vsc系统

第1章绪论

1.1高压直流输电的概况及发展

人类对电的认识和应用以及电力科学的发展首先是从直流电开始的。1882

年，法国物理学家M得彼列茨进行了历史上第一次直流输电试验，将1.5kW、

1.5~2kV的直流电通过电报线路驱动57km外的水泵旋转，这次试验虽然线路功耗

高达78%，几乎没有使用价值，但它标志着高电压、远距离大容量输电的崭新开

始。这次试验由于具备发电、输电和用电设备，所以也被认为是世界上第一个电

力系统。1954年，第一座高压直流（HVDC）输电工程投入工业化运行，它是从

瑞典本土至果特兰（Gotland）岛之间的一条20MW、100kV海底电缆直流输电线，

线路全长96km。1972年，加拿大伊尔河（EelRiver）HVDC输电工程正式投入使

用，这座20MW、280kV背靠背式HVDC输电工程以首次全部采用晶闸管阀而著

称于世。到目前为止，全世界共有70多个HVDC输电工程，其中，大部分电压等

级超过400kV，输送功率大于1000MW或线路长度大于600km。

高压直流输电(HVDC)的基本原理是通过整流器将交流电变换为直流电形

式，再通过逆变器将直流电变换为交流电，从而实现电能传输和电网互联。典

型双极HVDC的主系统如图l所示：

图1一1典型双极HVDC主系统示意图

在这个过程中，换流装置是高压直流输电系统最重要的的电器设备，除此

之外，为了满足交、直流系统对安全稳定及电能质量的要求，高压直流输电系

统还需要其他的重要设备，如：换流变压器、平波电抗器、无功补偿装置、滤

波器、直流接地极、交直流开关设备、直流输电线路及控制与保护装置、远程

通信系统等。

从系统构成上划分，高压直流输电系统由三部分组成，即：整流站、直流

输电线路和逆变站。其中，整流站和逆变站称为换流站。对同一个高压直流输

电工程而言，整流站和逆变站的设备种类、设备数cut的意思 量甚至设备布置方式几乎完

全一样，仅仅在于少数设备台数和容量有所差别。换流装置、环流变压器平波

电抗器、无功补偿装置、滤波器、直流接地极以及交直流开关设备均位于两侧

换流站中。

由电力电子器件组成，具有将交流变为直流电或直流电转换为交流电的设

备称为换流装置，或称为换流器，在高压直流输电系统中，换流器通常采用三

相桥式全控整流电路作为基本单元，换流站由基本换流单元组成。在高压直流

输电系统中，换流器不仅具有整流和逆变的功能，而且整流器还具有开关的功

能。通过对整流器实施快速控制，实现高压直流输电系统的起动和停运。在交、

直流系统故障后的恢复过程中，对整流器的开速控制可有效保护直流输电系统，

同时也是交流电网安全和稳定运行的重要保障。

与交流输电方式相比，HVDC输电技术有许多独特的优点，概括起来主要有

以下几点：

（l）在传输功率相同的条件下，直流输电的换流站设备投资较大，而线路

投资较小，因此当用于远距离输电时造价要小于交流输电。

（2）可实现大区电网的异步互联，不存在稳定问题，互联后也不会增大原

系统的短路容量。

（3）双极型直流系统可分期建设，先建成单极系统运行以发挥效益。双极

系统运行中如有一极发生故障，另一极能继续运行，减小功率损失。

（4）调节快速，高度可控。不但在故障情况下可快速闭锁停运，而且可以

利用其功率调制功能，迅速增加或减小输送功率，提供紧急功率支援，功率调

制功能还可抑制交流系统的低频振荡等问题。

（5）直流输电的线路电容较小，充电功率较小，当采用电缆输电时优势明

显，而交流电缆的充电功率较大，有时甚至因为此原因而无法送出功率，如跨

海电缆送电。

（6）在输送同等功率水平下比交流方式节省输电走廊，更环保。在当前我

国土地资源紧张的局面下，这一优点不但可以减小土地占用和拆迁费用，而且

可减小投资。

直流工程从系统结构上看，可以划分为两端直流输电系统和多端直流输

电系统。多端直流输电系统尽管可以实现多个交流电网的互联和电能传输，但

由于其控制复杂限制了其应用。多端直流工程在二十世纪八、九年代初期经历

了短暂的发展后，现已较少引起关注，目前全世界只有北美的Nelson、太平洋

联络线、Quebec一NewEngland、意大利撒丁岛等为数不多的几个多端直流工

程，而其它均为两端直流工程两端直流工程又可分为单极系统、双极系统和背

靠背系统三类。另外，从HVDC的换流器结构看，还可分为6脉动和12脉动。

尽管12脉动换流器比6脉动换流器的阀元件数多，但交、直流两侧特征谐波含

量较小，所需的滤波设备较少，具有较高的技术经济优势。目前世界上绝大多

数直流工程都采用两端系统，而换流器多采用12脉动。对于远距离输电工程，

由于双极系统能消除大地中的电流，因而被广泛采用。

表1我国已建成的直流工程基本情况

序号工程名称电压等级（kv）输送功率（MW）输电距离（km）

1

舟山直流工程

-1005054

2

葛洲坝—上海士500

12001045

3

天生桥—广州士500

1800960

4

三峡—常州士50

3000860

5

嵘泅直流工程士500

6066

6

三峡一广东士500

3000956

7

贵州一广东士500

3000900

8

灵宝背靠背工程士120

3600

1.2基于电压源换流器的高压直流输电系统（VSC—HVDC）的发展

传统HVDC输电的核心是相控换流器（PCC）技术，其原理是：以交流母线

线电压过零点为基准，一定时延后触发导通相应阀，通过同一半桥上两个同时导

通的阀与交流系统形成短时的两相短路，当短路电流使先导通阀上流过的电流小

于阀的维持电流时，阀关断，直流电流经新导通阀继续流通。通过顺序发出的触

发脉冲，形成一定顺序的阀的通与断，从而实现交流电与直流电的相互转换。晶

闸管的单向导电性使PCC技术只能控制阀的开通而不能控制阀的关断，关断必须

借助于交流母线电压的过零使阀电流减小至阀的维持电流以下才能使阀自然关

断。因此基于PCC技术的HVDC输电具有以下不足：

（1）不能向小容量交流系统及不含旋转电机的负荷供电如果受端系统短路

容量不足，不能提供足够的换相电流，就不能保证可靠换相，逆变器容易发生换

相失败故障。如果受端系统为不含旋转电机的负荷，逆变器因无法换相而不能对

交流系统供电。

（2）换流器产生的谐波次数低、容量大双极双桥换流站产生最低次数为11

次、13次的谐波电流，其容量分别约占基波容量的9%和7.7%，加重了滤波的负

担。

（3）换流器吸收较多的无功功率正常稳态运行时，整流器和逆变器分别吸

收占所输送直流功率30%～50%和40%～60%的无功功率，暂态运行时换流器吸收的

无功功率更多。

（4）换流站投资大、占地面积大为满足谐波标准和换流器的无功需要，换

流站装设有大量的无功补偿装置和滤波设备，加大了换流站的投资及占地面积，

无功补偿装置和滤波设备的投资约占换流站总投资的15%，占地面积约为全站总

面积的三分之一。

因此基于PCC技术的传统HVDC输电虽是一门成熟的技术，但在与交流输电的

竞争中处于不利地位，其应用领域局限在220kV及以上电压等级的远距离大容量

输电、海底电缆输电及不同额定频率或相同额定频率交流系统间的非同步互联等

方面。

