（电力系统及其自动化专业论文）高压直流输电鲁棒控制研究.pdf

a bs t r a c t h i g hv o l t a g ed i r e c tc u r r e n tt r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y ( h v d c ) i ss u i t a b l ef o rp o w e r t r a n s m i s s i o n so fl a r g ec a p a c i t ya n dw i t hl o n gd i s t a n c e ，i nr e c e n t l yy e a r s ，i tg e t sar a p i d d e v e l o p m e n ti n o u rc o u n t r y h v d cp o w e rt r a n s m i s s i o ns y s t e mi sah i g h l yc o n t r o l l a b l e n o n l i n e a rc o n t r o ls y s t e m i t so p e r a t i n gc o n d i t i o n sc h a n g ea ta n yt i m e ，a n dt h el o c a t i o n ， t y p ea n ds e v e r i t yo fd i s t u r b a n c ei ss t o c h a s t i c ，b e s i d e s ，t h ec o n v e r t e r sh a v eu n m o d e l e d d y n a m i c s t h e s ef a c t o r sm a k et h et r a d i t i o n a lc o n t r o l l e rf o rh v d cb a s e do nt h ec l a s s i c a l c o n t r o lt h e o r yc a n n o tm e e tt h er e q u i r e m e n t si np r a c t i c e s o ，i ti so fp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e b o ma th o m ea n da b r o a dh o wt od e s i g nab e t t e rs t a b i l i t yr o b u s tc o n t r o l l e rt oi m p r o v ei t s p e r f o r m a n c ea n de n h a n c et h eo p e r a t i n gs t a b i l i t yo f a cs y s t e mc o n n e c t e da sw e l l f i r s t l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h es t r u c t u r ea n dm a t h e m a t i c a lm o d e lo fh v d cs y s t e m ， o nt h i sb a s i s ，t h ep 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 dp e r f o r m a n c eo fm a i nc o n t r o l a c c o m m o d a t i o nm o d ef o rh v d cs y s t e m ，a n dt h e ng i v e st h eh v d cs y s t e mt h ec o n t r o l t h e o r yo fb a s e dc o n t r o la n da d d i t i o n a lc o n t r 0 1 s e c o n d l y , s t a t e f e e d b a c ka n da c c u r a t el i n e a r i z a t i o ni sa d o p t e df o rt h el i n e a r i z a t i o no f t h en o n l i n e a rm a t h e m a t i cm o d e lo fh v d cs y s t e m 。