（电力系统及其自动化专业论文）hvdc与svc非线性协调控制的研究.pdf

在第五章中，为了提高多机交直流系统稳定性的同时也能更好地稳定直流 系统逆变侧的电压，提出了h v d c 与s v c 的最优变目标控制策略，通过综合 建模，推导出了三机交直流混合系统中h v d c 和s v c 的综合控制规律。该控 制规律将系统趋于稳定点的过程分段实现，首先驱动系统达到按最大稳定域选 取的人工中间动态平衡点，然后驱动系统达到所希望的平衡点。仿真结果表明， 所设计的控制器有效地增强了系统阻尼，抑制发电机功角摇摆，同时也较好地 改善了逆变侧交流母线电压，改善了系统的动态特性。 关键词：高压直流输电：静止无功补偿器；附加功率调制；协调控制；非线性 控制；最优变目标控制 n t h er e s e a r c ho fn o n l i n e a r c o o p e r a t i v ec o n t r o li nh v d ca n ds v cs y s t e m m a j o re l e c t r i cp o w e rs y s t e ma n di t s a u t o m a t i o n g r a d u a t e y a n gb o a d v i s o r t i a n q il i u w i t ht 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 ya n de c o n o m i cg r o w t h , t h e d i s t r i b u t i o no fr e s o u r c 鼯a n dl o a d si sa s y m m e t r i c a l ，w h i c hp r e s e n t sc h a l l e n g ew i t h t h et r a n s m i s s i o no fl o n g - d i s t a n c e t h e r e f o r e ，i ti sas t r a t e g i cc h o i c et h a tc h i n a a c h i e v e st h eg o a lo f t r a n s m i s s i o ne l e c t r i cp o w e rf r o mw e s tt oe a s t , e x c h a n g e 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 ha n di 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 h i g l lv 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 ha r ef i t f o r t r a n s m i s s i o ne l e c t r i cp o w e rw i t hl o n gd i s t a n c ea n dl a r g ec a p a b i l i t y , w i l ld e m o n s t r a t e i t sa d v a n t a g e sa n di ti sa l s oa l lo p p o r t u n i t yf o rh v d c d e v e l o p i n gi n0 1 1 1 c o u n t r y h v d ch a sb e e nv a l u e dm o r ea n dm o r eb e c a u s eo fi t sa d v a n t a g e s , s u c ha si t s l a r g ec a p a b i l i t y , l o n gd i s t a n c et r a n s m i s s i o na n df a s tc o n t r o l ，a n di tw i l lt a k ea l l i m p o r t a n ts e a ti nt h ep o w e rn e t w o r ko fo u rc o u n t r y o w i n gt ot h ec o n t r o l l a b i l i t yo f h v d c ，c o n t r o ls y s t e mb e c o m e st h ec o r eo ft h ei - i v d cs y s t e m s ，a n di t sw o r k c o n d i t i o na n dt h ep e r f o r m a n c eo fi t sb a s i cc o n t r o l l e rw i l lb o t ha f f e c tt h ew h o l e s y s t e mi ng r e a tm e a s u r e i th a sb e e np r o v e dt h a tt h ea d d i t o n a lp o w e rm o d