（电力系统及其自动化专业论文）基于逆系统理论的新型高压直流输电的控制策略研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l 页 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n gr a t i n ga n di m p r o v e dp e r f o r m a n c eo fs e l f - c o m m u t a t e d s e m i c o n d u c t o r s ，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 do nh v d c ( v s c h v d c ) h a sb e e nr e a l i z e d v s c h v d ch a sb e e na t t r a c t e dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o nf o ri t s f a v o r a b l ea d v a n t a g e s h o w e v e r , d o m e s t i cs t u d yo nv s c h v d ci sj u s ta tt h e b e g i n n i n g i n t h i sd i s s e r t a t i o n n o n l i n e a rc o n t r o l l e ro fv s c - h v d ci ss t u d i e d t h e t r a n s i e n tm a t h e m a t i c a lm o d e lf o rt h ev s c h v d cs y s t e mi nd - qs y n c h r o n o u s r e f e r e n c ef l a m ei sd e v e l o p e da n dan o v e lc o n t r o l l e ri sd e s i g n e d i ti sa p p l i e di n t h ei n v e r s es y s t e mm e t h o db a s e do nn o n l i n e a rf 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 i n v e r s es y s t e mm o d e lo fv s c - h v d cs y s t e mi sd e d u c e da n dap s e u d ol i n e a r s y s t e mi sc o n s t r u c t e df o rt h ed e c o u p l ec o n t r o ls y s t e mo ft h ea c t i v ea n dr e a c t i v e p o w e r f i n a l l y , b ys y n t h e s i z i n gt h ep s e u d ol i n e a rs y s t e m ，t h ec o n t r o l l e rw i t h s l i d i n gm o d ev a r i a b l e s t r u c t u r ec o n t r o la n dl i m i t i n gp o i n t d i s p o s i t i o n i s p r o p o s e d f u r t h e r m o r e ，a s a ne s s e n t i a l p r o b l e m i nn o n l i n e a rf e e d b a c k l i n e a r i z a t i o n ，t h ei m p l i c i td y n a m i c si sr e s e a r c h e di nd e t a i ls ot h a tt h es t a b i l i t yo f t h ec o n t r o ls y s t e mi sg u a r a n t e e d i nt h i sp a p e r , t h ep o p u l a rd i r e c tf e e d b a c kd e c o u p l i n gc o n t r o li si n t r o d u c e d ， a n dt h ed o u b l ec l o s e d l o o pc o n t r o l l e rb a s e do nt h ed i r e c tc u r r e n tc o n t r o li s d e s i g n e d t h e n ，i ti sc o m p a r e dt ot h ec o n t r o l l e rb yu s eo f i n v e r s es y s t e mm e t h o 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 