多端柔性直流输电系统（VSC-MTDC）的协同控制策略与模拟实验系统研究

多端柔性直流输电系统（VSC-MTDC）的协同控制策略与模拟实验系统研究一、引言1.1研究背景与意义随着全球能源需求的持续增长以及对环境保护的日益重视，发展高效、可靠、清洁的电力传输和分配系统成为了电力行业的重要目标。在这一背景下，基于电压源换流器的多端直流输电（VoltageSourceConverter-Multi-TerminalDC，VSC-MTDC）系统应运而生，并逐渐成为电力领域的研究热点。VSC-MTDC系统具有诸多显著优势，使其在智能电网、可再生能源并网等关键领域发挥着不可或缺的重要作用。在智能电网中，它能够实现多个交流系统之间的异步互联，有效增强电网的灵活性和可控性，优化电力资源的配置。这对于构建更加智能、高效、稳定的电网架构意义重大，有助于提升整个电网的运行效率和可靠性，更好地满足现代社会对电力供应的高要求。在可再生能源并网方面，以风能、太阳能为代表的可再生能源具有间歇性、波动性和分布不均等特点，给传统的电力系统接入和稳定运行带来了巨大挑战。VSC-MTDC系统能够独立控制有功和无功功率，实现对可再生能源发电的灵活接入和高效传输，有效解决可再生能源并网的难题。例如，海上风电场通常远离陆地负荷中心，采用VSC-MTDC技术可以将海上风电高效地输送到陆地电网，降低输电损耗，提高风电的利用率。然而，VSC-MTDC系统的协调控制是一个复杂而关键的问题。由于系统中包含多个换流站和不同类型的电源、负荷，各部分之间存在着紧密的耦合关系，当系统受到扰动时，如可再生能源发电的突然变化、交流系统故障等，如何确保各换流站之间的协同工作，实现功率的合理分配和系统的稳定运行，是亟待解决的技术难题。如果协调控制不当，可能导致系统功率失衡、电压波动过大，甚至引发系统崩溃，严重影响电力系统的安全稳定运行。此外，为了深入研究VSC-MTDC系统的运行特性和控制策略，开发高效可靠的模拟实验系统至关重要。通过模拟实验系统，可以在实验室环境下对不同的控制策略和运行场景进行测试和验证，为实际工程应用提供理论支持和技术参考。这不仅能够缩短研发周期、降低研发成本，还能提高系统的可靠性和稳定性，减少实际工程中的风险。综上所述，研究VSC-MTDC系统的协调控制及模拟实验系统具有重要的理论意义和实际应用价值。从理论层面来看，有助于深化对多端直流输电系统运行机理和控制策略的理解，推动电力系统控制理论的发展。从实际应用角度出发，能够为智能电网的建设、可再生能源的大规模开发利用提供关键技术支持，促进电力行业的可持续发展，对于满足不断增长的电力需求、保障能源安全和应对气候变化等方面都具有深远的意义。1.2国内外研究现状随着VSC-MTDC技术的不断发展，国内外学者在其协调控制策略和模拟实验系统设计方面展开了广泛而深入的研究。在协调控制策略研究方面，国外的研究起步较早，取得了一系列具有开创性的成果。美国、欧洲等地区的科研团队在理论研究和工程实践方面都处于领先地位。文献中提出了基于模型预测控制（MPC）的VSC-MTDC系统协调控制策略，通过对系统未来状态的预测，提前优化控制量，有效提高了系统的动态响应性能和鲁棒性。该策略能够在复杂的工况下，如新能源发电的大幅波动、交流系统故障等，快速准确地调整换流站的运行状态，维持系统的稳定运行。德国的研究人员提出了一种基于分布式协同控制的方法，通过各换流站之间的信息交互和协同工作，实现了系统功率的优化分配和电压的稳定控制，显著提升了系统的可靠性和灵活性。这种分布式控制方式避免了集中式控制的单点故障问题，使得系统在部分换流站出现故障时仍能保持正常运行。国内的研究也紧跟国际步伐，在VSC-MTDC系统协调控制领域取得了丰硕的成果。清华大学的研究团队针对含大规模风电的VSC-MTDC系统，提出了一种考虑风电不确定性的协调控制策略，通过建立风电功率预测模型和不确定性分析模型，优化了系统的功率分配和电压控制，提高了系统对风电接入的适应性。该策略能够有效应对风电的间歇性和波动性，减少对系统稳定性的影响。浙江大学的学者们提出了基于智能算法的协调控制策略，如粒子群优化算法、遗传算法等，通过对控制参数的优化，提高了系统的控制性能和效率。这些智能算法能够在复杂的解空间中快速搜索到最优解，为VSC-MTDC系统的协调控制提供了新的思路和方法。在模拟实验系统设计方面，国外已经开发出了一些成熟的商业软件和实验平台，如PSCAD/EMTDC、MATLAB/Simulink等，这些软件和平台具有强大的仿真功能和丰富的元件库，能够满足不同类型VSC-MTDC系统的模拟实验需求。例如，PSCAD/EMTDC软件在电力系统电磁暂态仿真方面具有独特的优势，能够精确模拟VSC-MTDC系统的各种运行工况和故障场景，为控制策略的研究和验证提供了可靠的工具。国内在模拟实验系统设计方面也取得了显著进展。一些高校和科研机构自主研发了具有特色的模拟实验系统，如基于实时数字仿真器（RTDS）的VSC-MTDC实验平台，该平台能够实现对VSC-MTDC系统的实时仿真和控制，为研究人员提供了更加真实的实验环境。此外，国内还在实验系统的硬件设备研发、软件算法优化等方面进行了深入研究，不断提高模拟实验系统的性能和精度。尽管国内外在VSC-MTDC系统协调控制策略和模拟实验系统设计方面取得了众多成果，但仍存在一些不足之处。在协调控制策略方面，现有策略在应对复杂工况和不确定性因素时，如极端天气条件下新能源发电的剧烈变化、通信故障导致的信息传输中断等，系统的鲁棒性和可靠性还有待进一步提高。此外，部分控制策略的计算复杂度较高，对硬件设备的要求苛刻，在实际工程应用中受到一定限制。在模拟实验系统设计方面，虽然现有的实验系统能够模拟大部分运行工况，但对于一些特殊的、极端的工况，如换流站的严重故障、系统的谐振现象等，模拟的准确性和全面性还有待提升。同时，实验系统与实际工程之间的差距也需要进一步缩小，以提高实验结果对实际工程的指导意义。1.3研究内容与创新点1.3.1研究内容VSC-MTDC系统协调控制策略研究：深入分析VSC-MTDC系统的运行特性，建立精确的数学模型，全面考虑系统中各换流站之间的耦合关系以及不同类型电源和负荷的特性。基于此，提出一种融合模型预测控制（MPC）和分布式协同控制的新型协调控制策略。该策略充分发挥MPC对系统未来状态的预测能力，提前优化控制量，实现对系统动态响应性能的提升；同时，借助分布式协同控制方式，通过各换流站之间的信息交互和协同工作，确保系统功率的合理分配和电压的稳定控制，有效增强系统的鲁棒性和可靠性。考虑不确定性因素的协调控制优化：针对可再生能源发电的间歇性、波动性以及负荷的不确定性等因素，建立详细的不确定性分析模型。结合随机优化理论，对所提出的协调控制策略进行优化，使系统能够在不确定性环境下保持稳定运行。通过引入鲁棒控制技术，增强系统对不确定性因素的适应能力，确保在各种复杂工况下，系统都能实现功率的稳定传输和电压的精确控制，提高系统的可靠性和稳定性。模拟实验系统的硬件设计：根据VSC-MTDC系统的特点和研究需求，设计一套完整的模拟实验系统硬件平台。该平台包括换流站主电路、控制电路、信号调理电路以及通信电路等部分。在主电路设计中，选用合适的电力电子器件，确保其具备足够的容量和性能，以满足模拟实验的要求；控制电路采用高性能的微控制器或数字信号处理器（DSP），实现对换流站的精确控制；信号调理电路用于对各种模拟信号进行处理和转换，使其能够满足控制器的输入要求；通信电路则负责实现各换流站之间以及换流站与上位机之间的通信，确保信息的快速、准确传输。模拟实验系统的软件设计与实现：开发一套功能完善的模拟实验系统软件，实现对实验过程的全面控制和数据采集分析。