图8- 5多端VSC-HVDC输电系统

5. VSC-HVDC系统稳态特性：

（1） VSC变换器特性：

图8- 6 VSC交流侧稳态矢量关系1（假设不变） 图8- 7 VSC交流侧稳态矢量关系2（假设不变）

图8- 8 等值电路图

由等值电路图可得到交流侧电源输出的有功功率和无功功率分别为：

(1.20) (1.21) (1.22) (1.23)

调整δ、k 可使得VSC运行于圆内任意一点，故其可独立控制P、Q： δ > 0，电源相位超前，变换器工作于整流，交流系统向直流系统注入有功功率；δ < 0，电源相位滞后，变换器工作于逆变，直流系统向交流系统注入有功功率；

，系统提供无功；，系统吸收无功。 6. VSC-HVDC控制：

（1） 控制主要功能：

使VSC-HVDC系统正常工作，保护设备，使系统经济运行，具体包括：VSC-HVDC系统的启动和停止控制，VSC-HVDC系统输送功率潮流大小和方向控制，协调交流系统实现调度中心指令，提高系统稳定性。 （2） 分层控制：系统层控制，装置层控制，器件层控制。

图8- 9 VSC-HVDC分层控制

a) 系统层控制： i.

系统层控制两类物理量：

有功类物理量（有功功率、直流电压/电流、交流频率）和无功类物理量（无功功率、交流电压幅值）。换流站必须在有功类物理量和无功类物理量中各挑选一个物理量进行控制。 ii.

系统层三种基本控制方式：

① 定功率（定直流电流）控制（控制功率或直流电流和与交流侧交换的

无功功率）：

图8- 10定功率控制

② 定直流电压控制（控制直流母线电压和与交流侧交换的无功功率）：

图8- 11定直流电压控制

注意：VSC-HVDC必须有一个换流站采用定直流电压控制！ ③ 定交流电压控制（控制交流母线电压频率和幅值）：

图8- 12定交流电压控制

b) 装置层控制：根据系统层控制形成的参考值，形成换流器目标输出波

形参考信号（M、δ）。

图8- 13

i. 常用的一般包含两个控制环：功率类外环、电流内环。电流内环有利于换流器限流。

ii. 换流器直接电流控制：

图8- 14换流器直接电流控制

iii. 换流器间接电流控制：

图8- 15换流器间接电流控制

c) 器件层控制： i.

PWM控制原理：

冲量相等而形状（如大小波形）不同的窄脉冲作用于惯性系统，其效果基本相同。（冲量即指窄脉冲的面积（变量对时间积分）；效果基本相同，是指系统的输出响应波形基本相同） ii.

PWM调制方法：

把希望输出的波形作为调制信号（参考波，Vcontrol），把接受调制的信号作为载波（Vtri），通过信号波的调制得到所期望的PWM波形。通常采用等腰三角波或锯齿波作为载波，其中等腰三角波应用最多。

图8- 16 PWM调制波的形成

PWM频率与载波Vtri频率相同，输出电压VA0幅值由调制波Vcontrol幅值决定，输出电压基频由Vcontrol频率决定。

(1.24)

iii. 脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形也称SPWM波形。为了提高直流电压利用率，可注入三次谐波。

图8- 17 单相两电平VSC

注意：单相VSC可控运行的前提是直流电压不低于交流侧电压峰值。

图8- 18 三相两电平VSC

注意：三相VSC可控运行的前提是直流电压不低于交流线电压倍。 iv.

空间矢量PWM（SV-PWM）：

图8- 19

图8- 20 SV-PWM的八个开关状态 图8- 21 八个开关状态对应空间矢量位置

① 步骤：确定Vd, Vq, Vref, α；确定时间区域T1, T2, T0；确定S1~S6的

开关时间。

② 优点：谐波小；直流电压利用率高（是SPWM的倍）。

注意：SV-PWM只是利用矢量概念实现脉冲调制，并不是一般意义上的矢量控制，而仍然属于标量控制。 v.

特定谐波消除调制方法（SHE-PWM）：

① 目标：满足调制比前提下，消去部分低次谐波。

② 原理：选择合适触发角，既满足基波输出要求，又满足消除某些低次

谐波要求。 vi.

最优PWM（OPWM）：

① 目标函数：指定谐波消除、最小化总谐波畸变率、最小化畸变系数、

最大转矩。

② 数值计算方法：牛顿法、人工智能优化算法（GA、SA、CSA、PSO等）。 vii.

换流阀触发技术：

图8- 22 采用光电转换触发换流阀

7. VSC-HVDC保护配置：

（1） 区域划分：外部交流系统，换流站内部，直流侧线路。

图8- 23 VSC-HVDC保护区域划分图

（2） 故障形式： a) 外部交流系统故障：

电压不平衡（不对称故障或不对称负荷引起）；过压/欠压；雷电过电压（近端架空线路遭受雷击引起）；操作过电压投切线路设备引起等。

b) 换流站内部故障：

内部交流母线故障；站内直流母线故障；阀体故障；元件失效等。 c) 直流线路故障：

断线；单极接地；双极短路；架空直流线路雷击过电压。 （3） 保护配置原则与特点：

a) 可靠性，灵敏性，选择性，快速性，可控性（通过控制换流器等减轻

故障的危害），安全性（保障人身安全和设备安全），可维护性（保护功能及参数便于调整）。

b) 特点：采取分区重叠配置（交流侧保护区，换流器保护区，直流线路

保护区）；分层配置（系统级保护，装置级保护，器件级（阀级）保护）。

（4） 交流侧保护： a) 交流线路保护；

b) 换流变压器保护：差动保护、过流保护、中性点偏移保护、变压器本体

保护（油、气、?）； c) 换流电抗器保护；

d) 交流开关场和交流滤波器保护。 （5） 换流器保护： a) 换流器过电流保护； b) 换流器直流过电压保护； c) 交流侧过电压保护；