（电力系统及其自动化专业论文）基于vsc的高压直流输电系统控制策略研究.pdf

硕士学位论文 a bs t r a c t t h et e c h n o l o g yo fh v d cp o w e rt r a n s m i s s i o nb a s e do nv s cw h i c hc o u l db e h i g h l yc o n t r o l l e dh a ds o m es u c c e s s f u la p p l i c a t i o n si nt h ep o w e rs y s t e m s b u ta san e w t e c h n o l o g y ，s t u d yi nt h i sn e l di sn o tm a t u r ei no u rc o u n t r y s ot h es t u d yi nt h i sn e l d e s p e c i a l l yt h e i m m a t u r ec o n t r o ls c h e m ei so fg r e a tm e a n i n gi nb o t ht h e o r ya n d e x p e n e n c e s t a r t i n gf r o mt h es t r u c t u r eo fs i n 9 1 e p h a s ec i r c u i to fv c s ，t h i sa r t i c l eb r i e n y a n a l y z e db o t ht h ep r i n c i p l ea n dc o n t r o lm e t h o do fv s c h v d cp o w e rt r a n s m i s s i o n s y s t e m o nt h a tb a s i ss t a b l em a t hm o d e lo ft h ev s c - h v d cp o w e rs y s t e mu n d e rg i v e n c o n t r o ls c h e m ew a sd e d u c e d t h e nt h em o d e li sc o n v e r t e dt oaf u l l yc o n t r o l l a b l e l i n e a rm o d e lu s i n gs t a t ef e e d b a c ka n dc o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o ni nn o n l i n e a rs y s t e m c o n t r o lt h e o r y l a s tan o n l i n e a ro p t i m a lc o n t r o ls t r a t e g yi sd e r i v e db a s e do nt h e o p t i m a lc o n t r o lt h e o r ) ro fl i n e a rs y s t e m s f i n a l l yan e wn o n l i n e a rc o n t r o l l e r i s d e s i g n e df o rv s c h v d cs y s t e m s t h es t a t ee q u a t i o na n do u t p u t e q u a t i o na r eo b t a i n e du s i n gl i n e a r i z a t i o nm e t h o d o nt h eb a s i so fa n a l y z i n gt h eh y b r i dt r a n s m i s s i o ns y s t e m s t h e na no p t i m a lc o n t r o l s t r a t e g yi sd e r i v e db a s e do nt h es t r u c t u r er e s t r i c t i o nc o n t r o lt h e o r yo fi i n e a rs y s t e m s f i n a l l yan e wd e c e n t r a l i z e d a n dc o o r d i n a t e dc o n t r o l l e ri s d e s i g n e df o rh y b r i d t r a n s m i s s i o ns y s t e m s n u m e r i c a ls i m u l a t i o n so ft h e n e w l yd e s i g n e d n o n l i n e a rc o n t r o l l e ra n d d e c e n t r a l i z e da n dc o o