软件部分主要包括控制算法实现模块、实时监控模块、数据存储与分析模块等。控制算法实现模块将所研究的协调控制策略通过编程实现，确保其能够在实验系统中准确运行；实时监控模块实时显示系统的运行状态，包括电压、电流、功率等参数，以便研究人员及时了解系统的运行情况；数据存储与分析模块负责对实验过程中采集到的数据进行存储和分析，为评估控制策略的性能提供依据，通过数据分析，研究人员可以深入了解系统的运行特性，发现潜在问题，并对控制策略进行进一步优化。模拟实验与结果分析：利用所设计的模拟实验系统，对提出的协调控制策略进行全面的实验验证。设置多种不同的运行工况和故障场景，如新能源发电的大幅波动、交流系统故障、负荷突变等，模拟实际电力系统中可能出现的各种情况。通过实验，详细分析系统在不同工况下的动态响应性能、功率分配效果以及电压稳定性等指标。将实验结果与理论分析进行对比，验证协调控制策略的有效性和可行性，为实际工程应用提供可靠的参考依据。1.3.2创新点提出新型协调控制策略：创新性地将模型预测控制与分布式协同控制相结合，充分发挥两者的优势，有效提升了VSC-MTDC系统在复杂工况下的动态响应性能、功率分配合理性以及电压稳定性，为解决VSC-MTDC系统的协调控制难题提供了新的思路和方法。这种融合控制策略能够更全面地考虑系统的各种运行特性和不确定性因素，实现对系统的精细化控制，相较于传统的单一控制策略，具有更强的适应性和鲁棒性。考虑不确定性因素的优化控制：建立了全面的不确定性分析模型，并结合随机优化理论和鲁棒控制技术对协调控制策略进行优化，使系统能够更好地应对可再生能源发电和负荷的不确定性，显著提高了系统在复杂环境下的可靠性和稳定性。通过对不确定性因素的深入分析和量化处理，优化后的控制策略能够在不确定性条件下做出更加合理的决策，确保系统的稳定运行，为可再生能源的大规模接入和高效利用提供了有力的技术支持。设计高性能模拟实验系统：自主设计并实现了一套集硬件和软件于一体的高性能模拟实验系统，该系统具有高度的灵活性和可扩展性，能够精确模拟VSC-MTDC系统的各种运行工况和故障场景。通过该实验系统，能够对协调控制策略进行全面、深入的实验验证，为研究人员提供了一个真实、可靠的实验平台，有助于加速VSC-MTDC系统控制技术的研究和发展，缩短从理论研究到实际工程应用的周期。二、VSC-MTDC系统基础理论2.1VSC-MTDC系统结构与工作原理VSC-MTDC系统主要由换流站、直流输电线路以及相关的控制系统组成，其拓扑结构决定了系统的输电能力、可靠性和灵活性。常见的拓扑结构包括放射形、环网形和混联形等。放射形拓扑结构简单，易于实现和控制，如图1所示为四端放射形VSC-MTDC系统结构。在该结构中，各个换流站通过直流线路呈放射状连接，每个换流站都可以独立地与交流系统进行功率交换。这种拓扑结构的优点是建设成本相对较低，适用于电源和负荷分布较为分散的场景，如分布式能源接入。但它的缺点也较为明显，当某条直流线路发生故障时，与之相连的换流站可能会失去与其他部分的连接，影响系统的可靠性。例如，若图1中连接换流站3的直流线路出现故障，换流站3将无法正常向其他换流站传输功率，可能导致局部地区的电力供应中断。【配图1张：四端放射形VSC-MTDC系统结构示意图】环网形拓扑结构则具有更高的可靠性和灵活性，以三端环网形VSC系统为例，其接线图如图2所示。在环网形结构中，换流站通过直流线路形成环状连接，当某条线路发生故障时，功率可以通过其他路径传输，从而保证系统的正常运行。这使得环网形拓扑在对供电可靠性要求较高的场合，如城市电网中具有很大的优势。然而，环网形拓扑的控制相对复杂，需要考虑功率在环网中的分配和流动，以避免出现环流等问题，增加了系统的控制难度和成本。【配图1张：三端环网形VSC系统接线图】混联形拓扑结合了放射形和环网形的优点，适用于更复杂的电力系统场景，如多个风电场并网。它能够在保证一定可靠性的同时，根据不同区域的电力需求和电源分布，灵活地进行功率传输和分配。但混联形拓扑的设计和分析更为复杂，需要综合考虑多种因素，如不同拓扑部分的协调控制、功率平衡等。每个换流站是VSC-MTDC系统的核心组成部分，主要由电压源换流器（VSC）、换流变压器、滤波器和无功补偿设备等构成。其中，VSC是实现交直流转换的关键装置，它采用全控型电力电子器件，如绝缘栅双极晶体管（IGBT）。这些全控型器件能够通过精确的控制策略，灵活地实现电能的双向流动和功率的调节。以三相全桥VSC为例，其工作原理基于脉宽调制（PWM）技术。通过控制IGBT的导通和关断时间，VSC可以将输入的交流电转换为直流电，或者将直流电转换为交流电。在整流过程中，VSC将交流系统的电能转换为直流电能，传输到直流线路上；在逆变过程中，VSC则将直流线路上的电能转换为交流电，输送到交流系统中。在整流时，VSC通过控制IGBT的开关，将交流电压按照一定的规律斩波，使其转换为直流电压。具体来说，当交流电压为正半周时，控制部分IGBT导通，将交流电压的正半周转换为直流电压的正值；当交流电压为负半周时，控制另一部分IGBT导通，将交流电压的负半周转换为直流电压的正值，从而实现整流功能。逆变过程则是整流的逆过程，通过控制IGBT的开关，将直流电压转换为交流电压输出。换流变压器用于实现交流系统与VSC之间的电气隔离和电压匹配，它能够根据系统的需求，将交流系统的电压转换为适合VSC工作的电压等级。滤波器则用于滤除换流过程中产生的谐波，提高电能质量。由于VSC在工作过程中会产生各种谐波，这些谐波如果不加以滤除，会对交流系统和直流系统产生不良影响，如增加线路损耗、影响设备寿命等。无功补偿设备用于调节系统的无功功率，维持交流系统的电压稳定。在电力系统中，无功功率的平衡对于电压的稳定至关重要，VSC虽然能够独立控制有功和无功功率，但在某些情况下，仍需要额外的无功补偿设备来满足系统的需求。在VSC-MTDC系统中，功率传输和转换过程涉及到多个环节的协同工作。当功率从交流系统传输到直流系统时，首先由换流站中的VSC将交流电能转换为直流电能。在这个过程中，VSC通过控制其输出电压的幅值和相位，实现与交流系统的功率交换。通过调节VSC输出电压的幅值，可以控制有功功率的传输；通过调节VSC输出电压的相位，可以控制无功功率的传输。转换后的直流电能通过直流输电线路传输到其他换流站。直流输电线路具有电阻小、损耗低的特点，能够实现高效的长距离输电。在传输过程中，需要考虑直流线路的电阻、电感和电容等参数对功率传输的影响，以确保功率的稳定传输。到达接收端换流站后，VSC再将直流电能转换为交流电能，输送到交流系统中。在这个过程中，接收端换流站的VSC需要根据交流系统的需求，精确地控制输出电压和频率，以保证电能的质量和稳定性。2.2VSC数学模型建立为了深入研究VSC-MTDC系统的运行特性和控制策略，建立精确的VSC数学模型是至关重要的基础。在三相两电平VSC中，其主电路结构如图3所示，主要由六个全控型电力电子器件（IGBT）组成的三相全桥电路以及直流侧电容C和交流侧滤波电感L构成。【配图1张：三相两电平VSC主电路结构图】在建立数学模型时，为了简化分析过程，通常会做出以下假设：三相交流系统保持平衡，不存在电压或电流的不对称情况；电力电子器件（如IGBT）被视为理想开关，忽略其导通电阻、关断时间等非理想特性对系统的影响；直流侧电容足够大，能够维持直流电压U_{dc}的稳定，使其波动在可忽略的范围内；交流侧滤波电感为线性元件，其电感值不随电流大小和频率变化。