（电力系统及其自动化专业论文）交直流并联系统相互作用和运行安全特性的研究.pdf

华囊理工夫学工学薅圭学位论文 稳定燃鲍一般特征，可敬有效地指母电网约安全稳定运行控制。 ( 4 ) 研究了天广直流双侧频率功率调制对改善交叔流并联系统鬻态稳定 毪熬佟嚣l ，羚绘塞纂子实嚣系统运行方式瓣莹真缝象，鞠嚣，麓予龚型豹嚣掇 系统的非线性直流调制控制器，构建了天广交直流并联系统的直流调制控制 器，势将萁反焉于安际系统进行谤粪及隗较分轿。提出浆蘑零麓双蔼频率谲籁 比非线性直滤调制对实际电网运行有更好的适应性。 ( 5 ) 研究了采用直流调制抑制区域功率振荡的机理和方法，并结合藐圜 南方邀网的筵二个豢滚输锻工程一奏广纛漉工裁熄要投入的南方电嬲实际憾 况。分析其存在的区域振荡模式，提出了可以有效抑制区域功率振荡的直流调 翱整裁嚣，该壹流谲铡控制器凌褒爨广煮浚工露实甄瘦弱。本文敦磅究工终壤 补我国在这方面的空白。 关键询交嶷流并联系统：交壹滚耱互伟羯：获籀失姣；直流调潮；褥态稳定 性；区域功率振荡； f l 摘要 a b s t r a c t w i t ht h et i a n g u a n gh v d ct r a n s m i s s i o np r o j e c tb e i n gp u ti n t o o p e r a t i o n ， s o u t hc h i n ap o w e r s y s t e mb e c a m et h ef i r s ta c d ch y b r i dp o w e rs y s t e mi nc h i n a ， w h i c hi sas i g no fan e w d e v e l o p m e n tp e r i o d f o r p o w e rs y s t e m s a n dh v d c t e c h n o l o g yi nc h i n a w i t ht h ee x p a n s i o no fh v d ct r a n s m i s s i o nl i n e st h r o u g h o u t t h ec o u n t r y , a n dt h e i m p l e m e n t a t i o no ft h ep r o j e c t sf o rt r a n s m i t t i n gp o w e rf r o m w e s tt oe a s ti nt h ew e s tc h i n ad e v e l o p m e n ts t r a t e g y ，a sw e l la st h ep r o j e c to f n a t i o n w i d ei n t e r c o n n e c t i o nofp o w e r g r i d s ，a c d ch y b r i dp o w e rs y s t e mb e c o m e s an e wm e t h o df o ri n t e r c o n n e c t i n g p o w e rs y s t e m sa n dw i l lc o m ef o r t hc o n t i n u o u s l y i n f u t u r e h o w e v e r ，t h ee x t e n s i v ea p p l i c a t i o no fh v d ct r a n s m i s s i o n si np o w e r s y s t e m sb r i n g sas e r i e so fn e wt e c h n o l o g yp r o b l e m sf o rp o w e rs y s t e mo p e r a t i o n f o re x a m p l e ，t h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nh v a ca n dh v d ct r a n s m i s s i o ns y s t e m si s u s u a l l yi n t e n s i v e ，a n d a s ar e s u l t ，t h e d y n a m i cp e r f o r m a n c eo fa c d ch y t i r i d s y s t e m sw i l ls i g n i f i c a n t l ya f f e c ts e c u r i t ya n ds t a b i l i t yo f t h ew h o l ei n t e r c o n n e c t e d p o w e rs y s t e m o nt h eo t h e rh a n d ，w h i l ee x p a n s i o na n di n t e r c o n n e c t i o no fp o w e r s y s t e m sb r i n g e l e c t r i cu t i l i t i e s h u g e e c o n o m i c