r d i n a t e dc o n t r o l l e ra r ec a r r i e do u tb yu s i n gt h ee l e c t r o m a g n e t i c t r a n s i e n ts i m u l a t i o ns o f t w a r ep s c a d e m t d c s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e m o d e l su s i n gi nt h ep a p e ra r ef e a s i b l ea n dt h el i n e a r i z a t i o nm e t h o da r ee f f i c i e n t c o n t r o l l e r sc a nr e s t o r et h es y s t e ms u b je c t e dt oad i s t u r b a n c eo rf a u l tt on o r m a ls t a t e f a s t e ra n db e t t e rt h a nt h es y s t e mw i t ht h ee x i s t i n gc o n t r o l l e r s i ti m p r o v e se f n c i e n t l y t h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo ft h eh y b r i dt r a n s m i s s i o ns y s t e m s k e yw o r d s ：v s c ； n o n l i n e a rc o n t r o l ；d e c e n t r a l i z e da n dc o o r d i n a t e dc o n t r o l ； p s c a d e m t d c l i i 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签童：屋是炳 日期：肺厂月形日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 灵隔日期：矽力年f 月形日 迂步 日期：跏以年广月心日 金南乡 名名签签 者师作导 硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 高压直流输电( h v d c ) 技术起源于2 0 世纪2 0 年代，经历了大半个世纪的发展 历程，直到1 9 5 4 年才进入商业化运行，其标志性工程是连接哥特兰岛( g o t l a n d ) 与瑞典大陆之间的直流输电工程。采用高压直流输电技术，首先要解决的是换流 器问题，因此高压直流输电技术的发展与换流技术的发展，其中特别是大功率电 力电子技术的发展有着密切的关系。换流技术是实现直流输电的基本条件，换流 技术的高低是决定直流输电各种运行性能和经济性能的重要因素。根据换流器的 发展历程，直流输电技术的发展可分为以下三个时期：汞弧阀换流时期、晶闸管 换流时期、新型半导体换流时期。由于汞弧阀制造技术复杂、价格昂贵、逆弧故 障率高、可靠性较低、运行维护不便等因素，使直流输电技术的发展受到了一定 的限制。2 0 世纪7 0 年代后，随着电力电子技术和微电子技术的日趋完善，晶闸 管换流阀和微机控制技术在直流输电技术中的得到了极大的应用，有效地提高了 直流输电的运行性能和可靠性，大大地促进了直流输电技术的发展。由于晶闸管 换流阀在实际运行过程中不存在逆弧问题，而且制造、运行、维护都比汞弧阀方 便简单，因此原来采用汞弧阀换流器的直流输电技术逐步被晶闸管换流阀所取代。 与此同时，人们对高压直流输电技术进行了广泛而深入的研究，克服和改善了高 压直流输电技术中的某些缺点和不足，这使高压直流输电系统的运行性能有了很 大的提高，如损耗降低、谐波减少、噪音下降和控制保护技术更加先进等，这使 其在许多场合得到了广泛的应用，如远距离大容量输电、跨海送电、异频联网、 系统互联等。尽管如此，从本质上来说，目前绝大部分高压直流输电工程与早期 的直流输电工程并无区别，它们都是采用普通晶闸管换流阀( 无自关断能力、频率 低) 进行换流，这使高压直流输电工程存在着一些其固有的缺陷，主要表现在：需 要输送直流有功功率的4 0 6 0 来进行无功补偿，这就需要大量的无功功率补偿 装置和滤波设备；而且在甩负荷时会出现无功过剩，可能会引起输电系统的过电 压；不能与弱电力系统相连，否则容易发生换相失败；普通晶闸管换流阀只能在 有源逆变方式下工作，因此只能与有源电力网络相连；晶闸管换流阀本身就是一 个谐波源，因此需要配置专门的滤波装置，这就导致直流输电工程设备投资昂贵， 占地面积大和建设工期长等缺点。由于高压直流输电技术存在着上述缺陷，因此 大大地限制了其在某些场合的应用【l 卅j 。 