d y n a m i cr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c s o ft h e c o n t r o l l e rb yu s eo fi n v e r s es y s t e mm e t h o da r es i g n i f i c a n t l yb e t t e rt h a nt h e d o u b l ec l o s e d l o o pc o n t r o l l e r t h em o d e lo fv s c h v d cs y s t e mi sm a n d a t o r i l y l i n e a r i z e db yu s eo fi n v e r s es y s t e mm e t h o di nt h ef o r m e r ，i no r d e rt oa c h i e v et h e g l o b a ll i n e a r i z a t i o na n de n s u r et h es y s t e ms t a b i l i t yi naw i d ea r e a t h ec o n t r o l l e r c a nq u i c k l ya n da c c u r a t e l ym a k et h es y s t e mr e t u r nt ot h ed e s i r e ds t e a d y s t a t e o p e r a t i n gp o i n tw i t ht h el a r g ed i s t u r b a n c e 西南交通大学硕士研究生学位论文第l ii 页 k e yw o r d s ：s l i d i n gm o d ev a r i a b l e s t r u c t u r ec o n t r o l ；v s c h v d c ； i n v e r s e s y s t e mm e t h o d ；i m p l i c i td y n a m i c ；d i r e c tf e e d b a c kd e c o u p l i n g c o n t r o l 西南交通大- t -曲南父遗大 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 不保密使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 指导老师签名： 日期： 趄 ；曰 。 名卜猁0 者呷 能 p，-l 姘a 论 ： 位 期 挚 巨 西南交通大学学位论文创新性声明 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 集体己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的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 匆超 f 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第一章绪论 本章主要阐述本课题选题的背景、研究意义及其目的；总结分析非线性方法， 如l y a p u n o v 直接法、映射线性化方法、变结构控制方法、自适应控制等在电力 系统中的应用以及国内外的研究现状等。 1 1 课题的背景和意义 随着电力电子技术、微处理技术和控制技术的发展，柔性交流输电系统 ( f l e x i b l e a ct r a n s m i s s i o ns y s t e m f a c t s ) 的出现，为提高电网输电能力和系统的稳 定性【1 】提供了新的手段或策略【2 3 】。如，基于电压源型换流器( v o l t a g es o u r c e c o n v e r t e r , v s c ) 的轻型直流输电( v s c h v d c ) 系统，作为f a c t s 家族的成员之一， 能够在控制其传输的有功功率的同时【4 1 ，动态地向交流系统补偿无功功率，起到 h v d c 和静止无功补偿器( s t a t i c v a tc o m p e n s a t o r ，s v c ) 共同作用才能达到的效果p 】。 从1 9 9 7 年瑞典的h e l l s j 6 n 工程试验成功，到2 0 0 0 年，澳大利亚投运的v s c h v d c 工程将n e ws o u t hw a l e s 电网和q u e e n sl a n d 电网连接起来，并在两个电网之间进 行电力交易，线路传输的功率由市场交易的结果决定。该工程额定容量 1 8 0 m w ( 3 x 6 0 m w ) ，两端交流电压1 3 2 1 1 0k v ，直流电压8 0 k v ，直流电流 3 4 2 a ，输电线路为6 x 5 9k m 地下电缆，工程主要目的是解决异步联网中电力交易 的快速控制问题和满足环境要求【6 j 。 近年来，越来越多的f a c t s 控制器被加入到电力系统来实现电力系统性能的 改善【7 羽。