u l a t i o no f h v d cc a l li m p r o v et h es t a b i l i v o f a c d cs y s t e m s ，b u tt h ec o n v e n e rw i l lc o n s u m e m u c ho fr e a c t i v ep o w e r f o rt h i sr e a s o n , a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fh v d c a n da i m i n ga ta d v a n c i n gt h es t a b i l i t yo fa c d cs y s t e m s , t h i sp a p e rs t u d i e dt h e c o o p e r a t i v ec o n t r o lb e t w e e np o w e rm o d u l a t i o no f h v d ca n ds v c f o c u s i n go nt h ec o n t r a d i e t i o nb e t w e e nt h ec o n s u m e dr e a c t i v ep o w e ro fi n v e r t e r a n dt h ev o l t a g es t a b i l i t y , t h ec h a p t e r4a d o p t e ds v ct oc o m p e n s a t er e a c t i v ep o w e ro f i n v e r t e rs ot h a ti tm a k et h ev o l t a g ea ti n v e r t e rs i d em o r es t a b i l e a f t e rm o d e l i n ga s y s t e me q u a t i o no fh v d c a n ds v c ，t h es t a t ef e e d b a c ke x a c tl i n e a r i z a f i o nt h e o r yi s 。 h i u t i l i z e dt ol i n e a r i z et h es t a t ee q u a t i o nt h r o u g ha d e q u a t ec o o r d i n a t ec o n v e r s i o n t h e n , t h eh v d ca n ds v cn o n l i n e a rc o o p e r a t i v ec o n t r o l l e ri sp r e s e n t e d f i n a l l y , as i n g l e m a c h i n ei n f i n i t eb u sa c d cs y s t e mi ss i m u l a t e d ，a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h e e f f e c t i v i t yo f t h ec o o p e r a t i v ec o n t r o ls t r a t e g 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 f t h em u l t i - m a c h i n ea c d cs y s t e m s ， a n ds t a b i l i z et h ev o l t a g eo fi n v e r t e rs i d e ，t h eo p t i m a lv a r i a b l ea i mc o n t r o ls t r a t e g yo f h v d ca n ds v ci sp r e s e n t e d a n dt h ec o m p r e h e n s i v ec o n t r o ls t r a t e g yw a sd e d u c e d b yb u i l d i n gt h ec o m p r e h e n s i v em o d e l t h i ss t r a t e g ya c c o m p l i s h e dp i e c e w i s et h e p r o c e s st h a tt h es y s t e mr e a c ht h es t a b i l ep o i n t , i td r i v e s t h es y s t e mf i r s t l yt oa n a r t i f i c i a lm e d i a le q u i l i b r i u mp o i n ta n ds e c o n d l yt oad e s i r a b l ee q u i l i b r i u mp o i n t