VSC-HVDC的四象限功率运行特性优化建议

VSC-HVDC系统的基本结构如图4-8所示，u_s、u_c分别为交流电网电压和VSC逆变输出的交流基波电压，令，’’，α＝arctan（X/R），由于串联电抗器及VSC等效损耗电阻R远远小于电抗X，因此以下分析中忽略损耗电阻R的影响。

图4-8 VSC-HVDC的基本结构

以交流电网电压作为参考相量，在换流站正常稳定运行时，各电压电流间的相量关系如下图所示。

图4-9 电压电流相量关系图

图中，为串联电抗器上的电压降。假设在稳定运行时交流电网电压恒定，通过控制VSC输出基波电压c的幅值和相角，可以改变换流器交流电流c的幅值及其相对于交流电网电压的相位φ，从而控制换流站与交流系统间传输的有功功率和无功功率的大小和方向。但是，在实际运行中，换流站与电网交换的功率往往受到换流器额定电流、直流电压和交流电网电压的限制。

（1）换流器额定电流的限制

首先，换流器输出的有功功率和无功功率受到VSC额定容量的限制：

式中，I_cN为换流器额定电流。在串联电抗器X一定时，控制换流器的调制深度λ和控制角δ，可使u_x沿以u_s终点为圆心，以XI_c为半径的圆形轨迹变化，或使u_c的运行范围被限定在该圆形区域内，相应地使i_c的运行区域为一个半径为I_c的圆形区域，换流器与交流系统间传输的有功功率和无功功率可在四象限运行，形成一个功率圆图，如图4-10所示。

图4-10 VSC的有功和无功的运行区域

由式（4-3）可知，在串联电抗器和交流电源电压一定的情况下，换流器与交流系统之间交换的最大无功功率还受到换流器最大可能输出的逆变电压幅值（或直流电压）的限制。由图4-10可知，当u_c与u_s同相时，i_c与u_s正交，VSC仅输出无功功率，u_c取最大最小值时，Q_c相应的达到正负最大值Q_max；当u_c与u_s存在相差δ时，VSC将与电网存在有功功率交换，δ接近正负最大值时，P_c相应的达到正负最大值P_max。

由式（4-3）可得(www.xing528.com)

即在理想状态下，换流器功率的运行区域为以（0，)为原点，以U_sU_c/X为半径的四象限圆，u_c的幅值确定了视在功率的大小，而u_e的相角决定了有功功率和无功功率的分配。

(2)交流电网电压的影响

换流器本身可看做是一个可控电流源，当交流电压在正常范围内波动时，其允许输出的最大工作电流是一定的。因此，当电网电压降低时，换流器最大输出功率相应减少，而当电网电压升高时，换流器最大输出功率也会相应增大，如图4-11所示。

图4-11 换流器的最大功率随交流电压的变化

（3）额定直流电压的限制

对于换流器而言，直流电压总是限定的，不能超过允许最大值。由式（4-2）可知，最高直流电压和最大调制深度相应地限定了换流器逆变输出电压U_c的幅度，进而限定了输出功率，如图4-12所示。

图4-12 直流电压限定条件下换流器的功率

（4）换流器输出无功功率的限制

在实际系统中，通常并不需要换流器仅仅以额定电流的幅值来输出无功功率，换流器无功设有一定限值。譬如，以换流器的额定容量为基准，若要求换流站整体能够提供容性无功功率的范围为0～1.0，而换流站的滤波器或补偿电容器的容量为0.5，则换流器本身输出的无功功率在-0.5～＋0.5即可，如图4-13所示。

考虑以上各种限定条件后，可得换流器的四象限功率运行区间，如图4-14中阴影所示，它是一个分别由换流器最大允许电流I_c.max、换流器允许最高直流电压U_dc.max和换流器输出最大无功功率±Q_c.max所确定的闭合区域。