b e n e f i t ，t h e y a l s o b r i n g l a t e n t m e n a c et h a ti n c r e a s e st h eu n f o r e s e e a b l ee v e n t si n p o w e rs y s t e mo p e r a t i o n s t h e r e f o r e ，i no r d e rt o a s s u r e s e c u r i t y a n d s t a b i l i t y o fp o w e r s y s t e m s a n dt o a d e q u a t e l yu s et h et r a n s m i t t i n ga b i l i t yo fp a r a l l e la c d ct r a n s m i s s i o nl i n e s ，i tis o f s i g n i f i c a n c e t o i n v e s t i g a t e t h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nh v a ca n dh v d c t r a n s m i s s i o ns y s t e m s ，a n dt om a s t e rt h eo p e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i co fa c d ch y b r i d p o w e rs y s t e m m o r e o v e r ，t h es t u d yi n t h i sa r e aisa l s oa nu r g e n ta f f a i ro fr e c e n t p o w e rs y s t e mr e s e a r c h t h ep r i m a r yr e s e a r c hw o r ko ft h i sd i s s e r t a t i o ni st os t u d yt h ei n t e r a c t i o n b e t w e e na ca n dd cs y s t e m s ，w h e r eo p e r a t i o no p e r a t i o ns e c u r i t ya n ds t a b i l i t yo f a c d ch y b r i dp o w e rs y s t e m sa r ef o c u s e do n t h er e s e a r c ht o p i c s a r el i s t e da s f o l l o w s ： ( 1 ) u 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 t a n a l y s i sp r o g r a mp s c a d e m t d c a n dt h ed e t a i l e dh v d cc o n t r o la n dp r o t e c t i o ns y s t e ms i m u l a t i o nm o d e l st h a t a r e 1 l l 华南理工大学工学博士学位论文 c o n s i s t e n tw i t ha c t u a l t i a n * g u a n g h v d cc o n t r o la n d p r o t e c t i o n b a s e d o n i n d i v i d u a ls i m a d y ndf u n c t i o nm o d u l e s ，d y n a m i c p e r f o r m a n c eo fh v d c l i n ki n t i a n g u a n g a d d c h y b r i dp o w e rs y s t e m w a s i n v e s t i g a t e d u n d e rv a r i o u sa c s y s t e mf a u l t sa n dd cs y s t e mf a u l t s t h ew o r kp r e s e n t e di nt h ed i s s e r t a t i o ni st h e f i r s tr e s e a r c ht h a tu s e sd e t a i l e dh v d cc o n t r o la n dp r o t e c t i o nm o d e l sc o n s i s t e n t w i t ht h ea c t u a lh v d cc o n t r o la n d p r o t e c t i o ni nc h i n a 。 ( 2 ) t h er e a s o n sc a u s i n gh v d c c o m m u t a t i o nf a i l u r e ，v a r i o u sf a c t o r sa f f e c t i n g c o m m u t a t i o nf a i l u r e ，a n dm e a s u r e sa d o p t e dt oa v o i dc o m m u t a t i o nf a i t u r ew e r e i n v e s t i g a t e d ，an e w m e t h o di sp r e s e n t e df o ra n a l y s i n gi n f l u e n c eo f s i n g l ep h a s et o g r o u n d f a u l to nc o m m u t a t i o n f a i l u r e a c c o r d i n g t ot h ea c t u a lc o n d i t i o n so f t i a n g u a n g a c d c h y b r i ds y s t e m ，n o r m a ls i n g l ep h a s e a u t o m a t i c r e c l o s i n g t e c h n i q u eisc o n f i r m e dt oa p p l y t oa ct r a n s m i s s i o nl i n e sn e a rg u a n g z h o ui n v e r t e r s t a t i o n ( 3 ) b a s e do nn e t o m a cp r o g r a m ，t h ed e t a i l e dh v d c m o d e l r e p r e s e n t i n gd c l i n et r a n s i e n ta n da c t u a lh v d cc o n t r o ls y s t e mw a sd e v e l o p e d 。c o n s i d e r i n gt h e a c t u a lc o n d i t i o n so ft i a n g u a n ga c d ch y b r i ds y s t e m ，t h ei n f l u e n c eo fh v d c f a u l t s0 nt h es y s t e mt r a n s i e n ts t a b i l i t y ，t h ei n f l u e n c eo fv a r i o u sp o w e rs y s t e m o p e r a t i o nc o n d i t i o n so n t h et r a n s i e n ts t a b i l i t yl i m i t ，a n ds t a b i l i t yc o n t r o ls t r a t e g y u n d e rh v d c b i p o l a r f a u l tw e r e i n v e s t i g a t e d t h eg e n e r a l c h a r a c t e r i s t i c i n f l u e n c i n go nt r a n s i e n ts t a b i l i t yo fa c d ch y b r i ds y s t e mi sp r e s e n t e d ，w h i c hi s r e a s o n a b l et oc o n t r o lp o w e rs y s t e ms e c u r i t ya n ds t a b l i t y ( 4 ) t h ee n h a n c e m e n t o ft r a n s i e n ts t a b i l i t yo fa c d ch y b r i ds y s t e mb yh v d c d u a lf r e q u e n c yp o w e rm o d u l a t i o nf u n c t i o n si ss t u d i e d ，s i m u l a t i o nr e s u l t sb a s e d o n a c t u a lp o w e r s y s t e mo p e r a t i o nm o d e s w e r ep r o v i d e d m o r e o v e r ，t h eh v d cs y s t e m m o d u l a t i o nc o n t r o l l e rd e r i v e df r o man o n l i n e a rm o d u l a t i o nc o n t r o l l e rf o rat y p i c a l t w o m a c h i n ep o w e rs y s t e mi sd e v e l o p e dt oa p p l y t oc a s es i m u l a t i o n so ft h ea c t u a l p o w e rs y s t