（电力系统及其自动化专业论文）多馈入直流系统非线性变结构控制的研究.pdf

质，用n e t o m a o 对调制器参数进行 ：办调优化。最后，对三机多馈入交赢流测试 系统进行仿真，仿真结果表明该非线性变结调制器能在效地抑制扰动后的系统 振荡、提高系统的暂感稳定性：协调优化后效果更佳，且表现出良好的鲁裤性。 关键词：非线性附加注靠l 器；多馈入直流；非线性变结构；协调饶化；状态反 馈精确线性化；直接反馈线性化 t h er e s e a r c ho fn o n l i n e a rv a r i a b l es t r u c t ur ec o n t r o li n m u l t i i n f e e dh v d cs y s t e m s m a j o r e l e c t r i cp o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n g r a d u a t el i ux i a o j i a n g a d v i s o r t i a n q il i u a tp r e s e n t ，t h e p o w e ri n d u s t r yh a sd e v e l o p e di n t o i n t e r c o n n e c t i o no fh u g e p o w e rg r i d s ，f u r t h e r m o r e ，t h ei m p o r t a n tp e r i o do fi n t e r c o m l e c t i o n i nt h ew h o l e n a t i o na n dt h ed i s t r i b u t i o no fr e s o u r c ei ng r e a t e ra r e ai sc o m i n g ，t r a n s m i t t i n ge l e c t r i c p o w e rf r o mw e s tt oe a s ta n de x c h a n g i n ge 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 w i l lb et h eb a s i cs t r a t e g yo nt h ed e v e l o p m e n to fi n t e r c o n n e c t i o no fp o w e rn e t w o r k s i nc h i n a w h a ti sm o r ei m p o r t a n t ，h v d ct r a n s m i s s i o no v e rl o n gd i s t a n c ew i l tb e a p p l i e di nt h ep r o j e c to ft r a n s m i t t i n ge l e c t r i cp o w e r f r o mw e s tt oe a s t ，m e a n w h i l e ， a s y n c h r o n o u sh v d ct r a n s m i s s i o nw i l l b ea p p l i e di nt h ep r o j e c to fe x c h a n g i n g e 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 o w i n g t oc o n t r o l l a b i l i t yo fh v d cs y s t e m s ，c o n t r o ls y s t e mb e c o m e st h ec o r eo f t h ew h o l es y s t e m s ，m e a n w h i l e ，t h e r ei sn e wo p p o r t u n i t yf o ra p p l y i n go fm a n y c o n t r o lt h e o r i e s w 强t h ed e v e l o p m e n to f m u l t i i n f e e dh v d ct r a n s m i s s i o ni nc 壤n a ， t os t u d yt h ec o n t r o lo fh v d ct r a n s m i s s i o nb e c o m ei n o r ei m p o r t a n t 。