（电力系统及其自动化专业论文）高压直流输电系统中非线性控制策略的研究.pdf

a p p l i c a t i o no f n o n l i n e a rc o n t r o lt h e o r e t i c i nh v d c s y s t e m m a j o r ：e l e c t r i cp o w e rs y s t e m a n di t sa u t o m a t i o n g r a d u a t e ：l i n g y u nc h e na d v i s o r ：x i n g y u a n l i i no u rc o u n t r y , t h ed i s t r i b u t i n go fr e s o u r c e sa n dl o a d si sa s y m m e t r i c a l w i t l l t h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r i cp o w e ri n d u s t r y , i ti sac h a l l e n g ef o rl o n gd i s t a n c e p o w e rt r a n s m i s s i o n “i n t e r c o r m e c t i o ni nt h ew h o l ec o u n t r y , t r a n s m i s s i o ne l e c t r i c p o w e r f r o mw e s tt oe a s ta n de x c h a n g ee l e c t r i cp o w e rb e t w e e ns o u t ha n dn o r t h i s t h ed e v e l o p m e n t a ls t r a t a g e mi nw h o l eg r i di nf u t u r e h i g hv o l t a g ed i r e c tc u r r e n t ( h v d c ) t r a n s m i s s i o ns y s t e m s ，w h i c h a l ef i tf o rt r a n s m i s s i o ne l e c t r i cp o w e ri nl o n g d i s t a n c ea n dl a r g ec a p a b i l i t y , c a nb ew i d e l y a p p l i e di no u rc o u n t r y h v d ci sh i g hc o n t r o l l a b l e t h ec o n t r o ls y s t e mi st h ec o r eo fd ct r a n s m i s s i o n s y s t e m t h ep e r f o r m a n c eo f i t sb a s i cc o n t r o l l e rd e c i d e st h eo p e r a t i o nc o n d i t i o f h v d c s y s t e m f o ri m p r o v i n g t h es y s t e ms t a b i l i t yi na c d cs y s t e m t h ea d d i t i o n a l c o n t r o l l e ri sv e r yi m p o r t a n t t h i sp a p e rf o c u s e so nt h ea p p l y i n go ft h en o n l i n e a r c o n t r o lt h e o r yi nh v d cc o n t r o ls y s t e m t h em a i nm e t h o di sf e 酣b a c kl i n e a l i z a t i o n i nt h en o n l i n e a rs y s t e m s ，c o m b i n e dw i t ht h ec o n t r o lt h e o r yi nl i n e a ls y s t e m n e w b a s i cc o n t r o l l e ra n da d d i t i o n a lc o n t r o l l e ra l ed e s i g n e di n t h i sp a p e r i nc h a p t e r4 ，ab a s i cc o n t r o l l e ro fh v d ci sd e s i g n e d f o rt h ev o l t a g e p r o b l e m a tt h ei n v e r t e r , t h i sp a p e r a d o p t st h ec o n s t a n tr e a c t i v ec u r r e n t c o n t r o la tt h ei n v e r t e