同时，这些控制器也增加了电力系统的复杂性、不确定性。因此，对于 这些典型的多输入非线性动态系统，必须采取快速、可靠、鲁棒性强的先进控制 方法，以确保系统能安全稳定地运行。对非线性系统控制器设计的传统基本方法 是将其近似线性化，在此基础上运用成熟的线性控制理论进行综合。如p s s ( 电力 系统稳定器) 控制方式与线性最优控制方式的设计都有一个共同特点，即将电力系 统非线性方程在某一特定的运行方式下进行线性化，显然这种在某一特定状态 下被近似线性化的数学模型只能在实际运行状态五十分接近时才比较准确。换 言之，当实际状态点偏离殊较远时，这种近似线性化的数学模型并不能f 确有效 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 地表述实际的控制系统，以其为依据设计的控制器也就不能正确地工作，这种设 计方法与提高电力系统大干扰稳定性的要求彳i 相适应，故应该用非线性控制系统 理论和方法去设计电力系统的控制器。 而对v s c h v d c 这样一个多变量、强耦合、非线性的系统，以往采用的基于 线性控制理论的常规控制【9 以l 】往往不能保证系统在大扰动下具有良好的动态响应 特性；电力系统常用的微分几何全局线性化方法【12 1 ，也很难找到相应的微分同胚 量。而逆系统方法【13 】是一种非线性系统反馈线性化控制的新理论，十几年来得到了 显著发展，该方法具有物理概念清晰、适用面广、应用简便等特点，并已成功应用 于一些系统的控制。文献【1 4 1 6 】中的v s c h v d c 控制器均采用p i 控制，但其参 数不易确定。而滑模变结构控制l 】7 】是一种非线性控制方法，它具有响应快速、对 参数变化及扰动不敏感、鲁棒性强、物理实现简单等优点【l 引。文献 1 9 采用逆系 统理论并结合最优控制理论设计了两端为无穷大系统的v s c h v d c 控制器，但对 其中非常重要的隐动态问题未作讨论，导致了理论上的不完整。 本文主要是对双端无穷大电源的v s c h v d c 系统的非线性数学模型进行研 究和探讨，并通过把非线性系统控制理论中的逆系统理论同具有较强鲁棒性能的 非线性变结构控制理论结合起来，提出改善v s c h v d c 系统动静态性能的非线性 控制策略。随着现代电网结构复杂程度的日益增加，电力系统系统稳定性受到了 严重冲击。因此，非线性控制方法对现代电力稳定控制提供了新的方法或策略， 同时也对解决实际工程问题具有很强的实际指导意义。 随着电力工业的飞速发展、电力系统容量的不断增加和电网结构的日益复杂 和庞大，传统的线性反馈控制己很难满足各种实际需要。这是因为大多数实际电 力系统模型是非线性的，采用近似的线性化模型很难刻画出系统的非线性本质， 同时基于近似线性化所设计的控制器也难以保证控制的精度和控制效果。为了有 效提高对电力系统稳定性、紧急事故及经济运行的控制能力，必须采用先进的控 制理论和方法来设计性能优良的控制器。 1 2 非线性方法在电力系统中的应用 非线性控制系统早期研究都是针对一些特殊的、基本的系统( 如继电、饱和、 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 死区等) 而言的，其代表性、经典性的理论，如相平面法、描述函数法、绝对稳定 性理论、李亚普诺夫稳定性理论、输入输出稳定性理论等。随着计算机技术的飞 速发展和数学工具的突破，最近几十年来，非线性控制的研究越来越受人们的重 视，更多的控制专家转入非线性控制的研究，更多的工程师力图用非线性系统理 论设计控制器。2 0 世纪8 0 时年代末，我国电力系统专家卢强院士最早将非线性 控制理论引入电力系统，随后几十年来，国内外围绕非线性控制理论在电力系统 的应用进行了浩瀚的研究工作。主要表现在以下几个方面： 1 2 1l y a p u n o v 直接法 直接法原来用于分析电力系统的稳定性及估计稳定域等，同时也是非线性控 制设计的一个有力工具。对于一般的非线性控制系统，假设系统的平衡点是原点， 直接法镇定设计就是寻找一个正定i 拘l y a p u n o v 函数y 伍) 0 ，v x 0 ，且y ( o ) = 0 ，并求得反馈控制规律h = h ) ，使得矿( j ) 0 ，这样可使闭环系统渐近稳 定。显然，矿越负表明在动态过程中轨迹趋向于平衡点越快，因此控制规律须使矿 在所有时刻均取最大的负值，这就是l y a p u n o v 最优控制的设计思想1 9 1 。基于 l y a p u n o v 直接法的鲁棒控制设计，是在非线性系统存在满足匹配条件的有界扰动 时，在原有控制规律上再设计一个附加控制来抵消扰动，以保证系统的稳定性。 应用l y a p u n o v 直接法还可以进行滑模、自适应等控制的设计i 叫。 l y a p u n o v 直接法建立在原有非线性系统之上，具有严格的理论基础和清晰的 物理意义，但该方法没有给出构造l y a p u n o v 函数的一般方法，而且一般的系统可 能存在多个l y a p u n o v 函数。事实上，构造l y a p u n o v 函数在高维、强非线性电力 系统中是件非常困难的事，故往往将它与其它一些控制方法结合起来设计系统的 控制器。 