t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ec o n t r o l l e rc a ne n h a n c et h es y s t e md a m pa n di n h i b “ t h eg e n e r a t o rp o w e ra n g e lo s c i l l a t i o n m e a n w h i l e ，t h ev o l t a g ep e r f o r m a n c ei sa l s o i m p r o v e d k e y w o r d ：h v d c ；s v c ；a d d i t o n a lp o w em o d u l a t i o n ；c o o p e a r a t i v ec o n t r o l ；n o n l i n e a r c o n t r o l ；o v a c 网大学硕t 论史( 2 0 0 6 ) 第一章绪论 1 1 选题背景与研究意义 近年来，我国电网面l 临空前发展的局面，到2 0 0 3 年底，全国发电装机容 量达3 8 4 亿k w 、发电量达1 9 1 亿k w h 。总装机容量和年发电量仅次于美国， 均列世界第二位。但由于我国的资源与负荷的分布不均匀，发电与用电之间的 矛盾将愈加突出。在我国，三分之二以上的水利资源集中在西南地区，煤炭资 源的6 0 集中在“三西”( 山西，陕西，内蒙西部) 地区，而负荷主要集中在东 部沿海地区，其电力消耗占全国总电力的一半以上【l 】。根据资源分布和负荷的 特点，决定了在一个时期内，西电东送是我国电网发展的重要战略。由于直流 输电具有送电距离远、送电容量大、控制灵活等特点，因此在运、在建及规划 建设中的直流输电工程将在西电东送、南北互供中承担主要送电任务，在未来 全国联网中发挥重要作用。做好直流输电的研究、规划和建设是今后一段时间 我国电网发展的重要任务。这也为直流输电技术的发展带来良好的契机。 与交流输电相比，直流输电除了线路造价低，年电能损失小外，在技术上 还有以下其他优点1 2 ： l 输送容量大：随着输送容量的不断增大，稳定问题越来越成为交流输电 的制约因素，而直流输电特别适合远距离、大功率输电。输电距离超过等价距 离后，采用直流输电比采用交流输电更具经济性 2 短路电流小：用交流输电线路连接两个交流系统时，由于系统容量增加， 将使短路电流增大，有可能超过原有断路器的遮断容量，这就要求更换大量设 备，增加大量的投资。直流输电时，就不存在上述问题。直流系统基本不会增 加原来系统的短路容量，稳态运行时，没有电容电流，沿线电压分布平稳，线 路部分无需无功补偿。 3 直流架空线路的走廊宽度约为交流线路的一半，可以充分利用线路走廊 的资源： 4 直流电缆线路没有交流电缆线路中电容电流的困扰，没有磁感应损耗和 介质损耗，基本上只有芯线电阻损耗，绝缘电压相对较低； 5 直流输电工程的一个极发生故障时另一个极能继续运行，且可充分发挥 四川入学硕卜沦交( 2 0 0 6 ) 其过负荷能力，即可以不减少或少减少输送功率损失； 6 直流本身带有快速调制功能，直流输电通过晶闸管换流器能够方便、快 速地调节有功功率和实现潮流翻转，可以根据系统的要求作出反应，可以对机 电振荡产生阻尼，可以阻尼低频振荡，从而提高电力系统暂态稳定水平；如果 采用双极线路，当一极故障，另一极仍可以大地或水作为回路，继续输送一半 的功率，这也提高了运行的可靠性，另外，当交流系统发生故障，利用直流输 电的调节，能有效地提高交流系统的稳定性。 7 非同步联网：采用直流可以实现不同频率交流系统的非同步联网，并在 联网后两系统可保证各自的电能质量( 如频率、电压等) 而独立运行。同时支 流能从网络结构上隔断交流系统故障的传递，避免故障的进一步恶化。 可见，由于直流输电的以上技术特点，使它能比交流输电更好地满足西电 东送、全国连网的要求，及早掌握直流输电技术，是我国电网发展的一项战略 性决策吼 高压直流输电技术起步在2 0 世纪5 0 年代，而突破性的发展却在8 0 年代。 随着晶闸管技术的发展和现代电网发展的需要，8 0 年代，全世界共建成了3 0 项直流输电工程，直流输电在电网中发挥了重要作用1 4 j 。在这期间，建设了背 靠背工程1 4 项；建设了输送距离长达1 7 0 0k m 的扎伊尔英加沙巴工程；建 成了电压等级为士6 0 0 k v 的巴西伊泰普水电站送出工程。直流输电的控制保护技 术得到进一步的发展和完善。迈入9 0 年代以后，随着电力电子技术、计算机技 术和控制理论的迅速发展，使得高压直流输电技术日益完善，可靠性得到提高。 据预测，至2 0 1 0 年全国发电装机总容量将达到6 0 亿k w 左右，2 0 2 0 年将 达到9 5 亿k w 左右。将新建电源的电能安全、稳定、可靠、经济地送出是我 国电网建设的基本任务，并应在此基础上逐步改善电网结构、推进全国联网， 这使得电网的发展比电源建设更具挑战性。在电网建设中对电网的网络结构、 输电方式、输电新技术和电压等级等如何选择，不仅关系到电源建成后的电力 输送能力，更关系到电力系统安全稳定、工程效益、电力市场和电力营销等一 系列问题。