（电力系统及其自动化专业论文）轻型直流输电系统控制策略及仿真研究.pdf

c o n t r o ls t r a t e g ya n ds i m u l a t i o ns t u d yo f v s c h v d c a b s t r a c t c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lh v d c ，v o l t a g es o u r c ec o n v e r t e r ( v s c ) b a s e d h v d co c s c - h v l ) c ) h a sm a n y a d v a n t a g e s ，s u c ha sf l e x i b l ec o n t r o l ，i n d e p e n d e n ta c t i v e a n dr e a c t i v ep o w e rc o n t r o l ，l e s sh a r m o n i c se t c i nt h ef u t u r e ，w i t ht h er a p i d d e v e l o p m e n to fh i g h - p o w e rc o n t r o l l e de l e c t r o n i cd e v i c e s ，v s c - h v d cs y s t e mw o u l d b e c o m ear e s e a r c hf o c u s a n da san e wt e c h n o l o g y , f u r t h e rs t u d ys t i l ln e e d st ob ec a r r i e d o u to ni t sc o n t r o ls t r a t e g y s ot h es t u d yi nt h i sf i e l di so f g r e a ti m p o r t a n c e f i r s t l y , t h i sp a p e ra n a l y z e sb 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 c p o w e r t r a n s m i s s i o ns y s t e m s e v e r a lo p e r a t i o n a lm o d e sa r ed i s c u s s e db a s e do nt h ep o w e r e q u a t i o n so fv s c t h e nb yc o n s i d e r i n gt h et r a n s i e n tm a t h e m a t i c a lm o d e la n dp a r k t r a n s f o r m a t i o n ，t h et r a n s i e n tm o d e lo fv s ci nd q 0s y s t e mi se s t a b l i s h e da n di t s d e c o u p l i n gc o n t r o l l e ri sa l s od e s i g n e d w i t ht h ed e c o u p l i n gc o n t r o l l e r , t h ea c t i v ea n d r e a c t i v ep o w e ro fv s cc a nb ec o n t r o l l e ds e p a r a t e l y i no r d e rt oi m p r o v et h ed y n a m i c r e s p o n s eo f t h es y s t e m ，an e wf u z z y s e l f - a d a p t i v ep i dc o n t r o l l e ri sp r e s e n t e do nt h eb a s i s o ft h ec o n v e n t i o n a lp i dc o n t r o l l e r t h em a t l a bs i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v et h a tt h e d y n a m i cp e r f o r m a n c eo ff u z z ys e l f - a d a p t i v ep i dc o n t r o ls y s t e mi sb e t t e rt h a nt h a to ft h e c o n v e n t i o n a lp i dc o n t r o ls y s t e m b a s e do nt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，t