基于上述假设，在三相静止abc坐标系下，根据基尔霍夫电压定律（KVL），可以得到VSC交流侧的电压方程为：\begin{cases}u_{sa}=Ri_a+L\frac{di_a}{dt}+u_{ca}\\u_{sb}=Ri_b+L\frac{di_b}{dt}+u_{cb}\\u_{sc}=Ri_c+L\frac{di_c}{dt}+u_{cc}\end{cases}其中，u_{sa}、u_{sb}、u_{sc}分别为三相交流电源电压；i_a、i_b、i_c为VSC交流侧三相电流；u_{ca}、u_{cb}、u_{cc}为VSC交流侧输出电压；R为交流侧线路电阻；L为交流侧滤波电感。然而，在三相静止abc坐标系下，交流量都是随时间变化的正弦量，这使得系统的分析和控制变得复杂。为了简化分析和实现解耦控制，通常采用Park变换，将三相静止abc坐标系下的变量转换到以同步角速度\omega旋转的d-q同步旋转坐标系下。经过Park变换后，VSC在d-q同步旋转坐标系下的数学模型为：\begin{cases}u_{sd}=Ri_d+L\frac{di_d}{dt}-\omegaLi_q+u_{cd}\\u_{sq}=Ri_q+L\frac{di_q}{dt}+\omegaLi_d+u_{cq}\end{cases}其中，u_{sd}、u_{sq}分别为三相交流电源电压在d、q轴上的分量；i_d、i_q为VSC交流侧电流在d、q轴上的分量；u_{cd}、u_{cq}为VSC交流侧输出电压在d、q轴上的分量。在VSC的控制中，有功功率P和无功功率Q是两个重要的控制量。通过对d-q同步旋转坐标系下的电压和电流分量进行分析，可以得到有功功率P和无功功率Q的表达式为：\begin{cases}P=\frac{3}{2}(u_{sd}i_d+u_{sq}i_q)\\Q=\frac{3}{2}(u_{sq}i_d-u_{sd}i_q)\end{cases}当d轴以电网电压向量定向时，即u_{sq}=0，此时有功功率P和无功功率Q的表达式可以进一步简化为：\begin{cases}P=\frac{3}{2}u_{sd}i_d\\Q=-\frac{3}{2}u_{sd}i_q\end{cases}从上述简化后的表达式可以清晰地看出，在这种情况下，通过独立调节d轴电流i_d，可以实现对有功功率P的精确控制；通过独立调节q轴电流i_q，则可以实现对无功功率Q的有效控制。这种解耦控制特性为VSC的控制策略设计提供了重要的理论依据，使得在实际应用中能够更加灵活、精确地控制VSC的运行，满足不同的电力系统运行需求。例如，在可再生能源并网应用中，可以根据可再生能源的发电功率波动情况，实时调节VSC的有功功率输出，确保电能的稳定传输；同时，根据交流系统的电压需求，调节无功功率输出，维持交流系统的电压稳定。2.3VSC-HVDC系统控制原理VSC-HVDC系统的控制是确保其稳定、高效运行的关键，通常采用分层控制结构，这种结构将系统的控制功能进行合理划分，使得不同层次各司其职，协同工作，从而实现对整个系统的精确控制。分层控制结构一般可分为系统级控制、换流站级控制和换流阀级控制等多个层次。系统级控制处于整个控制结构的顶层，它主要负责与电力调度中心进行交互，接收来自调度中心的各种控制命令，如系统的运行模式切换指令、功率设定值等。同时，系统级控制还需对整个VSC-HVDC系统的运行状态进行宏观监测和分析，根据系统的实时运行情况，综合考虑各方面因素，如系统的功率平衡、电压稳定性、各换流站的运行能力等，制定出合理的控制策略，并将相应的控制指令下发到换流站级控制层。在系统发生故障或异常情况时，系统级控制能够迅速做出响应，协调各换流站的动作，采取有效的故障处理措施，保障系统的安全稳定运行。例如，当检测到某个换流站的功率传输出现异常时，系统级控制会根据预先设定的策略，调整其他换流站的功率分配，以维持整个系统的功率平衡。换流站级控制是VSC-HVDC系统控制的核心层次之一，它负责对单个换流站进行具体的控制操作，以实现系统级控制下达的控制指令。在换流站级控制中，矢量控制是一种常用且重要的控制策略。矢量控制的基本原理是基于前文所述的VSC在d-q同步旋转坐标系下的数学模型。通过对该模型的深入分析可知，在d-q坐标系下，VSC的有功功率和无功功率可以分别通过对d轴电流和q轴电流的独立控制来实现解耦控制。具体实现过程如下：首先，通过锁相环（PLL）技术精确获取交流系统电压的相位信息，从而确定d-q坐标系的方向，使得d轴与交流系统电压矢量定向。这样，在后续的控制过程中，就可以基于这个定向的坐标系进行精确的控制计算。然后，根据系统级控制给定的有功功率参考值P_{ref}和无功功率参考值Q_{ref}，以及当前VSC的实际运行状态，如交流侧电压、电流等反馈信息，通过一系列的控制算法计算出d轴电流参考值i_{dref}和q轴电流参考值i_{qref}。常用的控制算法包括比例积分（PI）控制算法，PI控制器通过对参考值与实际值之间的偏差进行比例和积分运算，能够快速、准确地调节控制量，使得实际值跟踪参考值。以有功功率控制为例，将有功功率参考值P_{ref}与实际测量得到的有功功率P相比较，得到功率偏差\DeltaP=P_{ref}-P，将这个功率偏差输入到PI控制器中，PI控制器根据其内部的比例系数K_p和积分系数K_i进行运算，输出d轴电流参考值i_{dref}，即i_{dref}=K_p\DeltaP+K_i\int\DeltaPdt。同理，对于无功功率控制，通过将无功功率参考值Q_{ref}与实际无功功率Q相比较，得到无功功率偏差\DeltaQ=Q_{ref}-Q，再经过PI控制器运算得到q轴电流参考值i_{qref}。得到d轴电流参考值i_{dref}和q轴电流参考值i_{qref}后，将它们与实际测量得到的VSC交流侧电流在d、q轴上的分量i_d和i_q进行比较，得到电流偏差\Deltai_d=i_{dref}-i_d和\Deltai_q=i_{qref}-i_q。这些电流偏差再次输入到PI控制器中进行运算，得到相应的电压控制信号u_d和u_q。同时，为了提高控制系统的性能，还会引入前馈补偿和交叉耦合补偿等技术。前馈补偿可以根据系统的输入信号，提前对控制量进行调整，以减小系统的动态响应时间；交叉耦合补偿则可以消除d轴和q轴之间的耦合影响，进一步提高解耦控制的效果。在d轴电压控制中，除了考虑电流偏差经PI控制器得到的电压信号u_d外，还会引入前馈补偿信号，如交流侧电压的d轴分量u_{sd}，以及交叉耦合补偿信号，如\omegaLi_q，其中\omega为同步角频率，L为交流侧滤波电感，最终得到VSC交流侧d轴的控制信号u_{cd}=u_d+u_{sd}-\omegaLi_q。同理，在q轴电压控制中，得到VSC交流侧q轴的控制信号u_{cq}=u_q+\omegaLi_d。这些控制信号u_{cd}和u_{cq}将被用于生成PWM脉冲信号，以控制VSC中IGBT的导通和关断，从而实现对VSC有功功率和无功功率的精确控制。在实际应用中，矢量控制策略在VSC-HVDC系统中展现出了良好的性能。在新能源并网场景中，由于新能源发电的间歇性和波动性，需要VSC-HVDC系统能够快速、准确地调节功率。矢量控制策略可以根据新能源发电功率的变化，迅速调整VSC的有功功率输出，使其与新能源发电功率相匹配，确保电能的稳定传输。同时，通过对无功功率的精确控制，能够有效维持交流系统的电压稳定，提高电能质量。在一个包含风电场的VSC-HVDC系统中，当风速发生变化导致风电场输出功率波动时，矢量控制策略能够及时调整VSC的有功功率和无功功率，使得风电场输出的电能能够稳定地并入交流电网，并且保证交流电网的电压波动在允许范围内。换流阀级控制是VSC-HVDC系统控制的最底层，它直接负责对VSC中的电力电子器件（如IGBT）进行触发控制。