a c d cs y s t e m s a r eh i g h l yn o n l i n e a rs y s t e m s ，f o rt h i sr e a s o n ，t h i sp a p e rf o c u s e so nt h ea p p l y i n ga n d r e s e a r c h i n go fn o n l i n e a rc o n t r o lt h e o r y c o m b i n e d 诵魄t h ec o n t r o lt h e o r yo fl i n e a r s y s t e m s n e wa d d i t i o n a lc o n t r o l l e r sa r ed e s i g n e d i nt h i sp a p e r i nc h a p t e r4 ，t oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fh v d cs y s t e m s ，ad e s i g nm e t h o do f a d d i t i o n a ln o n l i n e a rc o n t r o l l e r si sp r e s e n t e df o rt h ei n v e r t e ri nc o n s t a n ta cv o l t a g e c o n t r o lw i t ht h er e c t i f i e ra tc o n s t a n td i r e c tc u r r e n t 。t h ed e s i g no ft h ea d d i t i o n a l i i i n o n l i n e a rc o n t r o l i e r si sb a s e do nt h ee x a c tl i n e a r i z a t i o na p p r o a c hb ys t a t ef e e d b a c k o fn o n l i n e a rc o n t r o lt h e o r ys ot h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co fa c d cs y s t e m si s i m p r o v e de f f e c t i v e l yb ye x t e n d i n g t h e c o n t r o lf u n c t i o no fh y d c f i n a l ly ，t h e c o n s u m i n go fr e a c t i v ep o w e r o fi n v e r t e ri sa n a l y z e dp a r t i c u l a r l y i nc h a p t e r5 ，t oi m p r o v et r a n s i e n ts t a b i l i t yo fm u l t i i n f e e dh v d c t r a n s m i s s i o ns y s t e m s ，a k i n do fh v d ca d d i t i o n a lp o w e rm o d u l a t o rb a s e do nn o n l i n e a r v a r i a b l es t r n c t a r et h e o r yi s p r o p o s e d f i r s t ，t h es t a t ee q u a t i o ni sl i n e a r i z e db yu s i n gt h ed i r e c tf e e d b a c kl i n e a r i z a t i o nt h e o r y - a n dt h e n t h ec o n t r o ll a w sa n dt h ec o n t r o lq u a n t i t yo f t h en o n l i n e a rv a r i a b l es t r u c t u r em o d u l a t o r s a r ed e ：r i v e d t h es u i t a b l es w i t c h i n gf n n m i o n sa r es e l e c t e db yq u a d r a t i co p t i m a lm e t h o do f v a r i a b l es t r u c t u r et h e o r y t o i m p r o v e m o t i o n q u a l i t yo fs l i d i n gm o d e ，t h e m o d u l a t o r s p a r a m e t e r s a r ec o o r d i n a t e da n do p t i m i z e db yo p t i m i z a t i o nm o d u l eo fn e t o m a cs o f t w a r e f i n n i nt h e3 - m a c h i n em u l t i i n f e e da c d cs y s t e mi ss i m u l a t e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t t h en o n l i n e ”v a r i a b l es t r u c t u r em o d u l a t o rc a nd a m pt h eo s c i l l a t i o n se f f e c t i v e l ya n di m p r o v et h e t r a n s i e n ts t a b i l i t yo fs y s t e m t h ec o n t r o le f f e c ta n dt h er o b u s t n e s so ft h em o d u l a t o r sa r eb e t t e r a f t e rc o o r d i n a t i o na r i do p t i m i z a t i o n k e y w o r d s ：a d d i t i o n a ln o n l i n e a rc o n t r o l l e r ；n m l t j i n f e e dh v d c ；n o n l i n e a rv a r i a b l es t r u c t u r e ； c o o r d i n a t i o na n d o p t i m i z a t i o n ；t h e e x a c tl i n e a r i z a t i o na p p r o a c hb ys t a t ef e e d b a c k ；d i r e c t f e e d b a c k1 i n e a r i z a t i o n 翻川i 大学硕士学傻论文( 2 0 0 5 ) 第一章绪论 1 1 选题裔豢与磅究意义 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因性互联电 网过渡的阶段。由于我国熊源资源分布的不平衡，水力资源的2 3 集中在西南 魏区，煤炭资源菸6 0 集中在“三嚣”( 1 妇嚣、获嚣、内蒙瑶蘩) 撼嚣，焉受蓊 中心主要集中在东部沿海地区，其电力消耗超过全国的1 2 以上1 。因此，国家 确定的“西电东送，南北互供，全国联网”的战略符合我国经济发展的需要阱 及电力工业发震蕊需要，戮时，为壹流竣邀技术在中瓣粒发屡提供了契规，与 交流输电褶比，直流输电具有以下良好的技术特点： 直流输电技术特别适合于大功率、远距离输电，对于输电距离超过1 0 0 0 k i n ， 输送客量达1 亿k w 的西电东送工程，采用直流输电是最经济合理的方案。根 瓣簪秀瓷辩爨供的数据，瓣嚣壹滚赣电靛等份距离在6 0 0 - 0 0 0 k m 之鞫。翟嚓缝 说，当输电距离超过等价距离后，采用姐流输电比采用交流输电缀济“3 。 采用直流输电实现电力系统之问的非同步联网，可以不增加被联电网的短 鼹容量，被联电瓣可以是霰定叛率不羁靛窀弱，也可强是羲定频率稳两但j 两 步运行的电网；被联电网可僳持自己的电能质量( 如频率、电压) 而独立运行， 不受联网的影响；被联电网之间交换的功率可快速方便地进行控制，有利于运 行帮管理。 直流输电输送的有功功率和换流繇消耗的无功功率均可出控稍系统遂行控 制，可利用这种快速可控性来改善交流系统的运行性能。根据交流系统在运行 中的要求，可快速增加或减少直流输送的有功和换流器消耗的无功，对交流系 绫懿畜功平衡鞠无功乎鍪超捷速魏疆节伤蠲，款瑟穗舞交流系统瓣稳定整，掇 高电能质量和电网运行的可靠性。对于交直流并联运行的输电系统，还可以利 用直流的快速控制来阻尼交流系统的低频振荡，提高交流线路的输送能力。 在直滚电瓣作用下，只有电阻起份溺，电感襄电容均不超馋蠲，壹藏输电 采用大地为网路，直流电流剃向电阻率徽低的大地深层流去，可很好地利用大 地这个良导体。利用大地为回路可省去极的导线，同时大地的电阻率低、损 耗小、运行费用也低”3 。 霸川大学硕+ 学位论文( 2 0 0 5 ) 自世界上第条具有商业性质的高压直流输电线瑞典至哥特兰岛高压 直流输电线投入运营以来，世界上已有6 0 多条直流线路投入运行。对于直流输 电线路为絮空线路的工程来专莠，巴秀伊褰普查滚工程瓣电压等级竣裹( 6 0 0 k v ) 输送容量最大( 6 3 0 0 m w ) ：荚加一沙巴直流工程的输送距离最长，为1 7 0 0 k m 。对 于直流输电线路为电缆线路的工程来讲，英法海峡赢流输电线路具有最大的输 送容量- - 2 0 0 0 m w ；瑞典一德国的波罗的海直流工程具有最高电愿等级( 4 5 0 k v ) 和最长豹输送距离( 2 5 0 k m ) 。最大窖爨的背靠背壹滚工程为缀罗赫一芬兰之搁 的维堡直流工程。直流输电在远距离大容量输电、电网互联和电缆送点( 特别 是海底电缆) 等方面均发挥了重大的作用。 在中爨，银举藏开始了黯壹滚埝毫豹磅究二 圣罄。1 9 6 3 年，在中国电力辩学 研究院建成了1 0 0 0 v 、5 a 的直流输电物理模拟装置，拉开了中闰研究和发展逝 流输电的帷瓣。1 9 8 9 年，舟山直流输电工程j 下式投入商业运行，工程从科研设 计、设各剖造到调试运行，全部依靠瓣灰的接术力鬃，对直淀羧魄在孛罾的发 展起到了应有的作矮。