在利用l y a p u n o v 直接法进行稳定控制方面，文献 2 0 1 在单机无穷大系统上设 计t l y a p u n o v 最优励磁控制规律；文献1 2 l j 将已得到的控制量分为局部量和全局 量两部分，并将全局量当成控制输入的扰动，在此基础上设计附加控制器；文献 2 2 设计了一类可控串联f a c t s 设备的控制器，用于阻尼区域间振荡。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 1 2 。2 映射线性化方法 电力系统的元件和模型都是非线性的，如果能运用某种方法将其变换成相应 的线性系统，便能使用强大的线性系统理论来进行分析，这就是映射线性化的思 想。线性化技术是非线性控制理论在电力系统中应用的一个非常重要的方面。线 性化方法主要包括以下几种 ( 1 ) 、微分几何方法 用微分几何方法研究非线性系统是现代数学发展的结果。并在近几十年的非 线性系统研究中成为主流。它的内容包括基本理论和反馈设计两大部分。基本理 论部分讨论了非线性系统的状态空间描述与非线性系统其它描述部分之间的关 系，证明了这几种描述在一定条件下是等价的，并且研究了非线性系统的能控性、 能观性等基本性质1 2 3 彩】。对于非线性系统的反馈化问题，在微分几何控制理论中 取得了较好的成果，已在一些实际控制问题中得到了应用。 微分几何线性化方法的理论基础坚实，是线性化方法中的主角，但也有无法 克服的缺点，如：要求系统的模型精确，不具备对模型和参数不确定的鲁棒性， 数学推导及控制规律非常复杂，且仅仅针对仿射非线性系统模型等。 ( 2 ) 、微分代数方法 微分代数控制理论是i s i d o r i 在1 9 8 6 年发现微分几何控制理论中的一些病态问 题，并在此基础上进行改进而发展成的一种控制理论。代数控制理论是从微分代 数角度研究了非线性系统可逆性和动态反馈设计问题，该理论使用最重要的概念 是非线性系统的秩的概念，并得出秩与非线性可逆的关系；将动态扩展算法推广 到非线性系统，解决了仿射非线性系统的动态反馈解耦等问趔为、拄矧。 ( 3 ) 、逆系统方法 逆系统方法1 2 3 , 2 7 搦】作为反馈线性化方法的种，是近几年提出和发展起来的。 其基本思想是：对于给定的系统，首先，用对象的模型生成种可用反馈方法实 现的原系统的“a 阶积分逆系统 ，将补偿为具有线性传递关系的且已解耦的一种 伪线性系统，然后，再用线性系统的各种设计理论来完成伪线性系统的综合。这 种方法的一个突出特点，就是系统的模型可以不受仿射非线性模型的限制，而直 接采用方程， 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 y ：j x 。f ( x , u ) 石u 。) 。x o x e r “u e r “ ( 1 1 ) 厶【y4 ，h ) y c r 4 、。 所表示的一般非线性系统，为控制系统设计理论的研究提供了一个一般的途径和 方法。此外，它还具有在理论上形式统一，在物理概念上清晰直观，在使用方法 上简单明了的特点，并且对于同一被控对象，经逆系统伪线性化后的状态方程标 准形与用微分几何方法得到的相同，因而这两种方法在一定意义下是等价的【2 9 1 。 逆系统方法要求被控系统的模型精确可知，且需要求出逆系统的解析表达式， 因而在具有强非线性的电力系统中的应用受到了很大限制。由于神经网络具有不 依赖于模型的特点，因此将其与逆系统方法结合可以取得较好的控制效果。我国 的戴先中等人在将神经网络逆系统方法应用于电力系统方面做了较多的研刭弧 3 1 1 o ( 4 ) 直接反馈线性化方法 直接反馈线性化( d f l ) 理论是中国科学院系统所的韩京清教授于1 9 8 1 年提 出的。d f l 方法可以看作是输入、输出线性化的一个特例，与微分几何线性化方 法相比，d f l 方法不局限于仿射非线性系统，且意义明显，数学过程简单，不需 要进行复杂的坐标变换和大量的数学推导，便于掌握和实际工程应用。 这种方法在2 0 世纪9 0 年代后，国内外学者将其引入了电力系统并做了大量的 研究。如，文献【3 2 】较早地利用d r 方法设计了单机系统的励磁控制动态反馈补偿 规律，取得了很好的鲁棒性；文献 3 3 1 利用d f l 方法设计了静止同步串联补偿器 ( s s s c ) 与发电机励磁的协调控制器，由于采用了动态反馈补偿方法，因此该控 制器对系统运行点的变化具有较好的鲁棒性；文献【3 4 】针对单机系统的三阶模型， 用d f l 方法得到了与用微分几何线性化方法所得结果完全相同的励磁控制规律， 且引入了机端电压反馈信号，从而保证了其调节精度。文献 3 5 ，3 6 中，南洋理 工大学王幼毅教授等也将这种方法引入电力系统，取得很好的控制效果。 1 2 3 变结构控制方法 变结构控制严格地应称为具有滑动模态的变结构控制即滑模变结构，它是目 前非线性控制系统较普遍、较系统的一种综合方法。这种方法的思路是对于系统 圣i 厂o ，雎，f ) ， x r 4 ， u e r ” ( 1 2 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 设计：1 ) m 个切换s i ( x ) ； 2 ) m 个变结构控制u i u f 伍，f ) ，使得： ( 1 ) 满足到达条件：所有相轨线于有限时间到达切换面& 伍) = o ； ( 2 ) 在切换面上形成渐近稳定的滑动模态。 