e m t h e e f f e c t i v e n e s so fb o t hm o d u l a t i o nc o n t r o l l e r si sc o m p a r e d ，t h i s d is s e n a t i o np r e s e n t e dt h a t n o r m a ld u a l f r e q u e n c yp o w e r m o d u l a t i o ni sm o r e a p p l i c a b l ef o ra c t u a la c t d c h y b r i ds y s t e m st h a nt h e n o n l i n e a rm o d u l a t i o n ， f 5 ，t h em e c h a n i s ma n dm e t h o df o rd a m p i n gi n t e r a r e ap o w e ro s c i l l a t i o nb y f v h v d cm o d u l a t i o ni s s t u d i e d a c c o r d i n gt o s o u t hc h i n ap o w e rs y s t e mi nw h i c h t h es e c o n dh v d cp r o j e c t g u i g u a n g h v d ct r a n s m i s s i o nw i l lb e p u t i n t o o p e r a t i o ni n2 0 0 5 ，d o m i n a n tm o d e so fi n t e r - a r e a o s c i l l a t i o ni s i n v e s t i g a t e da n d t h e nah v d cs y s t e mm o d u l a t i o nc o n t r o l l e rw h i c hc a ne f f e c t i v e l yd a m pi n t e r a r e a p o w e r o s c i l l a t i o ni s p r e s e n t e d t h ed e v e l o p e d h v d c s y s t e m m o d u l a t i o n c o n t r o l l e rw i l lb eu s e di ng u i g u a n gh v d ct r a n s m i s s i o n ，a n dt h er e s e a r c hs u p p l y ag a pf o rt h i sr e s e a r c ha r e ai nc h i n a k e yw o r d s ：a c d ch y b r i dp o w e rs y s t e m ；a c d ci n t e r a c t i o n ；c o m m u t a t i o nf a i l u r e h v d cm o d u l a t i o n ；t r a n s i e n ts t a b i l i t y ；i n t e r a r e ap o w e ro s c i l l a t i o n v 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声臻：掰呈交酶论文是本人在导费憋指导下独立避 彳予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 蒹。对本文的疆究徽滋重要贡献麓个人和集俸，均已在文中激明 确方式标明。本人亮全意识到本声明的法律后果渤本人承搠。 作者签名：西期：o j 年章胃万疆 学位论文版权使用授权书 本学像论文终誊宠全了麟学校有关傈蜜、使耀学位论文的援 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交谂文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将 本学往论文的全零或帮势内容编入畜关数据疼进行捡索，茸汉采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权粥。 本学馥论文震予 不保密嗣。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者攘名： 导师签名： 日期：、，年如, e l e l e l 期：渺年占月瓦啜 绪论 第一章绪论弗一早三百t 匕 1 1 本课题的背景和意义 高压直流输电技术自2 0 世纪5 0 年代兴起后，已经历了5 0 多年的发展， 成为一项日趋成熟的技术i 。至1 9 9 5 年，世界上己成功投运的高压直流输电 工程已达6 2 项，其中5 0 年代2 项、6 0 年代5 项、7 0 年代l5 项、8 0 年代3 0 项、9 0 年代已投运的1 0 项。预计至2 0 0 5 年，世界还将投运约2 0 项高压直流 输电工程。