1 9 9 0 年8 胃，葛潮暂 一南桥慧流输电工程正式投入运行， 是我国第一。项远距离大容铤的高压直流输电工程。 为了适应我国电力2 e ! t k 发展的需爱，我国的电网已经划分成了国家电嘲公 霹帮寇方电斓公司。鏊懿，南方电溺已建成了奏广，天广一i 溷两条壹滚线路， 并且通过三广直流与华中电网联系在一起，有效地提高了南方电阚的稳定性。 不仅如此，为了加速云南，贵州电力外送力度，在南方电网2 0 1 0 年的规划中， 已浸诗援划了超点于贵州兴仁，落点予广东酉花漏鸵贵广l l 圉以及起点子云海 昆西北，落点于增东的云广直流线路，未来的南方电网将是典燮的多馈入交鬣 流混合输电系统；与此同时，国家电网公司也在积极推动直流输电工程的实施， 金沙江的溪涤渡、向家坝水电站至华东电霹的输电线路就推荐采用直流输电方 式，蘑j 电鹂和川浚电掰之闻也褥采取寝流联鞫方式。 总的来讲，随着西电东送和全国联网的全面实施，我国将有越来越多的赢 流工程投入运行，目前正在规划的直流输电工程就有2 0 多项。根据规划，在未 寒夔2 0 年孛，褒方电鼹将有多条囊浚埝电线路纂点广东电翻，华东和华中电阏 也将有6 条或更多的直流输电线路落点浙江省和上海。由于如此多的直流线路 落点于同一地区，因此有必要对直流输电的控制，盥流之间以及赢流对交流网 蹒翊太学颈学侮论支( 2 0 0 5 ) 络的影响作深入的研究，这是具有实际懑义的重大课题，因此，我将直流控制 搀为是己的磷究谋题。 1 2 国内外研究动态 随着技术的进步，晶闸管设备价格下降和可靠性提高，直流输电方式往往 受爨火粕靛毒稼”1 ，茏其是在审场经济逐猛发展熬今天更应受到关注；不但翔 此，未来的南方电网和华东电网将会有多条直流落点于同一地区，如此庞大的工 程在世界上也是少有的。因此，有必要对直流输电的控制，直流之间的相互影 嗡，直流对交浚颡终的影确进行澡入的研究。其中，以下几个方巍跫现在黧今 后研究的重点： 一、综合运用各种控制器设计算法设计直流基本控制器或直流附加控制器 以提赢交直流混合系统的稳定性。 直流输奄瀚优点之一，是笾蟹遥过挨漉器舷发秘位的控麓，实邋茯速帮多 种方式的调节。因此，直流控制在直流输电中处于棱心地位。近年来基于各种 控制理论所设计的直流主控制器以及附加控制器层出不穷。如文( 4 】基于模糊神 经舅法设诗了餐髭电瀛控截器，文浚镑黠h v d c 系绫建基了簧掺是逶应整裁， 通过在线调熬主控制器参数，从而达到擞佳的控制效梁；文 6 基于关联测量的 分敞协调控制原理提出了蠢流系统附加控制的分散协调控制策略，该方法只需 要当地基号，控制结构简单，易于实蕊。由于j # 线性控割器的设计不依赖系绞 菜运幸亍点，同时考虑了系统菲线往姆性，因而显示出了其独特丽优良的控制 性能。其设计方法多种多样，如：基于微分几何理论的反馈线性化方法、直接 反馈线性化方法。、”、基予l y a p u n o v 稳定性理论的控制方法“1 、非线性变结构 控爨方法“羁霉线蛙套逡疲控麓等“2 。 二、交赢流电力系统的电压稳定问题 电压控制及稳定问题对电力工业米潦并不是新概念，但是现在在许多电力 系绞中仍受至l 特澍戆重视。电压阕题蛰经主要斧随弱系统帮长线鼹，瑷在在离 度发达的电网中。由于重负载，使电压闷题也成为一个关心的焦点。在国内外， 随流输电线路不断增加，它在电网中所占比例不断撼商。但同时也给电力系统 带来了不利的负荷特性。当h v d c 为负荷地区提供电力时，换流辩消耗的无功 暇川大学硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 功率约为直流有功功率的5 0 - 5 0 ，对系统电压稳定造成一定的影响。特别是 _ ；生系统交流电压大幅降低的时候，如果采用电容器补偿方式，交流电压会进 步恶讫；翔鬃采罔s v c 遴嚣於偿，当其运行在窑惶区域旦达到控溅投疆露，捆 当于并联电容，此时它对电压稳定性的影响是不利的；虽然同步调相机是一种 常用的有效的无功补偿设备，但其响应速度较慢；同时以上几种补偿方式都要 蝣加投资。因此有必要通过采用恰当的控制策略使得换流器具有较大的调节效 应，以此亲改善逆交铡交流电压永平潮时又能达戮节省授资的鬻豹。如文【1 3 】 中提出了逆变侧采用定交流电压的控制策略，目的嫩拓展换流器的基本特性， 影响和调节交流侧的无功平衡；如文f 1 4 1 采用了定交流电压的控制方式，其图 的是在稳态麓闻有效缝控毒l 交浚换稳电压，= 蒡在交流或壹浚撬动发生盖豹系绞 恢复期间防止交流电压发生波动，文f 1 5 基于非线性变结构理论设计了逆变恻定 无功电流控制方式，系统特性得到了明鼹改善。本文第四章在整流侧定直流电 流，逆变测定交流电压熬本控毒方式懿基礁上，基予微分羹真理论中的精确线 性化方法设计了整流侧定嶷流电流，逆变侧定交流电压的附加非线性控制器， 仿真结果表明逆变侧交流电压得到了较好地改善。 三、研究多续入交直流混合系统中童流对交沆的影响、协调控制策率以及 协谲恢复策臻。 多馈入赢流有利于改藩系统的动态和暂态稳定性。与单馈入赢流输电系统 样，扰动发生后多馈入赢流输电系统的恢复性能取块于其所连接交流系统的 终秘、壹浚系统本身以及黯奁滚系统所采取麓控魏，其中，黯_ 爨流换滚器采敬 何种控制措施是能否获得满意的整体动态性能的关键；此外，由于各逆变站处 在同一交流系统中，还需考虑各逆变站交流母线间的邻近程度以及各直流输电 予系统控制嚣溺的协调。