t h i sw a yt u r n st h es y n t h e s i sp r o b l e mo f t h ec o m p l i c a t e dn o n l i n e a rs y s t e mi n t ot h es y n t h e s i sp r o b l e mo fs i m p l el i n e a rs y s t e m f o r t h en o n l i n e a rs y s t e m ，l i n e a rs y s t e ma f t e ra c c u r a t el i n e a r i z a t i o nc a nr e f l e c tt h ep r i m a r y n o n l i n e a rs y s t e mt r u l y t h e n ，t h i sl i n e a rs y s t e mw i l lb et r a n s f o r m e dt oau n c e r t a i n t ys y s t e m w i t hu n m o d e l e dd y n a m i c sa n db o u n d e dd i s t u r b a n c e s ，a n dt r a n s f o r m e di n t ot h es t a n d a r d h o op r o b l e m st od e s i g nt h er o b u s tc o n t r o l l e r h o w e v e rt h eh o oc o n t r o l l e rh a st h es t r o n g r o b u s t n e s so nt h ep e r t u r b a t i o na n dt h ed i s t u r b a n c eo fs y s t e m 。t h i st h e s i si sb a s e do nt h e w o r ko fa n t e r i o rr e s e a r c h e r sa n dc o m b i n e sa c c u r a t el i n e a r i z a t i o nw i t hh r o b u s tc o n t r 0 1t o d e s i g nt h eb a s i cc o n t r o l l e ra n da d d i t i o n a lc o n t r o l l e r f i n a l l y , t h en e wc i g r eh v d cs t a n d a r dm o d e li sc h o s ea st h es i m u l a t i o nm o d e lo f t h eb a s i cc o n t r o l l e r t h i st h e s i ss i m u l a t e st h ed e s i g n e db a s i cc o n t r o l l e ra n da d d i t i o n a l c o n t r o l l e ri nm a t l a b c o m p a r i n gt ot h en o n l i n e a ro p t i m i z a t i o nc o n t r o l l e r ，t h er e s u l t so f t h es i m u l a t i o n ss h o wt h a tt h ep r o p o s e dc o n t r o l l e ri se f f e c t i v e i th a sar o b u s td y n a m i c p e r f o r m a n c ew i t l las t r o n gc a p a b i l i t yo fr e s t r a i n i n gu n m o d e l e dd y n a m i c sa n db o u n d e d d i s t u r b a n c e s t h et r a n s i e n ta n ds t a t i cc h a r a c t e r i s t i co fh v d cs y s t e mh a sb e e ne f f e c t i v e l y i m p r o v e dw i t hg o o dr o b u s t n e s s k e yw o r d s ：h v d c ； a c c u r a t el i n e a r i z a t i o n ；h o oc o n t r o lt h e o r y ；u n c e r t a i ns y s t e m ； h o or o b u s tc o n t r o l l e r ；b a s i cc o n t r o l ；a d d i t i o n a lc o n t r o l ； 西南交通大学 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 权西南交通大学可以将本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、缩印或扫描等复印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 不保密眵使用本授权书。 ( 请在以上方框内打c 、，) 学位论文作者签名：碳 日期：加m 苦2 指导老师签名： 日期：2 。f 。