随着电力电子技术、计算机技术和控制理论的迅速发展，使高压直 流输电技术日趋完善，直流输电的建设费用和运行能耗也不断下降，可靠性也 逐步提高，直流输电越来越显示出它的重要性1 2 。3 1 。 高压直流输电近二十年发展特点可概括为：( 1 ) 8 0 年代，随着可控硅技术 的发展，以及世界电网技术发展的需求，高压直流输电技术得到一个跳跃性的 发展。由于联网的要求，背靠背工程有1 4 项，约占新建工程的一半；( 2 ) 建 成了目前世界上最长的直流线路，1 7 0 0 k m 的扎伊尔英加一沙巴工程；以及电压 等级最高( 4 - 6 0 0 k v ) 、输送容量最大( 3 1 5 0 m w ) 的巴西伊太普工程；( 3 ) 9 0 年代建成了世界第一个复杂的三端高压直流输电工程( 魁北克一新英格兰工 程) ，并建成了世界上最长的海缆( 2 5 0 k m ) 高压直流输电工程( 瑞典一德国的 b a l t i c 工程) ：( 4 ) 亚洲地区的高压直流输电技术开始兴起，菲律宾、韩国、 马来西亚、泰国、印度、日本和中国都相继开始高压直流输电工程的建设和研 究，已建和计划中的工程约有15 项。随着电网技术和电力电子技术的发展， 高压直流输电技术将会继续深化其可控性强的特点，同时克服其对电网带来的 一些不利因素( 如谐波) 及换流站造价较高的弱点，加强其在电网发展中的作 用。 我国关于高压直流输电技术的研究工作，5 0 年代就开始起步，但发展较慢， 而且从设计、运行和制造等方面来看，与世界先进水平还有相当大的差距。目 前，我国已经有三条高压直流输电工程投入运行，分别是：( 1 ) 浙江舟山直流 输电工程，其参数是额定电压1 0 0 k v 、额定容量1 0 0 m w 、输送距离5 5 k m ( 其 中水下电缆1 2 k m ) ：( 2 ) 葛洲坝一上海南桥直流输电工程，其参数是额定电压 5 0 0 k v 、额定容量1 2 0 0 m w 、输送距离1 0 4 7 k m ；( 3 ) 天生桥广+ l 直流输电 华南理工大学工学博士学位论文 工程，其参数是额定电压5 0 0 k v 、额定容量l8 0 0 m w 、输送距离9 6 0 k m 。现 在，我国正在建设的也有三条大容量高压直流输电工程，分别是：( 1 ) 三峡 常州直流输电工程；( 2 ) 三峡一广东直流输电工程；( 3 ) 贵州广东直流输电工 程：它们的参数是额定电压5 0 0 k v 、额定容量3 0 0 0 m w 、输送距离9 0 0 1 0 0 0 k m 。 天广直流工程的投运，使南方电网成为我国第一个交直流并联运行互联电 力系统，标志着我国的电力系统和高压直流输电技术进入了一个新的发展阶段 h 】。随着高压直流输电技术在我国的广泛应用和西部大开发战略中各项西电东 送工程、全国联网工程的实施，交直流并联系统正成为西电东送和电网互联新 的方式，将不断有新的交直流并联系统在我国出现 5 1 。与此同时，高压直流输 电技术的广泛应用也将带来一系列技术和管理上的新问题，比如，交直流相互 间的影响和作用较强，它们的动态行为会对整个互联电网的安全稳定运行产生 重要影响。还有，大区电网的发展和互联，在给人们带来巨大利益的同时，也 带来了潜在的威胁1 6 ，即电网的运行增加了更多的不可预知性。因此，开展交直 流系统并联运行相互作用和相互影响的研究，掌握交直流并联系统的运行特性 和规律不仅对于保证交直流并联系统的安全稳定运行和充分发挥其输电的潜 力有着重要意义，也是当前电力系统研究的当务之急。 1 2 直流输电的特点及改进控制的研究现状 与交流输电相比除了线路输电容量大、线路有功损耗小、适宜于海下输电、 非同步联网能力、能限制系统的短路电流、没有系统稳定问题等优点以外 1 , 2 1 ， 直流输电技术的优点还表现在以下几点：第一，换流站的直流电压实际上可以 通过电子控制进行确切的设定，而且没有任何延迟，所阻可以通过高压直流系 统对负荷潮流进行任意控制，因此，可以使电力潮流保持恒定，不受两个相联 交流系统的瞬时功率平衡的影响，一个系统的机电振荡不会影响电能的传输， 也不会对与之相联的另一个交流系统产生任何影响。如果需要，可以使潮流迅 速停止，或使其反转方向。第二，由于可以对高压直流系统的潮流进行迅速而 准确的控制，可以利用着一点通过调节传输功率对机电振荡产生阻尼，从而可 以有效地提高与其相联的电网或与之并联的交流系统的稳定性。直流输电系统 最重要和最常用的功能是阻尼低频振荡7 ，8 1 和提高电力系统的暂态稳定性 9 - 。第三，通过换流站精确而迅速的控制，可以利用高压直流实现一系列调 绪论 节功能，对“弱”交流电网的频率调节可以叠加至有功功率控制，通过改变换 流站的无功功率需求，可以对高压直流系统连接点处的交流电压进行控制，等 等。 尽管如此，直流输电系统也有自己的一些弱点。例如，作为一种频率不敏 感负荷，相应于交流系统中的某一扰动，直流系统本身并不为发电机提供同步 功率，相反，它还会对发电机提供负的阻尼转矩：又如，当变流电压下降时 以定媳弧角工作的逆变器的功率因数会下降，继而引起交流电压的下降，并有 可能导致交流系统发生电压失去稳定：另外，为换流器提供无功补偿的电容器 和滤波器也会对交流电压的恢复产生不利影响。