阂此，有必黉对多馈入壹滚之间戆枢互影啮、多馈入 渔流对交流系统的影嫡、多馈入直流的协调控制蒙貉以及恢复策略作详细的研 究。文 1 6 针对多馈入直流系统提出了协调分层的控制策略，通过将h v d c 系统 羲作是连接在交流系统换棚母线上的变导纳支路并熬于最优控制瑕论，推导燃 具有薅级分攥沟控溷繁略；文 1 7 鬟逡了一葶孛基予穗征蓬分辩技零翡方法对多 馈入直流系统的电压稳定性进行了分析；文 1 8 分别采用了标准缀大功率曲线 技术和特征值分解技术对多馈入直流系统功率稳定进行了分析，并对分析方法 本 作了比较；文 1 9 基于带参数约束的非线性最优化方法，优化预先选择的多馈 入詹流输电系绕中个直流溺制的参数，皴终实现了各敷流系统调铡间的优化调 节，在最 茏翮全局协调的方式下增强了黪个系统对交流系统霉l 电掇荡的阻尼。 本文第五章针对个三机两直流系统，在非线性变结构理论的基础上，设计了 蠢流调制器，有效地抑制了系统中机组相对功角的振荡，提高了系统的暂态稳 定幢。 总之，今后的研究重点应放在直流对交流系统的澎响、多馈入赢流之间的相 互影响、交煮流系统的功角稳定和电压稳定、多馈入直流系统中各控制器的协 调以及采用何种控制蓉臻蒋方葱，这些磺究具有重大躲理论意义和工程方露的 实际意义。 1 ，3 论文思路与结构 壹流输京以它薅有兹优越性：翔溪节逐速、远嚣灵活、传辕功率大及哥浚 遮改变电力系统有功潮流分布等，在大容量远距离输电、区域电力系统之间的 瓦联、海底输电等方面，均获得了广泛的应用。由于唐流输电系统具有调节迅 遴翡特点，长翅驭亲，翅露铡媛这一特点去改善交、羹滚系统豹运彳亍蒋牲及稳 定性，已成为交直流混合输电系统的重黉研究方向“。本文侧重予研究非线性 控制理论中的状态反馈精确线性化方法以及直接反馈线性化方法，并结合变结 构理论，设计了附加控制器。 本论文的具体痰容鲡下： 1 、论文的第二章介绍了高压直流输电系统的控制原理。分别阐述h v d c 系统的控制特性，直流输电控制系统分屡结构，直流输电系统的各种调制功能 以及壹凌调裁在翟凑努工糕孛懿瘟蠲。繁三章对所周戮瓣菲线性控麓理论中戆 状态反馈精确线性化方法阱及直接反馈线性化方法作了详细的介绍，为下一步 设计非线性附加控制器提供了理论依据。 2 、本文第邂章基于状态反馈精确线蛙讫方法，通过坐掭交换和 # 线性反馈， 摊导出整流侧定直流电流、逆变铡定交流电压的靖加控镪规雯l ，且设计了稆应 的非线性附加控制器：该非线性附加控制器只需少撼的局部反馈信号便可获得 良好的调节性能。最后，在三机交直流测试系统上对该非线性附加控制器进行 麟川大学硕士学位论文( 2 0 0 5 ， 了仿真试验，仿真结果表明该控制器能够有效地改蒋交直流系统的动态特性。 同时，仿真结果表明该非线性附加控制器能合理地调节换流器在电压下降期f 自j 对无功功率的吸收，维持逆交撼电压东乎，胰瑟提高系统夔蜇态稳定3 圭。 3 、第五章针对多馈入直流提出了非线性变结构控制器的设计筑略，通过采 用真接反馈线性化方法将非线性交直流系统化为线性化系统，然后采用最终滑 动模态的最优控制方法设计了非线性变缝梅调制器。为了得到最优的控制效果， 饺矮了n e t o ! a c 较 牟的优仇模块对调铡器酌参数迸_ 亍| 办谲饶纯。仿真结柒证爨 优化后的调制器更为有效地抑制了发电机问转子相对角度的振荡，提高了系统 的暂态稳定性。 论文篱六章对全文所搀颈究工馋遴幸亍了豹总结鞍溪望。 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 第二章高压直流输电系统的控制原理 2 1 引言 高压直流输电系统的快速潮流控制能力以及其高度可控性在世界上的很 多工程中得到了充分应用。它的有效运用决定于适当利用它的可控性以保证电 力系统的所需性能。以提供高效而稳定的运行、最大限度地提高功率控制的灵 活性而不危及设备的安全为目标”。本章将详细阐述其工作原理和特性。 两端直流输电系统的原理图及等值电路图由图2 1 ，2 2 分别表示。 直流线路 相交流j 二丰整流器 7 逆变器丰j 。二相交流 d c o s a 图21两端直流输电系统原理图 f i g u r e2 1t h es c h e m a t i cd i a g r a mo f t w ot e r m i n a lh v d c s y s t e m 一心 图22 两端直流输电系统等值电路图 f i g u r e2 2t h ee q u i v a l e n tc i r c u i to f h v d ct r a n s m i s s i o ns y s t e m d 。c o s y 图中，：罢三e rc o s 口是整流侧空载直流电压，：型竺ec 。s y 是逆 7 r7 变侧空载直流电压；尺一r 。，是整流侧、逆变侧的等值换相电阻；r 。是直流线 路电阻；d 是整流器触发滞后角，y 是逆变器的触发越前角。 翻川大学硕士学彼论文( 2 0 0 5 ) 由图2 2 可知：从整流器流向逆变瓣的直流电流为： ，v 。l o rc o s ( 一- g = 竖竺! 