构造变结构控制器的核心是滑动模态的设计，即切换函数的选择算法。变结 构控制的优点在于控制规律几乎不依赖于模型，相比其它非线性控制方法，其控 制规律更容易实现，且对模型参数的变化和外部扰动具有较强的鲁棒性；其缺点 在于控制规律因高速切换而存在高频抖动。 电力系统的运行工况总是不断变化的，系统中的某些参数，扰动( 静态的及 动态的扰动) 不可能确切知道，因此将变结构控制理论应用于电力系统控制器的 设计是十分必要及非常有意义的。下面对变结构控制方法在电力系统中的应用进 行回顾，主要有下面几个方面。 第一，是把系统模型变换为带有非线性扰动的线性系统，然后采用变结构控 制方法进行设计。文献 3 7 ，3 8 采用了负载干扰作为非线性扰动的线性系统，然后 采用了变结构控制方法设计了负载频率控制器，并与积分控制方法进行比较，变 结构控制的抗扰动能力很明显。文献【3 9 】针对若干个相互连接的电力系统采用此种 方法设计了负载频率控制，并与最优控制方法进行比较，变结构控制方法具有很 好的鲁棒性。文献【4 0 】中于占勋博士也采用此种方法并应用到电力系统中。 第二，以系统工作点处近似线性化模型为依据设计电力系统变结构控制器。 文献【4 1 】采用了近似线性化模型设计了电力系统的稳定控制器，这种方法一定程度 上取得了较好的控制效果；文献【4 2 】也采用以系统工作点处近似线性化模型来设计 了变结构控制器。这种方法只有在状态点十分接近系统工作点时，才能比较准确。 但是，实际上，电力系统在大干扰的情况，状态点不一定很接近系统工作点，这 样设计的变结构控制不能很好实现系统的稳定性控制。 第三，以微分几何为基础的变结构控制器设计。由于微分几何不具备对模型 和参数不确定的鲁棒性，因此采用与变结构控制相结合应用到电力系统，国内外 学者做了大量工作；如，文献 4 3 ，4 4 结合了微分几何和变结构控制的优点设计了 发电机励磁控制器，取得很好的控制效果。文献【4 5 】也以微分几何为基础，设计了 基于变结构控制理论的发电机调速器控制器，来有效地改善发电机的调速性能， 改善电力系统的稳定性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 1 2 4 自适应控制 自适应控制应用于电力系统始于8 0 年代初期，到9 0 年代初已形成了较成熟 的理论与方法。自适应控制所研究的对象具有一定程度的不确定性，自适应控制 器能够在线实时地修正自己的特性以适应对象的变化，达到预期的控制目标。目 前成熟的自适应控制系统有两类：模型参考自适应控制( m o d e lr e f e r e n c ea d a p t i v e c o n t r o l ，m r a c ) 和自校正自适应控制( s e l f - t u n i n ga d a p t i v ec o n t r o l ，s t a c ) 。 m r a c 系统需要建立一个能表现出所期望动态过程的参考模型( 一般是线性的) ， 其控制目标是使未知的受控系统的输出跟踪参考模型的输出；s t a c 根据对象的 输入输出特性，利用参数辨识技术在线辨识系统参数，然后将此估计值加入到控 制律中以实时地对其进行调整。 除了以上所提及的非线性控制方法外，还有很多别的非线性控制方法在电力 系统中应用，如，根据智能控制、模糊控制、自抗干扰控制以及神经网络控制等 在电力系统中应用也取得了快速的发展。 从控制方法来看，非线性控制理论是解决电力系统暂态稳定控制问题的必需 工具，多种理论的结合应用是解决许多问题的关键。从控制对象来看，对象的孤 立控制正朝着综合协调控制的方向发展，此外，全局控制的思想可以协调解决一 些相互矛盾的控制目标，这些理论与技术的应用都将为大规模电力系统的暂态稳 定控制提供必要的帮助和便利。 1 3 本课题研究的主要内容 论文各章的主要内容安排如下： 第章，主要阐述了本课题选题的背景、研究意义及其目的；总结分析了非 线性方法，如l y a p u n o v 直接法、映射线性化方法、变结构控制方法、自适应控制 方法等在电力系统中的应用以及国内外的研究现状等。 第二章，主要对直流输电技术目前的应用现状和新的发展做了介绍，并对传 统直流输电和电压源型直流输电在技术和应用方面做了对比：解释了电压源型直 流输电技术的基本原理，并建立了v s c h v d c 系统的数学模型。 第三章，介绍了逆系统理论的基本概念，以及逆系统的基本原理和求逆算法 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 等；同时介绍了变结构控制的基奉概念和原理，以及其控制器的设计过程和方法； 最后再总结分析了变结构控制抖动原因和减弱抖动的方法等。 第四章，应用整流侧换流器暂态数学模型，在此模型基础上采用比例积分环 节，并同时采取前馈补偿的方法，不但实现电流的独立解耦控制，而且还提高了 系统的动态性能；对逆变侧同样采用内环电流控制器和外环功率控制器，实现了 逆变侧的有功和无功的独立解耦控制。 第五章，在前面所建立的模型基础上，基于状态反馈线性化的逆系统方法， 推导电压源型高压直流输电系统的逆系统模型，构造出伪线性系统，实现了对电 压源型高压直流输电系统有功功率和无功功率的解耦，最后采用变结构理论、极 点配置方法对该伪线性系统进行综合，设计了控制器，并对于反馈线性化中重要 的隐动态问题进行了讨论，保证了控制系统的稳定性。 