r , w h i c hi sd i f f e r e n tf r o mt h et r a d i t i o n a lc o n t r 0 1m e t h o d 1 1 1 ec o n s t a n tr e a c t i v ec u r r e n t c o n t r o lc a na d j u s tr e a c t i v ep o w e rc o n s u m ea tt h ei n v e r t e ra n d i m p r o v et h ev o l t a g e s t a b i l i t y b a s e do nf e e d b a c kl i n e a r i z a t i o ni nt h en o n l i n e a rs y s t e m sa n d l d a b l e n s t r u c t u r ec o n t r o lt h e o r yi nt h el i n e a rs y s t e m ，o - n e wn o n l i n e a rb a s i cc o n t r o l l e ri s d e s i g n e d t h ee f f e c t i v e n e s sa n ds u p e r i o r i t i e so f n e wc o n t r o l l e rh a v eb e e nt e s t i f i e d t h r o u 曲s i m u l a t i o n i nc h a p t e r5 ，c o n s i d e r i n ga na c d cs y s t e mt h a ti n c l u d e st w od c l i n e s b a s e d o nf e e d b a c kl i n e a r i z a t i o ni nt h en o n ! t i n e a rs y s t e m sa n d l i n e a rq u a d r a t i co p t i m i z a t i o n c o n t r o lt h e o r yi nt h el i n e a rs y s t e m ，t w on e wn o n l i n e a ra d d i t i o n a lc o n t r o l l e r sa l e d e s i g n e di n t h es a m et i m e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o r nt h a tt h ec o n t r o l l e r sc a ni m p r o v e t h es t a b i l i t yo f a c d cs y s t e m k e y w o r d s ：h v d ct r a n s m i s s i o n ；b a s i c c o n t r o l ；a d d i t i o n a lc o n t r o l ；n o n l i n e a r ； f e e d b a c kl i n e a r i z a t i o n ；v a r i a b l e - - s t r u c t u r ee o n t r o | ；m u l t i - i n f e e dd c t r a n s m i s s i o ns y s t e m ；l i n e a rq u a d r a t i co p t i m i z a t i o nc o n t r o l i i i 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 3 ) 第一章绪论 1 1 前言 随着社会的发展，我国工农业用电负荷在稳步上升，但与此同时资源与负 荷的分布却很不均匀，在发电与用电之间存在着一定的矛盾。在我国，三分之 二以上的水力资源分布在西南地区，三分之二左右的煤炭资源则集中在山西和 内蒙地区；而负荷却主要分布在京广铁路以东，甚至偏于沿海；在广东省，一 些经济高速发展的城市的用电量已经可以赶超内陆地区一个省的用电量。资源 与负荷之间的这种矛盾分布为远距离输电技术带来了挑战。 今后十到二十年内，我国电网的发展战略是“全国联网、西电东送、南北 互供” 2 。对于输电距离上千公里、输送容量上千万千瓦的西电东送工程来 说，采用常规5 0 0 k v 交流输电技术已无能为力，它存在电网短路电流水平超限、 可能发生联络线功率低频振荡以及故障蔓延等难以解决的困难。目前，随着全 球对环境保护的日益重视，交流特高压技术的研究和开发在全球范围内早已处 于停顿状态，已很难再有发展；一因此，在未来二十年内，我国要进行西电东送 和全国联网，采用交流特高压技术进行没有现实性，高压直流输电( h v d c ) 将 在西电东送和全国联网中起主导作用。 本世纪5 0 年代汞弧阀和7 0 年代可控硅阀的相继投入、工业性运行以及直流 换流站建设投资的相对下降，极大地促进了直流输电技术在现代输电工程中的 实际应用，在向海岛送电、非同步联网及远距离夫功率送电等方面相继获得使 用。