（电力系统及其自动化专业论文）vschvdc控制策略及仿真研究.pdf

_型燮型燮_hhhi嘲ii14i9hii 摘要 随着大功率全控型电力电子器件的发展，基于电压源换流器( v s c ) 和脉宽调制 ( p w m ) 技术的轻型直流输电( v s c h v d c ) 技术已经成为现实，并因其独特的优点得 到了广泛关注与研究。本文在基于电压源型换流器的直流输电稳态数学模型的前提 下，在换流站传统的控制基础上引入附加的模糊控制，通过p s c a d 仿真，验证了 模糊控制器改善系统暂态稳定性的功能。本文还研究了轻型直流线路作为系统分区 联络线的情况下，发生局部分区大停电后，轻型直流线路黑启动电网的能力，仿真 验证了轻型直流输电软启动电网相对于传统黑启动方式的优越性能。 关键词：v s c h v d c ，电压源换流器，模糊控制，黑启动，软启动 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fh i g hp o w e rt u r n 0 f fp o w e re l e c t r o n i cc o m p o n e n t 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 dh v d c ( v s c - h v d c lh a sb e e nr e a l i z e d ， a n dr e c e iv e de x t e n s i v ea t t e n t i o na n ds t u d yd u et oi t su n i q u ea d v a n t a g e s b a s e do n t h es t e a d ys t a t em a t h e m a t i c a lm o d e lo fv s c - h v d c ， f u z z yc o n t r o li sb r o u g h ti n t o t h et r a d i t i o n a lc o n t r o lo fc o n v e r t e r si nt h i st h e s i s ，t h ea b i l i t yo ff u z z yc o n t r o l l e rt o i m p r o v et h et r a n s i e n ts t a b i l i t yo fp o w e rs y s t e mi st e s t e da n dv e r i f i e db yp s c a d e m t d cs o f t w a r e t h eb l a c ks t a r ta b i l i t yo fv s c h v d ci sa l s os t u d i e d ，a sat i el i n e b e t w e e nt w oa r e a s ，v s c h v d cc a ns o f ts t a r ta r e alw h i l et h e r ei sab l a c ko u ti n a r e a l b yt h ep o w e ri na r e a 2 t h r o u g hs i m u l a t i o n ， v s c h v d c se x c e l l e n t c a p a b i l i t yi so b v i o u sw i t hc o n t r a s tt ot r a d i t i o n a lb l a c ks t a r tm e t h o d z h o um i n g x i a ( p o w e rs y s t e ma n da u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f l i uz o n g q i k e yw o r d s ：v s c - h 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 ) ，f u z z yc o n t r o l ，b l a c k s t a r t ，s o f ts t a r t 华北电力人学硕十学位论文 目录 中文摘要 英文摘要 第一章绪论1 1 1 课题的背景及意义1 1 2 国内外研究动态5 1 3 本论文主要工作7 第二章v s c - h v d c 结构及稳态控制策略8 2 1 电压源型换流器拓扑结构8 2 2 脉宽调制( p w m ) 技术9 2 3 换流器数学模型1 0 2 4v s c 稳态控制1 0 2 5 多目标解耦控制器设计l l 2 6 换流器动态调节域理论1 4 第三章v s c - h v d c 附加模糊控制研究16 3 1 引言1 6 3 