换流阀级控制根据换流站级控制生成的PWM脉冲信号，按照特定的时序和逻辑，精确地控制IGBT的导通和关断，从而实现VSC的交直流转换功能。在这个过程中，需要考虑IGBT的开关特性、开关频率、死区时间等因素，以确保换流阀的可靠运行和电能转换的高效性。合适的开关频率选择可以在保证电能质量的前提下，降低IGBT的开关损耗；合理设置死区时间则可以避免IGBT在开关过程中出现直通现象，保护器件安全。三、VSC-MTDC系统协调控制策略3.1传统控制策略分析在VSC-MTDC系统的发展历程中，传统控制策略发挥了重要的基础作用，其中直流电压-有功功率调节特性相关的控制策略，如直流电压下垂控制策略，是早期应用较为广泛的一种方式。其基本原理基于直流电压与有功功率之间的线性关系，通过调整换流站的有功功率输出来维持直流电压的稳定。当直流电压升高时，换流站根据预先设定的下垂系数，自动减少有功功率输出；反之，当直流电压降低时，换流站增加有功功率输出，以此来实现系统的功率平衡和电压稳定。以一个简单的三端VSC-MTDC系统为例，假设三个换流站分别为站1、站2和站3，站1采用定功率控制，站2和站3采用直流电压下垂控制。当站2所连接的交流系统出现负荷增加的情况时，站2的有功功率输出会相应增加，导致直流电压下降。根据下垂控制特性，站3会检测到直流电压的降低，然后自动增加其有功功率输出，从而分担站2的部分功率负担，维持直流电压在一定范围内波动。这种控制策略的优点在于实现相对简单，不需要复杂的通信系统，各换流站能够根据本地测量的直流电压信息自主调整功率输出，具有一定的自治性和灵活性，在一定程度上能够应对系统的功率波动和扰动。然而，随着电力系统的发展和对VSC-MTDC系统性能要求的不断提高，传统的直流电压-有功功率调节特性控制策略在实际应用中逐渐暴露出诸多局限性。在面对复杂多变的运行工况时，其控制性能表现不佳。当系统中存在多个换流站同时发生功率变化，或者出现新能源发电的剧烈波动等情况时，传统下垂控制策略难以快速、准确地协调各换流站之间的功率分配。由于下垂系数是预先设定的固定值，在不同的工况下可能无法实现最优的功率分配效果，容易导致部分换流站过载，而其他换流站的调节能力未能充分发挥，影响系统的整体稳定性和可靠性。传统控制策略在控制精度方面存在明显不足。由于其基于线性关系的控制原理，在实际系统中，直流电压与有功功率之间并非完全线性，存在一定的非线性因素和干扰，这使得传统控制策略难以实现对直流电压和有功功率的精确控制。在系统受到较小的扰动时，可能会出现直流电压的持续波动，无法快速恢复到稳定值，影响系统的电能质量。在一些对电压稳定性要求较高的场合，如城市电网的关键节点，这种控制精度的不足可能会引发一系列问题，如影响敏感设备的正常运行。传统控制策略在应对系统不确定性因素时的鲁棒性较差。可再生能源发电的间歇性和波动性、负荷的随机变化以及通信延迟等不确定性因素，都会对系统的稳定运行产生影响。传统控制策略往往无法有效地处理这些不确定性，当遇到极端的不确定性情况时，如强风导致的风电功率瞬间大幅变化，可能会使系统陷入不稳定状态，甚至引发系统故障。通信延迟可能导致换流站之间的信息交互不及时，使得基于本地信息的传统控制策略无法做出准确的决策，进一步降低了系统的可靠性。3.2改进协调控制策略设计为了克服传统控制策略的局限性，提升VSC-MTDC系统在复杂工况下的运行性能，本文提出一种改进的协调控制策略。该策略在传统控制策略的基础上，增加了斜率控制段和定直流电压控制段，以实现更灵活、精确的功率调节和电压控制。同时，在斜率控制与定直流电压控制的切换过程中引入滞环控制，有效提高系统的稳定性和可靠性。改进策略的核心思路在于充分利用不同控制方式的优势，针对系统在不同运行阶段的特点进行优化控制。在系统正常运行时，斜率控制段发挥作用，它根据直流电压的变化斜率来调整换流站的有功功率输出。具体而言，当检测到直流电压的变化斜率超过预设的阈值时，换流站会根据预先设定的斜率控制系数，快速调整有功功率，以抑制直流电压的变化趋势。与传统的基于固定下垂系数的控制方式不同，斜率控制能够更及时地响应直流电压的动态变化，尤其在面对新能源发电的快速波动等情况时，能够更有效地维持系统的功率平衡和电压稳定。在某风电场接入VSC-MTDC系统的场景中，当风速突然变化导致风电场输出功率在短时间内大幅波动时，斜率控制段可以根据直流电压的变化斜率迅速调整换流站的有功功率，使系统能够快速适应功率的变化，减少直流电压的波动幅度。当系统进入稳态运行阶段，直流电压相对稳定，此时定直流电压控制段开始工作。定直流电压控制通过精确控制换流站的有功功率，使直流电压稳定在设定的额定值附近。这种控制方式能够有效提高直流电压的控制精度，减少电压偏差，从而提升系统的电能质量。在城市电网的VSC-MTDC系统中，定直流电压控制可以确保直流电压的稳定，为城市中的各类敏感负荷提供高质量的电力供应，避免因电压波动而影响设备的正常运行。为了确保斜率控制与定直流电压控制之间的平稳切换，避免因频繁切换导致系统的不稳定，引入滞环控制是关键。滞环控制通过设置两个阈值，即上限阈值U_{h1}和下限阈值U_{h2}（U_{h1}>U_{h2}），来判断系统的运行状态并决定控制方式的切换。当直流电压U_{dc}上升到超过上限阈值U_{h1}时，系统从斜率控制切换到定直流电压控制，以限制直流电压的进一步升高；而当直流电压U_{dc}下降到低于下限阈值U_{h2}时，系统又从定直流电压控制切换回斜率控制，以便及时调整有功功率，防止直流电压过低。在这个过程中，只要直流电压在滞环区间[U_{h2},U_{h1}]内波动，系统就保持当前的控制方式不变，从而有效避免了因直流电压的微小波动而导致的频繁控制方式切换，增强了系统的稳定性。在一个包含多个换流站的VSC-MTDC系统中，当某一换流站所连接的交流系统出现短暂的负荷变化时，直流电压会在一定范围内波动。由于滞环控制的存在，系统不会因为这种小幅度的电压波动而频繁切换控制方式，而是保持当前稳定的控制状态，确保系统的可靠运行。与传统控制策略相比，改进后的协调控制策略具有多方面的显著优势。在控制精度方面，通过定直流电压控制段的精确调节，能够将直流电压的偏差控制在极小的范围内，大大提高了系统的电压稳定性，满足了对电压质量要求较高的电力用户的需求。在动态响应性能上，斜率控制段的引入使得系统能够更快速地对功率波动做出反应，有效减少了直流电压在暂态过程中的波动幅度和持续时间，增强了系统对新能源发电间歇性和波动性的适应能力。在一个包含多个风电场和负荷中心的VSC-MTDC系统中，当多个风电场同时受到不同风速变化的影响，导致功率大幅波动时，改进后的协调控制策略能够迅速调整各换流站的功率输出，使系统在短时间内恢复稳定运行，有效保障了电力的可靠供应。改进策略还提高了系统在复杂工况下的可靠性。滞环控制的应用避免了控制方式的频繁切换，降低了系统的运行风险，减少了设备的磨损和故障概率，提高了系统的整体可靠性和使用寿命。3.3控制策略仿真验证为了全面、准确地评估所提出的改进协调控制策略的性能和有效性，本研究选择在PSCAD/EMTDC仿真平台上搭建VSC-MTDC系统模型。PSCAD/EMTDC是一款在电力系统电磁暂态仿真领域应用广泛且功能强大的软件，它具备丰富的元件库，能够精确模拟各种电力系统元件和设备的特性，为VSC-MTDC系统的研究提供了可靠的仿真环境。所搭建的VSC-MTDC系统模型采用四端结构，这种结构在实际电力系统中具有一定的代表性，能够涵盖多端直流输电系统的典型运行特性和控制需求。