基于simulink的平均值换流器VSC-HVDC仿真

模型背景

基于背靠背结构的VSC-HVDC结构是一种比较常见的拓扑结构，不仅是在直流输电，在风机并网中也是最常见的拓扑形式之一。之前我们也曾介绍过基于三电平的VSC系统simulink仿真模型(基于Simulink的三电平VSC-HVDC仿真)，本文所涉及模型与之前仍然类似，除了参数上的不同之外，本文模型采用平均值换流器模型，之前我们也提到过平均值换流器的大体建模思路(基于simulink的逆变器平均值建模，基于simulink的风机并网等效模型，基于simulink的光伏并网等效模型)，平均值模型忽略了换流器开关过程，通过受控电压源、电流源来等效模拟，最大的好处是节省了众多开关开断复杂的矩阵计算，可以在较大仿真步长上下进行仿真，并且也能对控制环节进行较好的验证，最终得到比较理想的波形结果。

图1 电路结构图

控制简介

拓扑中由

于两侧均为有源电网，按照惯例，一侧控制采用直流电压、无功控制，一侧采用PQ控制。

直流电压控制换流器采用双闭环控制，外环逆变侧直流电压与给直流电压进行比较，误差经过PI，作为内环d轴电流环参考值id_ref，id_ref与d轴电流实际值id进行比较，经过PI，得到d轴电压参考值Ud;为控制方便，省去q轴外环控制，采用直接给定iq_ref的方式，iq_ref与实际值iq进行比较，经过PI，得到q轴电压参考值Uq，最后加上dq解耦及前馈环节，经dq0-abc变换得到换流器参考电压。

图2 直流电压、无功控制侧控制框图

PQ控制换流器也采用双闭环控制，外环实际有功率与给定有功率进行比较，误差经过PI，得到内环d轴电流环参考值id_ref，id_ref与d轴电流实际值id进行比较，经过PI，得到d轴电压参考值Ud;实际无功率与给定无功率进行比较，误差经PI，得到q轴电流参考值iq_ref，iq_ref与实际值iq进行比较，经过PI，得到q轴电压参考值Uq，最后加上dq解耦及前馈环节，经dq0-abc变换得到换流器参考电压。

图3 PQ控制侧控制框图

仿真模型

根据上述拓扑及控制搭建仿真模型如下图所示，其中甲流侧电压220kV,设计直流侧电压400kV,额定功率1000MVA。

图4 整体仿真模型

控直流电压侧控制模型如下图所示

图5 直流电压、无功控制模型

控功率侧控制模型如下图所示

图6 PQ控制模型

仿真结果

模型设置在4.5s和5s分别解锁两个换流器(在此之前为换流器不控整流充电阶段)，在第6s设置PQ控制侧有功给定为500MW，无功给定为500MVar，直流电压控制侧无功为0.3pu(300MVar);8s时，两侧无功均降为0;10s后，有功升到1000MW，12s有功返送，由1000MW变为-1000MW。通过功率的变化验证控制效果。运行模型得到的仿真结果如下

图7 PQ控制侧电压、电流波形

图8 PQ控制侧功率波形(有功：黄色，无功：蓝色)

图9 直流电压波形

图10 直流电压控制侧电压、电流波形

图11 直流电压控制侧功率波形(有功：黄色，无功：蓝色)

通过上述仿真结果可以看出，在进行控制时，功率实际值能够良好地跟随给定值，在功率变化时，直流电压始终保持稳定，整体控制效果良好。

审核编辑：汤梓红