轻型直流输电是在电压源换流器(VSC)技术和门极可关断晶闸管（GTO）及

绝缘栅双极晶体管(IGBT)等全控型功率器件基础上发展起来的，由高频开关器

件IGBT构成的正弦脉宽调制（SPWM）式VSC，换流器的单相电路。

基于VSC技术的HVDC输电在技术和经济上均比基于PCC技术的HVDC输电有

了很大改进，轻型直流输电的特点主要表现在以下几个方面：

(1)VSC换流器为无源逆变，对受端系统没有要求，故可用于向小容量系统

或不含旋转电机的系统供电。

(2)VSC换流器产生的谐波大为减弱，对无功功率的需要也大大减少，因此

只需在交流母线上安装一组高通滤波器即可满足谐波要求；无功补偿装置的容量

也大为减少，可不装设换流变压器，同时可简化开关。

(3)不会出现换相失败故障。即使对小容量系统或无源负荷供电，VSC换流

器也不会发生换相失败故障，从而避免了受端系统出现持续几个周期的短时电源

中断，提高了受端系统的电能质量。

(4)模块化设计使轻型直流输电的设计、生产、安装和调试周期大为缩短，

换流站的主要设备能够先期在工厂中组装完毕，并预先做完各种试验。最重的模

块重约20t，可方便地用卡车直接运至安装现场。从而大大减轻了现场安装调

试时间和劳动强度，而且可显著缩小换流站的占地面积。一个20MW、30kV的

轻型直流输电换流站占地面积不足2250m，交货时间不超过12个月。

(5)可实现无人值班或少人值守。由于换流站主要设备大为简化，而且实现

了模块化设计，因此正常维护工作量大大减少，有利于实现无人值班或少人值守

换流站，提高生产效率。

到目前为止快乐早晨 ，世界上已建或在建的轻型直流输电工程有：

(1)赫尔斯扬（Hellsjon）试验工程：1997年3月10日投运，为历史上第一

个试验性轻型直流输电工程。这条输送容量3MW，电压10kV，长10km的线路

是利用一条暂时没用的交流50kV线路使Hellsjon与瑞典中部的Grangesberg

交流系统通过直流互连，多年运行情况表明该工程运行良好，为轻型直流输电建

设积累了许多宝贵的经验。

(2)果特兰（Gotland）工程:瑞典，50MW，80kV，70km长，建设目的是

将Gotland岛上的风力发电站发出的电力送至负荷中心。1999年6月投运。运

行测试数据表明该工程各项指标均达到了设计要求。

（3）Tiaereborg示范工程：丹麦，7.2MW，9kV，4.3km长，建设目的

是将位于西部Tiaereborg的风力发电站与交流主网相联，2000年8月投运。

（4）EaglePass工程:美国和墨西哥，36MW，15.9kV，采用背靠背方

式,建设目的是使美国一侧的德克萨斯(Texas)州电网与墨西哥电网实现非同

步互联。

（5）Cross-Sound联络工程：美国，330MW，150kV，40km长，建设目

的是通过海底电缆使位于NewMavend的Connecticut电网与纽约长岛电网联

网。2000年8月开工，预计2002年5月投运。

（6）Murraylink工程：澳大利亚，200MW，150kV，180km，建设目的是

使南部电网与Victoria州电网互联。预计2002年4月投运，该工程将是世界上

最长的地下电缆输电项目。

1.3轻型直流输电的应用前景

据预测,轻型直流输电在电压低于150kV、容量不超过200MW时具有经济上

的优越性，它在以下应用领域将可能发挥极大的作用：

（1）向偏远地区供电

偏远地区一般远离电网，负荷轻而且日负荷波动大，经济因素及线路输送能

力低是限制架设交流输电线路发展的主要因素，制约了偏远地区经济的发展和人

民生活水平的提高。采用轻型直流输电进行供电，可使电缆线路的单位输送功率

提高，线路维护工作量减少，使供电可靠性增加。测算表明，修建一座燃煤火电

厂与修建一条轻型直流输电线路相比，在相同投资规模下，轻型直流输电线路的

等数距离可降至50~60km。

（2）海上供电

远离大陆电网的海上负荷如：海岛或海上石油钻井平台等负荷，通常靠价格

昂贵的柴油或天然气来发电，不但发电成本高，供电可靠性难以保证而且破坏环

境，用轻型直流输电以后，这些问题得以解决，同时还可将多余气体（如石油钻

井产生的天然气）发出的电力反送给系统。

（3）城市配电网增容改造

城市特别是大中城市的空中输电走廊已没有发展余地，原有架空配电网络已

不能满足电力增容的要求，合理的方法是采用电缆输电（架空电缆或地下电缆）。

而直流电缆不仅比交流电缆占有空间小，而且能输送更多的功率，因此采用轻型

直流输电向城市中心区供电有可能成为未来城市增容的唯一可行办法。据资料介

绍，由原有交流架空导线改送直流电，可提高50%的输送功率。以115kV、70km长

的交流架空线路为例，将其改成100kV双极式轻型直流输电供电后，线路输送

容量可提高1倍，达到200MW，而改造增加的投资仅为两侧换流站和更换交流绝

缘子的费用。

（4）清洁能源发电

受环境条件限制，清洁能源发电一般装机容量小、供电质量不高并且远离主

网，如中小型水电厂、风力发电站（含海上风力发电站）、潮汐电站、太阳能电

站等，由于其运营成本很高以及交流线路输送能力偏低等原因使采用交流互联方

案在经济和技术上均难以满足要求，利用轻型直流输电与主网实现互联是充分利

用可再生能源的最佳方式，有利于保护环境。

（5）不同额定频率或相同额定频率的交流系统间的非同步运行

模块化结构及电缆线路使轻型直流输电对场地及环境的要求大为降低，换流

站的投资大大下降，因此可根据供电技术要求选择最理想的接入系统位置。

（6）直流环网供电

环网比辐射网及链式网的供电可靠性都高。多个VSC换流器容易构成并联多

端供电的直流环网，从而提高直流输电的可靠性和灵活性。

（7）提高配电网电能质量

非线性负荷和冲击性负荷使配电网产生电能质量问题，如谐波污染、电压间

断、电压凹陷突起以及波形闪变等问题，使一些敏感设备如工业过程控制装置、

现代化办公设备、电子安全系统等失灵，造成很大的经济损失，轻型直流输电可

分别快速控制有功/无功的能力并能够保持电压基本不变，使电压、电流满足电

能质量标准要求，将是未来改善配网电能质量的有效措施。

1.4本文研究内容

由于风电场多建在偏远地区和沿海近海地带，所以风电的传输和并网问题直

接影响着对风能的开发利用效率。而轻型高压直流（VSC-HVDC）技术正是可以很

好地符合风力发电的特点并完成输送风电到电网的输电方式。除具有常规HVDC

的优点外，VSC-HVDC还可直接向小型孤立的远距离负荷供电，更经济地向市中心

送电，方便地连接分散电源，运行控制方式灵活多变，可减少输电线路电压降落

和电压闪变，进一步提高电能质量等。因此研究风电场通过VSC-HVDC并网具有很

重要的理论和现实意义。本文主要研究工作包括：

（1）研究了VSC-HVDC在连续时间状态空间下的数学模型。首先根据瞬时功

率平衡原理建立了VSC-HVDC在dq两轴同步旋转坐标系下的数学模型；其次通

过前馈补偿方法消除了两轴之间的耦合。

（2）利用多时间尺度系统理论对VSC-HVDC模型进行了简化，分解出快慢子

系统，并利用状态反馈，推导出基于多尺度模型的非线性输出反馈控制策略，利

用MATLAB进行了仿真分析，验证了模型的正确性。