2 0 世纪9 0 年代后，随着电力电子技术的发展，特别是新型大功率半导体器 件如绝缘栅双极型晶闸管和门极可关断晶闸管的相继问世，使在高压直流输电系 基于v s c 的高压直流输电系统控制策略研究 统中采用以全控型器件为基础的电压源换流器( v r o l t a g es o u r c ec o n v e r t e r v s c ) 成 为了可能，这给直流输电技术的发展带来了新的机遇。与传统的高压直流输电技 术不同的是，基于v s c 的高压直流输电( 为了与传统的高压直流输电相区别，本 文称之为v s c h v d c 输电系统) 采用的是具有自关断能力的高频绝缘栅双极型晶 闸管或门极关断晶闸管器件进行换流，这种新型的换流阀不需要交流系统提供换 相电压；与交流系统直接相连时，可以作为整流器运行也可以作为逆变器运行。 对于交流系统来说，它像是一个发电机( 逆变运行) 和电动机( 整流运行) ，而且可以 快速、连续地调节有功功率和无功功率。这种换流技术的应用，克服了传统直流 输电技术中存在的一些问题，如向弱交流系统以及无电源的负荷送电问题，换流 站的无功补偿以及有功和无功控制的相互影响，交流侧和直流侧的滤波等。这大 大地拓宽了高压直流输电技术的应用领域，这给高压直流输电技术的发展带来了 新的机遇，并将有力地推动高压直流输电技术的发展1 4 j 。 1 2v s c h v d c 输电系统的特点 1 2 1v s c h v d c 输电系统的优点 由于v s c h v d c 输电技术是以全控型、可关断器件构成的电压源换流器以 及脉宽调制( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n 即p w m ) 控制技术为基础，换流器中全控型 器件代替了传统的半控型晶闸管，这使得它不仅能对换流阀的开通时刻进行控制 外，还能对关断时刻进行控制，因此v s c h v d c 输电技术具有对传输的有功功 率和无功功率进行同时控制的能力，以及可实现对无源交流网络供电等众多优点， 它克服了传统的高压直流输电技术的缺点和不足，并扩展了直流输电的应用领域， 与传统的高压直流输电技术相比其具有以下几个优点【5 9 j ： v s c 为自换相换流器，在运行过程中电流能够自关断，不需要外加的换流电 压，因此它既可以在有源方式下工作，也可以在无源逆变方式下工作；受端网络 可以是有源网络也可以是无源网络。而传统的高压直流输电技术采用普通晶闸管 进行换流，需要外加的换流电压，只能在有源逆变方式下工作，因此只能与有源 网络相连。 正常运行时，v s c h v d c 输电系统可以同时且相互独立地控制换流阀所输出 的有功功率和无功功率，其控制方式比较灵活、方便。而传统的高压直流输电系 统虽然也能由控制系统控制换流阀输出的有功功率和无功功率，但由于它的控制 量只有触发角，因此换流器输出的有功和无功功率之间是相互耦合的，不可能对 它们进行独立地控制。 v s c 不仅不需要交流侧提供无功功率，而且在某些特殊情况下还能动态补偿 交流母线的无功功率，这对于稳定交流母线电压、提高电力系统的稳定性有一定 的积极作用。这意味当v s c h v d c 输电系统发生故障时，在一定的范围内，v s c 硕士学位论文 既可以向故障区域提供有功功率的紧急支援，也可以提供无功功率支持，从而提 高输电系统电压和功角的稳定性。而传统高压直流输电则需要吸收所输送的直流 功率的4 0 6 0 来进行无功补偿。在发生故障情形，这对电力系统的稳定性是极 为不利的。 v s c 采用可关断的自换相器件及采用脉宽调制技术，这使v s c 在一个周波 内可换相多次。这一特性使v s c 输出的电压和电流波形可以被调制成近似正弦波 输出，并同时控制功率因数，这能限制换流器所产生的低次谐波，并保证电能质 量，这大大减少了所需的滤波装置。而传统的高压直流输电并不具备上述特征， 它在一个周波内只能换相一次。因此为了得到所需要的电能质量，它需要大量的 滤波装置来消除谐波。 v s c h v d c 输电技术的一个固有特性就是能够提高系统阻尼，因此 v s c h v d c 输电系统在实际的运行过程中不但不会引起发电机组的次同步振荡， 而且还会提高发电机组的次同步振荡阻尼。而传统的高压直流输电并不具备这一 特性。 在v s c h v d c 输电技术中，它无需大量的换流变压器、直流滤波器、平波 电抗器、无功补偿设备以及快速通信设备，因此这种输电技术可减少换流站的设 备，简化换流站的结构。对于小容量低电压的换流站，可以方便地采用模块式结 构，从而可降低造价，提高电力系统的运行可靠性，缩短工期。这在经济上具有 较强的竞争力。 1 2 2v s c h v d c 输电系统的缺点 基于v s c 的高压直流输电技术与传统的高压直流输电技术相比，虽然具有一 些比较明显的优点，但由于电力电子技术发展的限制，它也存在着一些缺陷和不 足，主要体现在以下几个方面： 由于电力电子器件容量及开关损耗的限制，绝缘栅双极型晶闸管和门极可关 断晶闸管与传统的晶闸管相比，其单个元件功率较小且损耗较大，这就导致 v s c h v d c 输电系统的输送容量不能与传统的高压直流输电系统相比，因此其不 利于在大型的直流输电工程中应用，只能应用于输送容量较小的工程。 