石、 2 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 研究了h v d c 系统的控制原理及数学模型，以此为基础，结合非线性反馈精确 线性化法，运用h o o 鲁棒控制器设计理论，针对h v d c 系统的建模不确定性和外界扰 动，设计了h o o 鲁棒主控制器和附加控制器，并通过仿真表明，这种控制器鲁棒性和 扰动抑制能力更好，在h v d c 系统控制方面做了一些有益的尝试。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 戤，j毒争 口 名 屉 雠 沙 作 肌 划 瑚 彩 日 位学 第1 章绪论 1 。1 课题背景与研究意义 随着我国电力事业的发展，特别是改革开放以来，我国的电网规模在逐渐扩大， 目前已经形成东北、华北、华中、华东、西北和南方电网等六大电网体系。为了满足 日益增长的负荷和日渐提高的供电可靠性要求，国家对电力系统规划部署了“西电东 送、南北互供、全国联网 的发展战略【1 1 ，随着三峡工程的投入运营、西南水电的逐 步开发及多条高压直流输电线路的建设，全国将逐渐形成大规模西电东送和全国联网 的局面。 我国是一个能源资源和用电负荷分布极不均衡的国家，水力资源主要集中在四 川、云南等西部省份，煤炭资源主要集中在山西、内蒙古等北部省份，而8 0 以上的 负荷在浙江、广东等东部沿海省份，再加之幅员广大、土地辽阔，给电能资源的合理 利用和优化配置提出了很高的要求【2 1 。高压直流输电在远距离大容量输电和电力系统 联网方面具有线路损耗小、调节速度快及不存在稳定问题等诸多优点，因此，在我国 有着宽广的发展前景 3 1 。从上世纪8 0 年代末以来，我国高压流输电技术的研究和运 行取徭了突飞猛进的发展。目前己建成葛洲坝一南桥、天生桥一广州、三峡一常州、 三峡一广东、贵州一广东、灵宝背靠背、舟山、嵘泅、三峡一上海以及云南一广东 5 0 0 k v 特高压直流输电工程等1 0 条直流输电工程。这些直流输电线路将大量的电能 源源不断地送往四面八方，使我国电力工业进入交、直流并驾齐驱的时代。我国计划 在2 0 2 0 年前投入运行的直流输电工程将超过3 0 个。尤其值得一提的是，为实现我国 “西电东送”的战略规划，我国正在积极推进8 0 0 k v 特高压直流输电工程的建设， 预计在不久的将来，中国将成为世界直流输电第一大国【4 】。 跨区域和远距离传输巨大功率的超高压交、直流混合输电系统，为我国社会主义 现代化建设带来巨大经济效益的同时，其运行的复杂性和难度也是世界罕见的，并且 尚没有特别成功的案例供电力工作者参考。对于高压直流输电系统这样典型的高阶非 线性时变巨维动态系统，必须采取有效的控制，才能确保其安全稳定地传输电能，而 工程上，由于技术、资金等客观原因，先进的控制理论直未能得以应用，目前对于 h v d c 系统仍广泛采用传统的基于近似线性化方法设计的p i p i d 控制器，但这已经 无法满足现代电力系统对电能质量和供电稳定性日渐苛刻的要求【5 】。此外，实际电力 系统具有较强的不确定性，主要体现在系统运行方式的改变、各种类型故障的发生以 及未建模动态等方面。基于上述原因，控制器对于系统模型不确定性所具有的鲁棒性 成为倍受设计人员关注的重要指标，也是关系到实际闭环系统性能优劣的重要因素， 因此，对h v d c 鲁棒控制方法进行研究不仅具有较高理论价值，更具有重要的现实 意义。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 页 1 2 国内外研究动态 自1 9 5 4 年瑞典本土至哥特兰岛之间的世界第一条高压直流输电工程投入运行以 来，经过了几十年的发展，对于h v d c 系统的控制问题在理论和工程经验方面都已 经取得相当的成就f 6 】。由于直流输电本身具有高度可控与快速可调的工作特性，国内 外学者一直致力于将先进的控制策略应用于h v d c 控制系统。近年来，国内外学者 针对h v d c 系统的控制问题研究获得了大量有意义的研究成果。尽管我国已有多条 高压直流输电线路投入商业运行，但是其控制策略问题一直没有得到很好的改善，p i 控制和p i d 控制仍然长期占据主导地位。如何将现代控制策略与h v d c 系统结合， 是国内外研究的热点，对于我国更具有深远的意义。国内外关于此问题的研究主要集 中在以下几个方面： 1 非线性控制应用于h v d c 系统 随着卢强院士将非线性控制理论引入电力系统，国内外的研究学者对非线性控 制在电力系统中的应用进行了大量的研究。针对h v d c 这一典型的非线性系统，采用 非线性控制方法能够获得良好的动态性能并且能克服传统控制方法在工作点变化或 出现大扰动情况下对系统控制欠佳的缺点。文献 7 就h v d c 系统建立了三阶非线性 动态模型，采用逆系统的方法设计了换流器的非线性控制器。考虑控制器输出的延时 效应，常乃超等人提出采用关联度法设计非线性控制器，文献 8 在三阶模型中加入两 个一阶模型，模拟触发延时，并在h v d c 基本控制方式下，设计控制器，获得良好 的仿真效果，但是未对其他控制模式( 如附加控制等) ，h v d c 系统的控制器该如何设 计进行研究。李兴源等人将非线性控制方法在h v d c 系统中应用研究进一步加深， 采用观测解耦状态空间模型，然后最优变目标策略推导出h v d c 联络线的紧急控制 策略，并与诸如自适应控制等非线性控制理论结合，综合设计控制器咿1 1 1 。