（3）提出了向有源系统供电时VSC-HVDC的线性解耦控制策略，然后在

MATLAB/Simulink软件下搭建了仿真模型，利用所设计的控制器来控制触发，对

两端均接有源网络供电的系统进行仿真，并对结果进行分析。

第2章VSC-HVDC的结构与原理

2.1电压源型换流器的基本结构及运行控制

随着大功率、高频率的可关断器件IGBT的出现，1990年加拿大McGill大

学的Ooi等提出了用脉宽调制（PWM）控制的电压源型换流器（VSC）进行高压直

流输电（HVDC）的概念。基于VSC的直流输电（VSC-HVDC）系统可独立调节有功

和无功功率并且实现四象限运行、可以向无源网络供电，克服了传统HVDC的本

质缺陷，并且具有联网非同步运行的独立电网、方便构成多端直流系统、不需要

交流侧提供无功功率并能够起到STATCOM的作用、不会增加系统的短路容量、可

以便捷高效地连接风能、太阳能等距离偏远、地理分散的可再生能源或“绿色”

能源等优点。VSC-HVDC把HVDC的优势扩展到配电网，极大地拓宽了HVDC的应用

范围，具有广阔的应用前景。

2.1.1电压源型换流器的基本结构

三相桥式电压源换流器的基本结构图如下：

图2-1VSC的原理图

换流器的各桥臂由全控型半导体器件（GTO、IGBT等）和一个反并联的续流

二极管组成。直流侧并联电容那个气以保持一定的直流侧电压。从直流电容侧来

看，各相上下桥臂的开关状态互为相反，不会出现短路状态。如果将直流电压的

中点假设为电位参考点，那么换流器在一个周期内存在6种动作状态，每相的桥

臂的导电角度为180各相开始带点的角度依次相差120。总之，按开关状态来组

合共有8种组合，除去上桥臂全开或下桥臂全开两种状态后，共有6中状态。通过

这种开关的动作切换，交流侧线电压就产生了每隔半个周期中有120有幅值为

d

u电压波形。

根据运行原理，换流器可以分为两大类：第一类需要交流系统提供换相电压

（传统的换流器即属此类）；第二类不需要交流系统支持换相而被称为“自换相

换流器”。自换相换流器克服了传统换流器的许多缺点，有着传统换流器所无可

比拟的优势。按照直流电路的设计，自换相换流器可进一步分为电流源型换流器

（CSC）和电压型换流器（VSC）而这的根本区别在于：（1）CSC在换流变压器没

相二次侧绕组与换流桥之间以串联电容连接，而VSC中电容（称为换相电容器）

连接在换流桥直流桥正负极之间；（2）给予CSC的HVDC潮流反转是有系统的直流

电压极性反转实现的，而VSC-HVDC潮流反转由系统的直流电流方向反转实现。图

2-1为一个VSC（可以使整流器也可以使逆变器）的示意图。VSC主要由换流变压

器、换流桥和换相电容等元件构成。在有些VSC-HVDC中，也可以不用换流变压器，

而用电抗器即可。换流桥的桥阀由几十乃至数百个有自关断能力的绝缘栅双极晶

体管（IGBT）或门关断晶体管（GTO）等全控型器件串联组成，以达到所需要的

功率额定值，这些器件开关速度快、频率高，且可以工作在无源逆变方式；每个

阀都有方向并联连接的二极管，其是负载向直流侧反馈能量的通道并使负载电流

连续换相电容的作用是为换流器提供电压支持、缓冲桥臂关断时的冲击电流和减

少直流侧谐波并储存能量以控制潮流。此外，在换流器的一次侧（或换流电抗器）

交流母线处还接有高通滤波器以滤除交流侧谐波。

VSC-HVDC系统的主要构成部分包括VSC和高压直流电路。目前，对一个12脉

冲双极花牛气单元，VSC-HVDC系统的额定功率达到200MW，直流电流超过700A。

2.1.2电压源型换流器的运行机理

其工作原理是：工频正弦波控制信号

c

u经与三角波载波信号

tri

u比较产生触

发信号

i

u，见图2-2

图2-2由IGBT构成的VSC换流器单相图

当2+被触发导通后，输出电压/2

od

uU；当2被触发导通后，/2

od

uU，

由于2+和2-不同时触发导通，所以

o

u只有/2

d

U两种数值。经换流电抗器和滤

波器滤除

o

u中的高次谐波分量后，交流母线上可得到与

c

u波形相同的工频正弦

波电压

s

u。其中，

tri

u决定开关的动作频率，

c

u决定输出电压

o

u的相位和幅值。

改变

c

u的相位，即改变

o

u与

s

u的相位关系，可改变有功功率的大小和方向；

改变

c

u的幅值，即改变

o

u与

s

u的数值关系，可改变无功功率的大小和极性（感

性或容性）。因此，VSC换流器可单独调节有功功率和无功功率。

图2-3VSC波形图

有功功率的计算公式为：

sinso

UU

P

X



(2-1)

无功功率的计算公式为：

(cos)

sso

UUU

Q

X





(2-2)

式中

o

U、

s

U分别为VSC输出电压

o

u和母线电压基频分量的有效值，



为

o

u与

s

u的相位差，X为换流电抗器的电抗。

由式（1）可知，当



时，0P，VSC从交流系统吸收有功功率而运行于

整流器状态；当



时，P，VSC向交流系统送出有功功率而运行于逆变变

压器状态。由此可知通过偶那个值

s

U与

o

U之间的相角



即可控制有功的方向和

大小（与交流系统中有功功率的控制类似）。

由式（2）可知，系统中无功功率的传输方向有（cos

so

UU）决定，当

(cos

so

UU时，Q0，VSC发出无功功率，而相当于无功补偿装置；当

(cos

so

UU时，Q0，VSC吸收无功功率。因此，通过控制

o

U的模值就可

以控制VSC吸收或发出无功功率及其大小。可见，VSC不仅可以提高系统的功率

因数，而且还能起到静止同步补偿器的作用，从而稳定交流母线电压。

2.1.3常规控制策略

在VSC-HVDC中，换流站主要有三种控制方式：①定直流电压控制，用来控

制直流输电电压和输送到交流侧的无功功率；②定直流电流（或功率）控制，用

来控制直流侧的电流（或功率）和输送到交流侧的无功；③定交流电压控制，仅

控制交流系统母线电压。其中控制方式①、②适合用于向有源网络供电，方式③

适用于向无源网络供电。在VSC-HVDC中，至少有一端采用定直流电压控制，其

他的控制方式则根据实际的要求选择合适的控制策略。

2.2HVDC直流输电系统简介

发电厂产生的电是交流电（AC）；大多数输电线路——无论是高压、中压

还是低压配电网，传输的都是以每秒50或60个周期进行振荡的交流电；而最

终到达用户端，即家庭、工厂和办公室的也是交流电。

直流电不产生振荡，因此直流输电的电能损失较少。在直流输电系统中，

交流电在换流站被转换为直流电，然后通过架空线缆传输至接收点。在接收点，

另一个换流站将直流电转换为交流电并接入交流电网。

ABB在1954年建成了世界上第一条HVDC输电线路，并承建了全球一半以上

的HVDC项目。1997年，ABB建成了首条HVDCLight（轻型高压直流）输电线

路。该技术一般采用地下或水下线路输电，它的出现为改善交流电网的供电质量

提供了新的可能。

2.2.1基于电压源型换流站的直流输电系统(VSC-HVDC)