直流输电技术以其独具的特点将在我国未来电网的发展中发挥重要 作用。 2 四i i 大学硕卜论文( 2 0 0 6 ) “十一五”期间，还将建设以下直流输电工程：小湾水电站至广东直流输电 工程，电压等级为士5 0 0k v 或+ 6 0 0k v ，输送容量为3 0 0 万k w ，输送距离为1 5 0 0 1 6 0 0k m ；四川德阳至陕西宝鸡直流输电工程，电压等级为士5 0 0k v ，输送 容量为1 8 0 万k w ，输送距离为6 0 0k m 左右；宁夏银南至天津直流输电工程， 电压等级为土5 0 0 k v ，输电距离为1 2 0 0 k m ：陕北至山东直流输电工程，电压等 级为a = 5 0 0k v ，输送容量为3 0 0 万k w ，输电距离为1 0 0 0k m 左右。 在全国联网工程中，已经规划了多座直流背靠背联网工程，如华北与华中 电网的联网、四川与贵州的联网、东北与华北电网的联网工程等，它们将适时 实现直流背靠背联网。 随着我国西部电力资源的开发，巨型水电站和巨型火电基地的建设，水电、 火电打捆送出，送电距离越来越远，送电容量越来越大，送电可靠性要求越来 越高，给直流输电技术也提出了以下更高的要求： l 提高额定电压等级和额定输送容量。目前，高压输电工程的电压等级除 伊泰普工程外，多为士5 0 0 k v ，对于送电1 0 0 0k m 左右，送电容量不超过3 0 0 万 k w 的直流工程来说这个电压等级基本合适。但当送电容量超过3 0 0 万k w ，送 电距离接近或超过1 5 0 0 1 a n 时，则有必要将电压等级提高n 士6 0 0k v 或以上，输 送容量提高到4 0 0 万k w 左右，以充分利用线路走廊资源，减少输电回路数， 降低输电损耗。 2 提高直流输电的可靠性和可用率。直流输电工程在投运初期往往可靠性 偏低、单极故障率偏高，甚至会出现双极故障，往往需要经过1 2 年才能稳定 到保证指标。像广东电网中有七八回直流输电馈入，即使按设计故障率指标计 算，单极故障每年每极为5 次，年就将有7 0 8 0 次单极故障，甚至更多【5 “， 这将给电网带来太频繁的冲击，因此必须有力的提高直流输电的可靠性和可用 率。 3 迸一步优化控制，提高直流系统的调制能力和换相失败后的恢复速度。 优化控制方式和控制策略可提高直流系统的稳态和动态性能，更好地发挥直流 的调制作用，能对与其连接的交流电网提供有效的阻尼和支援，提高联合系统 的稳定水平。 4 减小交直流系统间的相互的影响，提高交直流的协调能力。严格限制 四大学颂 。论史( 2 0 0 6 ) 直流系统的无功在各种工况下对交流系统的不利影响，以及交流系统电压波动 对直流系统的无功的影响。 1 2 国内外研究动态 为适应我国电力工业的发展需要，电网规模日益增大，除对直流运用各种 控制理论设计性能良好的控制器外，还应该对直流系统的电压稳定及交直流间 的相互影响和协调问题作深入的研究。自1 9 5 4 年建成第一条工业性高压直流输 电线路以来，人们就对高压直流输电系统做了大量的研究1 5 、6 1 。 一、综合运用各种控制理论设计出性能优良的直流控制器。 直流输电技术被认为是灵活交流输电系统( f l e x i b l ea ct r a n s m i s s i o n s y s t e m ，f a c t s ) 的一种，是因为其最大的特点及优点是直流输电系统是高度 可控的，可以迅速调整有功功率。随着电力电子技术和计算机技术的迅速发展， 直流输电技术日趋完善，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。因此，直流控制在直 流输电中处于核心地位，与单馈入直流输电系统一样，扰动发生后多馈入直流 输电系统的恢复性能取决于其所连接交流系统的结构、直流系统本身以及对直 流系统所采取的控制，其中，对直流换流器采取何种控制措施是能否获得满意 的整体动态性能的关键。近年来，人们对直流控制作了大量的研究，其设计方 法多种多样。文献 7 】结合状态反馈精确线性化方法和线性风，控制理论形成的 鲁棒非线性控制器的设计方法，详细设计并推导了交直流联合输电系统的鲁棒 非线性稳定控制器，并就其特性及其作用给于了讨论，为将来进一步的仿真研究 及实际应用提供了理论依据。文献【8 】将非线性自抗扰方法应用于h v d c 系统的 控制，利用非线性变换将h v d c 详细模型进行反馈线性化，提出了基于非线性自 抗扰控制的整流侧定电流和逆变侧定熄弧角控制方法。文献【9 】结合h v d c 系统 固有的特点，提出了一种基于多目标规划的设计方法，建立了滤波装置的综合 数学模型，既考虑了滤波装置的物理意义，又考虑了工程投资的经济性，并应 用遗传算法设计出了经济实用、滤波效果优良的滤波装置。 二、直流系统无功功率和电压控制问题。 直流换流器的静态和动态特性很大程度地取决于他们的固有控制。因此， 4 明川入学硕。论文( 2 0 0 6 ) 直流换流器快速控制可以用来确定某种控制策略i l “。但当直流系统为负荷地区 供电时，直流换流器内部要吸收无功功率，在稳态条件下，所消耗的无功功率 是传输功率的5 0 , - - 6 0 ，在暂态情况下，无功功率的消耗更大，若仅通过直流 本身来控制系统的无功功率，有些时候不近理想。