但是，由 于单纯使用这种控制方法时，对数学模型精确度要求过高，实际的h v d c 系统往往 难以满足要求，所以，常与其他控制结合使用，优化控制效果。 2 智能控制应用于h v d c 系统 智能控制可以对没有准确数学模型或者对数学模型极其复杂、经典控制方法不能 进行有效控制的系统加以控制，在近年来，倍受广大控制工作者关注，并获得了飞速 的发展，主要发展包括有模糊控制、神经网络控制和遗传算法等。 模糊控制基于模糊理论，通过模糊化、模糊推理与模糊判决三个步骤来实现对系 统的控制。文献 1 2 和 1 3 提出了改善交直流输电系统稳定性的模糊控制器，使用模 糊逻辑的方法平滑调节直流输电线路的传输功率，使h v d c 能够提供平抑联络线路 振荡的阻尼功率，用以克服传统控制方法不能提供阻尼功率，甚至提供负阻尼功率的 缺点，控制效果良好。神经网络的设计思路是模拟人类神经元的构造，构造多个神经 元组合成一个复杂的网络，能够通过自学习功能模拟强非线性系统。神经网络主要用 于h v d c 系统的直流电流控制，与工程上常用的p i 控制进行比较，神经网络控制在 大的运行范围内具有最优性能，可以在线调整参数和学习先验知识【1 4 1 ，文献 1 5 中采 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 页 用神经网络的在线学习的方法，以直流电流的给定值、实测值和两者的误差作为输入， 通过权重的调整，达到控制h v d c 系统的目的。遗传算法通过模拟物种进化中的优胜 劣汰原理，来实现系统的优化，一般用于复杂的多维优化问题。在h v d c 系统的控 制器设计中，遗传算法主要应用于控制器参数的优化上，以使系统的性能最优【16 】。文 献1 7 采用改进遗传算法，优化传统h v d c 的p i d 控制器的参数，达到提高故障后交 直流输电系统的暂态稳定性的目标。 这三种智能控制能够针对直流输电系统模型复杂或存在未建模动态等特点，使直 流输电系统能够在工作点变化较大或受到大扰动的情况下获得较优的控制性能。特别 是模糊控制，其核心思想是依据工程经验和系统的模糊建模，近年来，得到h v d c 控制工作者的广泛关注，并进行了大量有意义的研究。但是，由于这些控制算法过于 深奥抽象，阻碍了这种控制在实际h v d c 系统中的应用，目前多为研究探讨。 3 综合协调控制应用于h v d c 系统 随着高压直流输电线路的投入运行，交直流输电系统在一个电网内将形成同时存 在的局面。对于这种交直流混合的输电系统，采用直流系统的附加控制能有效地阻尼 电力系统次同步振荡，对于提高电力系统运行的安全性和稳定性起到有效作用【1 9 1 。 特别是多馈入直流输电系统出现后，如果采用局部或无协调的控制策略，就容易使各 系统之间出现不稳定的相互作用，如何协调其相互之间的关系，是目前的一个研究热 点。文献 2 0 就是研究h v d c 系统换流站和发电站之间的协调控制，设计出自动频 率调节器，保证送端频率。另外直流系统本身就存在有整流、逆变、直流输电线路和 无功补偿装置等多个环节，并且其地理分布具有广阔性，如何协调这些部件之间的相 互作用，使h v d c 系统能传输更多的有功功率，而无需系统提供更多的无功需求， 也需要对整个系统进行协调和优化 2 1 - 2 2 】。由于国内外在协调优化控制方面所做的研究 工作不多，而且系统性不强，所以该方面的研究也是近几年来的研究重点之一。 4 鲁棒控制应用于h v d c 系统 ： 鲁棒控制在直流输电系统中，能够在系统参数变化( 如运行方式改变等) 、存在未 建模动态( 如换流阀动态模型等) 和未知函数( 如故障发生等) 情况下，保持系统稳定和 动态性能。国外关于鲁棒控制在直流输电系统中的研究在上世纪9 0 年代中期开展的 比较多【2 3 - 2 4 1 。而近期国内的研究学者也很关注鲁棒控制在交直流输电系统中的应用。 已经提出了非线性鲁棒控制、鲁棒自适应控制、分散鲁棒控制等多种鲁棒控制策略。 如在文献 2 5 中，提出交直流输电系统的非线性鲁棒控制算法，解决双端直流输电系 统之间的直流调制问题。以发电机转子相对运动角、相对转速和直流传输功率为状态 变量，建立系统的非线性模型，采用自适应逆推方法，获得直流调制系统的调制给定 控制规律，使该含有众多不确定参数的系统能够大范围内渐进收敛稳定。文献 2 6 采 用换流站两端的触发角和燃弧角作为其中的状态变量，研究其分散式鲁棒自适应控制 律。 、鲁棒控制算法与其他算法相比较，能够有效抑制系统非线性不确定性和未知的外 界干扰对系统造成的影响，具有更强的适应能力，而鲁棒控制与现代控制理论相比较， 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 页 对数学模型的精确性要求不高，所以更能适应于h v d c 系统【2 7 】。虽然鲁棒控制算法 在设计过程显得比较复杂，但是鲁棒控制算法对控制对象的要求很低，设计出的控制 律也相当简单，又加之工程意义明确，所以是目前最具工程应用前景的控制策略。 