四个换流站分别连接不同的交流系统，其中换流站1连接的交流系统作为功率源，为整个系统提供电能；换流站2和换流站3连接的交流系统带有不同类型的负荷，模拟实际电力系统中负荷的多样性；换流站4连接一个包含风电和光伏的新能源发电场，以充分考虑可再生能源发电的间歇性和波动性对系统的影响。在实际电力系统中，风电和光伏的出力会受到天气、光照等因素的影响，具有很强的不确定性，因此在仿真模型中考虑这一因素对于验证控制策略的有效性至关重要。为了使仿真结果更具说服力和实用性，设置了多种不同的工况对改进控制策略进行全面仿真测试。在正常运行工况下，系统各部分稳定运行，换流站按照预设的功率分配方案进行功率传输。此时，观察改进控制策略下系统的功率分配情况、直流电压稳定性以及各换流站的运行状态。通过仿真数据可以看出，在正常运行工况下，改进控制策略能够使系统保持良好的功率平衡，直流电压稳定在额定值附近，波动范围极小，各换流站的有功功率和无功功率输出稳定，能够满足负荷需求，确保系统的可靠运行。设置了新能源发电波动工况。由于风电和光伏的发电特性，其输出功率会随时间发生剧烈变化。在仿真中，模拟风速和光照强度的随机变化，使新能源发电场的输出功率在短时间内大幅波动。在这种工况下，改进控制策略的优势得以充分体现。当新能源发电功率增加时，斜率控制段迅速响应，根据直流电压的变化斜率，及时调整换流站的有功功率输出，将多余的电能输送到其他交流系统，避免直流电压过高；当新能源发电功率减少时，控制策略同样能够快速调整，确保系统的功率平衡和直流电压稳定。与传统控制策略相比，改进控制策略能够更有效地抑制直流电压的波动，使系统更快地恢复稳定运行状态，大大提高了系统对新能源发电间歇性和波动性的适应能力。在某一时刻，风速突然增大，导致风电功率在1秒内从50MW增加到80MW，传统控制策略下，直流电压迅速上升，波动幅度超过了5%，经过较长时间才逐渐恢复稳定；而在改进控制策略下，直流电压的波动幅度被控制在2%以内，并且在0.5秒内就恢复到了稳定值，有效保障了系统的稳定运行。还设置了交流系统故障工况，如三相短路故障。在仿真中，在换流站2所连接的交流系统中设置三相短路故障，持续时间为0.1秒。故障发生时，系统的功率平衡被打破，电压和电流出现剧烈波动。改进控制策略能够迅速检测到故障，并通过协调各换流站的动作，采取有效的故障穿越措施。换流站1会迅速减少有功功率输出，避免向故障点输送过多的短路电流；换流站3和换流站4则根据系统的需求，调整自身的功率输出，维持系统的功率平衡。同时，定直流电压控制段在故障恢复过程中发挥重要作用，确保直流电压尽快恢复到额定值，使系统能够快速恢复正常运行。在这种故障工况下，改进控制策略有效地提高了系统的故障穿越能力，减少了故障对系统的影响，保障了电力的可靠供应。与传统控制策略相比，改进控制策略能够使系统更快地从故障中恢复，减少了停电时间，提高了系统的可靠性。通过对不同工况下的仿真结果进行详细分析，可以得出以下结论：在功率分配方面，改进控制策略能够根据系统的实时需求，更加合理地分配各换流站的有功功率和无功功率，避免出现功率分配不均的情况，提高了系统的运行效率。在直流电压稳定性方面，无论是在正常运行工况还是在各种扰动工况下，改进控制策略都能够将直流电压稳定在较小的范围内，有效抑制直流电压的波动，提高了系统的电压稳定性。在动态响应性能方面，改进控制策略对各种工况变化的响应速度更快，能够在短时间内调整系统的运行状态，使系统迅速恢复稳定，增强了系统的抗干扰能力。综上所述，仿真结果充分验证了所提出的改进协调控制策略在VSC-MTDC系统中的有效性和优越性，为其实际工程应用提供了有力的理论支持和技术参考。四、VSC-MTDC系统模拟实验系统设计4.1硬件设计4.1.1换流站主要设备选型与功能换流站作为VSC-MTDC系统的核心组成部分，其主要设备的选型和功能直接影响着系统的性能和可靠性。在换流站主电路中，智能功率模块（IntelligentPowerModule，IPM）是核心设备之一。IPM集成了功率开关器件、驱动电路、保护电路等功能，具有体积小、可靠性高、易于使用等优点，广泛应用于电力电子领域。以三菱公司的PM50RSA120型IPM为例，其内部采用了高性能的绝缘栅双极晶体管（IGBT）作为功率开关器件，能够实现高效的电能转换。该型号IPM的额定电压为1200V，额定电流为50A，能够满足一般模拟实验系统的功率需求。在VSC-MTDC系统中，IPM主要负责将交流电转换为直流电或直流电转换为交流电，实现功率的双向流动。在整流过程中，IPM通过控制内部IGBT的导通和关断，将交流电压按照一定的规律斩波，使其转换为直流电压；在逆变过程中，IPM则将直流电压转换为交流电压输出。IPM还集成了多种保护功能，如过流保护、过压保护、过热保护等，能够有效提高系统的可靠性和稳定性。当过流保护功能检测到电流超过设定阈值时，会迅速关断IGBT，防止器件因过流而损坏；过热保护功能则通过监测IPM内部的温度，当温度过高时，采取相应的散热措施或关断器件，保护IPM的正常运行。这些保护功能能够在系统出现异常情况时，及时对设备进行保护，避免故障的扩大，确保换流站的安全稳定运行。除了IPM，换流站还包括其他重要设备，如换流变压器、滤波器等。换流变压器用于实现交流系统与VSC之间的电气隔离和电压匹配，其选型需要考虑系统的电压等级、功率容量等因素。在模拟实验系统中，选择合适的换流变压器能够确保交流系统与VSC之间的正常连接和功率传输。滤波器则用于滤除换流过程中产生的谐波，提高电能质量。由于VSC在工作过程中会产生各种谐波，这些谐波如果不加以滤除，会对交流系统和直流系统产生不良影响，如增加线路损耗、影响设备寿命等。因此，滤波器的选型和设计对于保证系统的正常运行至关重要。在选择滤波器时，需要根据系统的谐波特性和要求，选择合适的滤波器类型和参数，以达到最佳的滤波效果。4.1.2系统整体硬件架构设计系统整体硬件架构是实现VSC-MTDC系统模拟实验的基础，它包括主电路和控制电路两大部分，两者紧密协作，共同完成系统的各项功能。主电路负责电能的传输和转换，控制电路则负责对主电路进行精确控制，确保系统的稳定运行。主电路主要由换流站、直流输电线路和交流系统模拟部分组成。换流站是主电路的核心，包含多个换流单元，每个换流单元由智能功率模块（IPM）、换流变压器和滤波器等组成。以四端VSC-MTDC系统模拟实验为例，四个换流站通过直流输电线路相互连接，形成多端直流输电网络。直流输电线路采用合适的电缆或导线，根据系统的功率需求和传输距离，选择具有相应载流能力和绝缘性能的材料。交流系统模拟部分用于模拟实际的交流电网，包括交流电压源、电感、电容等元件，通过调节这些元件的参数，可以模拟不同类型的交流系统，如弱电网、强电网等。控制电路主要由数字信号处理器（DSP）、现场可编程门阵列（FPGA）和其他外围电路组成。DSP负责实现各种控制算法，如前文所述的改进协调控制策略，通过对系统状态的实时监测和计算，生成相应的控制信号。以TMS320F2812型DSP为例，它具有高速的运算能力和丰富的外设接口，能够满足VSC-MTDC系统复杂的控制需求。FPGA则主要用于实现逻辑控制和信号处理功能，如PWM脉冲的生成和调制。以EP3C25Q240C8型FPGA为例，它具有大量的逻辑单元和丰富的I/O接口，可以灵活地实现各种逻辑功能。DSP和FPGA之间通过高速总线进行通信，实现数据的快速传输和共享。在实际应用中，DSP将计算得到的控制信号发送给FPGA，FPGA根据这些信号生成精确的PWM脉冲，控制IPM的导通和关断，从而实现对主电路的控制。其他外围电路包括信号调理电路、通信电路等。信号调理电路用于对各种模拟信号进行处理和转换，使其能够满足DSP和FPGA的输入要求。