因此，有必要在换流器附近 提供无功电源。根据直流联络线和交流系统的要求，无功电源可采用同步调相 机或静止无功补偿器( s t a t i c v a t c o m p e n s a t o r ，s v c ) ，这样盯以更好的维持系统 的电压和无功功率的平衡。如查梯卡( c h a t e a u g u a y ) 背靠背换流站，在其1 2 0 k v 母线上安装两个静止无功补偿器( s v c ) ，通过s v c 连续地调节无功功率的输 出，以匹配换流站的无功需求，有效的解决了瞬时过电压或无功调节问题，而 且抑制了2 次谐波谐振。 三、交直流系统的相互影响及交直流问的协调控制问题。 由于传统的控制器是针对单目标进行优化，这样虽然对单目标的优化能够 有很好的效果，但却忽略了其他装置的动态，这样设计出来的控制器，可能会 因为没有兼顾大局而导致其他部分或者整个系统的性能恶化。 针对上述局部优化问题的不足，有必要对交直流系统间的相互影响作进一 步的研究。为此不少文献提出了最优协调控制策略【1 1 - 1 4 册巧5 1 ，通过全盘的考虑， 综合设计，使得局部元件不仅能有效地控制好局部目标，而且各个局部元件还 能协调一致的工作，使得全系统在某种指标下达到最优。文献 1 5 分别采用了 标准最大功率睦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；文献 1 6 提出了一种用于改善交直流混联系统暂态稳定性的非线性控制策 略，运用最优变目标控制理论推导出了h v d c 与发电机励磁的非线性综合控制策 略。文献 1 7 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 系统看作是连接在交流系统换相母线上的变导纳支路并基于最优控制理论，推 导出具有两级分层的控制策略。 综上可见，交直流系统的控制手段、直流系统无功功率和电压控制问题及 交直流间的相互影响与协调等方面，都是值得研究的重点问题，且具有重大的 现实意义。 1 3 论文思路与结构 直流输电以其调节速度快、传输功率大、输送距离远等优点，在我国电力 四i l 大学硕 论艾( 2 0 0 6 ) 工业的发展中越来越受到人们的关注。并获得了广泛的应用。通过对直流系统 的快速凋节可以很好的改善交流系统的动态特性。所以，如何更好的利用直流 的这一特性来服务我国电力系统，已成为直流研究的一个重要方向【l s l 。本文通 过对直流功率调制器与静止无功补偿器协调作用，并运用精确反馈线性化最优 协调控制理论以及最优变目标理论，设计出了交直流系统控制器的协调控制规 律。 论文第二章介绍了直流输电的控制原理。分别阐述了直流系统中基本控制 与附加控制的原理，并重点介绍了直流功率调制方面的知识，为以后控制器的 设计提供一定的理论基础。第三章对所用到的非线性控制理论中的精确反馈线 性化理论和最优控制理论以及最优变目标控制理论作了详细的介绍，为下一步 附加控制器的设计提供了理论依据。 第四章是基于状态反馈精确线性化方法与最优控制理论，通过坐标变换和 非线性反馈，推导出了直流附加功率控制与静止无功补偿器的协调控制策略。 最后，在单机无穷大系统上对该控制器进行了仿真，仿真结果表明所设计的控 制器能有效地提高系统的暂态稳定性，并能进一步改善逆变侧交流母线的电压。 第五章运用最优变目标理论，研究了h v d c 与s v c 的综合控制问题，目的 在于提高系统的暂态稳定性和改善逆变侧交流电压。通过对三机系统中h v d c 与s v c 建立综合模型，再用最优变目标理论推导出h v d c 与s v c 的综合控制 规律。仿真结果表明，该控制规律能有效地增强系统阻尼、抑制发电机功角摇 摆，同时也较好地维持了逆变侧交流母线电压，从而提高了系统的暂态稳定性。 最后，第六章对全文所做的工作进行了总结和展望。 6 两”1 大学碗上论文c2 0 0 6 3 第二章高压直流输电系统的控制原理 2 1 引言 高压直流输电系统足高度可控的，其有效的运行依赖于这种可控性的正确 应用，以保证电力系统有期望的性能【l m 。直流输电控制系统包括基本控制和附 加控制，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，在 这种基本控制方式下，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，确保了直流系统按照指定的功率安全运行，但同时也阻碍了有利 于维持交流系统稳定的同步功率传输；而附加控制的却是为了提高系统运行的 动态特性，且能对直流联络线的控制能力加以拓展。本章将对直流输电的基本 控制和附加控制的原理及特性作较为详细的阐述，为后续章节的直流附加控制 器的设计作好前提。 忽略直流线路对地分布电容c 。时，整流器的直流电流就等于逆变器的直流 电流，以图2 1 所示的直流输电线路为例，其等值电路图如图2 2 所示。 