h v d c 系统是典型的非线性复杂系统，其控制问题一直以来都是工程界关注的重 点之一，多种现代控制技术相继被引入到h q g c 控制系统中，如最优控制、自适应 控制、非线性控制、鲁棒控制、智能控制等，获得了良好的控制性能，虽然大部分研 究仍然处于仿真研究或实验室研究阶段，并未真正投入实用阶段，但是这些研究结果 为直流输电系统的安全稳定运行和规划奠定了充分的理论基础。 总之，将最先进的控制理论应用于高压直流输电工程，逐步开发出工程可实现的 h v d c 先进控制器，提升高压直流线路的稳定性和抗干扰能力，是目前研究的重点， 也将是今后研究的大势所趋。 1 3 论文的主要工作 h v d c 系统是高度可控的，其控制器主要包括基本控制器和附加控制器。基本控 制是必不可少的，用以保证直流系统的稳定运行；而系统附加控制，其目的是提高交 直流并联系统的运行性能和系统的稳定性。论文就是以设计者两种控制器作为主要任 务。 本文针对h v d c 系统主控制器和附加控制器的设计思路相同： 首先，推导出系统的非线性数学模型；其次，应用非线性系统理论，通过精确反 馈线性化，将系统转化为与原系统等价的伪线性系统；最后，将h v d c 系统的扰动 和参数摄动考虑进去，并将伪线性不确定性系统转换为h o o 标准问题，利用h o o 理论 的h o o 标准问题求解定理，设计出相应的控制器，并用l m i 工具箱中的相关函数，求 解出具体的h o o 控制器参数。 本论文各章的主要内容安排如下： 第一章，主要阐述课题的选题背景及意义，总结了目前国内外对于h v d c 系统 控制方面的研究现状，如非线性控制、智能控制、综合协调控制和鲁棒控制，并简要 说明鲁棒控制在工程应用中的优势。 第二章，主要阐述h v d c 系统的基本原理、数学模型和控制原理。给出了h v d c 系统的动态数学模型，介绍了h v d c 基本控制和附加控制的控制特性和控制原理， 为第五章控制器的设计及仿真做好数学和模型铺垫。 第三章，主要阐述基于微分几何法的非线性控制理论，包括非线性控制理论的基 本概念、状态反馈精确线性化法、如何将单输入单输出及多输入多输出非线性系统转 化为等价的伪线性系统。 第四章，主要阐述鲁棒h o o 控制理论，概述了h o o 控制理论的发展过程、设计思 想和设计指标，详细说明了h o o 标准问题及其求解，不确定性系统鲁棒控制问题，这 是本论文的理论核心。 第五章，在h v d c 系统数学模型的基础上，基于状态反馈精确线性化方法，构 造出h v d c 系统的伪线性模型，考虑系统参数摄动和建模误差等，将伪线性模型转 化为不确定系统，并最终化为h 标准问题，结合h o 。控制理论，设计出h v d c 主控 制器和附加控制器。最后，运用m a t l a b 软件对本文设计的控制器进行了仿真研究， 并与文献 2 8 设计的非线性最优控制器的仿真结果做了对比，表明本文设计的h 鲁 棒控制器对于系统大扰动的抑制能力明显好于非线性最优控制器，具有较强的鲁棒 性。 一。，墅壑塑奎墅墼壑垒垡丝丝塾墅 第2 章h v d c 系统基本原理、数学模型及控制原理 2 1h v d c 系统基本原理 h v d c 系统的接线基本原理，如图2 1 所示例。图2 1 代表一个最简单的h v d c 系统，包括两个换流站( 整流站和逆变站) 及直流线路，换流站的直流端分别与直流 线路两端相连，而它们的交流端则分别连接到两个交流电力系统i 和i i 。 l r + 刊 羹。 lv ， 嚣 交流电力 h 一系统i 、“ f 、 h 歹一 换藏变压鼍2 交漉电力一 系统u l 图2 1 直流输电基本原理图 系统i 向系统i i 输送电力时。换流站1 是整流站，换流站2 是逆变站。它们在直 流线路上的电压分别为场、，从图中可知，线路的直流电流为： j 。：幽( 2 1 ) 。 尺 式中r 一直流线路的电阻 直流线路和交流线路不同，它只输送有功功率，而不输送无功功率。 一个换流站既可以做整流站，又可以做逆变站。直流输电系统通过调节换流器的 触发控制角，可以将两端换流站的直流电压极性同时反向，当大于时就实现 输送功率翻转，而线路上直流电流方向始终不变。 h v d c 系统，就是将送端系统的高压交流电，经换流变压器变压，由换流器将高 压交流转换成高压直流，通过直流输电线路输送到另一端换流站，再由换流器将高压 直流转换成高压交流，然后经过换流变压器与受端交流电网相连，将电能送至受端系 统。 实际工程中，h v d c 系统主要包括以下几个部分：换流器、直流平波电抗器、交 直流滤波器、无功补偿装置、直流输电线路和电极等，具体系统结构如图2 2 所示【3 0 】。 下面以当前通用的两极系统为例，简述各元件。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第7 页 无功 功率源 无功 功率源 图2 - 2 直流输电线路系统结构图 1 换流器。这是h v d c 系统最重要的元件，交直流转换的枢纽，由阀桥和有抽 头切换器的变压器构成。阀桥包含6 脉波或1 2 脉波的高压阀。换流变压器向阀桥提 供适当等级的不接地三相电压源。由于变压器阀侧不接地，直流系统能建立自己的对 地参考点，通常将阀换流器的正端或负端接地。 2 换流变压器。用于电压的变换和功率的传送，向换流器供给交流功率，或者 从换流器接受直流功率。 3 直流平波电抗器。这些电抗器通常为空心干式电抗器，具有较大的电感，感 值高达1 o h ，在两个换流站的两极各串联一个。