2 算例系统描述1 7 3 3 模糊控制器设计1 7 3 3 1 模糊控制思想m 1 1 7 3 3 2 模糊控制器设计1 8 3 4 附加模糊控制仿真试验2 6 3 4 1 靠近母线9 单相接地短路2 7 3 4 2 靠近母线9 三相接地故障2 9 3 4 3 母线5 和6 之间单相接地短路3 l 3 4 4 母线5 和6 之间三相接地短路3 3 3 4 5 负荷9 由1 7 6 7 m w 变为1 6 0 0 m w ( 永久切除约1 0 ) 3 5 3 5 小结3 7 第四章v s c - h v d c 的黑启动能力研究3 8 4 1 引言3 8 i 华北l 乜力人学硕i ：学位论文 4 2 算例系统描述3 8 4 3 黑启动仿真试验3 9 4 3 1 传统黑启动仿真试验4 0 4 3 2v s c - h v d c 黑启动仿真试验4 2 4 4 结论4 7 第五章结论与展望4 8 参考文献4 9 致谢5 3 附录5 4 攻读硕士学位期间的科研项目及发表的学术论文5 5 华北电力人学硕十学位论文 1 1 课题的背景及意义 第一章绪论 1 v s c - h v d c 发展历程 电力技术的发展是从直流电开始的，早期的直流输电是不需要经过换流的直流 输电，即发电、输电和用电均为直流电。随着三相交流发电机，感应电动机和变压 器的迅速发展，发电和用电领域很快被交流电所取代，同时变压器又可方便地改变 交流电压，从而使交流输电和交流电网得到了迅速的发展，并很快占据了统治地位。 但在输电领域，直流输电具有交流输电所不能取代之处，如远距离大功率输电、海 底电缆送电、不同额定频率或相同额定频率交流系统之间的非同步连络等【l l ，2 0 世 纪5 0 年代以来，直流输电技术的快速发展为超高压、超长距离输电提供了重要的 补充作用。 直流输电的发展与换流技术( 特别是高电压、大功率换流设备) 的发展有密切的关 系【2 1 。1 9 5 4 年，第一座高压直流( h v d c ) 输电工程投入工业化运行，它是从瑞典本 土至果特兰( g o t l a n d ) 盅j 之间的一条2 0 m w 、l o o k v 海底电缆直流输电线，线路全长 9 6 k m 。1 9 7 2 年，加拿大伊尔河( e e lr i v e r ) h v d c 输电工程正式投入使用，这座2 0 m w 、 2 8 0 k v 背靠背式h v d c 输电工程以首次全部采用晶闸管阀而著称于世【3 l 。到目前 为止，全世界共有7 0 多个h v d c 输电工程1 4 】，其中，大部分电压等级超过4 0 0 k v ， 输送功率大于1 0 0 0 m w 或线路长度大于6 0 0 k m 。 随着半导体技术和控制技术的发展，换流站采用i g b t ( 1 n s u l a t e dg a t eb i p o l a r t r a n s i s t o r ) ，i g c t ( i n t e g r a t e dg a t ec o m m u t a t e dt h y r i s t o r ) 等可关断元件构成电压源型 换流器v s c ( v o l t a g es o u r c e dc o n v e r t e r s ) 来进行直流输电成为可能【2 1 。电压源换流器 ( v s c ) p a 及脉宽调制技术的引入，使得二十世纪九十年代产生了用p w m 控制的v s c 进行直流输电的设想【5 一7 1 。在此基础上，a b b 公司把v s c 与i g b t 相结合，提出了 h v d c l i g h t ( 轻型直流输电) 的概念，等同于本文采用的基于电压源型换流器的直 流输电( v s c h v d c ) 概念。由于v s c 中的电流可以关断，v s c h v d c 系统不依赖交 流系统的短路电流换相，故不要求受端电网必须是有源网络，并且具有控制更加灵 活、能够同时控制同交流侧系统交换的有功功率和无功功率等一系列优点，因此同 益受到人们的重视【引目前国外已经把轻型直流输电用于实际，1 9 9 7 年3 月世界上 第一个采用i g b t 构成电压源换流器的轻型直流输电系统工业性试验工程赫尔 斯杨( h e l l s j o n ) t 程在瑞典中部投入运行，其输送功率和电压为3 m w 和1 0 k v ，输送 距离l o k m 。从运行实际来看，该工程电力输送非常稳定，换流站能够满足噪声水 第一章绪论 平、谐波畸变、电话干扰和电磁场等方面的技术要求1 9 j 。 2 v s c - h v d c 的技术特点以及基于技术特点之上的优势 轻型直流输电与传统直流输电比较【2 】【3 1 【1 0 1 ，从结构上来讲，区别有： ( 1 ) 传统直流输电系统通过换流变压器同电网连接，v s c h v d c 系统则通过小型 电抗器与电网相连，只有在直流电压同电网电压不相匹配时才加变压器。 ( 2 ) 由于开通滞后角和熄弧角的存在及波形的非正弦，传统的直流输电要吸收输 送直流功率的4 0 0 0 - , 6 0 无功功率【i ，这需要大量的无功补偿及滤波设备，而 且甩负荷时会出现无功过剩，可导致过电压；v s c 换流器产生的谐波大为减 弱，对无功功率的需要也大大减少。因此只需要在交流母线上安装一组高通 滤波器即可满足谐波要求，无功补偿装置的容量也大为减少，只需要尺寸很 小的滤波器。 ( 3 ) 传统直流输电在直流侧采用平波电抗器抑制直流电流变化时的上升速度，减 少直流线路中电压和电流的谐波分量【1 2 】，v s c h v d c 采用v s c 技术，直流侧 采用电容器滤波。 ( 4 ) 模块化设计使v s c h v d c 的设计、生产、安装和调试周期大为缩短，换流站 的主要设备能够先期在工厂中组装完毕，并预先做完各种试验。最终的模块 重约2 0 t ，可方便地用卡车直接运至安装现场，从而大大减少了现场安装调试 时间，减轻了安装劳动强度，而且可显著缩小换流站的占地面积。一个2 0 m w 、 士3 0 k v 的v s c 换流站占地面积不足2 5 0 m 2 ，交货时间不超过1 2 个月。 在应用场合上： ( 1 ) v s c h v d c 系统可用于向无源网络供电，如小岛，钻井平台等远离电网的负 载，采用交流电缆在距离超过5 0 - - 一1 0 0 k m 以上或者传输功率过大时，变得不 可行，而传统直流输电一方面占地面积大，另一方面控制较为复杂。在 v s c h v d c 技术出现以前，小岛和钻井等地往往采用代价昂贵的本地柴油发 电，成本高，且对环境造成污染，有了v s c h v d c 技术后，可以从电网直接 输送电能至负荷区，降低了成本，减小了电站占地面积，同时也减少了污染。 ( 2 ) 传统直流输电往往用于大容量电能传输，在小、中等容量电能传输成本方面， v s c h v d c 更具有竞争力。 ( 3 ) v s c h v d c 灵活的潮流控制能力使得它可以充当系统中的s v c ( s t a t i cv a r c o m p e n s a t o r ) 或者s t a t c o m ( s t a t i cs y n c h r o n o u sc o m p e n s a t o r ) ，这意味着故障 时，如v s c 容量允许，那么v s c h v d c 系统既可向故障系统提供有功功率的 紧急支援又可提供无功功率紧急支援，从而提高系统功角电压的稳定性，两 端换流站可以各自独立地调节交流电压，在系统故障情况下，其控制交流电 2 华北电力人学硕十学位论文 压的能力对于稳定电力系统更有利。 ( 4 ) 不会出现换相失败，可以向无源网络供电。传统直流输电采用自然换相的换 流器( p c c ) 技术，需要交流电网提供换相电流，这个电流实际上是相间短路电 流，因此要保证换相可靠，受端交流系统必须具有足够容量，即必须有足够 的短路l 匕( s c r ) ，当受端电网比较弱时便容易发生换相失败；v s c 换流器为无 源逆变，对受端系统没有要求，故可用于向小容量系统或不含旋转电机的系 统供电。 在控制方式上： ( 1 ) 传统直流输电靠控制无功补偿器如电容器的投切达到无功补偿目的，其控制 比较复杂，同时成本较高，v s c 换流站本身可以自由控制有功和无功功率， 甚至可以使功率因数为l ，对于v s c 而言，这种调节能够快速完成，可以等 效为一个无惯性的发电机。 ( 2 ) v s c h v d c 系统通过p w m 方式可以自由控制输出交流电压幅值和频率，可 将变压器一次电压稳定在常数值，在系统发生短路故障时通过调节输出电压 降低短路电流，这对于提高系统稳定性有一定作用。同时，由于v s c 交流侧 电流可以被控制，所以不会增加系统的短路功率。这意味着增加新的轻型直 流输电线路后，交流系统的保护整定基本不需要改变。 ( 3 ) 换流器可根据交流系统的需要实现自动调节，所以两侧v s c 换流站不需要通 信联络，从而减少通信的投资及其维护费用。 ( 4 ) 可实现无人值班或少人值守。由于换流站主要设备大为简化，而且实现了模 块化设计，因此正常维护工作量大大减少，有利于实现无人值班或少人值守 换流站，提高生产效率。 ( 5 ) 潮流反转时直流电流方向反转而直流电压极性不变，与传统h v d c 恰好相反。 这个特点有利于构成既能方便地控制潮流又有较高可靠性的并联多端直流系 统。 3 v s c - h v d c 的市场需求以及应用前景n m l 一方面，随着风能、太阳能等新能源发电的发展，迫切需要将这些分散化、小 型化的电能通过经济、环保的方式反馈回电网。钻探平台，小岛等孤立负荷目前采 用昂贵的当地发电。另外，城市用电负荷的加大要求电网容量的扩充，但是鉴于架 空交流线路占一定输电走廊，线路施工同益受到限制。