h em o d e l sf o rv s c - h v d ca n di t sc o n t r o ls y s t e mi s e s t a b l i s h e dw i t h m a t l a b s i m u l i n k ，a n d t h es i m u l a t i o n sa r ec a r r i e do u tf o r v s c - h v d co p e r a t i n gm o d e so fc o n n e c t i n gt oa c t i v en e t w o r k sa tb o t he n d sa n d s u p p l y i n gp o w e rt ot h ep a s s i v en e t w o r kr e s p e c t i v e l y 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 ep r o p o s e dm a t h e m a t i c a lm o d e la n dc o n t r o l l e ra r ec o r r e c ta n de f f e c t i v e f i n a l l y , t h eo p e r a t i o no fv s c h v d cs y s t e mu n d e ra cn e t w o r kf a u l ti 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 tv s c - h v d cs y s t e mc a ne n h a n c et h es t a b i l i t yo ft h ea c n e t w o r k k e yw o r d s ：v s c h v d cs y s t e m ，c o n t r o ls t r a t e g y , f u z z yc o n t r o l u 广西大学学位论文原创性声明和学位论文使用授权说明 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究 成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮 助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名： 啦主上歹年 月，日 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容； 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 囹白时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名：龇乞导师签名：誊、奶旺矽年7 月日 广西大掌硕士掌位论文轻型直流输电系统控制策略及仿真研究 第一章绪论 1 1 引言 自1 9 5 4 年连接哥特兰岛与瑞典大陆之间的第一条高压直流输电( h v d c ) 线 路投入商业化运行至今，h v d c 输电系统经历了从汞弧阀、晶闸管阀到可关断 器件换流阀的变革。由于晶闸管阀关断不可控，使得目前广泛采用的基于晶闸 管的电流型高压直流输电技术具有以下固有缺陷n 2 3 i ：( ，1 ) 换流器需吸收大量 的无功功率，需要大量的无功补偿装置；( 2 ) 换流站必须连接有源网络，需要 利用系统电压进行换相。当交流网络短路比较小时，还需装设无功补偿装置以 增加系统的短路容量；( 3 ) 由于换流器是开关频率较低，它在直流侧和交流侧 都产生大量的谐波，必须装设大容量的滤波装置。( 4 ) 换流站占地面积大、投 资大。 在电力电子器件特别是大功率、高开关频率的全控器件的快速发展情况下， 使通过应用p w m 技术控制换流站成为可能。1 9 9 0 年，m c g i l l 大学的b o o n t e c k o o i 教授突破原有换流站控制技术，提出了应用p w m 技术作为驱动控制的电压 源型换流器新概念，在这个基础上a b b 公司重新提出了轻型直流( h v d cl i g h t ) 的概念，1 9 9 7 年3 月在瑞典中部的赫尔斯扬( h e l l s j o n ) 和格兰斯堡( g r a n g s b e r g ) 之间进行了首次轻型直流的工业试验h 1 。这次试验的主要参数为：功率3 m w 、 输电电压1 1 0 k v 。进行直流输电的线路是一条暂时不用的1 0 k m 的交流线路。这 次试验非常成功，轻型直流系统无论在稳态和暂态情况下都能满足系统的要求， 达到系统的预定目标，稳定运行。 1 2 轻型直流输电系统概述 1 2 1 电力电子器件的发展 电力电子器件的发展在整个轻型直流输电系统的发展过程中起着至关重要 的作用。