基于电压源型换流站技术是轻型直流输电系统广泛采用的换流站技术，其典

型的基于电压源型换流站直流输电系统结构如图2-2所示，VSCHVDC两侧换流站

采用电压源型换流器，直流侧并联大电容，起到为换流器提供电压支撑、缓冲桥

臂关断时冲击电流、减小直流侧谐波的作用。换流器中1GBT上并联反向二极管，

除了作为主回路以外，还起到保护和续流的作用。两端换流站均采用VSC结构，

由换流站，换流变压器、换流电抗器、直流电容器和交流滤波器等部分组成。

图2-4典型的电压源型直流输电系统

(1)换流站

电压源换流器的桥臂由大功率可关断型电力电子器件(如GTO、IGBT、或IGCT

和反并联的二极管组成。目前，随着大功率电力电子器件的发展，IGBT的耐受电

压已达到6.5kV、通断电流最大达到3kA，而IGCT能承受的断态重复峰值电压达到

6kV，最大可控关断电流达3～6kA，这些为大功率电压源型换流器技术的发展奠

定了基础。在电压源型直流输电工程中，主要采用三相二电平和三相三电平两种

换流器拓扑结构，其结构如图2-5所示。

图2-5电压源型换流器

图2-5(a)所示为两电平拓扑结构，是最简单的电压源型换流器结构，包含六

个桥臂，每个桥臂由IGBT和与之反向并联的二极管组成。图2-5(b)所示为中点钳

位式三电平换流器拓扑结构，适用于高压、大容量功率的输送。由图可知，在三

电平换流器中，每一桥臂均由4个阀组成，并通过两个二极管与直流电容的中点

电位相连接。与两电平换流器由两个电压水平构成不同，三电平换流器的交流端

输出电压由三个电水平构成，因此，与两电平换流器相比，三电平换流器输出交

流电压的总谐波畸变率低，输出波形质量好。

当然，换流器也有其它更多电平的拓扑结构，但是由于多电平换流器设计复

杂，可靠性差，在电压源型直流输电系统中一般不采用。

(2)换流变压器

图2-4所示的系统采用三相三绕组变压器作为换流变压器。事实上，电压源

型直流输电系统既可以采用常规的单相变压器，也可以采用三相变压器。一般来

说，与交流系统侧连接的变压器一次绕组采用星形接法，而靠近换流器侧的变压

器二次绕组采用三角形接法。如果采用三相三绕组变压器，其二次绕组和三次绕

组将分别与两个换流器连接，其中一个为星形接法，另一个为三角形接法，而一

次侧仍然为星形接法。换流变压器的主要作用在于将系统交流电压变换到与换流

器直流侧电压相匹配的二次侧电压，以确保开关的调制度不至于过小，以减小输

出电压和电流的谐波量，进而减小交流滤波装置的容量。

(3)换流电抗器

换流电抗器是电压源型换流器与交流系统之间传输功率的纽带，决定着换流

器的功率输送能力和有功功率与无功功率的控制；同时，换流电抗器能抑制换流

器输出的电流和电压中的开关频率谐波量，以获得期望的基波电流和基波电压。

另外，换流电抗器还能抑制系统的短路电流。

(4)直流侧电容

直流侧电容是电压源型换流器直流侧的储能元件，既可以缓冲桥臂开断的冲

击电流、减小直流侧的电压谐波，并为受端换流站提供电压支撑。同时直流侧电

容的大小还决定了其抑制直流电压波动的能力，也会影响控制器的响应性能。

换流电抗和直流侧电容是电压源换流器的两个重要参数，这两个参数的设计

影响着换流器的动态特性和静态特性，制约着换流器的输出功率，功率因数以及

直流电压。因此必须统一优化设计。

(5)交流滤波器

由于电压源型直流输电系统采用PWM技术，在较高的开关频率下，VSC交流侧

和直流侧都会产生高次谐波，通过改进或优化PWM波形的方法可以提高最低谐波

的次数，但不能完全消除高次谐波。实际系统中还需在以下三个位置装设滤波器，

如下图所示：

图2-6VSC-HVDC直流输电系统滤波器

VSC换流桥与换流变压器之间安装低通滤波器，可采用图2-6(a)所示的低通

滤波器(LFP)，它可以滤除VSC产生的高次谐波，以使换流变压器免受这些高次谐

波的不良影响。VSC直流侧与直流线路之间安装图2-6(b)所示的单调谐波滤波器，

滤除VSC-HVDC在不对称运行时直流侧电压上产生的二次谐波，或者还安装2-6(c)