避丝 k m 一】) - , j - 2 一 l ， “ 矗。，十r d r 。 整流器终灞功率为： = ，。 ( 2 2 ) 遂变糕终淄功率为： = z = 纛一贾鬈 ( 2 - 3 ) 当逆变器以定声角运行时，分予中用c o s f l 、分母中用+ 最若以定y 角 运行时，则用c o s y 以及一r ，l 弋入上式。 高压直流系统通过控制整流器和逆变器的内电势( 圪，c o s 饼) 和( c o s y ) 亲控麓线赣上任一点静囊流电压吸及线精电流( 或功率) 。 直流输电可用两种不涮的方法来控制：一是控制憝流侧和遵变侧的交流电 歪：二是控秘熬流器静艇发角搿班及遂变器静熬发熊。蔚者可以蹋嗣控澍发 毫概及调翻枧的豉磁或甥换按滚变压嚣分接头来实现；后者楚通过电流调节嚣 对换流器进行所需的相位控制。 改变变压器分接头以改变交流电压，戡使群一理。謦拜5 = 艿。黪性甥应恐h 移或下移。戡此，变压器分接头切换控制可以用来控制口。或毋。的限制电捱； 在定电流控铡时，籁翔交流电压变纯，剿能维蒋控制确盘在要求瀚额定值上， 使艇流器的无功功率消耗减少。通常，改变变压器分接头的调节速度较慢( 每 改变一档需5 6 s ) ；丽控制辍进行褶位控制酶速度剿缀迅速，约为l l o m s 。 整滚器鞋薹一个约5 。翡鳍浸小蔽裁，以保证黢发蘸溺上由是够瓣邀压。在遂 变器的情况下，必需保持某一最小的熄弧角以避免换相失败。所以保证在 搿一1 8 0 。或y = o 。时换塌电压及窝之嚣有足够懿稔度时闼去游囊瓣祭停下完戏羧 擒是十分羹要的。一般情况下整流嚣正常运行在e r = 1 5 。2 0 9 ，使它还有可能提 升整流器电压以控制直流功率潮流；5 0 1 1 z 的系统f ，y 角的典型裕度值为1 s 。， 6 0 h z 的系统下为1 8 6 。 l 銎j 畦大学硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 2 2h v d o 系统控制特性 2 2 ，1 理想控裁褥，| 生 在正常运行条件下，熬流器维持恒定电流( c c ) ，逆变器运行在恒定熄弧凫 ( c e a ) 以维持足够的换相裕度。图2 3 为理想换流器的稳态特性。 当整流器保持恒定电流时，它的弘，特性是一条垂直线，从图2 。2 可以得到： = 玩如，c o s y 十蠢d 一霆。，) j d ( 24 ) 濑过以f 两种措施可以改变换流器特性的位置： 通过调节“电流指令”或“电流整定值”可以使整流器特性水平移动。 通过逆交器兹变压器| 垂头切换装髯翡馋瑶，它的特性会秀高或降低。透 过整流器抽头切换装置动作，可将g 控制在l o 。到2 0 。的期望范围内以确保高功 率因素和控制的适当裕度“。 图23 理想换流器的稳态伏安特性 f i g u r e2 , 3i d e a lc o n v e r t e rs t e a d y - s t a t ev - ic h a r a c t e r i s 娃c s 2 2 2 实际掖制特性 包括v d c o l 的整流器和逆变器静态p v 特性如图2 4 所示，逆变器特性曲 线和整凌爨v d c o l 捃匿瑟以维持电流襁凄。簸鹣精篷是逯过依羧予电压鹣 电流限制暂时降低电流指令。当系统交流电压降低时，通过弓 入v d c o l ，育 助于防止换相失败和电压崩溃。 对于v d c o l 的应用，最为典型的铡子是太平洋煮流联络线王程。1 9 9 6 年 8 胃，通过敖障分析和仿真，发现太平洋直流联络线对于哥伦比甄趣区的电压 崩溃和负阻尼振荡有一定影响。1 9 9 7 年夏季，研究发现由于太平洋直流联络线 的控制对于较大的a c 电压摇摆有不良的动态响应，加洲俄勒闭a c 联络线 翻川大学殒学侮论文( 2 0 0 5 ) ，d 网2 4 有v d c o l 、最小电流和最小触发角限制的静态伏安特- i 生 f i 9 2 4t h es t e a d y s t a t ev - ic h a r a c t e r i s t i c si n c l u d i n go fl i m i t a t i o n s 的传输能力受到很大的瞅制。b o n n e v i l l e 电力局为了修正太平洋赢流联络线的 动态响应，设计并应用了依赖于交流电压的电流指令限制器( a c ，v d c o l ) 。测 试表明，a c v d c o l 有效地改善了系统的稳定和动态特性。其传递函数框图 如鹜2 ，5 骈示。 匿2 5 依赖于交流电压的电流指令限制器框图 f i 瘿。5 a c v d c o l b l o c k - d i a g r a m 2 3 控制系统分层结构 所谓直滚输电控制系绞分层结梅，是将直流输电涣涟站和羹滚埝龟线路憋 全部控制功鼹按等级分为若干层次而澎成的控镪系统结构。复杂的控翻系统采 用分层结构，可以提高运行的可靠性，使任一控制环节故障所造成的影响和危 害程度最小，同时还可提高运行操作、维护的方便能和灵活性。黝2 6 即为瞧 四型查堂堡主堂笪笙苎! ! 竺! ! 一_ + _ _ _ _ _ 流输电控制系统分层结构图。 