随着9 0 年代高电压、大功率全控器件的飞速发展，电力电子器件广泛 应用于电力系统、电机变频等多个领域当中，其应用技术也日益成熟，这些成 功的应用项目为其在轻型直流输电技术当中的应用打下了坚实的基础。目前全 广西大学硕士学位论文轻型直流输电系统控制策略及仿真研究 控器件的种类繁多，但是适用于高电压大电容场合的主要有以下三种哺1 ：( 1 ) f - j 极可关断晶闸管( g t o ，g a t et u mo f j ft h y r i s t o r ) ；( 2 ) 集成门极换相晶闸管 ( i g c t ，i n t e g r a t e d g a t eb i p o l a r t r a n s i s t o r ) ；( 3 ) 绝缘栅双极晶体管 ( i g b t ，i n s u l a t e dg a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r ) 。这三种全控器件各有有缺点，相比较 而言，g t o 容量较大，现在市场上生产的规格已经达到6 0 0 0 v 6 0 0 0 a ，它的缺 点是门极驱动电流较大( 约为额定电流的1 5 至l 3 ) 且驱动过程时间较长，开 关频率较低( 6 k v 6 k a 容量的g t o 工作频率为5 0 0 h z ) ，驱动电路和全控开关本 身损耗都比较大。1 9 9 7 年，第一个i g c t 诞生，它的性能要优于g t o 。它与g t o 相比较，容量不分伯仲，但是其驱动损耗却大幅减少。另一种全控型器件是 i g b t ，它与前两者相比较，其容量不高( 现在生产的最大容量的i g b t 也只有 3 3 k v 1 2 k a 或6 5 k v 0 6 k a ) ，但其优点是开关频率高( 大容量的i g b t 可以工 作在2 0 0 0 h z ) ，驱动电路简单，开关和驱动损耗小。目前i g b t 已经成功并且广 泛的应用在商业化的v s c h v d c 系统的换流站中，由于它是一种金属氧化物 半导体器件，其驱动电路部分仅需很小的功率。当串联i g b t 时，即使在开关频 率达到千赫兹，并且有较好的电压分布，这使得由i g b t 的串联组成的换流桥成 为可能。 1 2 2v s c h v d c 的基本原理 v s c lv s c 2 斟； 2c c 2 一晤一晤一 1r ：。一漆 2c c 2 图卜1v s c h v d c 系统结构原理图 f i g 1 - 1 p r i n c i p l ed i a g r a mo fv s c h v d cc o n f i g u r a t i o n 与基于电流源型换流器的传统直流输电系统不同，v s c h v d c 是采用具有 可控关断器件以及p w m 技术而组成的电压源换流器( v o l t a g e s o u r c e c o n v e r t e r ) 进行换流；v s c h v d c 系统原理如图l l 所示，换流站采用电压源换流器，换 流器主要由换流电抗器、换流桥、直流电容器和交流滤波器组成。换流电抗器 是直流系统与交流系统进行能量传输的纽带，它的大小决定了换流器的功率输 2 广西大掌硕士掌位论文轻型直流输电系统控制策略及仿真研究 送能力。此外，换流电抗器既能减少换流器输出的谐波分量，又能起到抑制电 流上升速度的作用。直流侧并联的电容器起到了提供电压支撑、缓冲桥臂关断 时的冲击电流、减少直流侧谐波、为受端站提供电压支撑的作用。换流器中， i g b t 上并联反向二极管，除了作为主回路以外，还起到保护和续流的作用。在 v s c h v d c 系统中，由于换流站采用全控器件，因此它可以采用正弦脉宽调 制( s p w m ) 技术，通过控制s p w m 的相位和调制度实现有功和无功的独立控 制。 1 2 3v s c h v d c 的特点 与电流型直流输电系统相比较，轻型直流输电系统具有以下几个优点晦3 ： ( 1 ) 由于轻型直流系统的换流器具有关断电流的能力，因此可以在无源逆变 状态下工作，不需要依赖电压进行换相，克服了传统直流必须在有源网 络情况下工作的局限，从而使利用轻型直流向孤岛负荷送电成为一种比 较可行的解决方案。 ( 2 ) v s c 由于采用了p w m 控制技术，其控制更加灵活、快速，可以独立控 制有功和无功。而传统的直流输电系统只有触发角一个控制量，不可能 独立的控制有功、无功。 ( 3 ) v s c h v d c 系统进行潮流翻转时直流电压极性不随之改变，只是直流 电流改变方向。利用这个特点可以方便、灵活地组成多端网络进行直流 输电。 ( 4 ) 轻型直流系统不仅不消耗交流侧提供的无功功率，而且在必要的时候还 能够向交流系统提供无功功率，稳定接入点交流网络电压。在系统发生 故障时v s c h v d c 系统不但可以向故障区域提供有功功率，而且还能 提供一些无功功率的支持，从而迅速的恢复交流网络的电压，稳定系统 的功角。 ( 5 ) 由于轻型直流输电系统的换流器开关频率很高，换流器输出的电压经过 简单的低通滤波后就可得到合格的交流电压，大幅减少了交流滤波装置 的容量。 ( 6 ) 由于轻型直流系统换流器能控制电流的关断，所以它不会增加系统的短 路容量。增加新的轻型直流系统时，原来系统的保护参数和运行参数可 以不变，因此轻型直流可以方便的加入到交流网络当中。 3 广西大学硕士掌位论文轻型直流输电系统控制策略及仿真研究 v s c h v d c 的主要应用场合有m ： ( 1 ) 向远方孤岛负荷送电，如沿海小岛、海上钻井平台、偏僻地区负荷等。 这些区域的负荷特点是容量比较小而且波动比较大，对这些负荷进行交 流长距离供电经济性差，而且在传输功率过程中又受制于线路传输功率 极限的影响。而轻型直流输电系统可以向无源负荷供电，因此这些地区 可以抛弃比较昂贵的当地发电，利用经轻型直流远距离传输的经济可靠 的电能供电，使能源能够得到最大地利用。 ( 2 ) 城市中心区电力增容。由于城市人口居住比较密集，到处高楼林立，空 中输电走廊已经没有发展余地，原来的架空线路由于设计的扩展容量有 限，也很难进行进一步的扩容，最合理的方法是采用电缆输电。而直流 电缆无论在输送容量和占用空间面积上都要比交流电缆优越，因此可以 考虑应用轻型直流输电系统架设城市输配网络。 ( 3 ) 新能源并网。如太阳能发电、风力发电和小型水电厂等。利用v s c h v d c 可以将这些地区分散、规模较小的电厂以较低成本入网，它允许发电机 工作在不同的频率，并且可以稳定交流侧电压。 ( 4 ) 非同步的两个电网之间采用v s c h v d c 进行联网，可以改善系统的运 行性能，提高其电能质量。 1 3v s c h v d c 研究现状 1 3 1v s c h v d c 工程现状 自从19 9 7 年世界上第一条轻型直流输电系统实验工程h e l l s j o n 工程试验成 功以来，已经有多个轻型直流输电系统相继投入运行。各工程运行的具体技术 参数见表l l 。 4 广西大掌硕士掌位论文轻型1 1 - ：宽j n r 电系统控制策略及仿真研究 表1 1 世界上已经投运的v s c h v d c t 程的主要技术指标啪 t a b l e1 - 1 m a i nd a t ao fv s c h v d cp r o j e c t si no p e r a t i o ni nt h ew o r l d 投运功率两侧交流直流直流换流站位置及长度 工程名称 时间m w电压l ( v电压l ( v 电流a交流网络 k m h e l l s j o n ， 10 k v ，5 0 h z ； h e l l s j o n 1 9 9 7 0 331 0 1 0l o1 5 0l o g r a n g s b e r g , 10 k v ，5 0 h z n a s 7 7 k v ，5 0 h z ； 2 g o t l a n d1 9 9 9 0 6 5 0 8 0 8 0 8 0 3 5 0 b a c k s ， 7 0 7 7 l ( v 5 0 h z t e r r a n o r a , 1 1 0 k v ： 6 d i r e c t l i n k1 9 9 9 1 23 6 01 3 2 1 1 08 03 4 2 m u l l u m b i m b y ， 5 9 13 2 k v ，5 0 h z e n g e ， 1 0 5 k v ，5 0 h z ； 2 t j a e r e b o r g 2 0 0 0 0 87 2 1 0 5 1 0 593 5 8 r j a e r e b o r g , 4 3 10 5 k v ，5 0 h z e a g l ep a s s ， 1 3 8 k v ，6 0 h z e a g l ep a s s 2 0 0 0 0 93 61 3 2 1 3 21 5 9l l o ob t b 美国( 6 0 h z ) 与 墨西哥联网 n e wh a v e n ， 3 4 5 k v ，6 0 h z ； 2 c r o s s s o u n d2 0 0 2 0 73 3 03 4 5 1 3 81 5 01 1 7 5 s h o r e h a m ,4 0 13 8 k v ，6 0 h z b e r r i ， 1 3 2 k v ； 2 m u r r a yl i n k 2 0 0 2 0 82 0 01 3 2 2 2 01 5 0 1 4 0 0 r e d ， 1 8 0 2 2 0 k v 1 3 2v s c h v d c 研究现状 由于v s c h v d c 中v s c 具有自关断电流能力，其所具有的优势是传统直流 输电所不能比拟的，它将成未来直流传输系统的发展趋势。为此a b bs i e m e n s 等公司都对该技术进行了深入的研究。目前虽然有多个v s c h v d c 项目投入商 广西大掌硕士掌位论文 轻型直流输电系统控制策略及仿真研究 业运行，但是由于轻型直流输电系统作为一种新的直流输电技术，对于它的许 多基础问题还需要进一步的研究。 