第六章，根据前文的两种控制策略设计的控制器，用m 觚a b s i m u l i n k 进行 了仿真验证。仿真结果表明，基于逆系统理论设计的控制器在大扰动下的动态响 应特性要明显好于直接反馈解耦控制策略设计的控制器。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 第二章v s c h v d c 的简介及其动态数学模型 本章对直流输电技术目前的应用现状和新的发展做了介绍，并对传统直流输 电和电压源型直流输电在技术和应用方面做对比；阐述电压源型直流输电技术的 基本原理，并建立了v s c h v d c 系统的数学模型。 2 1 高压直流输电技术的发展及其现状 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。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 0 k m 的扎伊尔英加沙巴工程；建成了电压等 级为_ 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。 我国直流输电技术同样是在8 0 年代得到发展，建成了我国自行研制的舟山直 流输电工程( + 1 0 0k v ，1 0 0m w ，5 5 k m ) 和代表当时世界先进水平的葛洲坝上 海( 简称葛上) 5 0 0k v 直流输电工程。9 0 年代，开始建设天广直流输电工程和 三常直流输电工程，天广直流工程于2 0 0 0 年1 2 月单极投产，2 0 0 1 年6 月双极投 产；三常直流输电工程于2 0 0 3 年5 月投入运行。2 0 0 1 年开工建设三峡广东 ( 简称三广) 直流输电工程和贵州广东( 简称贵广) 直流输电工程，三广直 流工程于2 0 0 4 年6 月正式投产；贵广直流工程于2 0 0 4 年9 月双极投产1 4 6 1 。 2 1 1 高压直流输电与交流输电的比较 直流输电与交流输电相比，其优点和特点明显：输送容量大；输送功率 的大小和方向可以快速控制和调节；直流输电系统的投入不会增加原有电力系 统的短路电流容量，也不受系统稳定极限的限制；直流架空线路的走廊宽度约 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 为交流线路的一半，可以充分利用线路走廊的资源；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；当直流输电工程的一个极发生故障时另一个极仍然能 继续运行，且可充分发挥其过负荷能力，即可以不减少或少减少输送功率损失； 直流本身带有调制功能，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；能够通过换流站 的无功功率控制调节系统的交流电压；大电网之间通过直流输电互联( 如背靠 背方式) ，两个电网之间以不同频率运行，且不会互相干扰和影响，方便地可迅 速进行功率支援等。 直流输电技术适合远距离、大容量送电，可以送电到2 0 0 0 k m 以外，一项直 流工程送电能力可超过3 0 0 万k w ；适合电力系统之间的网络互联及巨型水电、 火电基地电力外送等。这些，恰是我国电网发展中所需要的t 4 7 1 。 2 1 2 高压直流输电的新发展 近年来由于大功率电力电子器件的发展，传统的直流输电技术有了电容换相 换流器( c c c ，c a p a c i t o rc o m m u t a t e dc o n v e r t e r ) 等新进展，其中最具应用前景的是 电压源型换流器的高压直流输电( v s c h v d c ) 技术。a b b 在世界上首先提出了 v s c h v d c 技术，并已经得到实际应用，目前在瑞典、法国、挪威等多国建立了 v s c h v d c 工程。 瑞典a b b 公司电压源型换流器的高压直流输电技术较为成熟，目前电压源型 换流器的高压直流输电传输功率达到3 5 0 m w ，直流电压达到1 5 0 k v ，直流电流 大于7 0 0 a 。国外第一个投入商业运行，利用电压源型换流器的高压直流输电系统 进行电力传输的工程是在瑞典开展的，将g o t l a n d 岛的风能发电通过地下电缆的 方式传输至v i s b y ，长度为7 0 k m ，传输容量为5 0 m w ，从1 9 9 7 年到2 0 0 2 ，相继在 世界各地得到推广和应用。 