根据l j i 面介绍，轻型直流输 电采用v s c 结构，单个v s c 可以通过电网向直流负载供电，或者接发电单元( 如光 伏发电) 到电网；两个v s c 可以构成点对点的直流传输；由于v s c 的直流电压在系 统潮流反转时极性不变，所以多个v s c 端子可以构成直流网络，向多个负载供电， 3 第一章绪论 或者接多个发电单元。因此，v s c h v d c 是能够很好解决以上问题的输电方式。 另一方面，随着大功率电力电子器件和控制技术的发展，v s c h v d c 的传输容 量会逐渐增大。同时，新的拓扑结构引入，例如含钳位二极管的三电平及多电平换 流站结构，以及含飞电容( f l o a t i n gc a p a c i t o r ) 的三电平、五电平和多电平换流站结构 等，降低了换流站损耗，在一定程度上减少了成本。这一切为v s c h v d c 技术的 推广应用奠定了基础。 综上两方面所述，基于v s c h v d c 的市场需求以及技术上的可行性，轻型直流 输电将可能在以下领域发挥极大的作用： ( 1 ) 向偏远地区供电 偏远地区一般远离电网，负荷轻而且日负荷波动大，经济因素及线路输送能力 低是限制架设交流输电线路发展的主要因素，制约了偏远地区经济的发展和人民生 活水平的提高。采用v s c h v d c 进行供电，可使电缆线路的单位输送功率提高， 线路维护工作量少，供电可靠性增加。测算表明【l3 1 ，修建一座燃煤火电厂与修建一 条v s c h v d c 线路相比，在相同投资规模下，v s c h v d c 线路的等效距离可降至 5 0 6 0 k m 。 ( 2 ) 海上供电 远离大陆点电网的海上负荷如海岛或海上石油钻井平台等，通常靠价格昂贵的 柴油或天然气来发电，不但发电成本高、供电可靠性难以保证，而且破坏环境。用 v s c h v d c 以后，这些问题得以解决，同时还可以将多余气体( 如石油钻井产生的 天然气) 发出的电力反送给系统。 ( 3 ) 城市配电网增容改造 城市特别是大中城市的空中输电走廊已没有发展余地，原有架空配电网络已不 能满足电力增容的要求，合理的方法是采用电缆输电( 架空电缆或地下电缆) 。直流 电缆不仅比交流电缆占有空间小，而且能输送更多的功率；另一方面，交流长距离 传输对地有注入电流，需要添加补偿设备，如并联电抗器或者电容器等，v s c h v d c 采用地埋式电缆，既不会影响城市市容，也不会有电磁干扰，同时也适合长距离电 力传输。因此，采用v s c h v d c 向城市中心区供电有可能成为未来城市增容的唯 一可行办法。据相关材料介绍，由原有交流架空导线改造成直流输电，可提高5 0 的输送功率。以l1 5 k v 、7 0 k m 长的交流架空线路为例，将其改成l o o k v 双极 v s c h v d c 供电后，线路输送容量可提高l 倍，达到2 0 0 m w ，而改造增加的投资 仅为两侧换流站和更换绝缘子的费用。 ( 4 ) 清洁能源发电 受环境条件限制，清洁能源发电一般装机容量小、供电质量不高并且远离主网， 如中小型水电厂、风力发电站( 含海上风电发电站【1 3 - t 5 1 ) 、潮汐电站、太阳能电站等， 4 华北电力人学硕十学位论文 由于其运营成本很高以及交流线路输送能力偏低等原因，使得采用交流互联方案在 经济和技术上均难以满足要求，v s c h v d c 技术的出现解决了这一问题。 v s c h v d c 的优点之一是允许发电机工作在不同于电网的频率甚至是变频率方式。 利用v s c h v d c 与主网实现互联是充分利用可再生能源的最佳方式，有利于保护 环境。 ( 5 ) 不同额定频率或相同额定频率的交流系统间的非同步运行 模块化结构及电缆线路使v s c h v d c 对场地及环境的要求大为降低，换流站的 投资大大下降，因此可根据供电技术要求选择最理想的接入系统位置。 ( 6 ) 直流环网供电 环网比辐射网及链式网的供电可靠性都高。多个v s c 换流器容易构成并联多端 供电的直流环网，从而提高直流输电的可靠性和灵活性。 ( 7 ) 提高配电网电能质量 非线性负荷和冲击性负荷使配电网产生电能质量问题，如谐波污染、电压间断、 电压凹陷突起以及波形闪变等问题，使一些敏感设备如工业过程控制装置、现代化 办公室设备、电子安全系统失灵，造成很大的经济损失。v s c h v d c 可分别快速控 制有功无功，并能够保持电压基本不变，使电压、电流满足电能质量标准要求，将 是未来改善配电网电能质量的有效措施。 4 本课题研究意义 前面介绍了v s c h v d c 的技术特点以及诱人的发展前景，而我国还没有 v s c h v d c 的实际工程，所以v s c h v d c 输电技术的理论准备工作一定要充分充 足，理论准备工作的开展将会在一定程度上促进这种新技术在我国的应用。