛变换器控制和多松弛变换器控制。

3.1 单松弛变换器控制

单松弛变换器控制是传统点对点控制的扩展，一个终端控制直流链路电压，另一个终端调节功率流。在直流配电网中，需使用一个变换器站调节直流链路电压并确保电网内的功率平衡，其余变换器调节功率。其优点是易于实现，无需与其他电压调节变换器协调，仅需本地电压测量即可调节有功功率；缺点是松弛变换器或其对应母线发生故障后，直流配电网的电压控制将失效。

3.2 多松弛变换器控制

多松弛变换器控制使用两个或更多变换器站进行直流电压控制，为每个电压调节变换器分配电压 - 功率或电压 - 电流特性曲线，根据曲线确定其对电压控制的贡献。在直流配电系统中，可基于电流或功率控制直流电压，分别使用I - V或P - V特性曲线。每个工作在电压下垂模式的终端，其电压和功率（或电流）之间存在线性关系，通过分配的特性曲线，各终端的VSC参与电压/功率平衡控制，贡献程度取决于下垂常数（下垂线的斜率）。若下垂常数为零或无穷大，母线分别作为固定电压或固定功率母线。

多松弛变换器控制的优点是易于扩展到直流网络，使用简单结构的控制器；缺点是功率流控制能力有限，在大型直流网络中分布式控制器的协调存在困难。

以下是一个关于电压下垂特性的示例：
一个连接到母线i的VSC站向直流配电系统注入直流功率，母线的电压下垂特性曲线描述为：
[P_{dc,i} = P_{dc,0,i} - \frac{1}{K_{i}}(V_{dc,i} - V_{dc,o,i})]
假设功率和电压参考分别为$P_{dc,0,i} = 0.35$PU，$V_{dc,o,i} = 1$PU。为将该VSC的功率增加到0.75 PU，对应母线的标称电压降至0.97 PU。根据电压下垂特性曲线，下垂常数$K_{i}$的计算公式为：
[K_{i} = \frac{V_{dc,i} - V_{dc,o,i}}{P_{dc,i} - P_{dc,0,i}}]
将数值代入可得下垂常数。这一计算过程体现了电压下垂特性在实际应用中的重要性，通过合理设置下垂常数，可实现对VSC站功率和电压的有效控制，从而保障直流配电网的稳定运行。

电压源换流站建模与控制技术解析

4. 不同建模与控制方法的对比分析

为了更清晰地了解各种电压源换流站建模与控制方法的特点，下面对它们进行详细的对比分析。

4.1 建模方法对比

建模方法	优点	缺点	适用场景
详细建模	能精确呈现VSC的详细情况，可准确表示谐波	执行时间长、生成数据量大、存在收敛问题，计算耗时严重	对VSC行为细节要求极高的研究场景
开关建模	能较好地表示电磁暂态和谐波的主要成分	相对详细建模不够精确	需要考虑电磁暂态和谐波，但对细节要求不是极致的场景
平均建模	高效，能降低复杂度，保持相似动态响应	忽略内部损耗，不够精确	多数网络研究，对细节要求不高的场景

4.2 控制方法对比

控制方法	优点	缺点	适用场景
功率角控制	原理简单	无法限制流入变换器的电流	对电流限制要求不高的场景
矢量电流控制	能限制流入变换器的电流，可独立控制有功和无功功率	控制过程相对复杂	大多数VSC站控制场景，尤其是对电流限制和功率独立控制有要求的场景

5. 电压源换流站建模与控制的实际应用案例

为了更好地理解上述建模与控制方法在实际中的应用，下面介绍一个具体的案例。

假设一个直流配电网连接了多个VSC站，部分VSC站连接到弱交流电网，部分连接到强交流电网。

5.1 建模应用

对于连接到弱交流电网的VSC站，由于需要更精确地考虑谐波和电磁暂态对交流电网的影响，采用开关建模方法。这样可以在不过分增加计算复杂度的情况下，较好地模拟VSC站对弱交流电网的影响。对于连接到强交流电网的VSC站，由于强交流电网对谐波和电磁暂态的承受能力较强，采用平均建模方法，以提高计算效率，降低建模复杂度。

5.2 控制应用

连接到弱交流电网的VSC站采用恒定P - VAC控制或VDC - VAC控制模式。恒定P - VAC控制模式可维持有功功率和PCC处交流电网电压在预定水平，为弱交流电网提供稳定的功率和电压支持；VDC - VAC控制模式可通过无功功率补偿控制交流电压，通过有功功率补偿调节直流电压，确保交直流电压的稳定。连接到强交流电网的VSC站采用P - Q控制或VDC - Q控制模式。P - Q控制模式可控制有功和无功功率，满足强交流电网对功率调节的需求；VDC - Q控制模式可将VSC站作为直流配电网的松弛母线，调节直流电网电压。

在实际运行中，通过矢量电流控制方法对所有VSC站进行控制。在扰动期间，矢量电流控制能有效限制流入变换器的电流，保障VSC站和网络组件的安全。同时，根据不同的控制模式，外部控制器为内部电流控制器生成合适的参考电流，实现对有功功率、直流电压、无功功率或交流电压幅值的精确控制。

6. 未来发展趋势

随着直流配电网的不断发展，电压源换流站的建模与控制技术也将不断进步。未来可能的发展趋势如下：

6.1 建模技术

• 开发更精确且高效的建模方法，结合详细建模的精确性和平均建模的高效性，以满足不同场景的需求。
• 考虑更多实际因素，如器件的非线性特性、环境因素等，提高模型的准确性。

6.2 控制技术

• 研究更智能的控制策略，如基于人工智能的控制方法，提高控制的灵活性和适应性。
• 加强多VSC站之间的协调控制，实现更高效的功率共享和电压控制。

mermaid图展示未来发展趋势：

graph LR
    A[建模技术] --> B[精确高效建模方法]
    A --> C[考虑更多实际因素]
    D[控制技术] --> E[智能控制策略]
    D --> F[多VSC站协调控制]

7. 总结

本文详细介绍了电压源换流站的建模与控制技术。在建模方面，介绍了详细建模、开关建模和平均建模三种方法，分析了它们的优缺点和适用场景。在控制方面，介绍了功率角控制和矢量电流控制两种方法，以及矢量电流控制的多种操作模式。同时，通过一个实际应用案例展示了这些建模与控制方法在直流配电网中的具体应用。最后，探讨了未来的发展趋势。通过对这些技术的深入理解和应用，可以提高直流配电网的稳定性、可靠性和运行效率。

在实际工程中，应根据具体的应用场景和需求，选择合适的建模与控制方法。对于连接到弱交流电网的VSC站，要注重对交流电压和功率的稳定控制；对于连接到强交流电网的VSC站，可更侧重于功率的调节和直流电压的控制。同时，随着技术的不断发展，应关注新的建模与控制技术，以适应直流配电网的不断变化。