交直流输电系统中交直流间的 相互作用十分复杂，当交流系统较弱或交流系统负荷较重时，系统的运行便可 能产生一系列问题，如逆变器发生换相失败、直流系统在扰动后难以快速恢复、 产生交流过电压，还可能引起谐波不稳定等问题 12 1 。此外，直流输电系统对交 流系统中发生的故障相当敏感，当逆变站交流母线电压下降1 0 15 时，就 将不可避免地导致逆变器换相失败，这意味着直流系统功率输送的短时中断， 因此要求这时的直流系统能快速进行自我恢复以缓解交流系统内功率的不平 衡。 直流系统的稳态及动态性能如何，很大程度上取决于对其所采用的控制方 式和策略。作为电功率输送的一种途径，直流输电系统通常需按计划输送一定 的功率；当利用直流输电系统对交流系统提供紧急支援时，人们关注的也是 其传送功率的大小。因此，对直流输电系统的控制，本质上是控制其传输的功 率。 当两侧交流系统中的电压波动不太时，在整流侧采用定电流控制，在逆变 侧采用定熄弧角控制，便能满足按一定功率输送的要求。而为了快速、精确 地调节功率，通常还可在整流侧采用定功率控制( 或定电流控制) ，在逆变侧 采用定直流电压控制，这样便可实现对直流电流和直流电压的直接控制，并且控 制两侧换流器消耗的无功功率。稳态期间，在直流系统的逆变侧采用定交流电 压控制”】，可以有效地控制交流换相电压，并能减少交流或直流扰动发生后， 系统恢复过程中交流电压的波动；在逆变侧采用定功率因数控制【1 4 】，还可使轻 载时过剩的无功功率较小，受端的无功功率基本保持平衡：若在逆变侧采用定 无功功率控制 15 】，则可保持逆变侧消耗的无功功率恒定。这几种调节方式都是 华南理工大学工学博士学位论文 利用了换流器的无功调节功能，以定电流调节和定直流电压调节为基础，通过 改变电压和电流的整定值来实现预期的控制。 在上述的各种直流系统常规控制方法中，存在着如下不足：( 1 ) 它们多为 基于比例积分的调节策略，当系统稳态运行或系统中仅存在小扰动时，采用上 述控制策略一般能较好地满足系统运行的需要，但当系统的运行点改变或大扰 动发生时，它们常常不能保证系统仍具有良好的性能。( 2 ) 直流输电系统采用 的常规控制策略实际上是针对长输电线路的，由于直流输电系统分布的地域通 常很广，其两端之间的通信有一定的困难，因而导致采用常规的控制策略时， 位于直流系统两端的控制量之间往往得不到很好的协调。例如，当整流侧采用 定电流控制，逆变侧采用定熄弧角控制时，逆变侧仅控制熄弧角，而没有考虑 到整流倒定电流控制的要求，整流侧仅控制直流电流，也未能考虑逆变侧定熄 弧角控制的要求i l “，它们实际上是两个相互分离的控制。然而，直流线路的动 态是由整流侧和逆变侧的两个控制量共同决定的，两个缺少相互协调的独立的 控制很难使整个系统具有较好的性能。( 3 ) 当整流侧采用定功率控制时，由于 该控制属于较高一级( 系统级) 的控制，信号的形成需经过一定的延迟、比较、 计算和判断等环节，与属于装置级的电流控制相比，响应速度较慢，这一特性 对于需要快速功率支援的弱交流系统的稳定帮助不大。( 4 ) 在有些情况下，当 直流系统采用上述常规控制策略时，非但不能为发电机提供同步功率，相反， 还会对发电机提供负的阻尼转矩，因而无助于交流系统的稳定 1 ”。 鉴于上述原因，人们在直流输电系统控制策略的改进方面作了大量探索性 的研究工作。在早期的研究中，人们将最优控制理论用于直流系统的控制器设 计1 8 h9 1 ，该方法的缺点在于，这样得到的控制器只能保证在某一工作点附近 系统的性能是最优的。当系统的运行点改变或大扰动发生时，便不能保证整个 系统具有最优的性能，有时甚至会使系统的性能恶化。为了弥补上述缺点，不 少研究者曾尝试用乒乓控制理论来改善交直流电力系统的暂态稳定性【2 0 ”j ，但 他们在研究中一般仅考虑了单机无穷大交直流并联电力系统的情形，所考虑的 发电机模型也过于简单，因而很难推广到实际复杂的电力系统。同样是出于对 线性控制方法不足有所弥补的考虑，j r e e v e 等应用了自适应控制方法来设计 直流系统的控制器( 2 3 - 2 4 1 ，并取得了一定的成效。其中，增益调节法 2 扎阼为自 适应方法的一个实用化特例，它通过设计阶段的大量研究与实验，针对不同系 4 绪论 统扰动出现的情况事先确定好不同的控制器参数，实际应用时，根据调度变量 实测值的大小起用某一套控制参数，从而保证了控制器在各种大扰动发生时系 统仍具有好的动态性能。但这种方法的缺点在于，事先要进行大量的仿真研究 和实验，并且得出的结论仅适用于某一具体系统。为了改进增益调节法的不足， j r e e v e 等又将基于小信号分析的自动调节法与实用性较强的增益调节法相结 合 2 4 1 。当系统运行工况改变但扰动较小时，控制器采用自动调节策略，对于大 扰动情形，则采用增益调节策略。上述两种方法的结合能相互取长补短，提供 了一种相对粗糙但却可接受的控制方法，对大扰动情形具有鲁棒性，对运行点 附近发生的小扰动可进行在线的自适应调节。尽管如此，该方法仍不能克服增 盏调节法的不足。 神经网络和模糊集理论等智能化方法因其良好的非线性逼近能力和对参 数的自适应能力，在直流控制器的设计中也得到了应用。n a r e n d r a 等人采用人 工神经网络和模糊逻辑的方法设计了一个智能化的电流控制器【25 1 ，并将其用于 h v d c 联络线的快速灵活控制。