所示的二阶高通滤波器，滤除VSC开关频率及其以上的谐波，安装在直流侧的滤

波器可以统称为直流滤波器(DCF)，由于直流侧安装了滤波器，对直流线路或直

流电缆抗谐波性能的要求就可降低，可降低VSC-HVDC工程造价。

VSC换流变压器与所联交流系统之间安装2-6(b)或2-6(c)所示的滤波器

(ACF)，以消除VSC产生的高频谐波所联交流系统的不良影响。

2.2.2CSC-HVDC与VSC-HVDC混合连接

基于电流源换流器的高压直流输电（CSC-HVDC）已经得到了广泛的应用，但

它有缺点，例如吸收大量无功，以及容易发生换相失败等，同CSC-HV微信黑名单怎么看 DC相比，

VSC-HVDC可以独立控制有功和无功，无换相失败之弊，同时适合于向较弱的交流

系统供电，但VSC-HVDC也有缺点，同CSC-HVDC系统相比较，其直流故障影响较为

严重，一般而言，全控器件的过流能力较差，发生直流接地短路故障时，其整流

站完全等效为一个二极管桥，电容则被完全短路，这样会造成严重后果，所以VSC-

HVDC往往采用背靠背的方式，或者采用埋地直流电缆取代架空线；另一方面，目

前VSCHVDC系统损耗比起CSC-HVDC要大，且直流电压要增加额外的控制，所以在

应用中，可以考虑为CSC同VSC混合连接的方式进行供电。这里总结出三种方式：

(1)整流侧采用CSC，逆变侧采用VSC型

这种方式特别适合于逆变侧电压需要得到控制的场合，VSC本身的优点就是

换流站输出交流电压能够有效控制，在这种方式下，整流侧直流电压不需要添加

额外控制，如图2-7。该方式在工业驱动上获得广泛应用，但是CSC串连的平波电

抗器和VSC并联的电容之间容易发生谐振，引起功率振荡。

图2-7整流侧采用CSC，逆变侧采用VSC型系统连接结构

(2)CSC与VSC的串连或者并联使用

CSC与VSC的串连方式图2-8，逆变侧CSC换相失败故障时容易引起直流过压，

CSC本身加载的电流控制环往难于控制直流过压。

图2-8CSC与VSC的串连结构图

CSC与VSC的并联方式如图2-9，这是一种较为经济的连接方式，利用了

CSC-HVDC传输的高可靠性，在大容量功率传输场合下增加了经济性，同时并联的

VSC能够提供类似STATCOM的性能。非常适用于整流侧电压和无功需要控制的场

合，如整流侧连接风力发电且输送容量较大时(如超过500MW)，这种情况下如果

直接采用VSC-HVDC进行传输成本较高。

图2-9CSC与VSC的并联结构图

(3)CSC与VSC构成双极性混合连接方式

CSC与VSC双极性一种较好的方式，因为VSCHVDC提供了交流电压的快速控

制，可以减少CSC换相失败的危险，同时也可以给CSC提供无功。且不会有LC谐振

的危险。

图2-10CSC与VSC构成双极性混合连接方式

2.2.3VSC-HVDC输电系统物理模型

实际的有中间电缆传输的两端HVDCLight输电系统的简化物理模型如图

2-11，VSC换流器可简化为一比例放大器，换流电抗器L1和L2是VSC与交流侧能量

交换的纽带同时也起到滤波的作用，R1和R2为两侧换流电抗器和换流器的等效损

耗，直流侧电容器C1和C2为换流器提供电压支撑、缓冲桥臂关断时的冲击电流、

减小直流侧谐波，交流滤波器作用是滤去交流侧谐波；Zs1、Zs2为交流网络的等

效阻抗；直流线路用阻抗Rd和感抗Ld等效；AC滤波器等效容抗为Xc1、Xc2。

图2-11两端VSC-HVDC输电系统的简化物理模型

由于VSC-HVDC系统的整流和逆变站采用完全相同VSC换流站结构，因此，每

个VSC换流站的物理模型均可如图2-11中虚线框内部分表示。

2.3轻型直流输电系统的控制策略研究

电压源换流器采用GTO或IGBT等全控型的大功率开关元件，其控制方法与基

于半控晶闸管的传统线换向换流器有很大的差异。PWM-VSC换流器在直流电压恒

定时，PWM的调制度M决定VSC输出基波电压的幅值，而正弦给定的相位决定VSC

输出电压的相位。由于正弦给定信号的调制度和相位可以独立调节，可以实现在

同一电压源换流器中既能调节交流端母线基波电压幅值同时又能调节电压相位。

由于VSC吸收或发出的有功和无功的大小和方向取决于VSC交流输出端基波电压

的调制度和相位，因此通过控制PWM的调制度和给定正弦信号相位就可以实现有

功和无功相互独立的调节。

2.3.1VSC-HVDC系统有功的控制

系统启动时，两个换流站可以分别通电。由于交流断路器闭合，通过反并联

二极管向直流母线充电。当向栅极驱动单元充电时，两站中的换流器可以通过直

流侧的开关来接通。将要接通的第一个换流器控制直流电压。一旦当另一个换流

器接通时既开始传输有功功率。

在正常运行方式中，每个站各自控制其无功潮流。但是进入直流电网的有功

必须保持平衡。这意味着离开VSCHVDC系统的有功功率必须等于逆变侧交流电网

接收的有功功率减去VSCHVDC系统的换流损耗及线路损耗，出现任何差值将会因

此系统直流电压的迅速增加或减少。为了实现功率平衡，由其中一个站来控制直

流电压，这意味着另一个站可以在系统设定的范围内，任意整定有功功率，而控

制电压的那个站可以通过调整其功率信号来保证其平衡(即获得恒定的直流压)。

站与站之间可以在没有通讯的情况下实现功率平衡宋王 ，而只是测量直流电压即可。

由于在日本忍者 稳态运行时，变压器损耗电阻和VSC换流损耗可以忽略不计，可以得

到:

111scd

PPP(2-3)

222scd

PPP(2-4)

并且有：

12ddd

III(2-5)

所以：

12112212

()

ssddddddddd

PPPUIUIUUIUI(2-6)