本文在 介绍v s c h v d c 系统原理基础上，将它和传统直流输电比较，并对其控制策略进 行了创新性研究，希望可以为v s c h v d c 技术在我国的实际应用提供一定的参考 价值。 1 2 国内外研究动态 1 已经投入v s c - h v d c 工程 目前在世界各国，v s c h v d c 技术得到了推广应用，表1 1 列出了部分目前世 界上已建或在建的v s c h v d c 工程【2 l 【9 】。 5 第一章绪论 表1 1 世界上已建或在建的轻型直流输电t 程 工程名称国别 输送容量( m w )电压等级( k v )线路长度( k m 投运h 期工程日的 h e l l s j o n 瑞典3：i ：1 0l o1 9 9 7 4 试验 g o t l a n d瑞典5 4士8 07 01 9 9 9 1 l送岛上的风电至负荷中心 d i r e c t l i n k澳大利哑1 8 0士8 06 52 0 0 0 6 两交流电网实现非同 风力发电站与 t m e r e b o r g 丹麦 8i - 942 0 9 交流主嘲相联 e a g l ep a s s 荚国、墨西哥3 6士1 5 9背靠背2 0 0 0 1 l非同步互联 通过海底电缆连接 c r o s s - s o u n d美国3 3 0士1 5 0 4 0 2 2 7 两交流电网 m u r r a y l i n k 澳大利涯2 士1 5 01 8 02 0 0 2 1 0两交流电网互联 t o r n i o芬兰o 1 6 4 m v a t2 0 0 2 无功补偿 e v r o n法国士1 7 m v a t 2 0 0 3无功补偿 h o l l y 美国+ 1 lo 8 0 m v a l 2 0 0 4无功补偿 t l m h a挪威2 x 4 1：e 6 06 72 0 0 5 2 海上天然气钻井甲台供电 将波罗的海诸国产生的 e s t l i n k 波罗的海 3 5 0士1 5 01 0 52 0 0 6 电力送入北欧电力市场 远距离通过海底和地下 n o i u d e 0 nl德国 4 0 0 士1 5 02 5 32 0 0 9f 乜缆引入风电 c a p r j v il i n k纳米比亚+ 3 5 09 7 02 0 0 9 两部分弱交流电网连接 v a l h a l l 挪威 7 8士1 5 02 9 22 0 1 0 钻井f 台供电 2 v s c h v d c 的研究现状 由于v s c h v d c 中v s c 的自换相特性带来的相比传统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。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。国内v s c h v d c 技术研究比国外晚，但是本 课题研究已同趋成为一个热点。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【1 6 j 们。 v s c h v d c 所具有的优越性能吸引人们对它进行了很多研究工作。尽管有多个 v s c h v d c 已经投入商业运行，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入关注。由于我国缺乏相应的工程试验，从而进行v s c h v d c 系统的试验研究也是必要的。因此下面一些问题值得研究： ( 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 非线性、非解耦控制对象，其稳念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 6 华北电力人学硕十学位论文 感，特别是直流线路电压会产生二倍频波动，并传播到另一端的交流系统， 降低电能质量及系统运行的稳定性。因此，应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【1 9 - 2 1 】。 ( 3 ) 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 2 2 - 2 6 】。 ( 4 ) 对于利用v s c h v d c 抑制系统振荡研究尚不充分，而利用v s c h v d c 进行 黑启动和其大停电恢复中的应用及其相关机理还缺乏研究。 ( 5 ) 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。 1 3 本论文主要工作 本文完成的研究内容如下： ( 1 ) 建立了基于电压源型换流器的直流输电( v s c h v d c ) 稳态数学模型，在p s c a d 中搭建四机两区域的交直流并联系统模型，在p s c a d 中建立了以v s c h v d c 作为 区域联络线的黑启动实验电路。 - ( 2 ) 把模糊控制技术应用到轻型直流的阻尼低频振荡控制中，通过p s c a d 的仿真研 究证明了v s c h v d c 提高系统阻尼的有效性和对不同扰动的适应性。 ( 3 ) 研究了v s c h v d c 线路作为系统分区联络线的电网结构下，发生分区大停电 后，基于轻型直流软启动控制的黑启动方案及恢复过程，与传统黑启动方式对比， 仿真实验验证了v s c h v d c 在快速恢复系统中的优越性。 7 华北电力人学硕士学位论文 第二章v s c - h v d c 结构及稳态控制策略 2 1 电压源型换流器拓扑结构 v s c - h v d c 最基本的组成部分就是电压源型换流器，以两电平电压源型换流器为 例，其拓朴结构如图2 一l 所示，由全控换流桥、换流电抗器、直流电容器和交流滤 波器组成。其中，换流电抗器是v s c 与交流系统间能量交换的纽带，同时也起到滤 波的作用；交流侧滤波器的作用则是滤除交流侧谐波：直流侧并联的大电容起到提 供电压支撑，缓冲桥臂关断时的冲击电流减小直流侧谐波的作用。 图2 一l 中交流母线线电压的基波相量为矽。，换流桥输出线电压的基波相量为 以，万为7 。滞后d 。的角度，x ，、x ，分别为换流电抗器以及交流滤波器的基波电 抗。 交 图2 - i 电压源型换流器原理图 i d - 一- l _ _ - - _ 。 引d i i 卜一| l i u l 三+ 2 c d i r l 一直流传输线 当忽略换流变压器、换流电抗器的电阻以及谐波分量时，v s c 交流母线电压基 频分量吨与v s c 出口电压的基频分量眈共同作用于换流变压器或换流电抗器的电 抗疋，并决定了v s c 与交流系统间交换的有功功率p 和无功功率q 分别为式( 2 一1 ) 和式( 2 - 2 ) 。 p ：盟s i i l 万( 2 一1 ) 爿f q = u , ( u , - u c c o s 8 ) 疋 ( 2 2 ) 啦等 ( 2 _ 3 ， 8 第二章v s c h v d c 结构及稳态控制策略 从式( 2 - 1 ) 可以看出，有功功率的传输主要取决于阢与【7 。之间的相角差万。当万 大于零，v s c 将从交流系统吸收有功功率，运行于整流状态；当艿小于零，v s c 将向 交流系统发出有功功率，运行于逆变状态。因此，通过对艿的控制，即可以控制 v s c - h v d c 输送有功功率的大小和方向。 从式( 2 - 2 ) 可以看出，无功功率的交换主要取决于v s c 出口电压基频分量的幅 值阮，当u u 。c o s 8 大于零时，v s c 吸收无功功率；当u u 。c o s 8 小于零时，v s c 则输出无功功率。因此，通过对阢的控制，即可以控制v s c 吸收或发出无功功率， 实现向交流电网动态补偿无功功率，稳定交流母线电压的目的。 当v s c 采用p w m 技术时，6 就是p w m 的调制波相角，阢正比于p w m 的调制度m ( 见 式2 - 3 ) 。因此，利用p w m 的调制波相角和调制度就能同时控制有功功率尸和无功功 率仉 2 2 脉宽调制( p w m ) 技术 p w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术，即通过 对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形( 含形状和幅值) 。 v s c h v d c 中电压源换流器通常采用p w m 控制技术。以正弦脉宽调帛i ( s p w m ) 为例 2 5 】，其控制原理如图2 2 所示。a b e 三相p w m 的调制波u a r e f 、u b r e f 和u c r 耐 与 三角载波u t r i g 进行数值比较，当调制波数值大于三角载波，触发相应的换流桥臂上 开关导通并关断下开关，反之则触发桥臂的下开关导通并关断上开关。在上下桥臂 开关的交替导通与关断下，v s c 交流出口电压将产生幅值为正负砌2 的脉冲序列， 其中蚴为v s c 的直流侧电压。由于调制波的幅值与相位可通过p w m 的脉宽调制 比m ( e pv s c 出口基频相电压幅值与直流电压的比值) 以及移相角度万实现调节，因 此v s c 出口电压基频分量的幅值与相位亦可通过这两个变量进行调节。 载波 l 调制漓 _ 。j ： jl it 。ri j 。l li。上l 一一ij 一| 广 jj 匹 删口i ， 氏 7 6 i 7 、j l l 4 l fi 张 、 、 v 触 ，_ i ji u i 、 i i 1 1 i 9 | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | 华北电力人学硕十学位论文 2 3 换流器数学模型 令砧埘、材西、u , e 为交流系统三相电压瞬时值；j l l 、f 6 、t 为流入换流器的三相电 流瞬时值；“翻、“西、”。