摘要
華中科技大學電氣與電子工程學院強電磁工程與新技術國家重點實驗室的研究人員劉子文、苗世洪等，在2018年第14期《電工技術學報》上撰文，針對柔性直流（VSC-HVDC）輸電系統在交流電網電壓不平衡情況下，功率產生2倍頻波動分量的問題，首先通過分析不平衡電網電壓下VSC換流器的數學模型，將引起系統2倍頻功率波動的因素歸結為電流因素分量和電壓因素分量，推導並建立了不平衡電網電壓下以系統2倍頻功率為狀態變量的控制方程；進而基於該控制方程提出了一種VSC-HVDC功率滑模變結構補償策略，以同時抑制電流因素和電壓因素引起的功率波動，以及VSC換流器輸出電流的畸變，並提高了變工況狀態下系統的動態響應性能。
將該補償策略引入到VSC-HVDC原有矢量控制環節中，當交流電網電壓不平衡時，該控制策略能夠單獨對其中的2倍頻分量進行有效控制，可以在不影響正常狀態運行的同時又能抑制2倍頻功率波動分量。通過在PSCAD/EMTDC中搭建兩端VSC-HVDC仿真模型，證明了該策略抑制不平衡電網電壓下系統2倍頻功率和平衡交流側電流的有效性。
基於電壓源換流器（Voltage Source Converter, VSC）的柔性直流（VSC Based High Voltage Direct Current, VSC-HVDC）輸電技術由於卓越的可控性和靈活性，在大規模風電併網、電網互聯、向無源負荷供電及城市配網增容等方面都有著廣闊的應用前景，其理論研究和工程應用在國內外呈現快速發展的趨勢[1-4]。
在常規VSC-HVDC控制策略的研究中，均假設交流電網電壓是三相平衡的，這樣一旦出現電網電壓不平衡的情況（如電網電壓和電路參數的不對稱或不對稱故障引起的電壓跌落），VSC換流器將會處於非正常運行狀態，電網中的負序分量會對系統造成很大危害，若不採取補償措施，系統的有功和無功功率將出現2次諧波，會影響整個系統的穩定運行[5-8]，嚴重時可使換流裝置發生故障保護，甚至燒壞換流裝置。因此，如何抑制不平衡狀態下功率的2倍頻波動問題，保證系統的可靠運行成為一個亟需研究的課題。
針對電網電壓不平衡的情況，文獻[9,10]利用額外添加的有源濾波裝置消除不對稱分量，但增加了系統的投入成本。從改進換流器控制的角度抑制不平衡功率波動是當前研究的主流。現有文獻對不平衡電網電壓下VSC換流器進行數學模型分析和控制策略研究時，通常採用對稱分量法將模型建立在正、反同步旋轉座標系中，繼而採用不同的控制策略實現2倍頻功率的抑制。
文獻[11,12]在正、負序旋轉座標系下對換流器輸出電流的正負序分量分別進行控制，但雙旋轉座標系的應用增加了控制策略的複雜度。文獻[13]在正序dq旋轉座標系下提出了一種基於諧振積分及諧振濾波的補償控制策略，以消除直流系統的2倍頻脈動，並降低不平衡運行對交流電流的影響，但該補償環節無法實現對系統無功功率2倍頻脈動的有效抑制。
文獻[14]提出了一種功率諧振補償控制，該策略在傳統電網電壓定向矢量控制中增加了功率補償環節，該補償環節採用在正向同步旋轉座標系中實施的比例諧振控制方案，可同時抑制換流器輸出的有功和無功功率波動，但基於比例諧振控制的系統動態性能不足，缺乏變工況狀態下穩定運行的能力。近年來也有文獻在直接功率控制框架下對電網不平衡下的換流器控制進行研究。
文獻[15]提出了一種不平衡電網下的改進直接功率控制，該策略採用一種新定義的瞬時無功功率，但需制定合理的有功和無功控制切換律來實現不平衡瞬時控制，增加了控制系統的複雜性。文獻[16]採用直接功率預測算法實現不平衡電網電壓下的脈寬調製（Pulse Width Modulation, PWM）整流器功率控制，但無法同時實現抑制輸出電流畸變、有功功率波動和無功功率波動的目標。
近年來，滑模控制理論由於動態響應快、魯棒性好等優點，被廣泛應用在VSC控制器設計中。文獻[17,18]將滑模控制理論引入到非正常電網電壓下雙饋風機的併網控制策略中以實現理想的有功和無功功率輸出。文獻[19-22]提出了基於滑模變結構理論的VSC換流器不平衡功率控制策略，但文中的滑模變結構控制並沒有以消除換流器2倍頻功率為目標，而是為提高系統魯棒性取代傳統的比例積分（Proportional Integral, PI）控制，且文中所應用的2倍頻功率波動附加策略無法同時抑制輸出負序電流、有功功率波動和無功功率波動。
本文采用改進VSC換流器控制結構的思路實現系統不對稱狀態下抑制2倍頻功率波動的目標。首先通過對不平衡電網電壓下系統數學模型進行分析，將系統的2倍頻功率波動因素歸結為電流因素分量和電壓因素分量，推導並建立了不平衡電網電壓下以2倍頻功率為狀態變量的系統控制方程；基於該控制方程，提出了一種VSC-HVDC功率滑模變結構補償策略，實現不平衡狀態下系統功率波動的抑制，並提高了變工況狀態下系統的動態響應性能。
由於以2倍頻功率為狀態變量的微分方程表徵引起功率波動的不平衡電流因素，因此該功率補償策略亦可以抑制換流器輸出電流的畸變。通過搭建上述策略的仿真模型，證明了本文所提控制策略可以同時抑制輸出有功功率2倍頻脈動、無功功率2倍頻脈動和平衡交流側電流的目的，並能明顯提高系統的動態特性。
圖1 電壓源換流器VSC拓撲結構
結論
本文針對不平衡電網電壓下柔性直流輸電系統功率出現2倍頻波動的問題，通過分析VSC-HVDC在不平衡狀態下的數學模型，將系統2倍頻功率波動因素歸結為電流因素分量和電壓因素分量，推導並建立了不平衡電網電壓下以系統2倍頻功率為狀態變量的控制方程。
基於該控制方程，提出了VSC-HVDC功率滑模變結構控制策略，以達到同時抑制輸出有功功率2倍頻脈動、無功功率2倍頻脈動和平衡交流側電流的目的。最後通過在PSCAD/ EMTDC中搭建仿真模型，證明了所提控制策略可以有效抑制不平衡下系統功率2倍頻分量，並能明顯提高系統的動態響應特性。
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