其中

1s

P为VSC1所联交流系统的有功，

1c

P为VSC1向交流系统输送的有功，

1d

P

为VSC1直流测功率，

1d

I为VSC1侧直流电流；

2s

P为VSC2所联交流系统的有功，

2c

P

为VSC2向交流系统输送的有功，

2d

P为VSC2直流测功率，

2d

I为VSC2侧直流电流；

由式(2-8)可以看出，若直流电流恒定，则直流电压变化量

dc

U正比于传输

有功的变化量

s

P，则定直流电压控制和定有功控制将是等效的；同理，当某端

采用定直流电压来控制有功功率时，则直流线路中的直流电流变化量将正比于另

一端有功的变化量，因此另一端可以用定直流电流来控制有功，直流电流的设定

值正比于有功的设定值。这样VSCHVDC系统的一端采用定直流电压控制，另一端

采用定直流电流控制，可以分别通过实时检测各自控制端直流电压和直流电流，

对偏差量进行相应的控制，即可实现两端交流系统之间传输定直流控制端制定的

有功功率，不再需要换流站的通讯联络，有利于提高远距离高压直流输电的运行

可靠性，也是VSC-HVDC优于传统HVDC的一个方面。

2.3.2VSC-HVDC系统无功的控制

当VSC-HVDC系统互联两交流有源网络时，其两端无功的控制，可根据各端所

联交流有源网络对各自无功的需求，分别由各端VSC独立进行控制，也可采用定

无功的控制方法；对于向无源网络供电的VSC-HVDC系统，根据逆变端的实际需要

(一般要求逆变端交流母线的电压幅值保持恒定)，可以通过设定VSC与交流系统

链接处母线的交流电压幅值来调节无功需求量，以使其所联交流母线的电压维持

恒定，即采用定交流电压的控制方法。

若VSC-HVDC的一端工作在整流状态，另一端工作在逆变状态，即可将整流侧

交流系统的有功经高压直流线路输送到逆变侧的交流系统中。同时，若两端VSC

还可以给予一定的无功补偿则可对各端交流系统的电压给与一定的支持，达到提

高电压质量的目的。若两端VSC都不传送无功，只起到调节两端各自无功的作用，

则各端VSC仅对所联交流网络起到STATCOM的作用，目的仅在提高所联交流系统的

电压质量。

2.3.3VSC-HVDC系统的基本控制方式

VSC-HVDC系统与互联交流系统之间的相互作用主要体现在稳态物理量之间

的关系，因此只要研究VSCHVDC两端的控制策略。首先通过对VSC输出相电压的

基波分量进行分析，确定VSCHVDC的控制量与被控制量，以此为基础从理论上建

立VSCHVDC系统的基本控制模式及控制方法。

基于以上分析，并结合实际工程经验，目前HVDCLight系统主要采用以下五

种控制方式：

(1)定直流电压控制控制的基本方法是：利用直流电压变化量去调节VSC交

流输出端电压与所联交流系统电压之间的相位差，以使被控直流电压达到其设定

值。

(2)定直流电流控制控制的基本方法使：利用直流电流的变化量去调节VSC

交流输出端电压与所联交流系统电压之间的相位差，以使被控直流电流达到设定

值。

(3)定有功功率控制控制的基本方法是：利用VSC传送的有功功率的变化量去

调节VSC交流输出端电压与所联交流系统电压之间的相位差，以使被控VSC传送有

功功率达到其设定值。

(4)定无功功率控制控制的基本方法是：利用VSC吸收或发送的无功功率的变

化量去调节VSC交流输出端电压的幅值，以使被控VSC吸收或传送无功功率达到其

设定值。

(5)定交流电压控制控制基本方法是：利用VSC所联交流母线电压幅值的变化

量去调节VSC交流输出端电压的幅值，以使被控交流母线电压幅值达到其设定值。

以上五种控制策略，(1)(2)(3)是通过调节VSC交流输出端电压与所联交流系

统电压之间的相位差来实现的，(4)(5)是通过调节VSC交流输出端的幅值来实现，

且这两种调节是同时进行和相互独立的。因此VSCHVDC控制方案选择的原则是：

每端VSC都具有两种基本控制策略，首先有一端必须采用(1)定直流电压控制，另

一端则可从(2)、(3)中任选一种，其次每端VSC再从(4)(5)中任选一种。本文所

涉及的仿真主要采用(1)、(3)、(4)、(5)这四种控制方式。

两端直流系统中，换流站可以进行遥控，并可以通过两个站中的任何一个站

进行监控，或者从另外一个遥控点通过通讯线进行监控。在正常运行方式中，每

个站都不受另一个站的影响而独立地各自控制其无功潮流，但是直流电网的有功

潮流必须保持平衡，也就是离开电网的有功潮流必须等于电网所接收的有功功率

减去直流系统中的损耗，否则会引起系统直流电压的迅速升高或降低。因此，为

了实现功率平衡，两个换流站中必须有一个作为直流电压调节器(DCVoltage

Regulator)来调节直流电压，而另一个作为功率调节器(Powerdispatcher)用于

控制系统中传输的有功功率为定值(这两者都既可以是整流端，也可以是逆变

端)。直流电压调节器可以调整其功率信号来保证系统的功率平衡(即获得恒定的

直流电压。站与站之间可以在没有通信的情况下实现平衡，而只需测量直流电压

即可。同理，在多端直流系统中，至少要有一个换流站作为直流电压调节器，而

其它的换流站可以作为功率调节器运行。

第3章VSC-HVDC数学模型的建立

3.1主电路模型

当VSC-HVDC联结2个有源系统时，一侧的换流器要作为电压控制器维持直

流电压的稳定；另一侧的换流器作为功率控制器调节2个有源系统之间功率的

传送，原理图如3-1：

图3-1VSC-HVDC的基本结构图

sinsc

UU

P

X

(3-1)

(cos)

ssc

UUU

Q

X



(3-2)

对VSC1有：

111

1

1

11

111

1

1

11

111

1

1

11

asaca

a

bbcb

b

csccc

c

diUU

R

i

dtLL

diUU

R

i

dtLL

diUU

R

i

dtLL













(3-3)

进行dq变换：

11

11

11

111

1111

.sdqcdq

sabccabc

abcabcdq

UU

UU

RR

PiPiPi

LLLL





(3-4)

其中

1abc

Pi

由

11abcdq

Pii

两边求导可得：

1

11111111abcabcdqabcdqabcdqdq

PiPiiPiiPiiPPi(3-5)

(1)若P为等功率坐标变换矩阵：

coscos(120)cos(120)

2

sinsin(120)sin(120)

3

111

222

P

























1

1

cossin

2

21

sinsin(120)

3

2

1

cos(120)sin(120)

2

P

































可得（5）式1

11111

0

0abcdqdqdqdq

w

PiiPPiii

w













代入（4）中：11

1

111

11

0

0

sdqcdq

dqdqdq

UU

w

R

iii

w

LL













即

111

1

11

11

111

1

11

11

dsdcd

dq

qsqcq

qd

diUU

R

iwi

dtLL

diUU

R

iwi

dtLL









(3-6)

1cd

U和

1cq

U

和直流电压

1dc

U间存在如下关系：

1

111

1

111

cos

2

sin

2

cddc

cqdc

M

UU

M

UU









(3-7)

整流器从交流侧系数的功率：

11111

11111

3

()

2

3

()

2

sddsqq

sdqsqd

PUiUi

QUiUi





(3-8)

注（8）式的推导：

1s

U

与q轴夹角为，

1s

U

与

1

i

夹角为

11

11

11

11

sin

cos

sin()

cos()

sds

sqs

d

q

UU

UU

ii

ii

















由此可得

1111

1111

1111

1111

.sinsin()

.coscos()

sincos()

coscos()

sdds

sqqs

sdqs

sqds

UiUi

UiUi

UiUi

UiUi

















化简得111111

111111

cos

sin

sddsqqs

sdqsqds

UiUiUi

UiUiUi









由

11

11

3

cos

2

3

sin

2

s

s

PUi

QUi









可得

1111

1111

3

()

2

3

()

2

sddsqq

sdqsqd

PUiUi

QUiUi





忽略换流器和变压器的损耗，VSC1从交流系统吸收的有功与VSC1输出的

直流功率相等，即：

1111dcdcdc

PPiU（3-9）

参照图3-1中电流方向，在VSC1直流侧有如下电流方程：

1

111

dc

dccc

du

iCi

dt



（3-10）

将（3-8）、（3-9）式代入（3-10）式中得：

11

1111

11111

3

3

22

sqq

dcsddcc

dcdc

Ui

duUii

dtCuCUC

（3-11）

（5）、（10）联立便得到VSC1的数学模型：

111

1

11

11

111

1

11

11

11

1111

11111

3

3

22

dsdcd

dq

qsqcq

qd

sqq

dcsddcc

dcdc

diUU

R

iwi

dtLL

diUU

R

iwi

dtLL

Ui

duUii

dtCUCUC











（3-12）

经Laplace变换得:

1111111

111111

1111

111

1

()

()

3()

2

dqsdc

qdsqcq

sqqsdd

dccc

dc

sLRiwLiUU

sLRiwLiUU

UiUi

CsUi

U









同理，可以得到逆变器VSC2的方程：

KVL：

222222abcabccabcsabc

LiRiUU

Park变换（“等功率”）：

222

2

22

22

222

2

22

22

dsdcd

dq

qcqsq

qd

diUU

R

iwi

dtLL

diUU

R

iwi

dtLL









KCL：2

222

dc

dccc

dU

Cii

dt



22222222

3

()

2sddsqqdcdcdc

PUiUiPUi代入KCL方程中得：

22

2222

22222

3

3

22

sqq

dcsddcc

dcdc

Ui

dUUii

dtCUCUC



由此可得逆变器VSC2的数学模型：

222

2

22

22

222

2

22

22

22

2222

22222

3

3

22

dcdsd

dq

qcqsq

qd

sqq

dcsddcc

dcdc

diUU

R

iwi

dtLL

diUU

R

iwi

dtLL

Ui

duUii

dtCUCUC











经Laplace变换得：

222222

2222222

2222

222

2

()

()

3()

