VSC-HVDC系统稳态工作原理分析

电压源换流器作为VSC-HVDC系统的换流器，是VSC-HVDC系统的核心，其基本的电路拓扑是两电平结构。关于电压源换流器的基本工作原理和等值电路请参考第2章，在控制系统作用下，电压源换流器交流侧电压的基波分量的幅值和相对于交流电源电压的相角均可独立连续调节。

在以下分析中，电压电流的参考方向见图中标示，其他参数定义如下：相角在逆时针超前时为正，有功功率在整流状态时为正，无功功率在容性时为正。

（1）VSC-HVDC系统的电路方程

设电压源换流器的直流侧电压稳定为U_dc，以交流电网电压为相位参考，则电压源换流器交流线电压的基波分量可表示如下：

式中，λ为PWM调制深度，δ为换流器输出电压相对于电网电压的相位角（δ角超前为正），k_c为与VSC电路拓扑和PWM调制方式有关的常数。

图4-6为VSC-HVDC系统的简化结构和等效电路。忽略串联电抗器和电压源换流器的损耗，交流电网与换流器交换的有功功率（整流为正）和无功功率（容性为正）分别为

式中，X为串联电抗器的基波电抗，X＝ωL。

设换流器直流侧输出功率为P_dc，并在时间段ΔT＝T₂-T₁内保持不变，则由于换流器交流侧功率P_ac的变化引起直流侧电容电压的增量为

直流输电电流由换流器两端直流电压和输电线路直流电阻决定：

由式（4-2）～式（4-5）可以得到如下结论：控制δ可以调节换流器交流侧有功功率，进而可以稳定直流电压。控制λ可以调节换流器输出交流电压的幅值，从而调节换流器的无功功率，进而可以稳定交流电源电压。实际上，δ对无功功率也有影响，而λ对有功功率也有影响，但下面分析将表明，这种影响是次要的。

图4-6 VSC-HVDC系统及其等效电路

a）VSC-HVDC系统原理简图 b）等效电路

忽略换流器的功率损耗，换流器的交流功率与直流功率是相等的，书中以下统一用P_c和Q_c来表示。

（2）电压源换流器的工作参数

以换流器的额定容量S_N和交流电网额定电压U_SN为基准，可得与式（4-3）相对应的标幺值表达式：

假设电源电压维持额定电压不变，即，则在和的限定条件下，可得式（4-7）所示的δ与的取值关系式，图4-7给出了相应的关系曲线，表4-3给出了不同X∗下换流器运行于特殊额定工作点时的δ和U_c∗值。从图4-7可以看出，控制角δ的最大值并不出现在有功功率最大的时候，这与图4-10的功率圆图是一致的。(www.xing528.com)

对式（4-7）进行分析，令

可得δ的最大取值范围如下式所示：

图4-7 不同X^∗下δ与U_c^∗的关系曲线（S_c∗＝1）

表4-3 δ和U_c∗随X∗的变化

注：表中λ值是在U_dcN＝2U_sN和k_c＝6/4条件下计算的。

上式表明，串联电抗器的电感越小，控制角δ的可调节范围越窄，对控制系统的要求越高。同时，令δ＝0，可得U_c^∗的最大变化范围如下式所示：

1-X^∗≤U_c^∗≤1＋X^∗ （4-9）

上式表明，串联电抗器的电感越大，逆变电压U_c∗的运行区间越宽，在交流电压不变的条件下要求直流电压越高，或在直流电压不变的情况下调制深度的调节范围越大。

综合式（4-2）和式（4-9），相应可得PWM调制深度λ的最大变化范围：

以上分析可以得出如下结论：

1）串联电抗器越大，则在额定有功功率运行时所需的控制角δ越大，在额定容性无功功率运行时所需的逆变输出电压越高。

2）串联电抗器的电抗率一般取0.15≤X^∗≤0.25，此时最大控制角δ_max＜14.5°，0.96＜cosδ≤1，-0.25≤sinδ≤0.25，0.75≤U_c^∗≤1.25，因此无功功率主要与PWM调制深度λ有关，而有功功率主要与控制角δ有关。

3）若VSC逆变电压u_c超前于电源电压u_s（即δ＞0），换流器工作于逆变器方式，有功潮流从直流侧流向交流侧（P_c＜0）；若VSC逆变电压u_c滞后于电源电压u_s（即δ＜0），换流器工作于整流器方式，有功潮流从交流侧流向直流侧（P_c＞0）。

4）若U_c＞U_s，换流器发出容性无功（Q_c＞0），若U_c＜U_s，则换流器吸收感性无功（Q_c＜0）。