由于采用直流输电具有如下技术特点，故而可以很好地满足西电东送和全 国联网的要求 3 。 夺采用直流联网时直流线路的短路电流较小，基本不会增加交流系统的短 路容量。，二毫。 夺采用直流联网能从网络结构上根除产生低频振荡的可能。j 夺采用直流联网能从网络结构上隔断交流故障的传递，避薨翟旗障豹进一 步恶化。 。 。+ 囊 r 由此可见，由于直流输电本身的特点，在西电东送和全国联网中采用直流 输电技术具有很好的安全效益。 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 3 ) 从经济效益上来考虑，虽然建设直流换流站及直流断路器的费用高，但是 直流送电线路的建设费用低，对于大功率、远距离输电来说，直流输电是经济 合理的；据国外资料统计，目前采用架空线的直流输电的等价距离在6 0 0 9 0 0 k r a 之间，若直流输电采用电缆输送，其等价距离仅在5 0 9 0 k m 之间。对于输电距 离上千公里、输送容量上千万千瓦的西电东送工程，采用直流输电的经济效益 是显而易见的。 因此，我国近十年来不仅在直流输电工程方面的建设方面突飞猛进，今后 二十年内我国将出现很多条直流输电线路，由此形成的大规模交直流电力系统 在世界上也是罕见的；而有关研究直流输电控制系统的文献也层出不穷，各种 新型控制器的研究为我国的直流建设起到一定的参考作用。 直流输电技术也被认为是灵活交流输电系统( f a c t s ) 的一种，是因为其最 大的特点及优点即是直流输电系统是高度可控的，可以迅速调整有功功率。而 利用直流输电线的快速潮流控制能力可以改善交直流混合系统的静态和暂态稳 定性，是一种有效而经济的方法。 在高压直流输电系统中，其控制系统一般包括有基本控制和附加控制。基 本控制是必不可少的，以保证直流系统的运行：而采用附加控制的目的主要是 为了提高系统运行的动态性能。性能良好的控制器无疑会使控制系统更加稳定 可靠，国内外已有众多的学者在改善高压直流输电系统的控制器方面做了许多 研究，各种先进的控制理论也被引入直流系统控制器的设计中。如果能够通过 改善直流系统的控制器来实现提高系统的动态稳定性，从而节省各方面的投资， 是相当有益的。 1 2 国内外研究动态 正如前面提到的，直流输电系统是f a c t s 装置的一种，f a c t s 装置使电力系 统具有更加灵活的运行方式，同时也要求其控制器对这种灵活调控能力具有适 应性。直流输电系统的控制器不但可以保证直流系统的可靠运行，我们还可以 借助其可控性来改善交流系统的稳定性。自1 9 5 4 年建成第一条工业性的高压直 流输电线路以来，人们就对直流输电系统的控制方式和控制器的设计方法做了 大量的研究 4 5 。 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 3 ) 随着电力电子技术及微型计算机的发展，先进的控制方法在电力系统控制 中的应用研究已遍及了电力系统的所有领域，直流输电系统的控制也不例外。 文献 6 7 给出了一般f a c t s 装置的稳定控制策略，也为直流输电系统的新型 控制器提供了研究方向。目前，包括模糊控制、综合智能控制等在内的各种先 进的控制方法在直流输电的控制系统中的应用已经得到了深入的研究，其中非 线性控制因其自身的优越性，也得到了广泛的关注 8 9 ；近二十年来，人们 针对非线性系统控制理论在电力系统中的应用做了大量的研究。非线性控制按 方法主要分为：非线性系统反馈线性化方法、非线性变结构控制( 滑动模态控 制) 和非线性自适应控制等 1 0 。 夺非线性系统反馈线性化方法。反馈线性化方法是非线性系统控制理论中 的一种有效方法，包括基于微分几何理论的输入对状态反馈线性化、输入输出 线性化、直接反馈线性化方法和逆系统方法等。在电力系统非线性控制中，对 基于微分几何理论的反馈线性化方法的研究和应用很多 8 9 1 1 1 2 1 3 。 文献 1 4 应用输入对状态反馈线性化方法研究了h v d c 系统的非线性控制规律。 卢强等首先将微分几何方法用于h v d c 系统一阶仿射模型的非线性反馈线性化 控制器的设计中，并仿真证明了该方法的可行性和有效性。在文献 1 5 中，采 用h v d c 系统的三阶非仿射非线性控制模型，根据多变量控制的逆系统方法，设 计了基于非线性反馈线性化和线性二次型最优的组合控制器；而文献 1 6 则基 于同样的控制系统，设计了由非线性反馈线性化和满足一定极点配置要求的组 合换流控制器。由此可见。非线性反馈线性化方法在与其它成熟控制理论的结 合应用方面大有可为。 夺非线性变结构控制方法。变结构控制又可称为滑动模态控制，在电力系 统的非线性控制中很早就得到了应用，是一种有效的非线性控制方法，具有如 下一些优点：迅速的响应、良好的暂态性能、容易实现以及对系统参数和外部 扰动不敏感等。这种控制主要有两种形式：一种是在微分几何方法的基础上， 对线性系统采用线性变结构控制，这一类方法仍然需要用到非线性控制反馈规 律；另一种方法是在非线性系统模型上直接设计变结构控制规律。目前，这两 种形式的控制方法在电力系统中均有广泛的应用 1 7 2 5 ，其中文献 2 5 即 采用变结构控制理论设计了h v d c 系统中直流联络线的辅助变结构控制器。 