平波电抗器的作用是：降低直流线路 谐波的电压和电流、防止逆变器换相失败、防止小负荷电流不连续、减少直流侧的交 流脉动分量、抑制直流过电流的上升速度。 4 交流滤波器。一般采用谐振电路形式。滤波器常分为若干组，各组分别谐振 于主要的特征谐波频率。交流滤波器除了吸收高次谐波外，还为换流站提供一部分工 频的无功功率。 5 直流滤波器。对于直流架空线路，均装设与平波电抗器相配合的直流滤波器， 且为无源滤波器，一般每极两组，均为双调谐，一组调谐于1 2 2 4 次，另一组调谐于 1 2 3 6 次，用于吸收高次谐波电流。 6 无功补偿装置。h v d c 换流器运行时将消耗大量的无功，在稳态条件下，消 耗的无功功率占传输功率的5 0 左右，而在暂态条件下，其所占的比重更大。因此， 必须在换流器附近装设无功电源，用以补偿无功。无功电源通常采用并联电容补偿的 形式，部分情况，可采用同步调相机或静止无功补偿器( s v c ) 。同时，用作交流滤波 器的电容也可以作为一种无功电源的。 7 直流输电线路。h v d c 线路可以是架空线，也可以是电缆。除了导体数和间 距的要求不同外，直流线路与交流线路基本相近。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 8 电极。大多数的直流联络线设计采用大地作为中性导线，至少在较短的一段 时间内是这样。但是，随着电压等级的提升，特别是特高压宜流输电技术的应用，必 须使高压线路通过电极与大地相连，用以限制流经大地的电流。 9 交流断路器。其作用不是排除直流系统的故障，因为直流系统故障可以通过 换流器的控制更快的切除。交流断路器的装设目的是排除变压器故障和使直流输电系 统停运。 2 2h v d c 系统的数学模型 高压直流输电系统可以用如图2 3 所示的丁型等值电路来表示【3 。 k厶 忍忍 厶厶 一广一厂一 - i 卜 i 缸 。 厶 j c 幺= k 图2 3h ) c 系统t 型等值电路 图中各符号含义如下： 、一整流侧和逆变侧的直流电压； 易、厶一整流侧和逆变侧的直流电流： 匕一1 2 的线路电感值； 飓u i 2 的线路电阻值； c 出一直流输电线路总的对地电容值； 圪一对地电容上的电压值； a 一整流器的触发滞后角； p 一逆变器的触发越前角 根据电路基本原理，i - i v d c 系统的动态数学模型如下： 以警= 一玛+ 吃一圪 a f 厶z 皇= 一兄厶一吃+ 圪 ( 2 2 ) 口l c k 冬吨吨 式中 k = k + 厶；k = 厶+ 厶 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 页 根据常用的六相桥换流电路工作原理，可以得到如下方程： ：丝c 。s 口一三一厶 ( 2 3 ) 圪：3 4 5t o , c o s + 三誓l( 2 4 ) 式中圪r ( 力一整流变压器二次侧的线电压； 圪，( 矿一逆变变压器二次侧的线电压； z 广整流器的换流电抗；计一逆变器的换流电抗 将式( 2 - 3 ) 和( 2 - 4 ) 代入式( 2 2 ) ，经过化简，可得h v d c 动态数学模型如下： k 磐：一r + 圣垒吃c o s 口一三_ 厶一屹 a t尢 冗 k 掣：一心乞一3 , 5 圪，c o s 一一3 五乞+ 圪( 2 - 5 ) d ty 刀 c 弛巩- i d i 2 3h v d c 系统的基本控制 2 3 1 控制特性 i - i v d c 换流站内整流器的电压一电流特性可以用式( 2 3 ) 的数学描述表式： ：丝圪，c 。s 口一三一 由式( 2 3 ) 可知，当直流线路空载运行时，整流器输出的空载直流电压为： ，o = 丝吃，c 。s 口 分析式( 2 - 3 ) 可以得出以下结论：当整流器输出电流易增加，直流电压随之下 降，下降的幅度取决于整流器的换流电抗并的大小。而整流器触发滞后角a 一定时， 输出的直流电压与直流电流易成线性关系。 同理，逆变器的电压一电流特性可用式( 2 - 4 ) 表示为： 圪：圣垒圪c 。s + 三一l 当直流线路空载运行时，逆变器的空载直流电压为： 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 0 页 气，厉 圪o = 竺羔v a ic o s 万 由式( 2 - 4 ) 可知，当逆变器电流如增加，直流电压随之增加，增加的幅度取 决于逆变器的换流电抗x ，的大小。而逆变器触发越前角一定时，输出的直流电压 与直流电流如成线性关系。 若用逆变器的最小熄弧角( 也称关断越前角) ) ，表示，则式( 2 4 ) 可转化为： 一c1 吃，= 3 x 2 圪，c o s 厂一三z ，m ( 2 6 ) 刀刀 由式( 2 6 ) 可以得到，逆变器的关断越前角) ，和触发越前角的关系为： ，、 心) = c 晦1 fc o s f l + 专争ll ( 2 7 ) n 二7 刎 由式( 2 3 ) 和式( 2 4 ) 可以看出，对于h v d c 系统的换流器( 包括整流器和逆变器) ， 适当地控制整流器的触发滞后角口和逆变器的触发越前角便可得到换流器的各种电 压一电流特性。 