为换流器端三相电压瞬时值；虬为直流侧电压值，交流侧 电抗置= 国l ，将三相电压源型p w m 整流器功率开关管损耗等效电阻r s 同交流滤波 电感等效电阻r 。合并，且令r = r 。+ r 。采用基尔霍夫电压定律建立三相电压源型p w m 三相动态微分方程为： 其向量形式为： ” j 口 u s b “ j c ，d = l 出 f 9 名 i c + l “c 口 + i “西 i “ lc c = 警+ 彤幽+ ：半s i i i 毒：品) ， z ls i n ( t o t + 8 + 1 2 0 。) i 予一6 c + ( 幻一6 c ) 2 4v s c 稳态控制 ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) 由上节所述，采用p w m 控制的电压源型换流器，可对其出口电压基频分量的 幅值与相位进行调节，因此v s c h v d c 输电系统中各v s c 在对其输送有功功率进 行控制的同时，还可以控制其与交流系统问交换的无功功率。此外，v s c h v d c 正 常稳态运行时，直流网络的有功功率必须保持平衡，即输入直流网络的有功功率必 须等于直流网络输出的有功功率加上换流桥和直流网络的有功功率损耗。如果出现 任何差值，都将引起直流电压的升高或降低。为了实现有功功率的自动平衡，在 v s c h v d c 系统的控制中。必须选择一端v s c 进行定直流电压控制，充当整个直 流网络的有功功率平衡换流器，其他v s c 则可在其自身容量允许的范围内任意设定 有功功率。 1 0 ；口“d，c -。l r 第二章v s c h v d c 结构及稳态控制策略 图2 3 为v s c 稳态运行时的基波向量图【2 6 1 。由图可知，通过控制u 和6 ，v s c 可以运行于p - q 图的任一象限。例如，在第一象限即为：9 0 0 6 0 。，由式( 2 1 ) 和( 2 2 ) 即可知p 0 p oq = 6 6 ； e l s e i fp = 6 d p = 6 ； e l s e i fd p = - 6 d p = - 6 ； e n d 模糊推理，计算出被控对象的控制输入 a f r e a d f i s ( 1 l v d c _ f u z z y _ c o n t r o l l e r ) ； d u = k u e v a l f i s ( pd p 】，a ) ； o u t = d u ； 结束 4 p s c a d 与m a tl a b 的接口设计 p s c a d 通过一个特殊的接口为用户提供利用m a t l a b 指令及工具箱的功能。这个 通往m a t l a b s i m u l i n k 的接口元件不是作为主库中的一个元件提供给用户的，它必须 被专门开发。换句话说，如果需要这一特殊元件，用户必须自己来创建。然而，一 旦设计好，它就会被当作p s c a d 的征常元件对待，从而可以和其他元件配合使用。 图3 1 2 所示为本章设计的接口，由图可见，p s c a d 中的数据，也就是模糊控制器 的输入变量p 和d p ( 分别对于交流联络线传输功率的变化及变化率) 通过接口n e w m a t l a bi n t e r f a c e 传给m a t l a b ，在接口中通过调用m a t l a b 中的h v d c _ f u z z y _ c o n t r o l l e r m 文件实现模糊控制，最后将模糊控制输出量d u 送回到p s c a d 中。 2 5 华北电力人学硕士学位论文 n e wm a u a bi n t e r f a c e 固 1 w d c _ f u z z y _ c o r t r o 匏r m 图3 1 2m a t l a b 与p s c a d 的接口 接口设计好之后，在试图连接m a t l a b 和p s c a d 之前，还有几个重要注意事项： ( 1 ) 由于p s c a d 自带免费编译器g n u1 1 1 的功能所限，所以m a t l a b 接1 2 1 需要另 外安装f o r t r a n 编译器，笔者安装的是c v f ( c o m p a qv i s u a l f o r t r a nc o m p i l e r ) q a 的 c o m p a q v i s u a lf o r t r a np r o f e s s i o n a le d i t i o n6 5 。 ( 2 ) 电脑上必须装有m a t l a bv e r s i o n s6 或更高版本。 ( 3 ) 设置选项：运行p s c a d 4 2 0 ，进入e d i t - w o r k s p a c es e t t i n g ，首先切换到f o r t r a n 选项卡，在i n s t a l l e dv e r s i o n 一项里将编译器改为“c o m p a qv i s u a lf o r t r a ns t a n d a r d e d i t i o n6 5 ”：再切换到m a t l a b 选项卡，同样在i n s t a l l e dv e r s i o n 一项中选择“v e r s i o n 6o rh i g h e r ，如果安装完全正确的话，在选中“v e r s i o n6o rh i g h e r 后下面的l i b r a r y p a t h 选项会自动更新。 3 4 附加模糊控制仿真试验 为验证模糊控制器设计的正确性及有效性，利用p s c a d 软件对图3 1 所示系 统进行了仿真试验。 系统基频为6 0 h z ，换流器i g b t 的开关频率为3 3 倍基频。仿真时间为2 0 s ， 故障发生在第l s 初，故障持续时间为8 3 m s 。m a t l a b 调用频率1 0 0 h z 。 本章的4 台发电机构成2 个区域系统，其中发电机l 和2 构成一个区域，发电 机3 和4 构成另外一个区域系统。两个区域系统通过两条交流线路和一条基于v s c 的直流线路连接。 实验中模拟了交直流并联输电线路中交流联络线靠近母线9 侧( 故障位置见图 3 1 所示) 发生单相接地故障和三相短路接地故障、负荷9 有扰动( 永久切除1 0 负 荷) 、母线5 和6 之间线路发生三相接地短路故障( 故障位置见图3 1 3 ) 时系统在有 模糊控制和未加模糊控制情况下的响应过程。 第三章v s c h v d c 附加模糊控制研究 79 l o i2 5 图3 - 1 3 母线5 和6 之间线路发生三相接地短路故障试验电路 3 4 1 靠近母线9 单相接地短路 靠近母线9 的一条交流传输线单相接地故障发生在第1 秒初，故障持续时间为 8 3 m s 。 图3 1 4 为交流联络线路靠近母线9 侧单相接地故障时，交流联络线路上传输的 有功功率p t r a n s ( 位置见图3 1 所示) 的变化波形，图3 1 5 为直流线路上传输的功率 变化，图3 1 6 为四台发电机的角速度变化波形。 。二2 p o i 加 i 6 0 加 2 0 0 02 55 d7 51 0 o1 2 51 5 0 7 52 0 o 图3 - 1 4 单相接地故障时交流传输线上的有功功率 2 7 华北电力人学硕十学位论文 0 d2 55 o7 51 0 o1 2 51 5 d1 7 5加o 图3 - 1 5 单相接地故障时直流线路上的传输功率 0 o2 55 07 51 0 d1 2 51 5 d1 7 5 2 0 d 0 d2 55 d7 51 0 d1 2 51 5 d1 7 52 0 o o d2 55 07 51 0 口1 2 51 5 d 7 5 加d 第三章v s c h v d c 附加模糊控制研究 w t a d 3 7 8 卯 3 7 8 3 7 7 j 雪d 铷r 7 3 7 6 5 0 3 7 6 3 7 5 o d2 55 o7 51 0 o1 2 51 5 01 7 5加o 图3 - 1 6 单相接地故障时发电机的角速度 由图3 1 4 可见，交流传输线上的有功功率在故障发生后的恢复过程中，未采用 附加模糊控制的系统由于阻尼不足，振荡衰减很慢，持续时间长。采用了附加模糊 控制的系统可以有效的增加系统阻尼，传输线的功率振荡较快的得到抑制，可见附 加模糊控制器在抑制功率震荡方面的效果显著。而这正是得益于v s c 快速控制潮流 能力，如图3 1 5 所示，由于模糊控制量叠加在直流定有功控制的有功设定值上，对 有功功率指令进行了调制，从而使得发生故障时，直流线路上的功率根据系统阻尼 的需要进行了快速调节，加附加模糊控制后，直流线路传输的功率在故障发生后变 化比未加模糊控制剧烈，这就相当于是“分担”了故障对交流线路的冲击。通过轻型 直流线路的功率快速调节能力相应地提高了交流系统的暂态稳定性。 图3 1 6 所示的发电机角速度曲线包络线先升后降是由公式( 3 3 ) 所决定的。发生 单相接地故障时，发电机输出的电磁功率减小，而原动机机械功率未来得及改变， 产生正的角加速度，从而导致角速度先增大，故障切除后，电磁功率又逐步回升， 经过几个周期的振荡后，角速度趋于稳定。 警= 告( 弓一足) ( 3 - 3 ) d tl 。 式中彩即为发电机的角速度，p t 为原动机的机械功率，p e 为发电机输出的电磁 功率，t j 为发电机组的惯性时间常数。 图3 1 6 反映出轻型直流输电换流器的模糊控制使系统中发电机较快地结束振 荡，进入同步运行。 3 4 2 靠近母线9 三相接地故障 靠近母线9 的一条交流传输线三相接地故障发生在第1 秒初，故障持续时间为 8 3 m s 。 图3 1 7 为交流联络线路靠近母线9 侧发生三相短路