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 3 ) 夺其它非线性控制方法。除了以上介绍的非线性控制方法外，非线性控制 方法中还有l y a p u n o v 直接控制方法、非线性自适应控制、非线性预测控制、非 线性p i d 控制和自抗扰控制等。其中非线性自适应控制方法也是一种得到广泛 关注的方法。自适应控制的目标是使控制系统对过程参数的变化，以及对未建 模部分的动态过程不敏感：当过程动态变化时，自适应控制系统试图感受这一 变化并适时地调节控制器参数或控制策略。自适应控制系统主要有两大类，即 自校正控制系统和模型参考自适应系统。自校正控制需要对参数进行适时辨识 并用估计参数代替真实的参数：模型参考自适应系统则是利用一个生成所期待 响应的模型作为参考模型并将其包括在控制策略中 2 6 。文献 2 8 2 9 即利用 了非线性自适应控制方法分别设计了多机电力系统的励磁控制器和p s s 控制 器，相信将自适应控制理论应用于高压直流系统控制器的设计上也是值得深入 探讨的一个课题。值得一提的是反馈线性化方法也可以应用于自适应控制器的 设计中。 综上可见，非线性反馈线性化方法是一种适用面较宽的控制理论，可以和 众多的现代控制理论相结合，从而获得令人满意的控制效果。 1 3 本文的主要工作 正如前面提到的，直流系统工作的正常与否取决于控制器的性能。直流系 统的基本控制器用以维持系统的正常工作，附加控制器则可以改善与之相联的 交流系统的稳定水平。本文侧重于研究非线性控制理论中的非线性系统反馈线 性化方法在直流控制系统中的应用，并结合线性系统的控制理论，设计了直流 系统中新型的基本控制器和附加控制器，期望能为实际工程中直流控制器的设 计提供一定的参考作用。 首先，在论文的第二章介绍了目前高压直流输电系统的控制原理。分别阐 述了直流系统中基本控制器和附加控制的原理及实现方式等方面的内容，为控 制器的具体设计提供一定的理论基础。第三章则是针对所要用到的非线性控制 理论中的基础知识进行选择性的介绍，对论文中用到的非线性控制理论中的符 号、公式及原理等做了简单的阐述，为下一步非线性控制器的设计起到铺垫作 用。 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 3 ) 本论文的核心内容为第四章和第五章的内容。在这一部分，分别针对直流 系统的基本控制系统和附加控制系统具体设计了两种新型的控制器。 在第四章中，针对仅包含一条直流送电线路的交直流混合系统进行基本控 制器的设计。在该直流系统的基本控制器中，弃用了传统的整流侧定直流电流、 逆变侧定熄弧角( 或定电压) 的控制方式，而改用整流侧定直流电流，逆变侧 定无功电流的控制方式，在此基础上采用状态反馈精确线性化方法与线性系统 的变结构控制理论相结合，求出该直流系统基本控制器的控制规律，并通过数 字仿真得出的结果图形证实了该新型控制器不仅能够改善直流系统的性能，并 能提高相联的交流系统的电压稳定性。 在第五章中，则考虑了含有两条直流输电线路的交直流混合输电系统，并 设计了直流系统的附加控制器。在这一部分，根据控制目标直接对全系统列写 状态方程，采用非线性系统的状态反馈精确线性化方法与线性最优控制理论相 结合，求出每一个直流系统的附加控制器的控制规律：同样通过仿真证明所设 计的直流系统附加控制器能够提高系统的暂态稳定性。 最后，在第六章中，总结了全文的研究成果，并展望了现代控制理论在直 流控制系统中的发展方向。 四川1 人学硕士学位论文( 2 0 0 3 ) 第二章高压直流输电系统的控制原理 2 1 引言 作为f a c t s 装置的一种，高压直流输电系统的最大特点是其高度可控性。 系统有效的运行依赖于这种可控性的正确应用，以保证其保持期望的性能。了 解高压直流输电控制系统的工作原理是正确设计控制器的前提，因此本章将对 高压直流输电控系统的控制原理及特性进行较为详细的阐述。 直流输电系统可以由如图2 1 所示的等值电路来表示。 r c ，l d r l d r dr dl dl d i r c i v d o ic o s b 图2 1 直流输电系统等值电路图 f i g ，21 t h ee q u i r a l e n tc ir c u i to fh v d ot r a n s f e rs y s t e m 图中，和分别为整流侧和逆变侧的直流电压：如和厶分别为整流侧 和逆变侧的直流电流；，和，分别为整流侧和逆变侧的理想空载直流电压； 7 1 震。，和r 。分别为整流侧和逆变侧的等效换相电阻，r 。= 二x 。，如= 三。， 7 兀 和x c i 分别为整流器和逆变器的换流电抗；l 。和k 分别为整流侧和逆变侧 平波电抗器的电感值；l d 和岛分别为二分之一的直流线路电感值和电阻值； 巳为直流输电线路总的对地电容值，圪为电容上的电压值：口为整流器的触 发滞后角，口为逆变侧的触发越前角。 6 其中理想空载直流电压与交流电压之间的关系为： 以o ，= k z o ， 圪o ，= k v o ， ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 3 ) 式中七：丝口丁，b 为串联换流桥的数目，t 为变压器的变比。 