电流传感器采集的电流信号通常需要经过放大、滤波等处理，才能被控制器准确识别和处理。通信电路则负责实现各换流站之间以及换流站与上位机之间的通信，常用的通信方式有以太网、CAN总线等。通过通信电路，各换流站可以实时交换信息，实现协调控制；上位机可以对整个系统进行监控和管理，方便研究人员进行实验操作和数据分析。在一个包含多个换流站的VSC-MTDC系统模拟实验中，各换流站通过CAN总线进行通信，将各自的运行状态信息发送给其他换流站和上位机。上位机可以实时显示各换流站的电压、电流、功率等参数，并根据实验需求对系统进行远程控制，如调整控制策略的参数、切换运行模式等。【配图1张：VSC-MTDC系统模拟实验系统整体硬件架构图】图中清晰地展示了主电路和控制电路的连接方式和各部分的作用。主电路中的换流站通过直流输电线路连接，实现电能的传输；控制电路中的DSP和FPGA通过总线连接，协同工作，对主电路进行控制。信号调理电路和通信电路分别与主电路和控制电路相连，为系统的正常运行提供支持。这种硬件架构设计具有结构清晰、功能明确、易于扩展等优点，能够满足VSC-MTDC系统模拟实验的各种需求。4.1.3主电路设计换流站主电路的设计是VSC-MTDC系统模拟实验系统硬件设计的关键环节，它直接影响着系统的性能和可靠性。主电路设计主要包括交流侧电路和直流侧电路两部分，需要对主要元件的参数进行精确计算和合理选型。在交流侧电路设计中，换流变压器的参数计算和选型至关重要。换流变压器的主要作用是实现交流系统与VSC之间的电气隔离和电压匹配。其变比的选择需要根据交流系统的电压等级和VSC的工作电压来确定。假设交流系统电压为U_{ac}，VSC的交流侧额定电压为U_{vsc}，则换流变压器的变比k可表示为k=\frac{U_{ac}}{U_{vsc}}。在实际计算中，还需要考虑变压器的损耗、电压调整率等因素，对计算结果进行适当修正。交流侧滤波电感L的参数计算也不容忽视。滤波电感的主要作用是滤除VSC工作时产生的谐波电流，提高交流侧的电能质量。其电感值L的计算公式为L=\frac{U_{vsc}}{\omegaI_{h}}，其中\omega为交流系统的角频率，I_{h}为允许的谐波电流最大值。通过合理选择滤波电感的电感值，可以有效抑制谐波电流，降低谐波对交流系统的影响。在直流侧电路设计中，直流电容C的参数计算是关键。直流电容的主要作用是维持直流电压的稳定，减小直流电压的波动。其电容值C的计算公式为C=\frac{P}{\omega_{0}U_{dc}\DeltaU_{dc}}，其中P为换流站的额定功率，\omega_{0}为直流电压的角频率，U_{dc}为直流额定电压，\DeltaU_{dc}为允许的直流电压波动范围。在实际应用中，需要根据系统的功率需求和对直流电压稳定性的要求，选择合适的电容值，以确保直流电压的稳定。以一个额定功率为100kW，交流系统电压为380V，VSC交流侧额定电压为400V，允许的谐波电流最大值为5A，直流额定电压为700V，允许的直流电压波动范围为\pm5\%的换流站为例，进行主电路元件参数计算。换流变压器的变比k=\frac{380}{400}=0.95，考虑到变压器的损耗和电压调整率，实际选择变比为1的变压器。交流侧滤波电感L=\frac{400}{2\pi\times50\times5}\approx0.255H，实际选择电感值为0.25H的滤波电感。直流电容C=\frac{100\times10^{3}}{2\pi\times0\times700\times(700\times0.05)}\approx0.013F=13mF，实际选择电容值为15mF的直流电容。通过以上计算和选型，能够设计出满足实验需求的换流站主电路，确保VSC-MTDC系统模拟实验系统的正常运行。在实际搭建主电路时，还需要考虑元件的布局、散热等问题，以提高系统的可靠性和稳定性。各元件之间的连接应采用合适的导线和连接器，确保电气连接的可靠性；对于功率较大的元件，如换流变压器和IPM，需要设计合理的散热装置，以防止元件过热损坏。4.1.4控制电路设计控制电路是VSC-MTDC系统模拟实验系统的核心组成部分，它负责实现各种控制策略，确保系统的稳定运行。选用高性能的数字信号处理器（DSP）芯片TMS320F2812和现场可编程门阵列（FPGA）芯片EP3C25Q240C8等进行控制电路设计，能够满足系统对控制精度和实时性的要求。TMS320F2812是一款高性能的32位定点DSP芯片，属于TI公司的C2000系列。它具有丰富的外设接口，包括多个通用输入输出端口（GPIO）、模数转换器（ADC）、串行通信接口（SCI、SPI）等，能够方便地与各种外部设备进行通信和数据采集。在VSC-MTDC系统中，TMS320F2812主要负责实现各种控制算法，如前文所述的改进协调控制策略。它通过对系统状态的实时监测和计算，生成相应的控制信号，实现对换流站的精确控制。TMS320F2812通过ADC采集交流侧和直流侧的电压、电流信号，经过计算和处理后，根据改进协调控制策略生成相应的控制指令，控制VSC的运行。EP3C25Q240C8是一款基于CycloneIII系列的FPGA芯片，具有丰富的逻辑资源和高速的信号处理能力。在控制电路中，FPGA主要用于实现逻辑控制和信号处理功能，如PWM脉冲的生成和调制。它能够根据DSP发送的控制信号，生成精确的PWM脉冲，控制智能功率模块（IPM）的导通和关断，从而实现对主电路的控制。FPGA还可以实现一些复杂的逻辑功能，如数据缓存、信号同步等，提高系统的可靠性和稳定性。在VSC-MTDC系统中，FPGA根据DSP发送的控制指令，生成相应的PWM脉冲序列，通过驱动电路控制IPM的开关状态，实现电能的转换和传输。TMS320F2812和EP3C25Q240C8之间通过高速总线进行通信，实现数据的快速传输和共享。TMS320F2812将计算得到的控制信号通过总线发送给EP3C25Q240C8，EP3C25Q240C8根据这些信号生成PWM脉冲，并将PWM脉冲的状态反馈给TMS320F2812。这种通信方式能够确保控制信号的及时传输和处理，提高系统的响应速度。控制电路还包括其他外围电路，如电源电路、复位电路、时钟电路等。电源电路为整个控制电路提供稳定的电源，确保芯片和其他元件的正常工作；复位电路用于在系统启动或出现异常时，对芯片进行复位操作，使其恢复到初始状态；时钟电路则为芯片提供精确的时钟信号，保证系统的同步运行。这些外围电路虽然看似简单，但对于控制电路的稳定运行起着至关重要的作用。【配图1张：VSC-MTDC系统模拟实验系统控制电路原理图】图中清晰地展示了TMS320F2812、EP3C25Q240C8以及其他外围电路的连接方式。TMS320F2812通过总线与EP3C25Q240C8相连，实现数据的传输；电源电路、复位电路和时钟电路分别与TMS320F2812和EP3C25Q240C8连接，为它们提供必要的工作条件。这种控制电路设计结构合理、功能完善，能够满足VSC-MTDC系统模拟实验系统对控制精度和实时性的要求，为系统的稳定运行提供了可靠的保障。4.2软件设计4.2.1系统主程序流程设计系统主程序是模拟实验系统软件的核心部分，其流程图如图4所示，它全面涵盖了系统初始化、数据采集、控制算法执行以及数据输出等关键环节，各环节紧密相连，协同工作，确保整个模拟实验系统的稳定、高效运行。【配图1张：系统主程序流程图】系统初始化是主程序运行的首要步骤，它对整个系统的正常运行起着基础性的关键作用。在这一阶段，首先对数字信号处理器（DSP）和现场可编程门阵列（FPGA）进行初始化配置。