2

dqcdsd

qdcqsq

sqqsdd

dccc

dc

sLRiwLiUU

sLRiwLiUU

UiUi

CsUi

U









3.2控制电路模型

1、连接有源系统时的控制策略

VSC1作为功率控制其，VSC2作为电压控制器。

有两种dq坐标系定位方式：

（1）所联交流系统母线电压基波相量

1s

U与q轴相同，

1

0

sd

U，

11sqs

UU

（2）所联交流系统母线电压基波相量

1s

U与d轴相同，

1

0

sq

U

，

11sds

UU

按第一种方式定位：

1s

U与q轴相同，

1

0

sd

U，

11sqs

UU

式（3-8）可化简为

111

111

3

2

3

2

sq

sd

PUi

QUi





3.2.1功率控制器

以VSC1为例

PI1:有功偏差

11

()

ref

PP通过PI1环节控制，产生q轴参考电流值；

q

K

:d轴电流参考值由无功参考值

1ref

Q

给定，因此

1

2

3q

s

K

u



PI2、PI3：将式（11）进行拉式变换，可得：

1111111

1111111

()

()

dqsdcd

qdsqcq

sLRiwLiUU

sLRiwLiUU





（3-13）

此处

1

11

0

sd

sqs

U

UU





令111

111

()

()

dd

qq

usLRi

usLRi





（3-14）

则：

1111111

11111111

dqsdcdqcd

qdsqcqdscq

uwLiUUwLiU

uwLiUUwLiUU





3.2.2电压控制器

忽略谐波分量时，换流器输出电压基波分量与直流电压

dc

U

之间，关系式为：

1

sin()

2ciidcii

uMuwt（i=1、2）

3.2.3锁相环PLL

锁相环的作用：保证dq系统与abc系统同步

（根据交流系统角频率w，以及交流电压的相位，产生一个同步信号，当

它与交流系统同步时，坐标系统被锁定，并与abc三相保持同步）

按第二种定位方式：

1s

U与d轴同相，

11sds

UU，

1

0

sq

U

则（3-8）式可化简为

111

111

3

2

3

2

sd

sq

PUi

QUi





因此功率控制器设计要改为：

PI2、PI3：（13）式与前同，而此处

11sds

UU，

1

0

sq

U

令111

111

()

()

dd

qq

usLRi

usLRi





则

11111111

1111111

dqsdcdqscd

qdsqcqdcq

uwLiUUwLiUU

uwLiUUwLiU





电压控制器和PLL锁相环与前相同

若以VSC1为电压控制器，VSC2为功率控制器，则:

功率控制器：

222

222

3

2

3

2

sdd

sdq

PUi

QUi





（

22sds

UU，

2

0

sq

U）

PI2、PI3：将（3-12）式进行那个拉氏变换：

2222222

2222222

()

()

dqcdsd

qdcqsq

sLRiwLiUU

sLRiwLiUU





则

2222

2222

dqcdsd

qdcqsq

uwLiUU

uwLiUU





其中22

2

0

ssd

sq

UU

U





电压控制器VSC1:

1dc

U

1

Q为控制目标

PI2参数：如前

111

()

dd

sLRiu，且

11111111dqsdcdqscd

uwLiUUwLiUU

PI3参数：如前

111

()

qq

sLRiu

，且

1111111qdsqcqdcq

uwLiUUwLiU

q

K

参数：

111

3

2sq

QUi则

11

1

2

3q

s

iQ

U

则

1

2

3q

s

K

U



第4章仿真模拟及分析

4.1VSC-HVDC控制器的设计

对于一个VSC-HVDC系统来说，首先必须保证一端的直流电压保持恒定，因

此必须有一端采用定直流电压控制，另一端采用定功率控制还是定交流电压控

制取决于所联交流系统是有源网络还还是无源网络。本文研究了两端均为有源

交流网络的VSC-HVDC系统,因此另一端采用定功率控制。

下面给出VSC-HVDC联结两个有源系统时的仿真模型，如图4-1所示，其

中整流侧VSC1采用定直流电压控制，逆变侧VSC2采用定有功功率控制。

图4-1联结两个有源系统时的仿真模型

对于一个VSC-HVDC系统来说首先必须保证其整流侧和逆变侧有功功率平

衡，因为当系统有功功率不平衡时会引起直流电压和直流电流的波动，影响系

统的稳定性。无功功率的变化对交流系统的电压有很大的影响，当VSC中无功

功率的整定值大于交流系统所能提供的无功功率值时，交流电压就会抬高。

4.1.1VSC1的数学模型

图4-2给出了VSC1的数学模型在MATLAB/Simulink中的具体形式。

图4-2VSC1的数学模型

主电路参数：

1

50fHz

1

()12.7Kv

s

u峰值

1

R0.5

1

0.0048LH

1

0.00047CF

1

100*/

i

wPrads

图4-2为VSC1的控制器数学模型在MATLAB/Simulink中的具体形式。

在本文中VSC1采用电压控制器。

图4-2VSC1电压控制器

VSC1控制电路的参数（直流电压

1dc

U，无功

1

Q）

PI1（PI-U）：[

up

K

ui

K]=[1.510]

PI2,PI3(PI-d,PI-q):[1

p

K1

i

K]=[0.15.5]

1

22

dcref

UKv0var

ref

Q

4.1.2VSC2的数学模型

图4-4给出了VSC2的数学模型在MATLAB/Simulink中的具体形式。

图4-4VSC2的数学模型

主电路参数：

2

50fHz

2

()12.7Kv

s

u峰值

2

R0.5

2

0.0048LH

2

0.00047CF

2

100*/

i

wPrads

图4-5为VSC2的控制器数学模型在MATLAB/Simulink中的具体形式。

在本文中VSC2采用功率控制器。

图4-5VSC2功率控制器

VSC2控制电路的参数（有功

2

P无功

2

Q）

PI1（PI-P）：[

pp

K

pi

K]=[0.111.1]

PI2,PI3(PI-d,PI-q):[2

p

K2

i

K]=[0.10.55]