根据等值电路图2 1 ，由电路理论得出整流器和逆变器的直流输出电压的表 达式为： y b = k v 。? c o s 旺一三xcrih(2-3) = 匕，c o s a 一三x 。屯( 2 - 4 ) 用式( 2 3 ) ( 2 4 ) 得出的等式代替和，应用电路理论可整理得出直 流输电线路的动态方程为： ( l a , + l a ) 警= 女c 。s 口喝。圪 ( l a , + l a 、等= k v , c o s a - r 。f d l - r e , k + k c 出= 三= = 卉一，曲 ( 2 5 ) 当直流系统处于稳态运行时，忽略直流输电线路的对地充电电容，根据 ( 2 - 5 ) 可以求得稳态的直流电流为： ，一= ，一= ，“= 墨垒j i ；掣 c z e ， 从式( 2 6 ) 可以看出，对高压直流输电系统而言，改变整流器和逆变器的触发 角口和卢可以控制整流侧和逆变侧的直流电压i c o s g 、七c o s ，从而调 节直流电流的大小。通过切换换流变压器的抽头也可以达到这一目的，但速度 较慢，一般作为后期调节使用。可见，直流输电线路的直流电压和直流电流的 大小都是可以控制的，而直流传输功率为只= 厶，也就是说。直流传输功率 的大小也可以得到控制，因此，直流传输系统具有一定的可控性。 为了保证高压直流输电系统的可靠运行，控制系统是必不可少的。直流输 电控制系统包括基本控制和附加控制。基本控制是必需的，以保证直流系统的 正常运行：采用附加控制的目的主要是为了提高系统运行的动态性能，如果想 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 3 ) 要通过直流输电系统的控制来提高全系统的运行稳定性，就需要采用附加控制。 以下将详细介绍高压直流输电系统基本控制和附加控制的原理及特性。 2 2h v d o 系统的基本控制 22 1 控制特性 在正常运行条件下，整流器维持恒定电流，直流电压则靠逆变器的控制来 维持；对逆变器来说，还要维持一个确定的最小熄弧角y ( y = 一卢，为换 相角，决定于，。和换相电压) ，以避免换相失败。 在整流站的控制中一般有恒电流控制和恒电压控制可以选择。正常运行条 件下，整流器采用电流控制和口角限制控制，最小a 参考角整定在5 度左右， 以保证触发时阀上有足够的正电压，从而保证换相成功。整流侧的直流电压调 节器是一种动态限值调节。正常情况下，它不投入运行，只有当本侧直流电压 高于限值时，才可能参与调节。当实测直流电压圪大于电压限值时，调节器输 出的控制信号使触发角增大，以降低直流电压。 可选择的逆变侧控制方式有恒电压控制，最小熄弧角控制和电流控制。逆 变侧的直流电压调节器用来调节并维持直流电压恒定，这种调节方式有利于提 高换流站交流电压的稳定性；但为了防止换相失败，正常运行时逆变侧的熄弧 角一般比定熄弧角控制时略大，使得换流器在正常情况下消耗的无功功率较多， 换流器的利用率较低。熄弧角调节器用于保持逆变侧熄弧角为指令值，为了保 证逆变器的安全运行，减少发生换相失败的机率，要求逆变器的熄弧角不小于 最小熄弧角；在采用该控制方式下，当交流电压下降时，角将增大，以保持 熄弧角不变，因此逆变器的功率因数下降，消耗的无功功率增大，致使交流电 压进一步下降，在某种条件下甚至形成恶性循环，最终可能导致交流电压崩溃。 逆变侧恒电流控制在正常情况下也不投入运行，如果整流侧的电压下降使整流 器的触发角减小到最小限制值时，整流侧切换为最小口角限制控制，而逆变则 设为电流控制，一般整流侧的电流指令和逆变铡的电流指令有一个差值，称 为“电流裕度”，通常整定为额定电流的1 0 到2 5 。 整流侧和逆变侧的控制方式配合是整个直流输电控制的核心。传统方式下， 实际直流输电系统中通常按整流侧控制保持直流电流恒定，逆变侧控制保持直 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 3 ) 流电压恒定或者与之等效的最小熄弧角来控制。在h v d c 系统的整流侧采用恒定 电流控制是必然的，一方面可以限制过电流，使因故障引起的损害最小，另一 方面，则可以防止系统因交流电压的波动而停运。整流侧在确定电流指令时必 须考虑如下限制： 夺最大电流限制。为避免换流阀受到过热损害，一般短时间最大电流限定 在正常满负荷电流的1 2 到1 3 倍。 夺最小电流限制。当电流值较低时，电流的波动会引起它的不连续或间断。 夺依赖于电压的电流指令限制( v d c o l ) 。在低电压条件下，一方面，为了 维持直流电流使得对无功功率的需求增加，另一方面，系统电压水平的降低使 得系统所提供的无功功率明显减少，对交流系统相当不利，并且会面临换相失 败和电压不稳定的风险；此时要想保持额定直流电流或额定功率是不可期望或 不可能的。可以通过引入“依赖于电压的电流指令限制”( v d c o l ) 来提高电压 的稳定性，它的作用是在直流电压下降到一定程度之时相应地降低直流电流指 令。在交流故障恢复阶段，由于有了v d c o l 环节，直流电流指令将会在直流电 压恢复到足够水平以后再复原，这一过程将有助于直流系统的恢复。 在实际情况下，考虑了以上各种电流限制以及最小触发角限制的两端直流 系统的控制特性如图2 2 所示，其中整流器在正常运行方式下为定电流控制， 逆变器在正常运行方式下为定熄弧角控制，并考虑了能使控制方式稳定的修正 伏安特性，引入一个电压反馈回路来 控制直流电压。 