关键词：柔性直流输电；虚拟同步电机；PR控制器

1 引言

随着资源的不断开发和利用，资源不断的在减少，合理的的利用资源成了当今的话题，在电力输电系统中，直流输电成为解决电能远距离、灵活、高效传输的可行方案[1] 。传统VSC在电力系统中的的控制方式主要有间接电流控制和矢量控制[2-3]；其中矢量控制方式响应速度快，便于实现有功和无功解耦，应用更为广泛。但该控制方式下换流站对外表现的惯性较小，系统动态特性与传统的同步发电机有明显不同。传统电力系统都是由同步发电机作为发电系统的主体，其自身阻尼和惯性对系统的稳定运行具有重要作用，同时，在励磁、调速器等控制环节的作用下，能够较方便地进行频率和电压调节。如何借助 VSC在电力系统中的的控制设计，使得其在电网动态情况下提供阻尼和惯性支撑，一种新的研究思路将换流站模拟成同步发电机，对外表现为同步发电机的特性，使其具有阻尼和惯性特性。虚拟同步电机(virtual synchronous machine，VSM)是一种能够真实等效常规同步电机惯性和阻尼特征的变流器控制技术[4-5]。并且换流站可以模拟同步发电机的转子的机械特性和定子的电气特性，使得变流器从运行机制及外特性上与同步发电机比拟。目前，该技术的应用研究主要集中在微电网[6]和风力发电[7]的逆变器等领域，且研究重点为逆变环节的控制[8-9]及其参数设计[10]。文献[11]将虚拟同步技术应用到VSC-HVDC 系统，但仅考虑了逆变侧的虚拟同步设计，而没有考虑整流侧换流站的同步化运行。文献[12]则将虚拟同步变流器模型应用到 VSC-HVDC 两端换流站，并给出变流器整流侧的参数计算方法和分析。为此，本文针对此方法，在VSC的基础上改进了基于虚拟同步电机技术的电流内环的控制模型及系统化参数设计方法，以期对 VSC整流侧的控制设计提供参考。

2 VSC换流器基于虚拟同步电机的控制系统的模型

2.1 VSC换流器在直流输电系统中的稳态数学模型

VSC系统由电压源型换流器构成如图1所示，包括电压源换流器、换流电抗器的等效电感L、等效损耗电阻R、直流滤波器和交流滤波器等。

对于电压源换流器，在稳态分析中普遍采用如下假设：电压源换流器的三相交流母线电压是对称的平衡的正弦波，且电气结构完全对称，在忽略换流器的损耗和谐波分量时交流系统和换流器之间的有功功率和无功功率为

图1整流侧的系统框图                             

2.2 基于VSC换流器的虚拟同步发电机的数学模型

2.3  VSC换流器的控制

2.3.2  无功电压调节

图2系统的控制框图

图3、PR控制框图

而图3中的PR控制系统框图只需将检测得到的三相交流电流变换到两相静止坐标系下，与给定信号的偏差量作为PR控制器的输入量，PR控制器的输出做为电压控制指令，该指令转换成三相交流指令后，被送入PWM调制单元生成 PWM信号送到VSC，从而控制功率器件的开断，产生实际所需的交流电压。及电压控制指令的坐标旋转变换，省去了耦合项和前馈补偿项，从而消除了电路参数和电网电压对系统控制的影响，减小了控制算法的实现难度，提高了系统鲁棒性[14]。

3 控制系统的参数设计

虚拟同步发电机的参数设计在整流侧的参数设计根据文献[12]参考设计其整流侧的转动惯量和阻尼系数及其整流侧电压外环的PI控制器参数。

PR控制即比例谐振控制，目前逐渐应用于有源滤波器、并网逆变器和不间断电源等。其传递函数及控制框图分别如下式。

控制框图如下：

图4 控制框图

PR控制器工作原理：在控制器传递函数的虚轴上加入两个关于实轴对称的闭环极点，形成该设计频率下的谐振， 同时在理论上可使该谐振点的增益趋近无穷大，从而对该频率下的指令信号进行无差跟踪[16]。因此，在VSC-HVDC 系统内环电流控制中，PR控制也显示了其优越性：将传统矢量控制下的有功和无功电流分量转换到静止坐标系下，利用PR控制进行调节，只须将PR控制的谐振频率设置为网侧电压基波角频率，就能实现对基波电流的无静差跟踪，比常用的PI控制方式更简单

在实际系统中，由于PR控制器的实现问题，一般采用更容易实现的准PR控制器，准PR控制器传递函数为

4 仿真分析

为验证本文理论分析和参数设计方法的正确性，在PSCAD/METDC中搭建单端型VSC-HVD整流侧系统进行仿真分析。按照上文所见的模型进行搭建，并且调试，整流侧采用直流电压和无功功率控制，当整流侧直流电压控制的P=145.8，I=0.01，J=1，D=30，P=1，R=3.141的时候的仿真输出的直流电压为如图4所示。

图4整流侧输出的直流电压

直流电压稳定时候基本达到要求的26kv,图中的Edc1为整流侧输出的直流电压的大小，Edc1-ref为指令值。

其中无功为如图5所示。

图5换流器端的无功大小

无功的大小基本满足可设定的要求。如图5所示根据文献求得的参数的基础上还学进一步的调试，才能达到要求。

5 结论

通过分析对同步发电机在VSC上的应用的深入分析，根据虚拟同步电机的二阶方程，设计了其整流侧的有功和无功控制，并且在PSCAD中搭建了其模型，并且进行了仿真，其参数方面，根据文献计算得到的参数还需进一步的调试验证，该方法相对于电压外环电流内环的控制相对算法简单一些，效果可以，具有一定的参考价值对于一些需要该方法仿真的学者。