日本1 9 9 2 年采用g t o ( g a t et u r n o f ft h y r i s t o r ) $ 1 j 作了静止无功补偿器( s v c ) ，并 进行了试验，其容量+ 5 0 m v a ，调节无功范围_ 5 0 m v a r ，换流站也是采用v s c 技术， 由4 个单元构成，每个换流站单元容量1 2 5 m v a ，交流电压8 7 5 k v ，直流电压 1 6 8 k v ，采用了6 k v 2 5 k a ，开关频率为1 5 0 h z 的g t o ；另外日本制作了8 0 m v a ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 直流4 k v 的s v c ：1 9 9 9 年日本c r i e p l ( c e n t r a lr e s e a r c hi n s t i t u t eo fe l e c t r i cp o w e r i n d u s t r y ) 机构完成了3 0 0 m w 的基于v s c 技术的a c d c 换流站研发，采用的元件 是6 k v 6 k a ，开关频率为5 0 0 h z 的g t o ，该换流站已经投入现场运行。 目前国内针对这种基于v s c 技术的直流输电进行了一些研究，主要集中在三 方面：一、基于v s c h v d c 模型建立；二、v s c h v d c 系统的解耦控制和电压、 电流控制策略研究；三、在电网系统中引入v s c h v d c 后对整个电网系统的影响。 目前中国国内还没有一个轻型直流输电工程【蚓。 2 1 3v s c h v d c 直流输电技术的技术特点与应用 在v s c h v d c 中，具有自关断能力的可关断器件除能对开通时刻进行控制外 还能对关断时刻进行控制，由此类元件组成的换流阀称为可关断换流阀。可关断 换流阀可组成自换相换流器，可以与无源系统连接进行换流。自换相换流器有电 流源换流器和电压源换流器两种。电流源换流器的直流电流只有一个极性，其潮 流反转是由直流电压的极性反转来实现的，直流电流的方向保持不变；电压源换 流器的直流电压只有一个极性，其潮流反转是通过直流电流的反向来实现的。普 通的晶闸管只能构成电流源换流器，而有关断能力的自关断器件则两种换流器均 能构成。由于在电压源换流器中直流电流可以是任一方向，换流阀应具有双向导 通的能力；另一方面由于直流电压极性保持不变，换流阀不需要有电压反向的功 能。因此这种可关断换流阀通常由具有可关断能力的器件与一个反并联二极管所 组成，是一种非对称关断装置，即对直流电流的一个方向具有关断能力，而对另 一方向则无关断能力1 6 5 l 。 目前，v s c h v d c 的应用主要在以下三个方面【4 9 - s o l ： ( 1 ) 连接分散的小型发电厂 为充分利用可再生能源及电力市场化的发展，已经或将会导致很多中小型电 厂的产生，在这两种情况下都要求发电厂和电网具有足够的控制能力。比如，为 了提高发电效率，风力发电厂希望可以根据风力的情况不断地改变机组的运行条 件( 包括发电频率) ：为提高电能交易的自由度，希望电能的交易不受系统安全稳 定性及电能质量的约束。由于v s c h v d c 能够独立地控制有功功率和无功功率， 并允许发电厂供电频率的变化，所以能够很好地满足上述要求。特别是 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 v s c h v d c 不存在交流系统固有的稳定性问题，能够灵活地控制有功、无功潮流， 这些特点非常适合电力市场的需要。 ( 2 ) 替代区域性小电厂，向远距离负荷供电 所谓远距离负荷指一些偏远的小城镇、村庄或岛屿等，其负荷从几个兆瓦到 数百兆瓦。由于其输电距离超出了交流输电技术性或经济性的可行范围，而其输 电容量又达不到传统h v d c 经济性范围，且传统h v d c 不能向无源网络供电，所 以为了给这些远距离负荷供电往往要在当地建立小型的机组。这些小型机组不仅 运营成本高，而且常常会破坏当地自然环境。由于v s c h v d c 可以向无源网络供 电，且不受输电距离的限制，受端的v s c 就相当于安装在当地的时间常数很小的 发电机。所以从技术的角度看v s c h v d c 是向远距离负荷供电的理想选择，而从 经济的角度看，v s c - h v d c 的经济输电范围为几个兆瓦到几百兆瓦，也完全符合 要求。因此，v s c h v d c 的技术和经济特性使其成为向远距离负荷供电的一种近 乎理想的选择。 ( 3 ) 向用电量快速增长的大城市供电构筑直流配网 人口密集的大型城市负荷增长迅速，但由于空间的限制增加新的输电走廊代 价很高，甚至根本不可能，因而必须尽可能地提高现有输电走廊的输电能力。由 于在同样的输电走廊条件下，直流输电的输送能力是交流的1 5 倍，且v s c h v d c 能同时且相互独立地控制有功功率和无功功率，消除有功环流，合理分配有功负 荷，克服电压稳定性的制约，改善电能质量，所以v s c h v d c 被认为是向用电量 快速增长的大城市供电甚至构筑城市配网的一个理想的工具。 2 2v s c h v d c 与传统h v d c 输电技术比较以及研究现状 与传统的直流输电技术相比较，v s c h v d c 系统具有以下优点： ( 1 ) v s c h v d c 可减少换流站的设备、简化换流站的结构。虽然换流站增加 了直流电容器和换流电抗器，但它可省去换流变压器、直流滤波器、平波电抗器、 无功补偿设备并简化了交流滤波设备，同时也不需要快速通信设备。 ( 2 ) v s c 电流能够自关断，可以工作在无源逆变方式，不需要外加换相电压 从而克服了传统h v d c 受端必须是有源网络的根本缺陷，使利用h v d c 技术为远 距离的孤立负荷送电成为可能。