在国外的研究文献中，文献 4 ，8 】中控制策略只是控制p w m 控制技术中的 相角差6 ，不能独立的控制有功功率和无功功率，文献中采用的是额外增加附加 控制的办法调节无功功率，所以说这一控制方法没有发挥轻型直流输电系统控 制方面的优点。文献 9 ，1 0 】中换流站的控制策略是将无功功率参考值设定为0 ， 类似于功率因数为l 的整流器控制策略，也没有实现有功和无功的独立调节。 文献 1 1 】虽然提出了对直流电压的非线性控制策略，但对于功率控制并没有进行 深入的讨论。文献【1 2 】建立了两输入两输出的静态模型，提出了基于稳态模型的 v s c h v d c 的反馈线性化控制策略，但是该控制方案设计复杂，控制器参数确 定也比较困难，影响性能的发挥。文献 1 3 一1 5 】虽然指出v s c h v d c 能够相互独 立地调节有功功率和无功功率，但没有给出具体控制方案。文献 1 6 ，1 7 涉及到 解耦稳态控制器，但没有设计出具体控制器结构。文献 1 8 】提出了d q 坐标下v s c 模型的前馈解耦策略。文献 1 9 2 1 在d q 0 坐标下推导出了v s c h v d c 的数学模 型，并在此基础上通过前馈补偿法进行解耦，从而实现了有功功率、无功功率 的独立控制。文献 2 2 】采用电流的d q 分量来控制有功功率和无功功率，并针对 所联结受端系统的强弱进行仿真研究，指出v s c h v d c 在联结弱系统时有很好 的运行特性，另外对于不同并联电容容量其系统的动态性能也表现良好。针对 p i 控制器的不足，文献 2 3 】了采用智能控制方法对新型直流输电系统中v s c 换 流器进行控制，经过仿真实验表明，控制效果良好。 国内关于v s c h v d c 输电技术的研究比较晚，但是目前关于这一课题的研 究已成为一个研究的热点。现在已有多所高校成立了专门的研究小组，对一些 基础问题和控制策略进行了深入的分析，取得了一定的成绩。文献【2 4 】给出了三 电平v s c 控制策略，它忽略了有功和无功之间的耦合，通过v s c 输出电压的相 角与幅值的调整来分别控制有功功率与无功功率，同时给出了相应的p i 控制器 模型。文献 2 5 对v s c h v d c 的数学模型和控制策略进行了研究。根据电压源 换流器具有2 个控制自由度的特点，确立了轻型直流输电系统两端换流站的4 个被控变量，导出了轻型直流输电系统的稳态数学模型并由此确定了电压源换 流器中2 个控制量分别控制2 个被控量的近似解耦关系，即对于定直流电压控 制端，应采用6 控制q 。、m 控制u d ，对于定直流电流控制端应采用6 控制i d 、 m 控制q 。文献 2 6 】采用d q 0 坐标的稳态模型并进行了控制方案设计。采用直 6 广西大掌硕士掌位论文轻型直流输电系统控制策略及仿囊：研究 接电流控制策略；并基于稳态模型设计了内环电流控制器，外环采用了逆模型 控制器来获得内环的电流参考量。文献 2 7 】建立了基于同步旋转坐标系下的轻型 高压直流输电系统的动态模型。采用反馈线性化方法设计了非线性解耦控制器， 实现输送有功功率、无功功率的独立控制。文献【2 8 采用了逆系统方法设计了 v s c 的功率传输控制系统，以及基于有功无功功率独立调节的v s c h v d c 控制 系统。文献 2 9 】提出了混合仿真的概念和实现以及高压直流输电电压源换流站 的等效仿真模型，该模型忽略了v s c 的开关纹波。采用混合仿真技术和等效仿 真模型既能提高仿真速度又能很好地反映v s c h v d c 的动态特性。文章提供的 仿真结果证明了h v d c v s c 的等效仿真模型和混合仿真技术的有效性。文献 3 0 】 讨论了在建立交、直流并联输电系统模型的基础上，提出一种将直流输电本身 的控制与发电机励磁控制相结合的优化控制策略，在系统发生故障时能同时稳 定发电机和直流输电系统，并研究了在故障情况下系统的阻尼特性，考察了该 系统在这一控制方式下的稳定性。文献【3 1 】讨论了在轻型直流系统的控制环节中 利用遗传算法对控制器的运行参数进行离线寻优，提高系统的响应特性，但是 由于利用遗传算法寻优过程中不是在线实时的优化控制参数，所以当系统运行 参数改变时要重新进行寻优。文献 3 2 通过引入中间变量方法建立v s c h v d c 动态模型，应用隐式梯形积分数值计算方法编制模型，通过暂态仿真分析验证了 该模型的正确性。采用l m i 优化方法设计单一模型和多重模型附加有功阻尼控 制器。通过时域仿真分析，结果表明多重模型控制器具有较强的适应性和较好的 阻尼控制效果。由于在控制器设计过程中计及发电机动态方程，对较大规模的系 统，基于l m i 方法设计反馈控制器与系统模型同阶，阶数较高时不易实现，因此保 性能低阶控制器的设计需要进一步研究。 1 4 本文的主要工作 v s c h v d c 作为一种新的直流输电技术，虽然已经在几个工程项目中应 用，但对其进行的控制理论方面的研究仍然处于滞后状态。鉴于目前轻型直流 的研究现状，本文的主要研究了v s c h v d c 系统的控制策略，建立了d q 0 坐标 下v s c h v d c 系统的数学模型并设计了双环解耦控制器：在外环控制中采用模 糊自适应p i d 控制器，增强了系统的鲁棒性和响应速度。