6P1210

ref

w0var

ref

Q

4.2仿真结果与分析

4.2.1情况1：直流电压控制

图4-1分别为

1dc

U的

2dc

U的仿真波形

图4-2分别为

1

P和

2

P

的仿真波形

图4-3分别为I1d和I2d的仿真波形

图4-4分别为I1q和I2q的仿真波形

图4-5分别为Q1和Q2的仿真波形

由上述波形图可知，当VSC1的电压在0.4s从22kv上升到26kv时VSC2的电压也

跟随变化，

1

P虽然有波动，但是基本保持不变，

2

P

基本没变。I1、I2、Q1、Q2

同样没有太大的变化。

4.2.2情况2：有功功率控制

图4-6分别为Udc1和Udc2的仿真波形

图4-7分别为

1

P

和

2

P

的仿真波形

图4-8分别为I1d和I2d的仿真波形

图4-9分别为I1q和I2q的仿真波形

图4-10分别为Q1和Q2的仿真波形

由上述波形图可知，当

2

P

在1.2s由-12MW上升到-10MW时

1

P

也跟随变化，

Udc1、Udc2基本不变，I1d和I2d在1.2s时发生了明显的变化，而I1q、I2q、

Q1、Q2基本不受影响。

4.2.3结果分析

仿真结果显示采用该控制方法时，系统对电压和功率的变化都具有很快的响

应速度和很好的稳定性：当Udc1和P2发生变化时，Udc2和P1都能很快跟随变化，

分别调整时两侧换流器相互影响也很小。

经分析VSC-HVDC，通过对Id、Iq、P、Q的波形比较，有功和无功功率可以分

别由dq0坐标下的id和iq分量控制：由式（3-8）

111

111

3

2

3

2

sq

sd

PUi

QUi





可得，仿真结

果恰恰验证了这一结论：采用dq0坐标系的控制方案具有线性度高解耦的特点。

试验表明该方案控制效果良好所设计的控制器对于各种扰动都具有很快的响应

速度和很好的稳定性在各种不同的工作点都具有较高的稳定精度。

第5章结论与展望

5.1结论

大力发展以风电为代表的可再生能源，对促进我国的能源的开发利用、增加

能源的供应、改善能源结构、提高能源安全、环境保护、发展循环经济和实现经

济社会的可持续发展都发挥着重要的作用。风力发电的快速发展需要解决一系列

重大问题，本文对风力发电场的直流并网及其控制技术进行了深入的研究，通过

采用非线性控制原理，设计了VSC-HVDC的线性和非线性控制策略。为此，论文针

对该领域中几个关键性问题进行了研究，取得如下成果：

(1)建立了VSC-HVDC在连续时间状态空间下的数学模型。首先根据瞬时功

率平衡原理建立了VSC-HVDC在dq两轴同步旋转坐标系下的数学模型；其次通

过前馈补偿方法消除了两轴之间的耦合。

（3）利用多时间尺度系统理论对VSC-HVDC模型进行了简化，推导出基于多

尺度模型的非线性输出反馈控制策略，利用MATLAB进行了仿真分析，验证了模

型的正确性。

（4）提出了向有源系统和无源系统供电时VSC-HVDC的线性解耦控制策略，

然后在MATLAB/Simulink软件下搭建了仿真模型，利用所设计的控制器来控制触

发，对两端均接有源网络供电的系统进行仿真，最后也并给出两种不同故障情况

下的案例分析。

5.2展望

作为新一代的直流输电技术，VSC-HVDC输电系统以其独特的技术优势，在电

力系统中的应用前景受到了越来越多的关注。为了将该项输电技术在我国能够尽

快投入实际应用，在本文工作的基础上，还有许多问题需要深入细致的研究，主

要包括：

（1）设计VSC-HVDC的实验方案，做出硬件装置，并比较仿真结果与实验结

果是否一致。

（2）建立详细的风电场模型，并与VSC-HVDC综合仿真。

（3）进一步研究电网电压不对称条件下，VSC-HVDC的控制策略，消除二次

有功功率对直流系统的影响。

（4）利用专业的电力系统暂态仿真软件PSCAD/EMTDC对VSC-HVDC的换流站

的暂态特性进行细致地分析。

致谢

本论文能够顺利完成，首先我必须要感谢我的指导老师章心因，他对这篇论

文的构思、框架、理论运用甚至措词方面都给予了许多深入的指导意见；在仿真

方面，特别对我们这些以前没有接触过Matlab的同学来说，在全英文的环境下完

成仿真研究，是个不小的难题，章老师言传身教，对同学们提出的各种问题都很读书心得400字左右

细心的解释、示范，“授人以鱼，不如授人以渔”，章老师不仅仅只是指导我们完

成设计，而且还让我们获得了许多知识和技能，很是感动。章老师严谨求实的为

学态度，踏实勤奋的工作作风以及章老师的健谈与博识都得到了我们全组同学的

尊重。在与章老师的谈话中，我们也学到了很多书本上学不到的东西，特别在设

计期间，我对设计的态度不是很端正，有时并未能很好地完成任务，章老师的逆

耳忠言与悉心教导，都令我倍感惭愧。在此，郑重地向章老师致以深深的敬意！

“三人行，必有吾师焉”，有些路，有人陪伴才能顺利走下去。论文的完成

离不开同学的大力帮助，论文资料的搜集，英文翻译的修改，仿真模块的完善

都有他们的一份心。

参考文献

[1]李庚银,吕鹏飞,李广凯,等.轻型高压直流输电技术的发展与展望[J].

电力系统自动化,2003,27(4):77-81.

[2]张桂斌,徐政,王广柱.基于VSC的直流输电系统的稳态建模及其非线

性控制[J].中国电机工程学报,2002,22(1):17-22.

[3]梁海峰，李庚银，李广凯，等．向无源网络供电的VSC-HVDC系统仿真研

究[J]．电网技术，2005，29(8)：45-48

[4]常勇,徐政,郑玉平.大型风电场接入系统方式的仿真比较[J].电力系

统自动化2007,31(14)：70-75.

[5]郑超，周孝信，李若梅.电压源换流器式高压直流输电的动态建模与暂态

仿真[J].电网技术2005,29(16)：1-5

附录1：Park变换详解

设三相交流系统电压为

cos

cos(120)

cos(120)

am

bm

cm

uVwt

uVwt

uVwt







a

u、

b

u、

c

u是指ABC三相电压的瞬时值，

m

V是指相电压基波幅值。

cos

am

uVwtV





13

cos(120)cos120sin120

22bm

uVwtVVVV





13

cos(120)cos120sin120

22cm

uVwtVVVV





矩阵表达式为：

10

1/23/2

1/2

3/2

a

b

c

u

VV

uA

VV

u







































0

abc

uuu

现在要求的是如何找到一个矩阵P，使得：

a

b

c

u

V

Pu

V

u























（1）

公式（12）就是Clark变换，由静止的三相坐标变为静止的两坐标（三相变

两相）的过程，其中，系数为2/3时可保持变换前后电流空间矢量幅值不变；系

数为2/3时为正交变换，交换前后功率方程形式不变；其他系数无有效物理意

义。

11/21/2

2

3

03/23/2

P













或

11/21/2

2

3

03/23/2

P













由Clark变换推出Park变换，即由静止的两坐标系变为旋转的两坐标系：

cossin

sincos

dq

dq

uuu

uuu













（2）

它的矩阵表达式：

co方面面 ssin

sincos

d

q

u

u

u

u































由式（2）可以得到：

2

2

cossincoscos

sinsincossin

dq

dq

uuu

uuu













两式相加有：

cossin

d

uuu



（3）

由式（2）可以得到:

2

2

cossinsinsin

cossincoscos

dq

dq

uuu

uuu













两式相减有：

sincos

q

uuu



（4）

可得：

cossin

sincos

d

q

u

u

u

u































（5）

将式（1）代入式（5）中可得完整的Park变换公式：

coscos(120)cos(120)

2

3

sinsin(120)sin(120)

a

d

b

q

c

u

u

u

u

u

































从数学意义上讲，Park变换没有什么，只是一个坐标变换而已，从abc坐标

变换到dq0坐标，

a

u、

b

u、

c

u

a

i、

b

i、

c

i、磁链a、磁链b、磁链c，这些量都变换

到dq0坐标中，如果需要可逆变换回来。

从物理意义上讲，Park变换就是将

a

i、

b

i、

c

i电流投影，等效到d、q轴上，

讲定子上的电流都等效到直轴和交轴上。对于稳态来说，这么一等效之后，

d

i、

q

i正好就是一个常数了。

从观察者的角度来说，我们的观察点已经从定子转移到转子上去，我们不再

关心定子三个绕组所产生的旋转磁场，而是关心这个等效之后的直轴和交轴所产

生的旋转磁场了。