为了提高h v d c 系统在直流系统故障和交流电 压下降后的恢复过程中对换相失败的免疫性，d a n e s h p o o y 等又采用一个模糊逻 辑控制器取代了常规的p i 控制器 26 1 。但这些方法的弱点在于，研究分析和 控制结果的好坏常常取决于样本的质量和数量，而样本空间( 或规则) 往往难 以穷尽，某些物理参数的实际意义也常被掩盖。 随着非线性控制理论的发展，非线性反馈线性化方法被应用于系统的控制 中。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 2 7 。李春文等人采用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，并给出了闭环系统稳定的充要条件【2 ”。 综上所述，对于直流输电系统控制策略的研究，前人已做了大量的工作， 但仍显得不够充分和完善，一是研究中采用的系统模型多为线性化模型；二是 研究对象多为单条直流线路或单条直流线路与一条交流线路并联等简单系统 的情形；还有研究的结论多是针对某一具体系统的而不具有普遍性。 1 3 交直流系统的相互作用和相互影响 交直流系统的相互作用的性质及相关问题在很大程度上决定于交流系统 华零瑾工大学工学耩学往论文 相对直流输电容量的强弱程度【2 - 29 1 。从两个方面可以将一个交流系统漪作是 “弱”系绞：其一是交浚系统阻挠缀大：其二怒交滚系统的撬援搂诖摄小。在 多数交直流系统相互影响的现象中，直流输电的控制起着重箨的作用，在改进 了直流和交流系统的控制后，人们将交流系统的强弱按如下分级【2 9 】：( 1 ) 短路 魄夫于3 & 强系统； 短蹉珏：奁2 3 为弱系绞；( 3 ) 斑赣跑夸予2 冀甚弱 系统。与弱交流系统楣逡的直流系统运行中常常会有很高的交流系统的动态过 电压、电压不稳定性、谐波谐振和电压摆动等方两的问题。 黠于嚣蠛戆交滚系绫嚣言，毫滚辕毫系统霹羧看佟为一令其毒莰邃确态的 负荷及功率源，但在暂态过程中交藏流系统闯驹相互作用较为复杂，不萃圩情况 下，交流系统中的某一敝障可能导致换流站发生换相失败，换流器发生换相失 效盖，将导致壹滚电压下降、电滚璞大；若采取戆控割箍濂琴当，还会g l 菱嚣 继的换相失败，最终导教直流传输功率的中断，进而不能为交流系统的稳定提 供帮助30 1 。已有的研究大多认为。校直流输电系统中，交流电压幅值的降低和 遗歪过零纛鞠角翡移蘸楚导致挟攘失效茨援零潦毽【3 h 强】，囊交蠢浚曩绞之闼 存在不良的相互作用时，直流功率往往根难快速恢复。当传输功率较大时，直 流输电系统在交流系统故障期间的行为及交流故障切除后的恢复性能。对与之 籀连夔嚣端交瀛系统鹣葫角及毫蓬豫定吴毒重爨影响。嚣藏褒交滚系统放障凑 除后，快速饿复直流输电系统的输送功率对改蛰楚个交直流系统的安垒稳定性 具有特别重骚的意义。但是如果交流系统较弱，较快的恢复可能引起额外的换 稳失效袭交浚系统静警态不稳定。瓣辕送臻率羧复遘程豹撩澍盛矮目辩考意交 流网络的稳定性，在有姣情况下，过于快速的功率恢复会加例故障清除后交流 系统内的机电振荡，从而导致暂态稳定破坏，当交流故障切脒后，直流输电系 统静转送功攀麓否尽莰恢复与交流系统兹强疫麓炙俸 毒嚣露荚p ”，贯一方瑟， 赢流控制器采取的控制策略对直流功率能否快速恢复也十分重要 ”a m s a t o 等认为换相失败是导致赢流功率不能快速恢复的主要原因【 l ，并提出了一种新 豹控翻策戆。其愚籍惫嶷接捡嚣阖豹反褰蓬錾鬻疆，芽子效薄发生鞠蠲耪改慧 弧角的参考值，仿真结果表明该控制策略有助于巍流功率的快速恢复，并能有 效避免换相失败及后继换相失败的发生。m s z e c h t m a n 等指出，电流控制放大 器( c c a ) _ 稻与电歪穗关豹龟藏羧潮特性( v d c l ) 豹参数对多镶天鬟漉输电 系统故障后的恢复有重繇影响h “。 6 绪论 1 4 直流系统对交流系统的紧急支援和功率调制 与电力系统通常的紧急控制措旖( 如切除发电机、汽轮机快速控制汽门、 发电机励磁紧急控制、动态电阻制动、串联或并联电容器强行补偿、集中切负 荷等 3 7 1 ) 相比，利用直流输电系统对交流系统进行紧急功率支援具有快速可靠、 调节的容量可以很大、对系统造成的经济损失很小等优点。这些优点使得利用 直流输电系统对交流系统进行紧急功率支援成为一种经济可行的控制手段。利 用直流输电系统对交流系统进行紧急支援主要有两种情形：一种是当系统中 有交直流并联线路存在时，若交流线路出现故障，可以利用直流线路的备用容 量或短时过负荷能力来承担原有交流线路输送的部分( 或全部) 传输功率；另 一种是当某一侧的交流系统中突然出现大量的功率缺额( 或增加) 时，可利用 与其相连的直流系统传输功率的快速可控性，来补充部分( 或全部) 的功率缺额 ( 或增加) ，以缓解交流系统中的功率不平衡。利用直流输电系统对交流系统 进行紧急功率支援的本质是对直流系统采用附加控制，包括直流系统功率调 制。 在很多文献中，都涉及了利用直流输电系统的快速可控性，来实现直流输 电系统对交流输电系统的紧急功率支援。例如在中国和瑞典的直流输电系统 中，都将该功能用于改善交流系统的稳定性3 8 39 1 ，在美国西部的直流输电系 统中也利用了直流系统的功率调制功能来改善交流系统的稳定性能【4 “4 ”。 