借助 m a t l a b s i m u l k 搭建v s c h v d c 系统仿真模型，对轻型直流进行一系列 7 广西大学硕士掌位论文 轻型直流输电系统控制策略及仿真研究 仿真实验，分析试验结果。本论文所做的主要工作内容归纳起来包括以下几个 方面： ( 1 ) 研究v s c h v d c 的运行原理及控制方式，总结并比较v s c 的三种控制 策略。 ( 2 )建立了v s c 的暂态数学模型，通过p a r k 变换将其转化为d q 0 坐标数学模 型。介绍了内环电流控制、外环功率控制的双环控制器，在其基础上利 用前馈解耦法设计有功功率、无功功率独立控制的v s c 控制器。 ( 3 ) 对外环控制器进行修改，采用模糊自适应p i d 控制器，增强系统的响应 速度和鲁棒性。并通过仿真进行了验证。 ( 4 )应用m a t l a b 仿真软件搭建轻型直流输电系统模型，对这一模型进行一 系列仿真实验，通过实验结果验证数学模型的正确性和控制器的有效性。 8 广西大掌硕士掌位论文轻型直流输电系统控制策略及仿真研究 第二章v s c - h v d c 结构及运行原理 2 1 引言 轻型直流系统( v s c h v d c ) 主要包含两个部件：换流站和电缆。换流站采 用电压源换流器( v s c ) 技术，其输出由v s c 的控制系统调节，各个换流站之 间不需要通讯。v s c 电力电子器件采用大功率的绝缘栅双极晶体管( i g b t ) ， 可任意开通或关断，因而其交流侧输出电压与电流可以实现精确控制。控制系 统采用正弦脉宽调制技术( s p w m ) 控制，可根据交流系统的需要自动调节电压、 频率、有功与无功。 2 2v s c h v d c 换流站结构 图2 - 1 是v s c h v d c 换流站结构示意图 2c 2c 图2 - l 换流站结构图 f i g 2 1d i a 目捌【no fv s cs t n j c n i r c 轻型直流输电系统整流侧和逆变侧均采用电压源换流器。其换流站主要由 全控换流桥、换流电抗器、直流侧电容、交流滤波器和换流变压器组成。 ( 1 ) 换流电抗器：交流网络与直流系统进行能量交换的纽带，同时它还能使 电流的上升变的平滑，在一定程度上减少换流器输出的谐波分量。 ( 2 ) 直流侧电容：为直流传输线路提供稳定的直流电压，缓冲桥臂在关断时 刻对直流系统的冲击电流，同时还具有减少直流侧谐波分量的能力。 ( 3 ) 交流滤波器：滤除交流侧换流器开关所产生的谐波。 ( 4 ) 换流变压器：通过调节变压器二次侧电压来调节换流器最大传输的无功 功率和有功功率，同时当p w m 控制当中的调制度m 较小时，可以通过 9 轻型直流输电系统控制策略及仿真研究 调节换流变压器的变比来改变调制度的大小，从而减少输出的谐波，达 到减少损耗和交流滤波器容量的目的。 ( 5 ) 反向二极管：又称续流二极管，是负载向直流反馈能量的通道，同时也 起着使负载电流连续的作用。 2 3 电压源换流器s p w m 控制原理 v s c 采用s p w m 技术，即将三角载波信号与所期望输出的正弦波信号进行 比较，由这些交点决定换流器中各个全控开关器件的开通关断时刻，以此来达 到对换流器输出的电压进行跟踪控制的目的。s p w m 技术可以几乎瞬时的改变 交流输出电压的相位和幅值，从而可以实现有功功率与无功功率的独立控制。 这个特性可使由s p w m 技术控制的v s c 成为系统中的理想元件，它既可以被视 为无质量的电动机或发电机以接近瞬时地控制有功、无功功率，又能限制低次 谐波，提高电能质量嘧3 删。图2 2 是v s c 单相电路及其p w m 工作原理图。 j = c d l 一 l 一 一，d 2 一 甜r 时， 给d 以导通信号，给n 以关断信号，则输出的对地电压为u 。= u d 2 。当u 。 0 ，即d 。超前于u ，则v s c 工作于整流状态，轻型直流系统从 交流侧吸收有功功率； ( 2 ) 若6 o 时，v s c 吸收无功功率，当u 。一u cc o s 6 0 ，e c 0 ) ：偏差e 正向较大，并且e c 0 ，有逐步减少的趋势，当 偏差e 较大时，应尽快减少偏差，k 。取较大值，k ，取较小值。当快接近a 点时， 为减少超调量，应减少k 。，减少k i ，避免积分超调及随之带来的振荡。微分作 用适当增加，抑制超调。 a b 段( e 0 ，e c 0 ，e c 0 ) ：偏差趋向增大，应加大控制作用加以调节，因而应加 大k 。和k ，减少k 。 d e 段( e 0 ，e c 0 ) ：偏差趋于减少，同理k 。取较大值，k i 取较小值，削弱 积分作用。当快接近e 点时，为减少超调量，应减少k 。，减少k ， 综上分析可知，e 与e c 异号，输出趋向给定值；e 与e c 同号，输出远离给定 值。 根据上面分析的p i d 整定方法，得到p i d 三个参数的具体整定规则如下： 1 k 。的模糊规则表 表4 - 1 k p 模糊规则表 。 