电压源换流器与传统的电流源换流器相比，其单位千瓦制造成本较高。因此 仅应用于某些电流源换流器不能应用的场合。 目前提高v s c h v d c 输电系统输送容量的措施除了尽可能多地将换流器串 联、并联使用外，主要采用将多个v s c 通过多重化的方法进行联结和控制。然而， 当联结的重数较多时会导致控制系统不灵活、动态响应速度较慢和故障承受能力 较低等缺点。 基于v s c 的高压直流输电系统控制策略研究 1 3v s c h v d c 输电系统的应用场合和情况 1 3 1v s c h v d c 输电系统的应用场合 尽管已经投运的v s c h v d c 输电工程大多用于两个交流电网互联的场合， 但由于v s c h v d c 输电技术克服了传统高压直流输电技术的固有缺陷，大大地 拓宽了直流输电的可能应用领域；同时高压直流输电电缆的研制成功也大大地降 低了直流输电线路的铺设成本，使直流电缆的铺设更加经济、快速、方便。从经 济上和技术上来说，以v s c 为基础的高压直流输电工程非常适用于传统高压直流 输电工程无法实现的场合。其主要应用领域包括以下几个方面： ( 1 )向远方的孤立负荷点送电；这些孤立的负荷点一般负荷较小且波动较大， 因此通过长距离的交流输电线路对这些负荷地区供电既不经济，同时也受到交流 传输功率极限的限制。而传统的高压直流输电不能向无源负荷供电。在输电性能 上，v s c h v d c 输电系统既可以向有源负荷供电，又可以向无源负荷供电，且不 受传输距离的限制，因此可以采用v s c h v d c 输电技术向这些负荷地区提供高 效、清洁的电能来代替当地小型、低效的电站，这在经济上具有明显的效益。如 挪威的t r o l l a 输电工程，该工程采用长距离海底电缆向海上天然气钻井平台上的 用电设备供电。 ( 2 )向城市送电；随着工业化的发展，城市人口急剧膨胀，城市用电容量急增， 通过交流线路向城市中心增加输电容量需要架设新的线路走廊。但在某些情况下， 新的输电走廊难以获得。另一方面，交流长距离传输对地有注入电流，需要添加 补偿设备，如并联电抗器或者电容器等。v s c h v d c 输电技术采用地埋式电缆，所 需的空间比交流架空线路小，同时也不会影响城市市容，但它的输送容量却比交 流架空线路大。因此通过v s c h v d c 输电技术向城市负荷中心供电是一种较好 的选择。如美国的e a g l ep a s s 输电工程，该工程为背靠背异步互联工程，增加了 电网的输电能力。 ( 3 )小规模可再生能源的馈入；随着环保型可再生能源( 如风能、太阳能等) 的 开发，新能源的发展迫切需要将分散的小型电站通过经济环保的方式反馈回电网， 而采用v s c h v d c 输电技术具有较明显的优势。对于这一类型的电站来说， v s c h v d c 输电系统可输送电站的有功功率，同时还可以提供电站所需要的无功 功率。另外为了提高能源的利用效率，还可以允许不同发电机在不同的频率下运 行。如：瑞典的g o t l a n d 和丹麦的t j a e r e b o r g 输电工程，这二个工程为风力发电 提供电压支持且采用电缆传输电能，对环境的影响小。 ( 4 )非同步运行电网之间的互联：由于v s c h v d c 输电技术与传统的高压直 流输电技术一样具有双向传输功率的能力，且两端v s c 可以独立地调节交流侧所 输出电压和相位，因此当两个非同步的交流系统需要交换较小容量的有功功率时， 硕士学位论文 可采用v s c h v d c 输电系统将它们进行互联。如澳大利亚的d i r e c tl i n k 、m u r r a y l i n k 和美国的e a g l ep a s s 输电工程。 ( 5 )满足电力市场对输电网络的要求，能够很好地适应电力市场对于电能传输 的要求，提高电能交易的自由度。如美国的e a g l ep a s s 和c r o s ss o u n dc a b l e 输电 工程和澳大利亚的d i r e c l i n k 输电工程。 ( 6 )推动多端直流输电系统的发展：由于v s c h v d c 输电系统在潮流反转时， 电流方向反向而直流电压极性不变，另外每个电压源型换流器的输出都具有相同 的极性，根据这几个特点可以方便地把任何数目的v s c 连接到具有固定极性的 直流母线上，从而构建既能方便地控制潮流又有较高可靠性的多端直流输电系统。 这种系统可以对多个孤立负荷地区、海上钻井平台供电。 在过去的1 0 年中，由于快速、大功率、高压电力电子器件和直流输电电缆制 造技术的发展，高压直流输电技术开始应用于一些新的领域。减少温室气体排放 的全球性趋势和可再生能源的发展，v s c h v d c 输电技术变得越来越重要，市场 的牵引和技术的发展将有力地推动v s c h v d c 输电技术在不远的将来得到进一 步的发展。 1 3 2v s c h v d c 输电系统的应用情况 从1 9 9 7 年瑞典的h e l l s j o n 工程试验成功以来，到现在为止，世界各国已经有 多条v s c h v d c 输电线路已经或即将投入商业运行。