不平衡电网电压下柔性直流输电系统功率滑模补偿策略
华中科技大学电气与电子工程学院强电磁工程与新技术国家重点实验室的研究人员刘子文、苗世洪等，在2018年第14期《电工技术学报》上撰文，针对柔性直流（VSC-HVDC）输电系统在交流电网电压不平衡情况下，功率产生2倍频波动分量的问题，首先通过分析不平衡电网电压下VSC换流器的数学模型，将引起系统2倍频功率波动的因素归结为电流因素分量和电压因素分量，推导并建立了不平衡电网电压下以系统2倍频功率为状态变量的控制方程；进而基于该控制方程提出了一种VSC-HVDC功率滑模变结构补偿策略，以同时抑制电流因素和电压因素引起的功率波动，以及VSC换流器输出电流的畸变，并提高了变工况状态下系统的动态响应性能。
将该补偿策略引入到VSC-HVDC原有矢量控制环节中，当交流电网电压不平衡时，该控制策略能够单独对其中的2倍频分量进行有效控制，可以在不影响正常状态运行的同时又能抑制2倍频功率波动分量。通过在PSCAD/EMTDC中搭建两端VSC-HVDC仿真模型，证明了该策略抑制不平衡电网电压下系统2倍频功率和平衡交流侧电流的有效性。
基于电压源换流器（Voltage Source Converter, VSC）的柔性直流（VSC Based High Voltage Direct Current, VSC-HVDC）输电技术由于卓越的可控性和灵活性，在大规模风电并网、电网互联、向无源负荷供电及城市配网增容等方面都有着广阔的应用前景，其理论研究和工程应用在国内外呈现快速发展的趋势[1-4]。
在常规VSC-HVDC控制策略的研究中，均假设交流电网电压是三相平衡的，这样一旦出现电网电压不平衡的情况（如电网电压和电路参数的不对称或不对称故障引起的电压跌落），VSC换流器将会处于非正常运行状态，电网中的负序分量会对系统造成很大危害，若不采取补偿措施，系统的有功和无功功率将出现2次谐波，会影响整个系统的稳定运行[5-8]，严重时可使换流装置发生故障保护，甚至烧坏换流装置。因此，如何抑制不平衡状态下功率的2倍频波动问题，保证系统的可靠运行成为一个亟需研究的课题。
针对电网电压不平衡的情况，文献[9,10]利用额外添加的有源滤波装置消除不对称分量，但增加了系统的投入成本。从改进换流器控制的角度抑制不平衡功率波动是当前研究的主流。现有文献对不平衡电网电压下VSC换流器进行数学模型分析和控制策略研究时，通常采用对称分量法将模型建立在正、反同步旋转坐标系中，继而采用不同的控制策略实现2倍频功率的抑制。
文献[11,12]在正、负序旋转坐标系下对换流器输出电流的正负序分量分别进行控制，但双旋转坐标系的应用增加了控制策略的复杂度。文献[13]在正序dq旋转坐标系下提出了一种基于谐振积分及谐振滤波的补偿控制策略，以消除直流系统的2倍频脉动，并降低不平衡运行对交流电流的影响，但该补偿环节无法实现对系统无功功率2倍频脉动的有效抑制。
文献[14]提出了一种功率谐振补偿控制，该策略在传统电网电压定向矢量控制中增加了功率补偿环节，该补偿环节采用在正向同步旋转坐标系中实施的比例谐振控制方案，可同时抑制换流器输出的有功和无功功率波动，但基于比例谐振控制的系统动态性能不足，缺乏变工况状态下稳定运行的能力。近年来也有文献在直接功率控制框架下对电网不平衡下的换流器控制进行研究。
文献[15]提出了一种不平衡电网下的改进直接功率控制，该策略采用一种新定义的瞬时无功功率，但需制定合理的有功和无功控制切换律来实现不平衡瞬时控制，增加了控制系统的复杂性。文献[16]采用直接功率预测算法实现不平衡电网电压下的脉宽调制（Pulse Width Modulation, PWM）整流器功率控制，但无法同时实现抑制输出电流畸变、有功功率波动和无功功率波动的目标。
近年来，滑模控制理论由于动态响应快、鲁棒性好等优点，被广泛应用在VSC控制器设计中。文献[17,18]将滑模控制理论引入到非正常电网电压下双馈风机的并网控制策略中以实现理想的有功和无功功率输出。文献[19-22]提出了基于滑模变结构理论的VSC换流器不平衡功率控制策略，但文中的滑模变结构控制并没有以消除换流器2倍频功率为目标，而是为提高系统鲁棒性取代传统的比例积分（Proportional Integral, PI）控制，且文中所应用的2倍频功率波动附加策略无法同时抑制输出负序电流、有功功率波动和无功功率波动。
本文采用改进VSC换流器控制结构的思路实现系统不对称状态下抑制2倍频功率波动的目标。首先通过对不平衡电网电压下系统数学模型进行分析，将系统的2倍频功率波动因素归结为电流因素分量和电压因素分量，推导并建立了不平衡电网电压下以2倍频功率为状态变量的系统控制方程；基于该控制方程，提出了一种VSC-HVDC功率滑模变结构补偿策略，实现不平衡状态下系统功率波动的抑制，并提高了变工况状态下系统的动态响应性能。
由于以2倍频功率为状态变量的微分方程表征引起功率波动的不平衡电流因素，因此该功率补偿策略亦可以抑制换流器输出电流的畸变。通过搭建上述策略的仿真模型，证明了本文所提控制策略可以同时抑制输出有功功率2倍频脉动、无功功率2倍频脉动和平衡交流侧电流的目的，并能明显提高系统的动态特性。
图1 电压源换流器VSC拓扑结构
本文针对不平衡电网电压下柔性直流输电系统功率出现2倍频波动的问题，通过分析VSC-HVDC在不平衡状态下的数学模型，将系统2倍频功率波动因素归结为电流因素分量和电压因素分量，推导并建立了不平衡电网电压下以系统2倍频功率为状态变量的控制方程。
基于该控制方程，提出了VSC-HVDC功率滑模变结构控制策略，以达到同时抑制输出有功功率2倍频脉动、无功功率2倍频脉动和平衡交流侧电流的目的。最后通过在PSCAD/ EMTDC中搭建仿真模型，证明了所提控制策略可以有效抑制不平衡下系统功率2倍频分量，并能明显提高系统的动态响应特性。