图中，整流器的特性曲线包括四 部分：相应于最小口角限制的恒定触 发角( c i a ) 特性曲线、恒定电流( c c ) 特性曲线、v d c o l 特性曲线和最小电 流限制特性曲线。逆变器的特性曲线 较为复杂，包括了六个部分：恒定熄 弧角( c e a ) 特性曲线、恒定电压特 性曲线、恒定电流特性曲线、v d c o l 特性曲线、相应于整流侧的最小电流 图2 2 直流系统基本控制特性 f i g 2 2c o n t r o lc h a r a c t e ro fh v d cs y s t e m 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 3 ) 限制特性曲线以及逆变侧最小a 角限制特性曲线。正常运行下，整流器的特性 曲线和逆变器的特性曲线相交于工作点e ， 2 2 2 基本控制器模型 以整流侧为例，定电流控制时基本控制器的原理框图如图2 3 所示。 1 叫尘! 丝卜一叫! 型卜_ 卜 辞2 图2 4 误差电流的计算 f i g 2 4t h ec a i c u i a t i o no fc u r r e n te r r o r 调节器环节是基本控制的核心部分，其作用是产生一个口角的调制量，以 改变触发角口的大小，从而实现其控制目标，使误差电流的值尽可能小。各种 传统的或新型的控制算法既是在调节器这一环节中得以实现的。在实际系统中， 多使用的是传统p i 或p i d 调节器，这一类的调节器是由比例、积分、微分等环 o 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 3 ) 节构成，其中最为常见的p i 调节器的 结构如图2 5 所示。图中k 为比例系 数，丁为积分时间常数。后面把新型控 制器与传统控制器进行比较时，传统控 制器均是这种p i 结构的。 需要说明的是，定电流控制中直流 输 制 图2 5p i 调节器结构 f i g25s t r u c t u r eo fp i m o d u i a t i o n 电流的整定值，。既可以直接根据直 流系统运行的需要给出，也可以是直流传输功率的给定值与直流电压的函数， 此时虽说对调度员而言是定功率控制，但实际上仍是通过定电流的方式来完成， 故把这种方式也看成是定电流控制。 逆变侧的控制系统结构与整流侧类似，只是调节器的输入信号与输出信号 不相同。h v d c 系统的正常运行需要整流侧和逆变侧之间协调运行，二者的协调 是在端与端之间进行通信的基础上实现的。直流系统的起动、停止以及传输功 率方向的变换也都需要端与端之间的通信。 2 3h v d c 系统的附加控制 2 3 1h v d o 系统附加控制的原理 在高压直流输电系统中，基本的控制量是整流器控制的直流电流和逆变器 维持的直流电压。这种控制方式下的直流联络线缓冲了一个受扰动的交流系统 对另一个交流系统的影响。但它也阻碍了有利于维持交流系统稳定的同步功率 的传输。实际上，从交流系统看来，直流换流器是一个对频率不敏感的负荷， 这可能产生使系统摇摆的负阻尼。因此常常需要附加控制来拓展直流联络线的 控制能力，以提高交流系统的动态性能。采用直流输电系统附加控制的主要原 因如下： 夺增加对交流系统机电振荡的阻尼； 夺提高暂态稳定性； 夺抑制交流系统的次同步振荡； 冷隔离系统之间的干扰： 冷孤立小系统的频率控制； 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 3 ) 夺无功功率调节和电压支持。 这些控制方式针对各个系统的不同而异，至今还没有发展出适合于所有系 统的通用控制方案。 直流附加控制也称为直流调制，目前主要有功率调制( p o w e rm o d u l a t i o n ) 、 逆变器熄弧角调制( ym o d u l a t i o n ) 或熄弧角联合调制( c o m b i n e dp o w e ra n d ym o d u l a t i o n ) 。功率调制目的是为了对交流系统功率振荡提供阻尼，以增强 系统的暂态稳定性，在实际工程中使用较多；本文所研究的直流系统的附加控 制器的设计即是以功率调制为目标的。 在基本控制器中的功率给定值可以是根据需求所选定的固定值，也可以是 如图2 6 所示的加入一个功率调制信号尸m 。之后得出的整定值。图中的调制信 号p m 。即是由附加控制器产生的。附加控制采用取自交流系统的信号来调节直 流量。这些信号可能是频率、电压的幅 值和相位以及潮流，具体的选择取决于 系统的特性和期望的结果。附加控制器 的结构也可以有多种选择，虽然目前发 展了许多高级控制技术，如模糊控制、 自适应控制等，但都没有应用于实际的 工程中，许多传统的经典控制器仍是主 流。 图2 6 功率给定值的计算 f i g 2 6t h ec a i o u i a t i o r lo fa c t i v e p o w e r9 8 i u e 2 3 2h v d c 系统附加功率调制器的一般性研究 本节以实际系统为例，对南方电网中的贵广直流的附加控制器进行分析研 究，通过采用不同的输入调制信号来说明附加控制器中合理的调制信号能够在 一定程度上提高控制器的性能。 