具体的工程实例介绍如表 1 1 所刹1 0 】： 1 4v s c h v d c 输电技术的研究现状 利用基于全控型器件以及脉宽调制技术的v s c h v d c 输电技术最早是由加 拿大m c g i i l 大学的b o o n t e c h 等在1 9 9 0 年提出的，他们虽然提出了v s c h v d c 输电技术的概念，但是并没有给出其具体的系统模型、数学模型和有效的控制方 式。由于v s c h v d c 输电技术采用可关断电力电子器件和脉宽调制技术，克服 了传统高压直流输电技术存在的缺点和不足，在控制方式上更加灵活，具有传统 高压直流输电技术无法比拟的优越性，因此被认为是传统高压直流输电技术的理 想替代品，因此吸引了国内外的许多专家和学者对它进行相关的研究工作，他们 主要对v s c h v d c 输电系统的数学模型、运行特性、控制策略和保护等进行了 一些探讨研究，并取得了一些成果。尽管在国外已有一些成功的工程范例，但与 传统的高压直流输电技术相比，其各项技术并不是非常成熟，许多基础理论和相 关的应用问题尚需更深入的探讨，特别是v s c h v d c 输电系统的运行特性及相 关的保护控制策略尤为引入关注。 国内v s c h v d c 输电技术的研究起步比国外晚，目前尚还属于起步阶段，但 相关技术的研究己日趋成为一个热点，目前己经有多所高等学校和科研机构己展 基于v s c 的高压直流输电系统控制策略研究 h e l l s j o n瑞典 1 9 9 7 g o t l a n d 瑞典 1 9 9 9 d i r e c l i n k 藕盔 2 0 0 0 t j a e r e b o g 丹麦 2 0 0 0 士1 01 5 0 士8 03 6 0 士8 03 7 5 士93 5 8 ) 2工业试验 7 0 电缆饕泰芋霖魂影响 6 5 电力萎荔登骒魂要求 4 发笔鎏釜盎题 e a g ep a s s美国 2 0 0 03 6士5 93 0背靠背 雯霎? 毫劈斋场妻磊 ，y 1 3 e 1 ： 一 2 0 0 0 t h h l w e r k c 。 c 。嘎罂u n d 美国 2 0 0 2 c a b l e 一，、日- 非同步电网互联、 一一一一 电力交易、电缆输电 3 3 0士1 5 01 2 0 04 0 电力委蛩：。算联网 m u r r a yl ；n k 霸盔 2 0 0 孕 2 0 0士- 5 07 3 98 0 靠高妻髦斋呈诀 t r o n i o 芬兰 2 0 0 20 一1 6 0 m v a r e v e n法国2 0 0 3士1 7 m v a r h o l l y 美国2 0 0 49 5 m v a r t r o l l a 挪威 2 0 0 59 05 6 用于无功补偿 用于无功补偿 用于无功补偿 向海上钻井平台 上用电设备供电 开相应的研究。在2 0 0 0 年“中国电力设备发展战略专家论坛”上，有关专家就提到 要重视v s c h v d c 输电技术的发展。但由于我国缺乏相应的工程经验，相关的研 究工作只停留在理论研究或实验室软件仿真阶段，并没有进行更深一步的探讨或 者进行硬件实验以校核仿真结果的正确性，所以有必要在v s c h v d c 输电技术研 究尤其是在其控制策略研究的基础上建立其相应的物理模型和数学模型，这样既 有利于对v s c h v d c 输电技术的进一步了解同时也为更深一步的研究提供实验 平台。随着高新技术产业的快速发展、可再生能源的全面开发以及电力市场的日 益发展和完善，对高品质电能质量和电网运行灵活性和可靠性的要求进一步提高， v s c h v d c 输电技术必将在我国得到越来越广泛的重视、研究和应用。此外，我 国电网正处于高速发展时期，目前已进入从大区性电网向全国性互联电网过渡的 3 舛 m 他 硕士学位论文 阶段。由于我国能源的分布不均匀和负荷的相对集中使得西电东送、南北互供和 全国联网成为我国电网发展的重要组成部分。直流输电技术因其种种技术优势必 将在西电东送和全国联网中起主导作用。而v s c h v d c 输电技术具有传统的高压 直流输电技术所没有的很多优点，因此v s c h v d c 输电技术将在我国未来的电网 互联工程中具有很广泛的应用前景。因此尽快提高该输电技术的研究水平，尽快 投入实际的工程应用，具有十分迫切而重要的理论意义和现实意义。 1 5 本文的主要工作 作为一种新型的直流输电技术，虽然v s c h v d c 已经成功地投入到实际的 运行当中，但由于它涉及到输配电工程、现代电力电子技术、自动控制理论、电 力系统运行分析与控制、系统建模、仿真技术等学科领域，对其进行的理论研究 仍然处于相对滞后的状态；在国内相关的理论研究才刚刚起步不久。而在 v s c h v d c 输电技术中，v s c 的控制是其核心技术。另外当多个v s c h v d c 输 电系统与交流输电系统相连构成多端交直流混合输电系统时，它的控制策略和保 护方式也将变得更加复杂。随着v s c h v d c 输电系统的广泛应用，开展 v s c h v d c 输电技术的控制策略的研究工作具有相当重要的意义。