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 ( 3 ) 正常运行时，v s c 可以独立控制有功和无功功率，控制更加灵活方便。 而传统h v d c 的控制量只有触发角，不可能独立地控制有功和无功功率。 ( 4 ) v s c h v d c 系统潮流翻转时直流电流反向，而直流电压极性保持不变， 与传统h v d c 恰好相反。该特点有利于构成既能方便地控制潮流又能有较高可靠 性的并联多端直流系统。 ( 5 ) v s c 可以不需要交流侧提供无功功率，而且能够起到s t a t c o m 的作用， 动态补偿交流母线无功功率，稳定交流母线电压。这意味着v s c 容量范围内，故 障时v s c - h v d c 系统既可向故障区域提供有功功率的紧急支援，又可以提供无功 功率支持，从而提高系统的电压和功角稳定性。 ( 6 ) 由于v s c 交流侧电流可以控制，不会增加系统的短路容量，增加新的 v s c - h v d c 线路后，交流系统的保护整定值以及断路器无需更换。 ( 7 ) v s c 通常采用p w m 控制技术，开关频率较高，经过低通滤波后就可得 到所需的交流电压，不需要专门的换流变压器，所需滤波装置的容量也大大减小。 由于电力电子器件容量及开关损耗的限制，v s c h v d c 的输送容量尚不能与 传统的h v d c 相比。但是，由于v s c h v d c 克服了传统h v d c 的固有缺陷，大 大拓宽了h v d c 可能的应用领域；同时挤压型h v d c 电缆的研制成功大大降低了 直流电缆的铺设成本，使直流电缆的铺设经济、快速、方便，这种电缆在1 0 0 k v 的电压下可传输3 0 m w 的功率，而其重量仅为l k g m 。v s c h v d c 与挤压型h v d c 电缆的结合，使直流输电的经济范围达到了几兆瓦至几百兆瓦。 由于v s c h v d c 中v s c 的自换向特性而带来的相比传统h v d c 的诸多优点 使它被看好成为传统h v d c 的理想替代品，a b b 、s i e m e n s 等公司都将该技术 纳入了重点研究计划中。近年来国内外学者主要对v s c h v d c 的数学模型、运行 特性、控制策略和保护等进行了一些探讨研究。国内v s c h v d c 技术研究比国外 晚，但是目前本课题研究也日趋成为一个热点。目前已经有浙江大学、华北电力 大学、中国电力科学研究院、东南大学、华中科技大学等高等学校和科研机构进 行相关的研究。v s c h v d c 所具有的优越性吸引人们对它进行了很多的研究工 作，尽管有多个v s c h v d c 投入商业运行，但由于v s c h v d c 技术的应用才刚 刚开始，许多基础理论和相关的应用基础问题需要深入探讨，特别是该系统的运 行特性及相关的保护控制策略尤为引人关注。由于我国缺乏相应的工程经验，从 而进行v s c h v d c 系统的实验研究也是必要的。因此下面一些问题仍值得研究： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 ( 1 ) 两端连接交流网络的v s c h v d c 稳态模型是一个双输入、双输出的非线 形、非解耦控制对象，其稳态控制策略研究不够深入。v s c h v d c 系统稳态时有 功无功控制是v s c h v d c 系统的基本控制策略。 ( 2 ) 配电网常常会有某种程度的不对称，v s c 对系统电压的不对称很敏感， 特别是直流线路电压会产生二倍频波动，并传播到另一侧的交流系统，降低电能 质量及系统运行的稳定性。因此，有必要研究适当的不对称运行控制策略以适应 配电网控制的需要【5 1 5 2 1 。 ( 3 ) v s c h v d c 能独立地控制有功功率和无功功率，其交流侧等效模型为电 压源，因而v s c h v d c 与交流系统的相互作用不同于传统h v d c ，必须对 v s c h v d c 的系统及其控制作进一步的研究。 ( 4 ) v s c h v d c 系统的保护策略解决得不够好。从换流器的角度看， v s c h v d c 换流器的直流侧并联有大电容，可看作为电压源，而传统h v d c 换流 器的直流侧串联有大电感，可看作为电流源。因此，v s c - h v d c 直流侧的保护是 个新的课题1 5 3 4 1 。 ( 5 ) 对于利用v s c h v d c 抑止系统振荡研究尚不充分，而利用v s c h v d c 进行黑启动和大停电恢复中的应用及其相关机理还缺乏研究。 ( 6 ) 由于风电场的输出功率随风速的变化而产生频繁的波动，适用于风能传 输的v s c h v d c 的联网和连接风力发电的系统特性和控制策略有待研究。 2 3v s o h v d c 的基本原理 所谓v s c h v d c 就是基于电压源换流器( v o l t a g es o u r c ec o n v e r t e r ，v s c ) 的直 流输电，其基本原理如图2 - 1 所示，设送端、受端换流器均采用v s c ，则两个换 流器具有相同的结构。换流器采用两电平六脉动型，每个桥臂都由多个i g b t 或 g t o 串联而成。直流侧电容器的作用是为逆变器提供电压支撑、缓