j a g d i s h 等人针对尼尔森河这一具体的直流输电工程，设计了一些辅助的功率 控制功能，展示了直流输电系统的快速可控性在改善交流系统性能方面的独到 优势42 1 。将直流输电系统的过负荷能力与电压支持设备相结合并用以增强交流 系统的稳定性，是一种很好的想法。为此，l e e 等人作了有益的尝试，并将该 方法应用于美国西部的交直流电力系统中 4 3 1 。j o h n s o n 等也将一种直流输电系 统的紧急功率支援策略应用于西德尼直流输电工程。 直流调制的原理是在已有的直流输电控制系统中加入附加的直流调制器， 从两端交流系统中提取反映系统异常( 如大幅度的功率突变、大的频率改变等) 的信号，来调节直流输电线路传输的功率，使之快速吸收或补偿其所连交流系 统中的功率过剩或缺额，起到紧急支援和阻尼振荡的作用 4 “。直流调制可分为 大方式调制和小方式调制。大方式调制的目的在于提高交流系统的暂态稳定 性，功率调制幅度可达直流联网线路额定传输功率的2 0 5 0 。小方式调制 7 华南理工大学工学博士学位论文 的目的在于提高交流联网线路的动态稳定性，抑制功率振荡，其功率调制幅度 一般只有直流联网线路额定传输功率的3 1 0 。 选取恰当的调制信号是直流调制研究中必须要解决的首要问题。为此人们 作了大量的研究。p e t e r s o n 等人建议采羁直流线路两端交流系统的频率差作为 调制信号1 4 5 1 , g r e s a p 等考虑到上述信号在传输上的困难，采用交流联络线上 的功率变化速度作为调制信号i s 】。随后，g o u d i e 等入又提出用转速和功角的偏 差作为调制信号f 4 “，有效地改善了交直流并联电力系统的动态品质。但文 2 4 1 的研究则表明，上述调制信号对于系统的非线性响应有时会变得很坏，并建议 采用转速的偏差和转速偏差的变化律来作为调制信号。为提高换流站交流节点 电压的稳定性，d a s h 等【4 7 】又提出了用换流站交流节点频率、电压以及它们的 变化率作为调制信号的想法。基于特征值分析和根孰迹法【”1 ，j o v c i c 等在四个 待选信号中，选择了交流电流的幅角作为直流调制售号，并用仿真方法验证了 其优越性。随后，j o n e s 等也基于模态分析理论的可控性和可观性指标，在众 多的待选信号中选择了具有鲁棒性的信号作为阻尼控制器的输入信号f 4 射。好的 调制效果要求所选取的调制信号中必须包含系统的被控模态。许多研究表明， 调制信号的选取与系统的结构有关【8 引。一般来说，宜流联网线路的容量相对 于被联系统容量的比例越大，调制的效果越好。此外，直流调制的效果也与其 在系统中的位置以及调制器本身的设计参数有关【4 ”。当系统规模较大时，寻找 一种系统化的调制信号选取方法便显得十分重要。在某些情况下，为获得好的 调制效果，所选取的调制信号应由反映系统实时状态韵信号组成，雨不应只局 限于某一个或几个信号f 5 们。 采用适当的调制规律是直流调制研究中必须解决的另一个重要问题。文【5 1 】 提出了一种提高交流系统暂态稳定性的大方式直流制动方法，与交流电阻制动 相比，直流功率突增突减的过程有一定的延时和超调，直流控制器的类型及参 数、不同的故障地点及故障严重程度、直流制动的控制方法及制动容量的大小 等都是影响直流制动效果的因素。文 1 2 】中也给出了几个具体工程中应用大方 式调制的例子可以发现其中的控制规律一般是通过大量的研究与实验得出 的，先针对不同的系统扰动情况确定不同的控制器参数，实际应用时，再根据 监视系统的判断起用某套控制参数。这种方法虽能部分地解决控糊的适应性 问题，但仍需迸一步改进，因为直流调制研究的最终日标是：根据交流系统的 绪论 实际运行方式和直流系统的实际状态，找到恰当的调制规律和相应的调制容 量。 1 5 天广交直流并联系统概况 云南、贵州、广西和广东四省( 区) 及港澳地区的电网在1 9 9 3 年联网形 成南方电网。目前南方电网的总装机容量已经超过6 0 ，0 0 0 m w 2 2 0 k v 及以上 输电线路2 0 ，0 0 0 k m 。5 0 0 k v 天广双回交流输电线路是南方电网联网初期的西部 天生桥与东部广州之间的系统联络线，途经广西境内的平果、来宾和梧州，双 回线路每回线路全长9 8 0 k m 。为了增加西电东送的能力，国家投资建设了 5 0 0 k v 天广直流输电工程，该工程于2 0 0 0 年1 2 月第一极投入运行，2 0 0 1 年6 月双极投入运行。至此，南方电网成为了我国第一个超高压大容量的交直流并 联运行电力系统。天广交直流并联系统的接线如图1 1 所示。 4 x 啊 图1 1 天广交直流并联系统接线图 f i g 1 1t i a n - g u a n g a c ，d ch y b r i ds y s t e m 天广直流工程直流额定容量为双极1 8 0 0 m w ，额定工作电压为5 0 0 k v ， 额定工作电流为18 0 0 a ，线路长度9 6 5 k m 。换流站换流设备采用1 2 脉动换流 阀组，每极l 组，每站共2 个1 2 脉动阀组。直流系统结线方式可以采用双极 方式( b i p o l a rm o d e ) ，单极大地回线方式( m o n o p o l a r ) ，单极金属回线方式 ( m o n o