2 31 系统控制级 系统控制级为直流输电控制系统中级别最高的控制层次，其主要功能有： 与电力系统调度中心通信联系，接受调度中心的控制指令，向通信中心输送 有关的运行信息；根据调度中心的输电功率指令，分配各直流回路的输电功 率，当某一直流回路故障时，将少送的输电功率转移到正常的线路，尽可能保 持原来的输电功率；紧急功率支援控制；潮流反转控制；各种调制控制， 包括电流调制和功率调制，用于阻尼交流系统振荡的阻尼，交流系统频率或功 率频率控制等。 2 3 2 双极控制级 双极控制级为双极直流输电系统中同时控制两个极的控制层次，它用指令 形式协调控制双极的运行，其主要功能有：根据系统控制级给定的功率指令， 决定双极的功率定值；功率传输方向的控制；两极电流平衡控制；换流 站无功功率和交流母线控制等。 图26 直流输电系统分层结构图 f i 9 2 6h v d c h i e r a r c h i c a lc o n f i g u r a t i o n 鞘川大学硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 233 极控制级 极控制级为控制直流输电一个极的控制层次。双极直流输电系统要求一极 数障时，另一圾l 够单独运霉亍，著能宠成主要静控裁 至务。毯就娶求秀掇吾羹 的极控制级完全独立并设嚣尽可能多的控制功能。主控制站的搬控制级还担负 协调从控制站同极的极控制极工作的任务。 2 3 + 4 换流髅控制级 换流器控麓级是控潮矗流输电一个挟流挚元懿控每l 层次，蠲予控镧换流器 的触发相位，其主要控制功能有：换流器触发相位控制；定电流控制；定关断 角控制；直流电压控制；触发角、直流电压、直流电流最大值和最小值限制控 铡以及换流攀元闰铰和悠镂顺疼控剿等。 2 3 5 单独控制级 换流站中除换流器外，其他各项设备分别设置了自动控制、操作控制和状 态检测设备，与换流阀控制缀同属于最低层次的控制级别。单独控铡功能有： 抉流变压器分接开关切羧控割；换流阀冷却及辅韵系统的控裁和髓溺；直流和 交流开关场各断路器、隔离丌关的操作和状态监视；南流滤波器组的投切操作 和监测；交流滤波器组和无功补偿设备的投切操作、自动控制和状态监测等。 2 4 直流输电系统调制功能 直流输电系统的调制功能是指利用直流输电系统所连交流系统中的某些运 行参数兹变化，对直流功率或直流电滤、直滚电压、挨滚器吸收瓣无功功率遴 行自动调整、充分发挥蜜流系统的快遮可控性，用驭改善交流系统运行性能的 控制功能，这种调制功能也称直流输电系统的附加控制。 24 1 功率掇升 m 令上式右边复杂的j # 线性函数，为震季茧控制输入藿v ，那么有 。”+ a i y n 卜”斗a n _ i j ：，+ 静。兰矿( ，)( 3 - 1 9 ) 这样，原非线性系统( 3 1 8 ) 相对于虚拟控制输入量v 变成了一个线性系统( 3 一1 9 ) 然蠢y 哭是一个虚掇控翻燮，实甄匏控嗣量是“，露魏，畜必要寻找稚积v 戆 关系是解决这类问题的关键。 根据v 的定义，“和v 有如下关系： f ( y ”1 ，克弘豁，蠡，掣) 一矿g )0 2 0 ) 如柴对于任意豁r ( r ) ，方稷( 3 - 2 0 ) 均有有界解： u ( t ) = g ( y ”。) ，y ”。，y ，v ，r )( 3 2 1 1 这样式( 3 2 1 ) 被称为非线性反馈补偿规德。 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 取不同的状态变量组， i 可得到不同的系统状态方程。若取状态变量为 z 1 = y x 2 = 夕 ： h = _ y ( ”一1 ) 那么，式( 3 1 9 ) 表示成状态方程得形式为 + r 3 - 2 2 ) r 3 2 3 ) 对于虚拟控制输入量v ，可针对线性方程( 3 2 3 ) ，应用线性系统的控制理论来 设计。以 ：就是直接反馈线性化方法的基本原理“。 一、r = n 时，d f l 法的基本原理 对于一个能控的单输入非线性系统，用状态方程描述如下： x = 妒( ，“) 系统的输出为： y = h ( x )( 3 - 2 4 ) 这里，x 是r l 维状态变量，炸 x 。，x ：，b 要把系统f 3 2 4 ) 化为输入一输出高阶微分方程描述的形式，根据微分方程 理论，一定条件下，可以通过对输出方程求n 次导数。 当系统的相对次数等于系统阶数时，系统( 3 2 4 ) 的输入输出方程将具 有下述形式： y ”+ a l y ”1 + - a n1 j = j + a n y = f ( y ”一”- ，多，y ，“”，- 打，“)( 3 2 5 ) 在这种情况下，非线性系统的直接反馈线性化方法由下述定理来描述： 定理一对于某一类能控的单输入非线性系统，如果其运动方程消去中间 变量以后，可以写成( 3 2 5 ) 式的形式，而且对于任意时间函数v 倒，非线性方程： f ( y “。- 一，y ，“”，i ，) = y o )( 3 - 2 6 ) 均有有界解： u ( t ) = g ( y ”“，y ”，- ，j = ，y ，v ，t )( 3 - 2 7 ) 则，对系统( 3 2 5 ) 施加形如( 3 2 7 ) 式的非线性反馈补偿以后，就可以化为线 也“ ri。