本文侧重于研 究非线性控制理论和分散协调控制理论在v s c h v d c 输电系统中的应用，并结 合线性系统控制理论，设计了v s c h v d c 输电系统的新型控制器。主要工作包 括以下几个部分： 首先在论文的第二章，从v s c 的单相电路结构入手，介绍了在稳态的情况下 v s c h v d c 输电系统的运行原理及控制方式，分析了输电系统中各个变量之间的 相互关系，这为后面的三相v s c h v d c 输电系统的运行和控制研究提供了一定 的理论基础。 第三章根据两端连接有源网络的v s c h v d c 输电系统的稳态模型，得出了 输电系统在一定控制方式下的非线性数学模型，然后利用非线性控制理论的状态 反馈和坐标变换的方法，将所得出的非线性数学模型转化为完全能控的线性数学 模型，再根据二次型最优控制理论原理设计了v s c h v d c 输电系统的非线性控 制器。 第四章在分析含v s c 的交直流混合输电系统模型的基础上，得出了各个子系 统的非线性数学模型，再利用线性化方法对各个子系统的模型进行了线性化和偏 差化，从而得到交直流混合输电系统的状态方程和输出方程。然后根据有结构约 束的分散协调控制理论，得出了系统的最优控制规律，并在此基础上设计了适用 于交直流混合输电系统的分散协调控制器。 第五章首先简要地介绍了电磁暂态仿真软件p s c a d e m t d c 的发展历程和 功能特点。再根据第三章提出的非线性控制器和第四章提出的分散协调控制器， 基于v s c 的高压直流输电系统控制策略研究 对v s c h v d c 输电系统发生扰动或故障这二种情况下，分别进行了计算机仿真 研究，得出了相应的仿真结果，并对仿真结果进行了简要地分析。 最后对整篇文章进行了总结，概述了论文的主要工作和重要结论，指出了本 文存在的不足之处，并提出了有待进一步研究的工作。 硕士学位论文 第2 章v s c h v d c 输电系统的基本原理 传统的高压直流输电技术采用的是无自关断能力的低频晶闸管所组成的电网 换相换流器来进行换流，而v s c h v d c 输电技术采用的是具有自关断能力的高 频电子器件来进行换流。因此这二种直流输电技术有着本质上的区别，为了能更 好地了解v s c h v d c 输电系统的运行特性和控制特性，本章从v s c 的单相电路 结构入手来阐述其基本的运行原理。 2 1v s c 的电路结构 设v s c h v d c 输电系统的两端均采用v s c 来进行换流，则整流侧和逆变侧 的v s c 具有相同的物理结构。为了方便起见，本文以整流侧v s c 为例对其进行 分析。图2 。1 所示为v s c 的主要设备及系统构成图，其主要由以下器件构成：6 脉动换流桥，直流电容器，换流电抗器，交流侧高通滤波器以及相应的控制保护 设备。其中下标，代表整流侧v s c 的相应物理量。 d cl n e g 图2 1v s c 的结构电路图 图2 1 中换流器采用两电平六脉冲波形，每个桥臂都由多个绝缘栅双极型晶 体管或门极关断晶闸管串联而成，为了使各个串联元件在开通和关断时均能得到 均匀的电压分布，电路中还应配备专门的触发装置及均压回路。直流侧电容器c ， 和交流侧电抗器工，是v s c 的必备元件，直流侧电容器的作用是为逆变器提供电压 支撑，为关断电流提供一个低电感路径，缓冲桥臂关断时的冲击电流，同时也为 潮流控制储存能量，并降低直流侧的谐波；交流侧电抗器是v s c 与交流侧能量交 基于v s c 的高压直流输电系统控制策略研究 换的纽带，其两端的工频电压决定了换流器转换的功率，通过改变换流桥交流侧 输出电压的相位和幅度，可对输出的有功功率和无功功率分别进行控制，同时也 能起到滤波的作用。交流滤波器的主要作用是滤去交流侧谐波。 在v s c h v d c 输电系统的实际运行过程中，v s c 通常采用脉宽调制技术。 如图2 1 所示，通过测量直流输电线路的电压u 士并与参考值u 耐作比较，产生一 个误差信号u 一来调节p w m 信号生成器，使之产生一个与交流系统电压u ，同频 率的电压，通过改变该电压的幅值及其相对于u 。，的相位，换流器能够运行在四个 象限内，即整流或逆变运行，且功率因数可滞后或超前。 v s c 所吸收的有功功率和无功功率则分别取决于v s c 输出电压的相位和幅 值，所以通过控制p w m 给定信号的相位就可以控制有功功率的大小及输送方向， 通过控制p w m 调制度就可以控制无功功率的大小及性质( 感性或容性) ，从而可以 实现对换流器所输送的有功功率和无功功率进行同步且相互独立地调节。 2 2v s c 的调相原理 为了便于分析问题及加深对三相v s c 工作原理的理解，下面以v s c 的口相 等效电路为例来分析其基本的工作原理。为了简化，忽略下标，来对其进行分析 【l l 1 4 1 o 图2 2v s c 的a 相等效电路 图中d 。为v s c 所连的交流系统母线口相的平均电压，吒为换流器的口相输 入电压，由基尔霍夫电压定理可以得出图2 2 中所示各个元件的电压关系： u 二= u + ，。( 尺。