直流线路 图2 1 两端直流输电系统原理图 f i g u r e2 1 t h es c h e m a t i cd i a g r a mo ft w ot e r m i n a li t v d cs y s t e m 7 四川九学碗 论史( 2 0 0 6 ) c o s d 图2 2 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 fh v d ct r a n s m i s s i o ns y s t e m 图中，和分别为整流侧和逆变侧的直流电压，l 为直流电流。r 。和 r 。是整流侧和逆变侧的等值换相电阻，髟足直流线路电阻，口是整流器触发 滞后角，是逆变器的触发越前角。其整流侧空载直流电压为 ：型竺ec o s 口，逆变侧空载直流电压为。3 j _ 堕2 e ，c 。s ，。 i f刀 由等值电路图可知直流电流的表达式为： i ： (21)d v d o , c o s a - v d o , c o s f l 尺“+ r d 只。， 整流器终端功率为： 匕= ，d ( 2 2 ) 逆变器终端功率为： 匕= i d = 匕一也乃 ( 2 3 ) 从式( 2 1 ) 可以看出，可以通过改变整流器和逆变器的触发角口和来改 变直流电流的大小。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，一般作后期调节使用。而直流电压= g o s h - - 如厶、 = c o s f l - 如l ，可见，直流电压也是可控的，再由式( 2 2 ) 和( 2 3 ) 可知，直流功率也是可控的，由此可见，直流传输系统具有一定的可控制性。 为了确保触发前阀上有足够的电压，整流器有一个最小口角限制，大约为 5 。在逆变器的情况下，必需保持某一确定的最小的熄弧角以避免换相失败， 明f 大学颂 论史( 2 0 0 6 ) 即保证在a = 1 8 0 。或尸0 。时换相电压反向之前允许去游离。所以一般情况下整 流器正常运行在口= 1 5 。2 0 。，使它还有可能提升整流器电压以控制直流功率潮 流d o ；5 0 h z 的系统下，角的典型裕度值为1 5 6 ，6 0 h z 的系统下为1 8 。 2 2i i v d c 系统的基本控制 直流输电系统基本控制的作用是确保直流系统按指定的功率安全运行，在 正常运行条件下，直流的基本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，即使整流器维持恒定电流( c c ) ，逆变侧运行在恒定熄弧角( c e a ) 以维持足够的换相裕度，如图2 3 所示，当整流器保持恒定电流时，它的v - i 特性是一条垂直线。且有； = y lc o s y + ( r d r 。) l ( 2 4 ) 直流控制系统的w 特性曲线，是针对不同工程所设计的基本控制策略的 最重要的描述之一。它不仅描述了整流器触发角对直流电压和逆变器熄弧角 对直流电流厶的影响，确定了直流输电系统的稳态工作点，即稳态运行参数； 并且确定了直流系统在稳态、小扰动和动态过程中整流、逆变两端控制器的基 本配合原则。 c 图2 3 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 t i c s 通过调节“电流指令”或者“电压整定值”可以使整流器特性水平移动。 通过逆变器的变压器抽头切换装置的作用，它的特性会升高或降低。当抽头切 换装置动作时，c e a 调节器迅速将，恢复到期望值，其结果是直流电流改变， 但很快会被整流器的电流调节恢复到期望值。通过整流器抽头切换装置的作用， 9 阴l l l 大学硕t 论史( 2 0 0 6 ) 将口控制在期望的范围内以确保高功率因数和控制的适当裕度。 然而，上述只是直流系统的理想控制特性，在实际的直流输电工程中，还 应考虑各种电流限制和最小触发角限制等，如图2 4 所示： 图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性 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 图中，整流器的特性曲线包括四部分，即最小口角限制的恒定触发角( c i a ) 特性曲线，v d c o l 特性曲线，恒定电流( c c ) 特性曲线和最小电流限制特性 曲线。而逆变器的特性包括六部分：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 限制特性曲线和逆变最小口角限制特性曲线。在正常运行条件下，整流器和逆 变器工作于两条特性曲线的交点，即整流侧运行于恒电流控制方式( c c ) ，逆 变侧运行最小熄弧角控制方式( c e a ) ，而当系统运行环境发生变化时，直流系 统根据自身特性调节两侧的控制方式，且各种控制方式之间可以平滑的切换。 整流侧采用恒定电流控制有利于限制过电流，使因故障引起的损害最小， 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； ( 1 ) 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 制在正常满负荷电流的1 2 到1 3 倍。 ( 2 ) 最小电流限制：当电流值较低时，电流的波动将引起它的不连续或间 断。 ( 3 ) 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， l o 网川大学硕卜沧丈( 2 0 0 6 ) 为了维持直流电流使得对无功功率的需求增加，另一方面当系统电压水平降低 时，将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直流 功率是不可期望或不可能的。一般情况下可以通过依赖于电压的电流限制暂时 降低电流指令，当电压下降时，要求快速的v d c o l 动作，电压恢复时采用较 大的时间延迟。 逆变器的控制方式有多种，不同的控制方式在不同的情况下具有各自的优 点： ( 1 ) 直流电压控制方式由闭环电压控制取代调节y 到固定值( c e a ) ，可 以保证在直流线路上有一个期望点维持电压恒定，与恒y 角控制相比，它的优 点在于其逆变侧的矿一i 特性曲线是一条水平线，即保证电压处于恒定状态，另 外，这种控制方式的y 值略高，有利于减小换相失败。 ( 2 ) 恒定口角控制这种控制方式下，逆交侧的矿一，特性曲线斜率为正， 在低负荷时可以保证不会产生换相失败，但这种控制方式会遇到最小，值问题。 它被认为是一种备用控制方式，在暂态条件下直接作用于触发角是有益的。 2 3h v d c 系统的附加控制 2 3 1 直流附加控制的原理 直流输电系统的基本控制只为直流系统的运行确定了一个基本方式，它本 身不对故障环境下的系统提供同步功率，而且还有可能对发电机产生负阻尼转 矩，这在交直流并联系统中表现得更为明显，在一定的扰动下，换流器可能吸 收过多的无功功率，导致电压的崩溃。为此，需要更高级的控制以提高交直流 系统的稳定性。 直流输电系统的附加控制可以很大程度地拓展直流联络线的控制能力，提 高交流系统的动态特性，采用直流联络线附加控制可以： ( 1 ) 增加对交流系统机电振荡的阻尼； ( 2 ) 提高暂态稳定性； ( 3 )抑制交流系统的次同步振荡； ( 4 ) 隔离系统之间的干扰； ( 5 )孤立小系统的频率控制； ( 6 )无功功率调节和动态电压支持； 朗1 1 i 大学硕 论文( 2 0 0 6 ) 直流的附加控制也称为直流调制，各种调制有各自的适用场合，至今还没 有开发出适合所有系统通用的控制方案。目前多采用的有功率调制，逆变器熄 弧角调制和熄弧角联合调制。 2 3 2 直流功率调制 为了改善交直流混合系统的稳定性，提高交直流系统的极限传输功率，普 遍采用了直流功率调制器，当交流系统受到扰动时，通过调制直流线路的传输 功率，对交流系统功率震荡提供阻尼，维持整个系统的稳定性。这种功率调制 方式分为有功调制和无功调制两种，通常情况下直流换流器控制首先考虑有功 功率调制，但是在某些情况下无功功率控制也是很重要的。 在暂态期间，迅速降低直流功率能减小两侧交流系统的发电出力和负荷的 不平衡。在某些情况下，则利用h v d c 短期过载能力的优点，通过增加直流功 率来维持系统的稳定性。从交流系统性能的观点来看，迅速控制直流系统功率 与解列发电机负荷有同样的效果。 直流功率调制的控制信号可以取白与直流线路并联的交流线路的有功功率 增量匕，或者取自换流站的无功电流增量a l 。当两节点间只有直流线路而无 并联的交流输电线路时，控制信号也可以取自换流站交流母线电压的频率增量 ( 够或馘) 或两个换流站交流母线电压的频率差( a 一够) ，信号经过一个 或多个相位补偿环节校正输出，与直流电流偏差信号进行综合，对直流输送功 率进行控制，达到改善交直流联合电力系统阻尼特性及动态品质的目的i l s 1 9 1 ， 其传递函数如图2 5 所示。 1 2 a ( 颤) 奶 一厶最 a 1 t 四l ，、学颂l 论文( 2 0 0 6 ) 图2 5 换流器功率调制器传递函数椎图 f i g2 5p o w e r m o d u l a t i o nt r a n s f o r mf u n c t i o nf r a m ei nc o n v e r t e r 实践中的很多研究结果表示，如果直流功率调制器设计得合理，可以有效 地改善交直流系统的稳定性，抑制系统中发生的低频震荡，提高交流输电线路 的功率极限。这种功率调制器成功地应用在美国太平洋直流联络线的功率调制 系统中，它使得与直流输电线路的并列运行的交流输电线路的传输功率极限从 2 1 0 万千瓦增加到2 5 0 万千瓦【2 0 】。 2 4 交直流系统的协调控制 直流输电的控制信号大多取自交流系统，研究直流输电的稳定性以及直流 输电系统对交流系统的稳定性的影响问题实际上就是研究交直流混合系统相互 作用相互协调的过程。 直流系统基本控制方式虽然缓冲了直流联络系统的相互影响，但由于直流 电压取自交流电压，因此也失去了自行调节功率的特点。从交流系统看，直流 换流站是一个对频率不敏感的负荷，对系统的稳定产生不利的影响，甚至引起 系统的负阻尼，这在交直流并联系统中表现得更为明显，无论是交流系统侧的 短路故障还是直流故障，都会给交流系统带来较大冲击，在弱交流、直流输电 系统中，这种冲击引起的后果比较严重，往往成为限制交直流系统断面输送能 力提高的瓶颈。而附加控制器不但可以保证直流系统的可靠运行，还能改善系 统阻尼，提高交直流系统的动态特性，所以交直流混合系统协调控制的直流部 分主要考虑直流附加控制。