iiiiiiiiiiiiiiiji肚 0 1 0 一 n 0 o 口 一t一 壁鍪雕天学碛士学撬论文( 2 0 0 5 ) 性化的新的受控对象： y 扣+ 辞l y ”一1 + 辞。一i 多+ 矗。y = v ( o ( 3 - 2 8 ) 这就是d f l 法的基本定理。 上述定理中，如果状态变摄取为： 戈1 = y x 2 = y 可跫线性纯驭后懿系统运动方程( 3 2 7 ) 豫为翔f 款状态方程 8 2 9 ) ( 3 3 0 ) 虚拟输入挞v 的控制嫂律，可以投糖线性系统控制理论，针对线性化后 懿装态方程( 3 2 9 ) 求密。 把式( 3 2 9 ) 代入式( 3 2 7 ) ，可以得出式( 3 2 7 ) 的另外一种表示形式为： “( ，) 2 9 ( ，x 。l ，一，x 2x 1 ，v ，) ( 3 3 1 ) 式( 3 3 1 ) 中豹毪( ) 为疑受接对象( 3 2 5 ) f 1 9 煮接反馈线；罄偬 偿箨。 二、 r m ) 。 此时，d f l 补偿律的有解条件出下述定理给出： 定理二：考悫类麓控橱蘩菲线性受控怼象豹输入竣国撬遂毫除 线性镦分方 程，如式( 3 3 2 ) 所示，令( 3 3 2 ) 式右边的函数f ( t 等于个新的输入函数v ( t ) ， 即： f ( y ”。，萝，y ，口”，i t , z f ) = v ( t )( 3 - 3 3 ) z x口 墨而 魂卜 j i = ， = 降卜卜降 靼川大学硬士学位论文( 2 0 0 5 ) 非线性微分方程( 33 2 ) 在平衡点 ( ，u 。) = ( 兹邻域内有奶下形式弱麓： z ( m ) ( f ) = g 。( y ”， 的充分条件是： ( 3 3 4 ) ( 3 3 5 ) 六。：里骐 0 s0( 粥6 ) 2 荔万b ， 强。 条件( 33 6 ) 可以在相当宽的( y 。，u 。) 邻域得以满足。 定理二实际上给出了r 竹时，用d f l 法使系统实现线性化的方法。这时所 设夔虚数控潮萋( 3 3 3 ) 式中，豫了禽有输毫量及英各阶导数稿输入控制量隧 外，还含有输入量的导数。 对受控对象( 33 2 ) 施加形如( 3 - 3 5 ) 的d f l 补偿律以后，所得到的新受 燕对象的翰入浚出强述呈线t 睦关系： ，扣+ 口1 y ”一+ a n - i ，+ a y = v ( t ) ( 3 3 7 ) 如果仍然取状态变量类似( 3 2 9 ) ， x = ， ， 羔2 = 罗 赠疆系统可化为形翔式3 3 懿形式： r西= x 2 ix 22x 3 ix 2x n l 2 。= 矿p ) 日1 x 。一a 2 x 。一】一 ( 3 3 8 ) ( 3 - 3 9 ) 把f 3 3 8 ) 式代入( 3 3 5 ) 式，可以德到： 拼”( f ) 篇g 。，( 盖。，x 。一l ，- 一，x 2 x l ，“”聃，一，西，村，y ) ( 3 4 0 ) 满足( 3 4 0 ) 式的解u ( t ) 即为这种情况下所要求的d f l 补偿律，也称( 3 4 0 ) j 受控 对象( 33 2 ) 的d f l 补偿器。 圈川大学繇士学位论文( 2 0 0 5 ) 第四章改善h v d c 动态特性的非线性附加控制器 4 1 亏l 言 高压直流输电系统是高度可控的，其有效的运行依赖于这种可控性的正确 应用“。因此，为了充分发挥直流换流器的快速调节对改善交直流混合输电系 绕的运行性& 及小于挠和大于扰稳定毽豹作震，在控涮器静设计中有必要考虑 礅流换流器的非线性特性及点流换流器交流侧电压变化对直流系统性能的影响 【2 州 对于整流铡恒功率，逆交铡定怒弧强传统p i 楚铡方式，当逆变德交滚系绞 处于电压下降期问时，逆变器对无功功率的需求会增加，从而导致逆变侧交流 系统无功不足，逆变侧交流电压进一步下降，甚至导致换相失败”2 1 。如果整流 侧采用定直流电流，逆变侧采霸定直流电压的传统p j 控剖，在正鬻运行条件下 逆变器会产生影螭整令系统稳定性酌受阻抗特性，交流系统越弱，受阻抗特经 越明显，电压不稳定问题越严重”。在逆变侧定交流电压控制下，可使逆变器 具有较大的电压调节效应并且能够有效地提高系统在小扰动情况下的电压稳定 拣“。强瑟本交采爱整浚聪定妻滚电滚控溺，遂变铡定交漉电压控裁作为綦本 控制方式”。但是传统的p i 控制器仅邋用于正常运行和小扰动情况，而不适合 大扰动和紧急情况“，所以有必要采取特殊的控制方式来提高交崴流系统的动 念稳定性。 由予逶适蕊流联络线除加控铺可以蹭粕对交流系统枕电振荡的隧尼，提蔫 搿态稳定性，进行无功功率调节和动态电压支持，所以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黪”“。因此，在整流侧定 蕊浚毫滚，遴变 l l l 定交漉毫压传统p 控秘方式鳃基磊攘上，基于尊线性控裁理论 中的反馈精确线性化的方法”3 ，设计了非线性附加控制器。该设计方法充分考 虑了直流换流器的非线性特性及直流换流器交流侧电压变化对直流系统性能的 影i 彝，困丽这瑟型控剑爨戆樱摇系统捷况更为合璎遗镶节换滚舔魅发惫，以 维持系统稳定。通过使露n e t o m a c 软件对所设计的非线