+ x 。) = u + u 勋+ ，。r 。 ( 2 1 ) 由式( 2 1 ) 可以得出九、d 。和矽肠这三者之间的向量关系，如图2 3 a 所示， 图中缈为电阻压降尺。j 。和口。这二者之间的夹角。 在实际的工程应用中，电阻r 。的值一般相对较小，在一定的误差范围内可以 忽略不计。即图2 3 a 中的r 。丘= o ，由此得到图2 3 b 和图2 3 c 。图2 3 b 表示的 是d 。 d 幻，厶滞后于比9 0 度，整流器吸收感性无功功率；图2 3 c 表示的是 比 o 时，v s c 吸收有 功功率，相当于在传统的输电系统中作整流器运行；相反当万 0 时，v s c 吸收无功功率，而当 u ，一玑c o s 万 o 时，v s c 发出无功功率，所以通过控制【厂c 的大小就可以控制v s c 发出或吸收无功功率的大小。 2 4 换流器各变量之间的相互关系 2 4 1 直流输出电压和负载率的关系 将式( 2 2 2 ) 代入式( 2 5 ) 就可以得到直流输出电压u 由和负载率七这二者之间的 关系： 坠：j 生：型竺i 二竺：二! 堡 ( 2 3 1 ) u 。朋，c o s j 2 七 图2 5 即为调制度m ，取不同的数值时，直流输出电压u 由与负载率七的关系 曲线图。从图2 5 中可以看出，在调制度m ，一定时，直流输出电压随负载率的增 大而增大，且调制度m ，越小，增大的程度也就越明显。但当调制度m ，增大到1 附近时，随着负载率的增大，直流输出电压无太明显的变化而基本保持为恒定值。 另外从图中还可以看出，当调制度较小时，负载的可调节范围也就较小，当负载 率超过此调节范围时，v s c 就有可能进行不正常的运行范围。因此在实际的运行 过程中，为了扩大负载率的调节范围和避免直流输出电压的大幅度变化，调制度 基于v s c 的高压直流输电系统控制策略研究 一般选择在l 附近。此时，直流输出电压的有效值约为交流系统母线电压有效值 的压倍。 k 图2 5 直流输出电压与负载率的关系 2 4 2 直流输出电压和调制度的关系 由式( 2 3 1 ) 还可以得到在不同的负载率七的运行状态下，直流输出电压u 西和 调制度m ，的关系，如图2 6 所示。由图中曲线可以看出，在不同的负载率情况下， u 3 口 3 m 图2 6 直流输出电压与调制度的关系 直流输出电压随着调制度m ，的增大而减少。负载率七越小，直流输出电压和 调制度的可调节范围也就越大，但此时直流输出电压的变化范围也就越大。当负 载率较大时，为了确保v s c 能够正常地运行，调制度只能选择在1 附近，这在一 定程度上限制了v s c 的控制灵活性。当调制度较小时，在不同的负载率情况下， 直流输出电压的值也不尽相同，负载率越小，直流输出电压的有效值也就越小。 硕士学位论文 但在调制度为1 的附近时，不同的负载率所对应的直流输出电压的有效值都趋向 于同个数值，且这个值恒大于2 ，这也是v s c 在正常运行时，直流输出电压 的取值范围。 2 4 3 相位控制角与调制度的关系 由式( 2 2 4 ) 可以得到v s c 的相位控制角万和调制度m ，二者之间的关系表达 式： 万= 寻s 洫- l ( 苦) ( 2 3 2 ) ，、 ，z 7、7 - h ， 当负载率取不同的数值时，可得到一系列的相位控制角万和调制度m ，的关系 曲线，如图2 7 所示。由图中的曲线可以看出，在不同的负载情况下，随着m ，的 增大，万角急剧地减少。负载较轻时，调制度的可调节范围较大，随着调制度的 增大，艿角先是急剧地减小，然后再缓慢地变化，调制度越接近于1 ，变化就越 缓慢。在不同的负载率情况下，当调制度趋向于1 时，万角也趋向于不同的值， 负载率越大，这个极限值也就越大。当负载率较小时，万角也趋向于一个较小的 数值，这种变化规律与负载率的定义完全吻合。 此外，从图2 7 中还可以看出，不管负载率和调制度为何值，万角的最大值 始终小于4 5 。，这也是确保v s c 能够正常运行的另一个必备条件，如果不能满足 这个条件，v s c 就有可能进入不稳定的运行区域。 一 图2 7 控制角与调制度的关系 2 4 4 调制度与功率因数的关系 由式( 2 1 9 ) 可以得到调制度m ，和功率因数c o s 缈这二者之间的关系： 耻2 屠 亿3 2 ， 基于v s c 的高压直流输电系统控制策略研究 选取不同的负载率，可得到一系列调制度与功率因数的关系曲线，如图2 8 所示。 由图中可以看出，当功率因数超前时，随着负载率的增大，调制度的可调节范围 变得越小。但是，负载率越小，即使运行在功率因数超前的情况下，m ，的数值也 变得越小。当七= 0 时，m ，也等于零，此时调制度的控制范围已不受约束。因此 在没有有功功率损耗的运行情况下，v s c 的控制基本上没有特别的约束。 0 0 s 口 图2 8 调制度与功率因数的关系 硕士学位论文 第3 章v s c h v d c 系统新型非线性控制器设计 3 1 非线性控制理论简介 控制是指用施加某种特定的输入方式，改造所涉及的各种动力学的性能，使 其最大限度的满足需要的理论和技术的总称。