通过直流附加控制和交流系统进行协调控制，从全 局上对系统进行优化，从而减小由于单个控制器的局部优化控制而导致系统其 他部分或整个系统性能恶化的可能。 2 5 结论 高压直流输电系统是高度可控的，控制系统在直流输电中是必不可少的， 直流的控制系统包括基本控制和附加控制，基本控制是必须的，保证直流系统 的正常运行；附加控制是可选的，通过附加控制可以增加系统的阻尼，提高系 统的稳定性。 四川大学硕t 论文f 2 0 0 6 ) 前面提到，直流基本控制不对故障环境下的系统提供同步功率，并且在故 障下可能导致系统系统性能的进一步恶化。而通过h v d c 附加控制器对有功和 无功调节是稳定系统的有效措施，当直流联络线运行于恒定功率方式时，通常 经主控制引入有功功率调节信号( p ) 来控制交流系统频率或阻尼电机震荡， 整流器的电流控制器的电流指令参考也适宣作为任意直流电流的调节信号 ( l 。) 的注入点。本文针对直流的功率调制可以很好地改善系统的稳定性， 但换流器对无功的消耗很大的特点设计了直流功率调制器和静止无功补偿器的 协调控制来调节系统的有功和逆变侧的电压，运用两种非线性控制理论设计出 了两者的协调控制器，通过仿真表明，所设计的控制器很好地抑制了发电机的 功角摆动，同时有效地改善了交流系统电压。 总体来讲，控制系统是直流输电系统的一个关键组成部分，对直流输电的 运行控制要求具备以下基本功能： ( 1 ) 减小出于交流系统电压的变化引起的直流电流波动。 ( 2 ) 限制最大直流电流，防止防止设备受过电流而损坏，避免电流间断而引 起过电压。 ( 3 ) 尽量减小逆变器发生换相失败的概率。 ( 4 ) 适当地减小换流器所消耗的无功功率。 ( 5 ) 正常远行时，直流电压保持在额定位水平。 1 4 网川大学硕士论文( 2 0 0 6 ) 第三章非线性控制理论方法 3 1 引言 电力系统的运行稳定性问题是人们长期关注并在实际中不断努力加以改善 的问题，解决的主要手段是控制【2 0 1 。半个多世纪以来，人们为了改进和发展电 力系统控制技术，进行了浩瀚的研究工作，但大多采用的是传统的古典控制理 论或者现代控制理论，它们都是基于线性系统的控制原理，通常是将系统的非 线性状态方程在某一特定的运行状态下近似线性化。然而，电力系统是强非线 性系统，当系统偏离这一特定运行状态较远时，以此为依据设计的控制器也就 不能正确有效的工作，故而这种设计方法与电力系统大干扰稳定性的要求不相 适应。为此，寻找更优的控制方法已十分必要。 控制是用施加某种特定的输入方法，改善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【2 们。控制技术的进步总是紧 紧依赖控制理论的发展，至今，控制理论已经历如下几个发展阶段： 第一阶段：可称之为复数域或频域的控制理论。有的文献也将其称为古典 控制理论。这种复数域的控制理论体系，大体上由建模理论、响应分析、稳定 性分析与综合校正等四部分内容组成。这种理论的最大特点在于它的独特的建 模方法。 第二阶段：现代控制理论，更确切地说，应称之为线性多变量系统控制理 论。这种体系的理论，自6 0 年代初开始获得迅速发展，如今已获得广泛的应用。 1 9 6 0 年贝尔曼的矩阵分析导论【2 7 l 一书和1 9 6 3 年卡尔曼的“线性动态系统 的数学描述叫嚣l 一文，对奠定这种控制理论的基础作出了重要贡献。这种理论 体系最主要的特征就是：状态空间的建模理论与线性代数的数学方法相结合。 第三阶段：非线性控制理论。以非线性函数在一点处的全微分代替其增量 的近似线性化方法，有着不可忽视的局限性，那就是当系统实际的运行状态对 于所选的平衡状态有较大的偏差时，用这种方法所得的线性状态方程就会呈现 较大的不准确性。而在非线性控制理论中，可以通过采用非线性状态反馈和恰 当的坐标变换，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 2 0 1 ，或者是直接对系统状态空间轨迹的分析、基于系统自身 网ir i 大学颂卜论交( 2 0 0 6 ) 轨迹行为而得出控制规律。 现代电力系统是强j 线性系统，但电力系统的控制技术却大多采用传统的 基于线性系统控制理论，这种传统的线性化线洼化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，再用线性方法加以处 理。显然以此设计出的控制器有着不可忽视的局限性，当实际运行状态远离设 计中所选取的平衡点时，就难以发挥其应有的作用，在某种情况下，甚至会起 相反的作用。 近年来，近代微分几何方法与非线性控制系统的设计问题相结合，形成了 一门新的学科体系：非线性控制系统几何结构理论体系。在这一理论体系中， 非线性系统状态反馈精确线性化理论的发展最为迅速，它克服了上述传统理论 的不足，通过恰当的坐标变换和非线性反馈，可以使1 线性系统在整个状态空 间的一个足够大的区域内精确线性化，使系统具有更好的动态特性，以此设计 出来的控制器具有很好的潜力和应用前景。另外，b a m a r d 提出的基于非线性系 统的最优目标控制策略 3 3 - 3 5 l ，也充分体现了对非线性系统的适应性。该理论是 根据对系