我国的南方电网是典型的交直流并联运行的混合系统，2 0 0 1 年天广线直流 双极投运，到2 0 0 5 年，需增加一回贵州至广东直流输电工程，届时将形成“五 交两直”的交直流并联运行系统。天广直流已经投入运行，采用了具有双侧频 差调制功能的附加控制器，文献 3 0 对天广直流系统做了较为详细的介绍，因 此本节所研究的附加控制器主要针对贵广直流，将不再对天广直流的附加控制 四川人学硕士学位论文( 2 0 0 3 ) 器作详细的讨论。将要投入运行的贵广直流工程额定容量为双极3 0 0 0 m w ，额定 工作电压为5 0 0 k v ，额定工作电流为3 k a ，线路长度为9 8 0 k m 。贵广交直流输 电系统网络图如图2 7 所示。 安天 图2 7 贵广交直流输电系统 f i g 2 7g u i - - g u a n ga ca n d0 ct r a n s m l s s i o r ls y s t e m 系统在1 2 秒时发生安天线三相短路故障，0 1 秒后安天线双侧切除，从稳 定计算中发现，此时达到系统西电东送的极限输送容量7 3 8 万k w ，系统处于临 界失稳状态：本节提到的附加控制器的研究即是在此临界失稳的状态下进行的。 在南方电网中直流控制的主要目标是增加交流系统机电振荡的阻尼，提高 系统的暂态及动态稳定性。其附加控制采用取自交流系统的信号来调节直流量， 理论上，可以选择交流系统的任意信号；但是不同的调制信号对调制效果的影 响是不尽相同的，因此本节研究了几种不同的交流调制信号对提高系统稳定性 的作用。这里考虑的调制信号有：两端换流站交流系统母线频率差；交 流线路功率变化率；换流站交流系统母线电压幅值差；两端换流站交流系 统母线相角差。传统方式下，一般取其中一种作为调制信号，多采用信号或 者信号。 鉴于目前工程实际应用，在对几种调制信号进行比较的过程中使用简单p i d 型附加控制器，其结构如图2 8 所示：对不同的调制信号优化选择不同的参数 如表2 ，l 所示： 四川i 大学硕士学位论文( 2 0 0 3 ) 表2 1 不同调制信号的参数取值 调制信号参数值 t 【t 2 k 双侧频差 0 61 o3 5 0 功率变化率 o 61 o0 0 2 电压幅值差 0 61 。05 6 两端相角差 o 61 o0 1 2 翟眶刊习矿 图2 8p i d 型附加控制器 f i g2 8a d d i t i o n a ic e n t r e ii e rw i t h p i ds t r u c t u r e 取功率振荡严重的北通道上的惠河线的功率来考察各种调制信号的调制效 果，如图2 9 所示。 由仿真图形可以看出电压调制与相角调制的效果并不理想，而使用较为广 泛的双侧频差调制和功 率调制均能取得良好的 效果。但是采用功率调 制在信号的测量与采集 上存在一定的困难，而 且在功率振荡达到极大 值和极小值时功率变化 率为零，可能会产生错 误的调制信号，具有一 定的缺陷；而双侧频差 调制的调制信号在测量 上较为容易实现，相对 较为稳定，一般不会产 生错误的调制信号，是 一种比较理想的附加调 制信号。 传统控制器单输入 单输出的结构使得调制 1 0 0 0 2 0 0 0 1 0 0 0 0 -1 1 0 0 0 号 信号 信号 无调制有调制 图2 9 不同调制信号时惠河线上功率振荡的变化 f i g 2 9p o w e ro s c il l a t i o no fh u i - - h eiir l e i nd i f f e r e n tm o d u i a t i o l 3s i g n a l ooo 踯加 m 加如 加 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 3 ) 信号比较单一，对于千变万化的复杂非线性系统来说效果有限；因此实际直流 系统中的控制器结构和参数的选择都是根据系统的具体情况而定的。若采用非 线性控制理论来设计非线性控制器，可以避丌调制信号的选择问题，所得的非 线性控制规律包含有传统方式下的多个调制信号，更具准确性。实际上，不同 的附加控制器的结构对调制效果也会产生不同的影响，在以后的研究中将对非 线性附加控制器和传统p i 型附加控制器进行比较。 2 4 结论 控制系统在高压直流输电系统中是必不可少的。h v d c 的控制系统包括了直 流基本控制和直流附加控制。基本控制是必需的，以保证直流系统的正常运行； 附加控制则是可选的，采用附加控制的目的主要是为了提高系统运行的动态稳 定性，阻尼系统中产生的低频振荡。 h v d c 系统的基本控制在整流侧基本采用恒定电流控制和口限制控制相结合 的方式，对调度员而言的定功率控制，实际上仍是通过定电流的方式来完成， 为了保证良好运行和设备安全，确定电流指令时应考虑几个限制：最大电流限 制、最小电流限制和依赖于电压的电流限制。逆变侧多采用恒定熄弧角控制或 恒定电压控制，以保证系统获得正常的直流电压，也配合有特殊情况下的恒定 电流控制。 除了上述基本控制方法之外，可以采用更高级的控制来改善交直流输电系 统的相互作用和提高交流系统的性能，称之为h v d c 系统的附加控制。附加控制 用来拓展直流联络线的控制能力，通过改变直流传输功率的大小来改善系统的 稳定性。