对于DSP，需要设置其内部的各种寄存器，以确定其工作模式、时钟频率等关键参数。例如，配置时钟寄存器，选择合适的时钟源和分频系数，确保DSP能够以稳定、准确的时钟频率运行，为后续的高速数据处理和精确控制提供保障。对中断控制寄存器进行设置，确定中断的优先级和触发方式，以便在系统运行过程中能够及时响应各种中断事件，如数据采集完成中断、控制算法定时中断等。针对FPGA，初始化工作主要集中在对其内部逻辑电路的配置。通过加载特定的配置文件，使FPGA实现预设的逻辑功能，如PWM脉冲生成逻辑、信号处理逻辑等。在PWM脉冲生成逻辑配置中，设置PWM脉冲的频率、占空比等参数，确保其能够准确地控制智能功率模块（IPM）的导通和关断，实现电能的高效转换。对通信接口进行初始化，设置通信协议、波特率等参数，确保FPGA与其他设备之间能够进行稳定、可靠的通信。完成硬件初始化后，紧接着进行控制算法参数的初始化。根据预先设计的VSC-MTDC系统控制策略，对控制算法中的各种参数进行赋值。在改进协调控制策略中，设置斜率控制段的斜率系数、定直流电压控制段的电压设定值以及滞环控制的上下限阈值等参数。这些参数的准确设置直接关系到控制策略的实施效果，影响着系统的稳定性和性能。数据采集是实时监测VSC-MTDC系统运行状态的重要手段，它为控制算法的执行提供了准确、可靠的数据支持。主程序按照设定的采样频率，周期性地启动数据采集过程。通过模数转换器（ADC）对交流侧和直流侧的电压、电流信号进行采集。在采集交流侧电压信号时，首先对信号进行调理，通过电压互感器将高电压转换为适合ADC输入的低电压信号，然后经过滤波电路去除信号中的噪声和干扰，最后输入ADC进行数字化转换。采集到的数据经过初步处理后，存储在特定的数据缓冲区中，等待后续的处理和分析。在数据处理过程中，可能会采用数字滤波算法对采集到的数据进行进一步的滤波处理，以提高数据的准确性和可靠性。采用均值滤波算法，对多次采集到的数据进行平均计算，去除偶然出现的异常数据，得到更能反映实际运行状态的数据。控制算法执行是系统主程序的核心环节，它根据采集到的数据和预设的控制策略，计算出相应的控制信号，以实现对VSC-MTDC系统的精确控制。主程序调用预先编写好的控制算法子程序，如改进协调控制策略算法。该算法首先对采集到的电压、电流数据进行分析和处理，计算出系统的有功功率、无功功率以及直流电压等关键参数。然后，根据这些参数与预设的参考值进行比较，通过一系列的控制运算，生成相应的控制信号，如d轴电流参考值i_{dref}和q轴电流参考值i_{qref}。这些控制信号经过进一步处理后，发送给FPGA，由FPGA生成精确的PWM脉冲，控制IPM的导通和关断，从而实现对VSC-MTDC系统的控制。在控制算法执行过程中，还会实时监测系统的运行状态，根据实际情况对控制参数进行调整和优化，以提高系统的控制性能和稳定性。当检测到系统出现功率波动较大的情况时，自动调整控制算法中的参数，增强系统对功率变化的响应能力，确保系统能够快速恢复稳定运行。数据输出环节负责将系统运行过程中的关键数据进行存储和显示，以便研究人员对系统的运行状态进行分析和评估。主程序将采集到的数据以及控制算法计算得到的结果，如电压、电流、功率等数据，通过通信接口发送给上位机。上位机接收到数据后，进行存储和可视化处理。在存储方面，将数据存储在数据库中，以便后续的查询和分析。在可视化处理方面，通过专门的监控软件，将数据以图表、曲线等直观的形式显示出来，使研究人员能够实时、清晰地了解系统的运行状态。通过绘制直流电压随时间变化的曲线，研究人员可以直观地观察到直流电压的稳定性和波动情况；通过显示各换流站的有功功率和无功功率，了解系统的功率分配情况。研究人员还可以根据需要，对数据进行进一步的分析和处理，如计算功率因数、谐波含量等，评估系统的电能质量。4.2.2A/D采样子程序设计A/D采样子程序在VSC-MTDC系统模拟实验中承担着至关重要的任务，它负责将模拟信号精确转换为数字信号，为后续的控制算法和数据分析提供基础数据。该子程序的主要功能是实现对交流侧和直流侧的电压、电流等模拟信号的快速、准确采集。在交流侧电压采集方面，由于交流电压通常为高电压信号，首先需要通过电压互感器将其按一定比例降压，转换为适合A/D转换器输入范围的低电压信号。降压后的信号可能会混入各种噪声和干扰，因此需要经过滤波电路进行处理。常用的滤波电路如低通滤波器，能够有效滤除高频噪声，保留信号的有用成分。经过滤波后的信号被输入到A/D转换器中，A/D转换器按照预定的采样规则，将模拟信号转换为数字信号。在这个过程中，需要确保A/D转换器的采样精度和转换速度满足系统要求，以保证采集到的数据能够准确反映交流侧电压的实际情况。在电流采集方面，对于交流侧电流，通常采用电流互感器将大电流转换为小电流，再经过类似的滤波处理后输入A/D转换器。直流侧电流的采集也需要相应的传感器和信号调理电路，以确保采集到的信号能够准确代表直流侧电流的大小。在选择电流传感器时，需要考虑其精度、线性度、响应时间等参数，以满足系统对电流采集的要求。采样频率的设置是A/D采样子程序设计中的关键环节，它直接影响着采集数据的准确性和系统的实时性。采样频率的选择需要综合考虑多个因素。根据奈奎斯特采样定理，为了能够准确地还原原始信号，采样频率应至少为信号最高频率的两倍。在VSC-MTDC系统中，交流侧信号通常包含50Hz的基波以及各种谐波成分，其中高次谐波的频率可能达到数千赫兹。因此，为了准确采集交流侧信号，采样频率一般需要设置在数kHz以上。系统对实时性的要求也会影响采样频率的选择。如果系统需要对信号的变化做出快速响应，就需要较高的采样频率，以便及时捕捉到信号的动态变化。在实际应用中，还需要考虑A/D转换器的性能限制以及数据处理的负担。如果采样频率过高，可能会超出A/D转换器的转换速度，导致数据丢失；同时，过高的采样频率也会产生大量的数据，增加数据处理和存储的压力。因此，需要在保证数据准确性和系统实时性的前提下，合理选择采样频率，以达到最佳的性能平衡。数据处理是A/D采样子程序的重要组成部分，它能够进一步提高采集数据的质量和可用性。在数据处理过程中，通常会采用数字滤波算法对采集到的数字信号进行处理。中值滤波算法是一种常用的数字滤波算法，它通过对连续采集的多个数据进行排序，取中间值作为滤波后的输出。这种算法能够有效地去除偶然出现的脉冲干扰，提高数据的稳定性。在某一时刻，由于外界干扰，采集到的电压数据出现了一个异常的尖峰脉冲，通过中值滤波算法处理后，这个尖峰脉冲被去除，得到了更准确的电压数据。为了提高数据的准确性，还可以采用多次采样取平均值的方法。对同一信号进行多次采样，然后计算这些采样值的平均值作为最终的采集结果。通过多次采样取平均值，可以减小采样误差，提高数据的精度。在实际应用中，还可以根据具体需求，对采集到的数据进行归一化处理、标幺值计算等，以便于后续的数据分析和控制算法的执行。归一化处理可以将不同范围的采集数据映射到一个统一的范围内，方便数据的比较和分析；标幺值计算则可以将实际的物理量转换为相对值，便于对系统的运行状态进行评估和分析。4.2.3控制中断子程序设计控制中断子程序在VSC-MTDC系统模拟实验中起着至关重要的作用，它能够及时响应系统中的各种事件，确保控制的实时性和准确性，保障系统的稳定运行。控制中断子程序的触发条件主要包括定时中断和外部事件中断。定时中断是按照预先设定的时间间隔周期性触发的，它在控制算法的定时执行中发挥着关键作用。通过设置定时器，每隔一定的时间（如1ms）触发一次中断，控制中断子程序在中断发生时被调用，从而实现控制算法的定时执行。这种定时触发机制能够保证控制算法按照固定的时间周期对系统进行调节和控制，使系统的运行更加稳定和可靠。