拿弋 n bn mn szp sp mp b n bp bp bp mp mp szz n mp bp bp mp s p s zn s n sp mp mp mp szn sn s zp mp mp szn sn m n m p sp sp szn sn sn m n m p mp szn sn mn m n mn b p b zzn m n m n m n bn b 2 k ，模糊规则表 3 2 广西大掌硕士学位论文 轻型直流输电系统控制策略及仿真研究 表4 2 七j 模糊规则表 e e cn bn mn szp sp m p b 弋 n bn bn bn mn mn szz n mn bn bn mn sn szz n sn bn mn sn szp sp s zn m n mn szp sp mp m p sn mn szp sp sp mp b p mzzp sp sp mp bp b p bzzp sp mp mp bp b 3 幻模糊规则表 表4 - 3 以模糊规则表 ；弋 n bn mn szp sp mp b n bp sn sn bn bn bn mp s n mp sn sn bn mn mn sz n szn sn mn mn sn sz zzn sn sn sn sn sz p szzzzzzz p mp bp sp sp sp sp sp b p bp bp mp mp mp sp sp b 4 3 4 反模糊化过程 经过模糊推理过程输出的变量是模糊量，不能应用于实际的控制当中，因此 需要将模糊变量转化为实际控制中能用的精确变量，这一转化过程叫做 反模糊化，一般常用的反模糊化过程有以下几种n 引： 1 最大隶属度函数法 3 3 广西大学硕士学位论文轻型直流输电系统控制策略及仿真研究 取所有模糊规则逻辑推导得到的模糊集合中隶属度最大的那个元素作为 输出值。即v o = m a xj l l ，( 1 ，) ，v v 。 最大隶属度法只关心最大隶属度值所在区间的输出值，忽略了隶属度函 数的几何图形，因此它所计算的精确值比较粗糙。但是，计算量少是它的最 大特点。所以一般应用于对控制精度不敏感的场合。 2 重心法 重心法是将模糊隶属度函数的几何图形与坐标轴所围成的面积的重心 作为模糊逻辑推导之后的最终输出值，其计算公式为 i 叫，( v ) 咖 v o2 赢 。2 ) 对于所个输出量化级数的离散论域情况 ，。j l l ，( v 。) 1 ，o = 掣f 一( 4 3 ) p ，( v 。) i = l 重心法输出的信号比较平滑，它参考了所有的信息，因此输出的结果较 精确细腻。牵一发而动全身是对这种方法的最好形容，并且这种变化比最大 隶属度法要平滑的多。 3 加权平均法 加权平均法的计算公式为 v ，t 1 ，o = 气_ ( 4 - 4 ) 也 式4 4 中的系数k ，的选择是根据不过的情况而定，在不同的系数下系统 具有不同的响应特性。当该系数尼，取为j l f ，( v ，) 时，则这一方法就变为重心法 了。 在本系统中，考虑到v s c h v d c 系统中外环控制的精度要求采用重心法对 模糊量进行清晰化。 鞋型直流翰电豪麓控制蕈略及仿真研究 45 m a t l a b 模糊工具箱 m a t l a b 模糊 二具箱提供了模糊逻辑控制及系统设计的各种途径，_ 具箱 所提供的友好的罔形用户界面能方便直观的生成模糊控制系统。在m a t l a b 模 糊控制工具箱中，把模糊推理系统的各个部分作为一个整体，并以文件形式对 模糊推理系统进行建立、修改和存储等管理功能。下面根据前一节分析的隶属 度函数、模糊规则、反模糊化过程生成模糊系统1 。模糊编辑器如图4 7 所示 坚= 舀篡 区圈一一伫二卜萧 0 一l i i ： l i t - ；习 i ；i 图4 - 7 模糊编辑器 f i 9 4 - 7f u z z yc o n t r o le d i t o r ( ”隶属度函数的生成 根据前一节隶属度函数的描述，用m a t l a b 隶属度函数编辑器生成 的隶属度函数图如图4 8 所示 圆匦 豳蕊 四 r 1 # 鼍2 譬写 r 、八，八厂厂| ) 、厂) ( 沙弋么 碰过! 亍 p 萧萧葡 i f - 怪匹兰1 0 一忡f e j 二丁_ 二二三卫 l 叵三三三三三三三三三j 图4 - 8 隶属度函数编辑器 f i 9 4 - 8 m e m b e r s h i p f u n c t i o ne d i t o r f 2 ) 模糊规则生成器 根据上一节的模糊规则，将模糊规则表导入到模糊规则编辑器中 如图4 - 9 所示 图4 - 9 模糊规则编辑器 f i g4 - 9 f u z z y n l 】e se d i t o r m a t l a b 还提供了丰富的查看模糊规则的工具，图4 一1 0 、4 1 l 、4 一1 2 分 别为k ，、k ，、k 。的平面显示图。图41 3 是模糊规则观察器，它能直观的显 示任意时刻的模糊推理计算过程。 