其控制方式针对各个系统的不同而各异，实际系统中多采用传统的p i 或p i d 控制，不同的调制信号也会带来不同的控制效果。 四j i l 大学硕士学位论文( 2 0 0 3 ) 第三章非线性控制理论简介 3 1 引言 随着电力系统本身的发展，传统的控制理论已经不能满足需要，人们一直 在不断地尝试将更先进更有效的控制理论引入电力系统的控制领域。电力系统 的控制技术从最初的单输入控制系统、双输入控制系统一直发展到线性最优控 制方式；而随着现代控制理论与非线性控制理论的发展，在电力系统中，可供 选择的控制方式变的更加丰富多彩了。鉴于电力系统本身具有强非线性的特点， 非线性控制理论更是广为关注，卢强老师等人开拓了电力系统非线性控制这个 新领域 3 1 3 2 3 3 。 文献 1 1 理性地定义了控制的概念。控制是用旋加某种特定的输入的方法， 改造所涉及的各种动力学系统的性能，使其最大限度地满足特定需要的理论与 技术的总称。至今为止，控制理论经历了古典控制理论、现代控制理论以及非 线性控制理论三个阶段。古典控制理论由建模理论、响应分析、稳定性分析与 综合校正等四部分内容组成，该理论与方法主要适用于研究单控制量、单输出 量的线性定常控制系统，难以揭示系统内部的动态行为。现代控制理论则属于 线性多变量控制系统的理论体系，采用状态空间描述与线性代数理论相结合的 方法，其中线性最优控制理论发展的最为成熟，并且得到了广泛地应用；现代 控制理论的建模理论与数学方法使其适用于线性多输入多输出控制系统。近十 年来，近代微分几何方法与非线性控制系统的设计问题相结合，形成可- - f l 新 的学科体系，即非线性控制系统几何结构理论体系，非线性系统状态反馈精确 线性化理论是其中发展最为迅速的一个分支，在工程中也得到了应用。 电力系统是典型的非线性系统，但电力系统的控制技术大多采用传统的古 典控制或现代控制理论，二者都是基于线性系统的控制理论，因此常常需要将 电力系统的非线性状态方程在某一特定运行方式下进行近似线性化。这种在某 种特定状态x 。下被近似线性化的数学模型只能在系统实际运行状态z ( ，) 十分 接近z 。时才比较准确，当实际运行状态z ( ，) 偏离x 。较远时，近似化的数学模 型并不能正确表述实际的控制系统，以其为根据的控制器也就不能正确有效的 工作，当实际运行点和设计中所选择的平衡点之间的偏差越大，误差也越大， 1 6 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 3 ) 故而这种设计方法与提高电力系统大干扰稳定性的要求不相适应。相对而言， 采用恰当的非线性控制方案，使电力系统自身的非线性特性得以抵消和补偿， 可能获得更好的控制效果。 因此，以非线性控制系统理论与方法来设计电力系统控制器具有很好的潜 力及应用前景；对高度可控的高压直流输电系统而言，其控制器借助于非线性 控制系统的理论来设计必能取得更佳的控制效果，从而增强全系统的稳定性。 为服务于下一步非线性控制器的设计，本章将对后面的章节中要用到的非线性 控制理论中的基本概念及主要理论方法做一简要的介绍。 3 2 非线性控制理论中的一些基本概念 在非线性控制器的设计过程中将频繁使用到非线性控制理论中的一些基本 概念，为了便于理解，本节对所用到的基本概念与定义做一些简要的介绍。主 要包括：非线性系统的坐标变换、仿射非线性系统、向量场和李导数、控制系 统的关系度。当然，在非线性控制理论中还有许多更加精深的内容，由于在本 文非线性控制器的设计中没有涉及到，这里就不一一介绍了。 3 2 1 非线性控制系统的坐标变换 以一单输入单输出的非线性控制系统为例，对于非线性系统的坐标变换问 题一般描述为，给定一个非线性系统，设为： 童。= ；g 。，- ，x 。) + g l g 。，x 。沁 膏：= 1 2 ( x 。，z 。) + 9 2 g 。，x 。k 文。= 正g l ，一，b ) + 邑g 1 ，k ( 3 一l a ) 输出方程为： y = g 1 i 一，x n ) ( 3 一l b ) 其紧缩形式为： 戈( f ) = 厂似( f ) ) + g ( f 跏 y o ) = ( 3 2 ) 这里，x 为n 维状态向量，x r ”；u 为1 维控制向量，r 1 ；y 为l 维输出 1 7 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 3 ) 向量，y e r 1 ；，与g 为非线性函数向量； 为脚q 非线性函数。 要对系统( 3 - 1 ) 进行坐标变换，令非线性坐标变换为： z = 巾) ( 3 3 ) 其中，z 与艉同维向量，巾为非线性函数向量；展开来为： z i = 妒1 0 l ，x 2 ，) z 2 = 妒2x 1 ，x 2 ，矗) z 。= 妒。b l ，x 2 ，一，z 。) ( 3 4 ) 以上逆变换必须存在且为单值的，即有： x = 中。1 ( z )( 3 5 ) 一个合格的非线性坐标变换伍) 还需要满足条件：中( x ) 与o “( z ) 皆为光滑函 数，即它们的任意阶偏导数都是存在的。同时，该坐标变化表达式m ( z ) 也被称 为两个坐标空间之间的一个微分同坯。 将非线性坐标变换( 3 3 ) 的两边对时间变量t 求导，得到： 2 ( f ) ：塑幽o + ( x ) a