在实际直流输电系统中，通常按整流侧采用定直流电流( c c ) 控制，这样一方面 可以限制过电流，使因故障引起的损害最小，另一方面，则可以防止系统因交流电压 的波动而停运；逆变侧采用定直流电压控制或者与之等效的定熄弧角控制( c e a ) ，这 样可以维持足够的换相裕度，防止逆变器换相失败。 在正常的运行状态下，h v d c 系统整流站和逆变站的控制方式相互配合是控制的 核心，其基本控制原则是电流裕度法，简单表达如图2 3a ) 所示，整流侧的控制特性 由定直流电流和定最小触发角两段直线构成；逆变侧控制特性由定直流电流和定关断 角或定直流电压( 见图2 - 3 a ) 的虚线) 两段直线构成。为了避免两端电流调节器同时 工作引起调节的不稳定，逆变侧电流调节器的定值一般比整流侧的定值小o 1 p u ( 标 么值) ，这就是电流裕度。根据电流裕度控制原则，此电流裕度无论在稳态运行还是 在暂态情况下都必须保持恒定，一旦失去电流裕度，直流系统就会崩溃。绝大多数高 压直流工程所采用的电流裕度都是0 1 p u ，即额定直流电流的1 0 。 正常运行时，通常在整流侧定直流电流，在逆变侧定关断角或定直流电压运行， 其运行工作点为图2 3a ) 中的n ；当整流侧交流电压降低或逆变侧交流电压升高很多 时，使整流器进入最小触发角控制，此时逆变器则自动转为控制直流电流，其整定值 比整流侧的小o 1 p u ，其运行工作点为图2 3a ) 中的m 。这种整流器和逆变器控制特 性的组合，就是电流裕度控制特性。 在实际的h v d c 系统运行情况下，整流侧在确定电流整定值时必须考虑如下限 制： 1 最大电流限制。为避免换流阀过热而损毁，一般短时间的最大电流限定在正常 满负荷电流的1 2 到1 3 倍。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 1 页 己钛p “) 1 2 1 0 o 8 0 6 0 4 0 2 00 20 , 40 60 81 0 i 2 以p u ) a )b ) 图2 _ 4 直流系统基本控制特性示意图 a ) 电流裕度控制特性； b ) 有电流限制的电流裕度控制特性 2 最小电流限制。当电流值较低时，电流的波动会引起控制的不连续或间断。 3 依赖于电压的电流指令限带i j ( v d c o l ) 。在电压较低的情况下，为了维持直流 电流，系统对无功功率的需求增加，另一方面，电压水平的降低使得系统所提供的无 功功率不足，这将进一步拉低交流系统的电压水平，并且会使逆变侧面临换相失败和 电压不稳定的风险：此时要想系统仍能传输额定直流电流或额定功率是不可能的。这 时，可以通过引入“依赖于电压的电流指令限制”( v d c o l ) 来提高系统的稳定性，它 的作用是在直流电压下降到一定程度之时相应地降低直流电流指令。在交流故障恢复 阶段，由于有了v d c o l 环节，直流电流指令将会在直流电压恢复到足够水平以后再 复原，这一过程将有助于直流系统的恢复。 考虑了上面各种电流限制以及最小触发角限制后，实际两端直流输电系统的控制 特性如图2 3b ) 所示，其中整流器在正常运行方式下为定电流控制，逆变器在正常运 行方式下为定关断越前角控制，并考虑了能使控制方式稳定的修正伏安特性，引入一 个电压反馈回路来控制直流电压。图中，整流器的特性曲线包括四部分：相应于最小a 角限制的恒定触发角( c n ) 特性曲线、恒定电流( c c ) 特性曲线、v d c o l 特性曲线和最 小电流限制特性曲线。逆变器的特性曲线较为复杂，包括了六个部分：恒定关断越前 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。正 常情况下，h v d c 系统稳定工作在n 点。 2 3 2 基本控制原理 h v d c 系统的基本控制原理图如图2 4 所示【l o 】。图中，整流侧为定电流控制，逆 变侧为定关断越前角控制。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 2 页 厶 厶 图2 5h v d c 系统基本控制原理图 上图清晰的反映了h v d c 基本控制的流程，从图中可以一目了然的看出，控制 器是如何对h v d c 系统产生影响的。图2 4 是本论文在第五章做仿真的控制模型。下 面将详细介绍整流侧和逆变侧的控制流程及原理。 在整流侧，为了实现对触发滞后角反的调节，信号放大环节和相位控制与触发电 路是a 调节器的基本环节，如图2 5 所示。? 甜a 。 图2 - 6 整流器a 调节原理方框图 在图2 5 中，表示调节a 的控制信号，即控制规律。在采用按触发滞后角a 的 偏差比例调节时，信号放大环节的传递函数为： g 口( j ) 2 等= 忐 ( 2 - 8 ) 式中h 调节器的放大倍数；乃一调节器的时间常数；旷a 角的偏差 写成微分形式： i d a ：毒( 一口+ + 吒甜口) ( 2 - 9 ) = 一i 一口+ 瓯+ 七。甜一i 衍丁、 ” 。纠 式中锄一正常运行时触发滞后角的给定值 在直流系统中，逆变侧的相位控制电路结构图与整流侧是一样的，如图2 5 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 3 页 图2 - 7 逆变器p 调节原理方框图 在图2 - 5 中，u p 表示调节器的控制信号，即控制规律。