外部事件中断则是由外部信号的变化触发的，这些外部信号通常与系统的运行状态密切相关。当检测到交流侧电压或电流异常时，相应的传感器会产生一个信号变化，触发外部事件中断。在VSC-MTDC系统中，当交流侧出现过电压或过电流情况时，电压传感器或电流传感器会检测到信号的异常变化，并将这个变化作为触发信号，使控制中断子程序立即响应。直流侧电压波动超过设定阈值时，也会触发外部事件中断。这些外部事件中断能够及时捕捉到系统中的异常情况，使系统能够迅速做出响应，采取相应的措施进行调整和保护，避免故障的进一步扩大。当中断触发后，控制中断子程序会迅速执行一系列的中断服务内容。读取A/D转换结果是首要任务，通过读取A/D转换器中存储的最新数据，获取交流侧和直流侧的电压、电流等实时信息。这些数据是后续控制算法执行的重要依据，能够反映系统当前的运行状态。根据A/D转换结果计算系统的当前状态参数，如有功功率、无功功率以及直流电压等。在计算有功功率和无功功率时，会利用之前建立的VSC数学模型和相关公式，结合采集到的电压和电流数据进行精确计算。根据这些计算得到的状态参数，执行相应的控制算法。如果检测到直流电压过高，控制算法会根据预设的控制策略，调整换流站的有功功率输出，以降低直流电压，使其恢复到正常范围内。在控制中断子程序执行过程中，与主程序之间存在着密切的交互。控制中断子程序在执行完相应的控制操作后，会将处理结果反馈给主程序。在调整换流站的有功功率输出后，会将新的功率设定值以及相关的控制状态信息发送给主程序。主程序根据这些反馈信息，更新系统的状态显示和数据存储，以便研究人员能够及时了解系统的最新运行情况。主程序也会为控制中断子程序提供必要的参数和指令。在系统初始化阶段，主程序会将控制算法的初始参数传递给控制中断子程序，使其能够按照预定的控制策略进行工作。在系统运行过程中，主程序还可以根据实际需要，向控制中断子程序发送指令，调整控制算法的参数或切换控制模式，以适应不同的运行工况。这种主程序与控制中断子程序之间的紧密交互，能够确保系统在各种情况下都能实现精确、稳定的控制。4.2.4数字PI算法子程序设计数字PI（比例-积分）算法在VSC-MTDC系统控制中占据着核心地位，它能够实现对系统的精确控制，有效提高系统的稳定性和动态性能。在VSC-MTDC系统中，数字PI算法主要应用于对有功功率、无功功率以及直流电压等关键参数的控制。以有功功率控制为例，数字PI算法的作用是根据有功功率的参考值P_{ref}和实际测量值P之间的偏差，计算出相应的控制量，以调整换流站的运行状态，使实际有功功率P能够快速、准确地跟踪参考值P_{ref}。在VSC-MTDC系统中，当需要调整有功功率输出时，首先获取当前的有功功率测量值P，将其与预先设定的参考值P_{ref}进行比较，得到功率偏差\DeltaP=P_{ref}-P。这个功率偏差\DeltaP作为数字PI算法的输入，经过算法的计算，输出一个控制信号，该控制信号用于调节换流站中相关设备的运行参数，如调节VSC中IGBT的导通和关断时间，从而实现对有功功率的精确控制。PI参数整定是数字PI算法应用中的关键环节，其整定结果直接影响着控制效果。常用的PI参数整定方法有多种，其中Ziegler-Nichols法是一种经典且广泛应用的方法。该方法的基本步骤如下：首先，将积分系数K_i设置为0，只保留比例控制，逐渐增大比例系数K_p，使系统产生等幅振荡。记录此时的比例系数K_{p1}和振荡周期T_1。然后，根据Ziegler-Nichols经验公式计算出合适的比例系数K_p和积分系数K_i。对于PI控制器，其计算公式为K_p=0.45K_{p1}，K_i=\frac{1.2K_{p1}}{T_1}。在实际应用中，由于VSC-MTDC系统存在各种非线性因素和干扰，单纯依靠Ziegler-Nichols法整定的参数可能无法达到最佳的控制效果。因此，通常需要结合实际系统的运行情况，采用试凑法对PI参数进行进一步的优化调整。通过不断地调整K_p和K_i的值，观察系统的控制效果，如功率跟踪的准确性、系统的稳定性等，直到找到一组能够使系统性能达到最佳的PI参数。在某VSC-MTDC系统中，采用Ziegler-Nichols法初步整定PI参数后，发现系统在动态响应过程中存在一定的超调量，经过多次试凑调整，适当减小了比例系数K_p，增大了积分系数K_i，最终使系统的超调量明显减小，动态响应性能得到了显著提升。数字PI算法子程序的实现流程如下：首先，初始化PI控制器的参数，包括比例系数K_p、积分系数K_i以及积分项的初始值。在系统启动时，将这些参数设置为预先整定好的值，确保PI控制器能够正常工作。然后，读取系统的反馈信号，如有功功率、无功功率或直流电压的实际测量值，并与参考值进行比较，计算出偏差值。在有功功率控制中，读取当前的有功功率测量值P，与参考值P_{ref}相比较，得到功率偏差\DeltaP。根据偏差值，按照数字PI算法的公式进行计算。数字PI算法的基本公式为u(k)=K_p\Deltae(k)+K_i\sum_{j=0}^{k}\Deltae(j)，其中u(k)为第k时刻的控制输出，\Deltae(k)为第k时刻的偏差值。在计算过程中，需要注意积分项的累加和溢出问题，合理处理积分饱和现象，以保证控制算法的稳定性和准确性。在实际应用中，当系统出现较大的扰动时，可能会导致偏差值较大，积分项迅速累加，从而出现积分饱和现象。为了避免积分饱和对控制效果的影响，可以采用积分限幅的方法，当积分项超过一定的阈值时，将其限制在该阈值范围内，确保控制算法能够正常工作。最后，将计算得到的控制输出值发送给相应的执行机构，如控制VSC的PWM脉冲生成电路，以实现对系统的控制。将计算得到的控制信号发送给FPGA，由FPGA根据该信号生成精确的PWM脉冲，控制IGBT的导通和关断，从而调节VSC的运行状态，实现对系统的有效控制。五、VSC-MTDC模拟实验系统实现与实验分析5.1实验系统搭建按照前文的硬件和软件设计方案，搭建VSC-MTDC模拟实验系统。在硬件搭建过程中，严格遵循电气安全规范，确保各设备之间的连接牢固、可靠。首先，进行换流站主电路的搭建。将智能功率模块（IPM）、换流变压器、滤波器等设备按照设计的电路原理图进行连接。在连接IPM时，注意其引脚的正确连接，避免出现短路或断路等问题。采用合适的导线和连接器，确保电气连接的可靠性，同时要注意导线的截面积应满足系统的电流承载要求，以防止导线过热。对换流变压器进行安装和调试，确保其变比准确，绕组之间的绝缘性能良好。在调试过程中，使用专业的测试仪器，如变比测试仪、绝缘电阻测试仪等，对换流变压器的各项参数进行检测，确保其符合设计要求。搭建控制电路，将数字信号处理器（DSP）、现场可编程门阵列（FPGA）以及其他外围电路进行连接。在连接DSP和FPGA时，注意其通信接口的匹配和时序的正确性，确保数据能够快速、准确地传输。在进行硬件调试时，使用示波器、逻辑分析仪等工具，对电路中的信号进行监测和分析，及时发现并解决问题。在调试过程中，发现DSP与FPGA之间的数据传输存在错误，通过检查硬件连接和软件配置，发现是由于通信接口的电平不匹配导致的，经过调整电平转换电路，解决了数据传输错误的问题。完成硬件搭建后，进行软件的烧录和调试。将编写好的控制算法程序烧录到DSP中，将配置文件下载到FPGA中。在软件调试过程中，利用示波器、逻辑分析仪等工具，对关键信号进行监测和分析，确保软件能够正确地实现各种控制功能。在调试过程中，发现A/D采样子程序采集到的数据存在偏差，经过检查程序代码和硬件连接，发现是由于A/D转换器的参考电压不稳定导致的，通过更换参考