i 囊蘩 图4 - 1 0t 模糊规则平而阳 f i 9 4 - 1 0s u r f a c eo fk 昀r u l e s 罔4 - 1 1t 模糊规则平面刚 f i 9 4 - 1 1s u r f a c e o f 女。f u r yr u l e s 囤；馥 图4 - 1 2 屯模糊规则平面图 f 1 9 4 一】2s u r f a c e o fk d l z z yr u l e s 陶4 - 13 模糊规则观察器 f i 9 4 1 3 v i e w e r o f 自z z vr u l e s 46 外环模糊自适应p i d 控制仿真 根据上面的分析设计，在m a t l a b 中搭建v s c h v d c 系统外环模糊自适应 p i d 控制器如图4 - 1 4 所示。 削4 - 1 4 m a t l a b 模糊自适应p i d 控制器 f i 9 4 1 4 m a t l a b m o d e lo f 1 z 珂a d a p t i v e p i dc o n t r o l l e r 将上面设计的模糊自适应p i d 控制器应用到整流端换流器外环控制当中，在 m a t l a b 中仿真得到的有功功率系统响应图如图4 15 所不，图中展不了在0 3 秒时刻有功功率从0 突变到0 4 p u 时，v s c h v d c 外环控制系统分别应用传统 p i d 控制器和模糊白适应p 1 d 控制器时系统的响应情况。 广西大掌硕士学位论文 轻型，【流输电系统控制策略及仿真研究 盯i = j t s 图4 1 5 有功功率响应曲线 f i g 4 - 15a c t i v ep o w e rr e s p o n s ec u r v e s 对比图4 1 5 两条响应曲线，可以看出模糊自适应p i d 控制器的响应超调量 和过渡过程时间都明显优于传统p i d 控制器。本文设计的模糊自适应p i d 控制 具有很好的动态性能。 4 7 本章小结 本章介绍了模糊控制器的原理，并设计了模糊自适应p i d 控制器，将该控制 器应用于v s c h v d c 系统外环控制中。在控制器的设计中以变量的误差和误差 变化率为控制器的输入，输出用来校正外环p i d 控制器，以提高换流器的响应 特性。模糊在线的自动调整过程符合人在控制决策中的思维特点，并且具有优 化的特点。通过仿真结果可以看出，应用模糊自适应p i d 控制器可以大大提高 系统的暂态稳定性，系统的响应速度快，超调小，具有很好的动态品质。 3 8 广西大掌硕士掌位论文轻型直流输电系统控制策略及仿真研究 第五章v s c - h v d c 仿真分析 5 1 引言 本章将根据第三章建立的数学模型和第四章讨论的模糊自适应p i d 控制器， 在m a t l a b 软件下搭建v s c h v d c 系统，对两端均接有源网络和一端接有源 网络另一端接无源网络的v s c h v d c 系统进行仿真，并对仿真结果进行分析， 验证第三章提出的控制方法的正确性。 5 2m a t l a b s i m u l i n k 介绍 m a t l a b 是m a t h w o r k 公司推出的一套高效的数值计算和可视化商业数学 软件，它集矩阵运算、数值分析、信号处理和图形显示于一体，构成了一个方 便的、友好的用户环境m 4 7 1 。 m a t l a b 是一个交互式、用户友好的系统，它的基本数据单元是数组，这 个数组可以事先不设定大小，有利于用户解决许多技术上的问题，特别是那些 包含矢量和矩阵运算的问题。m a t l a b 还有一个非常有用的工具组，那就是 t o o l b o x ，里面有解决各个行业特定的应用问题的应用程序组、专用工具，使 我们能更方便的对特定领域进行深入的研究。 m a t l a b 还有一个非常优秀的特点，那就是它提供了对系统进行动态仿真 的工具箱一s i m u l i n k ：s i m u l i n k 向用户提供了一个动态系统建模、仿真和 综合分析的集成环境。在该环境中用户只需要进行简单的鼠标操作，就可以搭 建出复杂的系统模型。虽然s i m u l i n k 对m a t l a b 具有依赖性，但是它可以借 助m a t l a b 在科学计算上的优势以及非常方便的仿真模块窗口，具有了传统仿 真软件工具在这方面无法突破的优势。为了方便的创建系统模型，s i m u l i n k 还 提供了一个建立模型的图形用户接口，在整个搭建过程中用户只需要进行鼠标 的拖拽和单击操作就可完成，而且在进行编译之后用户可以立刻看到仿真结果。 s i m u l i n k 还可以运用离散采样时间、连续采样时间等多种采样方式对机械、 通信、电气等多个领域内的系统搭建仿真模型，进行一系列的仿真研究，如系 统建模、仿真与分析等。 3 9 广西大掌硕士掌位论文轻型直流输电系统控制策略及仿真研究 正是因为m a t l a b s i m u l i n k 有其他仿真软件所无法超越的优越性，所以 才一直受到国内外专家学者的密切关注，得以不断地发展，方便广大的用户， 成为在系统仿真领域和科学计算首选的软件工具。 5 3v s c h v d c 在m a l