信号放大环节的传递函 数为： 州小等= 击 q - 1 0 ) 式中j i 2 ；广夕调节器的放大倍数；乃一调节器的时间常数 写成微分形式： 警= 手( 坍属屿即) ( 2 - 1 1 ) 式中尻一正常运行时触发滞后角的给定值 在图2 - 3 中，忽略直流线路对地分布电容，整流器的直流电流易就和逆变器 的直流电流b ，即历= | 庐i e 。此时，( 2 2 ) 式变为： 厶= * 等啪了3 , 5 啊s 刁 切 式中 上d z = 三由+ l d ，z ；r 也= 2 r d + 一3x ，+ 一3j c j 在根据式( 2 9 ) 、( 2 1 1 ) 和( 2 1 2 ) ，高压直流输电系统的状态方程可以简化为： l = 去卜+ 等竽聃s 刁 = 当( 一口+ 4 u a ) ( 2 1 3 ) 矽= ( 一夕+ 屈+ ) 由此可见，h v d c 系统是一个典型的非线性控制系统，整流器和逆变器都具有复 杂的非线性动态方程。同时，由于以下因素使得h v d c 系统具有更加复杂的非线性 控制特性：拥有非常多的电力系统非线性元器件，如：变压器、换流器和避雷器等； 多变的网络拓扑结构；a c d c 滤波器可能与系统构成谐振回路；由换流器产生的谐 波分量可能会影响直流控制器的正常工作；直流输电系统可能有多种运行模式；对系 统的认识和信息量不足等。 所以，如何设计好h v d c 系统的主控制器，以克服系统本身具有的非线性动态 不确定性和未建模动态，达到使系统稳定、安全、高效地传输电能的目标，同时又要 使控制性能满足系统要求，实际h v d c 工程中需要解决的主要问题，也是本文的研 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 4 页 究重点。 2 4h v d c 系统附加控制 在高压直流输电系统中，基本的控制量是整流器维持恒定的直流电流和逆变器维 持的直流电压。这种控制方式下的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。但它也阻碍了有利于维持交流系统稳定的同步功率的传输。实际上， 从交流系统看来，直流换流器是一个对频率不敏感的负荷，这可能产生使系统摇摆的 负阻尼。因此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 态性能【l o 】。采用直流输电系统附加控制的主要原因如下： 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 无功功率调节和电压支持。 以上控制目标针对各个系统的不同而异，至今还没有发展出适合于所有系统的通 用控制方案。直流附加控制也称为直流调制，目前主要有功率调制( p o w e r m o d u l a t i o n ) 、 逆变器越前关断角调制( ) ，m o d u l a t i o n ) 和越前关断角联合调制( c o m b i n e dp o w e ra n d ， m o d u l a t i o n ) 等三种控制方式。功率调制的主要目的是为了给交流系统的功率振荡提供 阻尼，以增强系统的暂态稳定性，在实际工程中使用较多。本文所研究的h v d c 系 统附加控制器就是，以典型的两端交直流混合输电系统为模型，以功率调制为目标来 设计的。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 5 页 第3 章非线性控制理论 3 1 引言 电力系统是一个典型的巨维时变非线性系统，然而，由于理论和技术的局限，当 前电力系统的控制装置都是基于非线性电力系统某个运行点的线性化模型而设计的 线性控制器。这类控制器在解决非线性系统控制问题时，控制效果和控制精度常难以 保证。因此，有必要基于电力系统的非线性模型设计不依赖系统某运行点，并同时 考虑了系统非线性特性的电力系统非线性控制器。 上世纪8 0 年代末，我国控制理论专家卢强院士最早将非线性控制理论引入电力 系统，而后，国内外学者围绕如何将非线性控制理论更好地用于电力系统展开了大量 的研究探索，并获得了很多有意义的成果。 目前，电力系统非线性控制的主要思路就是通过反馈线性化，将非线性系统转化 为控制理论比较成熟的线性系统，设计出线性控制器，最后再通过坐标变换，求解出 满足系统要求的非线性控制器。所以，反馈线性化是非线性系统控制中一个非常重要 的步骤，反馈线性化方法包括：基于微分几何理论的输入对状态反馈线性化、输入输 出线性化；直接反馈线性化( d f l ) 方法和逆系统方法等。下面分别介绍： 1 基于微分几何理论的反馈线性化方法 上世纪7 0 年代，a j k e r n e r 等人首先将近代微分几何( d i f f e r e n t i a lg e o m e t r y ) 引入 非线性控制系统的设计，形成了非线性控制系统的几何结构理论。经过几十年的逐步 完善，已经发展为一个比较完整的理论体系，其中微分几何法已成为非线性系统设计 的主流方法，并成功应用于工程实践，取得不错的效果。这种方法理论基础坚实、数 学逻辑严谨，已经成为线性化方法中的主角。但是，该方法要求系统的模型必须是仿 射