控制理论和其它学科一样，也是由 于社会发展的需要，从解决重大工程和技术问题的实践中发展起来的，而它的发 展水平则受到人类技术手段和知识水平的限制。控制理论自1 9 3 2 年奈魁斯特发表 反馈放大器理论以来，发展至今已走过了7 0 多年的历程，其主要经历了如下的几 个阶段【1 5 ，1 6 j ： 第一阶段：经典控制理论；经典控制理论是一种单回路线性控制理论，这种 理论只适用于单输入单输出控制系统，其主要研究对象为单输入单输出、线性、 定常系数的系统。由于经典控制理论只是从系统的输出量和输入量的关系去研究 一个系统，故它难以揭示系统内部的动态行为。它的数学工具是拉氏变换、传递 函数，其主要方法是频率法和轨迹法。 第二阶段：现代控制理论；2 0 世纪6 0 年代前后，随着工程控制系统规模及 其复杂程度的增大以及对控制精度要求的不断提高，迫切地需要一种新的控制理 论；另一方面，由于计算机技术的成熟和普及，促使控制理论由经典控制理论向 现代控制理论过渡。现代控制理论的形成促使控制理论从深度和广度进入了一个 崭新的发展时期。现代控制理论的研究对象为多输入多输出、线性或非线性、定 常或时变系统的状态控制，它的数学工具是矩阵理论、矢量微分方程理论和集合 论等，它的主要方法是状态空间分析法。 第三阶段：非线性控制理论；当代科学技术的重大变革和发展，已突破旧的 自动控制系统框架向更复杂的自动控制系统框架发展，这些复杂的系统凭单一的 控制模式，仅采用数学工具或计算机仿真都难以解决，因此有必要采用更高级的 控制方式来解决上述问题。 现代电力系统的规模和复杂程度正在日益增加，人们对电力系统的运行性能 也提出了更高的要求。随着以大机组、超高压电网为特点的大规模电力系统的迅 速发展，改善电力系统运行的安全稳定性成为日趋重要和紧迫的研究课题。在这 种情况下，为保证电力系统安全、经济和稳定地运行，必须采用合适的有效的控 制方式。传统的控制技术大多采用线性系统控制理论，这种理论方法是以非线性 系统在某一平衡点的全微分代替其增量，从而将原非线性方程线性化。采用这种 方法虽然可以得到电力系统的控制方式，但也有着不可忽视的局限性。那就是当 电力系统的实际运行状态对于所选的平衡状态有较大的偏差时，所得的线性状态 基于v s c 的高压直流输电系统控制策略研究 方程就会呈现较大的不准确性，且偏差越大，这种不准确性也就越大。而非线性 控制理论，通过采用状态反馈和恰当的坐标变换，可以把非线性系统在它的整个 状态空间上或状态空间的一个足够大的域中精确线性化，从而得到非线性的控制 方式，使系统具有良好的动态特性。可见基于非线性控制理论设计的控制器有助 于提高电力系统运行的暂态稳定性，以及增强对潮流分布、紧急事故及经济运行 的控制能力。 3 2v s c h v d c 输电系统的控制方式 从第二章的分析可得出，在v s c h v d c 输电系统中，可以通过调节v s c 的 相位控制角和调制度来控制v s c 的输出，从而可以快速灵活地调节直流输电系统 的运行性能。由于v s c 为自换向换流器，它不需要交流系统提供换向电压，与交 流系统相连时，可以通过控制其相位角和调制度来实现整流运行或逆变运行；另 外v s c h v d c 输电系统还可以联结两个同步或非同步运行的交流电网，实现两 个交流有源电网之间电能的远距离互送，向无源纯负荷网络供电，并且在电能传 送的同时还能够对所连接的交流网络进行无功补偿等【r 7 1 。这些功能的实现都要通 过对v s c h v d c 输电系统的两端换流器实施有效地控制和对系统参数进行合理 地选取才能实现。在v s c h v d c 输电系统中，v s c 是一个两输入( 相位万与调制 度m ) 、两输出( 直流输出电压或电流与无功功率) 的被控对象，其主要有以下三种 基本的控制运行方式： 定直流电压控制：这种控制方式用以控制直流母线电压和输送到交流侧的无 功功率。 定直流电流( 或功率) 控制；这种控制方式用以控制直流电流( 或功率) 和输送到 交流侧的无功功率。 定交流电压控制；这种控制方式用以控制交流母线电压。 对于v s c h v d c 输电系统，为了保证其能正常运行和提高交流侧输出电压 的稳定性，必须对直流电压进行定值控制，因此其中一端必须采用定直流电压控 制。而另一端采用定直流电流控制还是定直流电压控制则取决于所连接的交流网 络。当所连接的交流网络为有源网络时，采用的是定直流电流控制，采用该策略 时，v s c h v d c 输电系统传输的功率由两端换流站设定值的乘积决定，其控制目 标为直流线路上流动的功率。当所连接的网络为无源网络时，则采用定交流电压 控制。 另外，v s c h v d c 输电系统的输出基波电压频率必须与所连接的交流网络的 基波电压频率一致，而控制方式就是上述直流侧控制方式和交流侧控制方式的组 合。例如，某一个换流器采用直流侧定电压，交流侧定电流的控制方式，而另外 一个换流站采用直流侧定电流而交流侧定电压的控制方式。当然由于控制策略不 硕七学位论文 同，某些换流器也可以只对一侧进行控制，例如只控制直流电流恒定，而交流侧 控制器开环运行，即无功或电压在一定范围内随运行参数的变化而波动【1 8 ，1 9 ，2 0 1 。 3 3v s c h v