大学本科毕业设计论文基于VSC的高压直流输电系统控制策略研究课案Word下载.docx

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作为一种新型的输电技术，目前在国内，其相关的研究还处于初步阶段，因此对于此领域的研究特别是相对不够成熟的控制策略研究具有深刻的理论意义和现实意义。

本文从VSC的单相电路结构入手简要地分析VSC-HVDC输电系统的工作原理及控制方式。

在此基础上对在给定控制方式的VSC-HVDC输电系统，导出了其稳态数学模型，再根据非线性控制理论中的状态反馈精确线性化方法对所导出的数学模型进行了全局精确线性化，从而将系统的非线性数学模型转化为完全能控的线性方程，再根据二次型最优控制理论设计了VSC-HVDC输电系统的非线性控制器。

在分析含VSC的交直流混合输电系统模型的基础上，对系统的非线性模型进行了线性化和偏差化，从而得到交直流混合输电系统的状态方程和输出方程，再根据有结构约束的分散协调控制理论，得出了系统的最优控制规律，并在此基础上设计了适合交直流混合输电系统的分散协调控制器。

最后利用电磁暂态仿真软件PSCAD／EMTDC，对本文提出的非线性控制器和分散协调控制器分别进行了计算机仿真研究。

仿真结果表明，本文所采用的VSC-HVDC输电系统模型可行，提出的线性化方法有效。

在输电系统发生故障或扰动时，本文所设计的非线性控制器和分散协调控制器均能有效地增加系统的阻尼，改善系统的暂态稳定性，减少直流输电线路电压和电流的振荡幅度和持续时间，使系统能够在较短的时间内恢复到正常运行状态，从而有效改善了输电系统的动态性能。

关键词：

VSC；

非线性控制；

分散协调控制；

PSCAD／EMTDC.

Abstract

ThetechnologyofHVDCpowertransmissionbasedonVSCwhichcouldbehighlycontrolledhadsomesuccessfulapplicationsinthepowersystems．Butasanewtechnology，studyinthisfieldisnotmatureinourcountry．Sothestudyinthisfield

especiallytheimmaturecontrolschemeisofgreatmeaninginboththeoryand

expenence.

Startingfromthestructureofsingle—phasecircuitofVCS，thisarticlebrieny

analyzedboththeprincipleandcontrolmethodofVSC—HVDCpowertransmission

system．OnthatbasisstablemathmodeloftheVSC—HVDCpowersystemundergivencontrolschemewasdeduced.Thenthemodelisconvertedtoafullycontrollable

linearmodelusingstatefeedbackandcoordinatetransformationinnonlinearsystem

controltheory．LastanonlinearoptimalcontrolstrategyisderiVedbasedonthe

optimalcontroltheor）roflinearsystems．Finallyanewnonlinearcontrolleris

designedforVSC—HVDCsystems．

Thestateequationandoutputequationareobtainedusinglinearizationmethod

onthebasisofanalyzingthehybridtransmissionsystems．Thenanoptimalcontrol

strategyisderivedbasedonthestructurerestrictioncontroltheoryofIinearsystems．

Finallyanewdecentralizedandcoordinatedcontrollerisdesignedforhybrid

transmissionsystems．

Numericalsimulationsofthenewlydesignednonlinearcontrolleranddecentralizedandcoordinatedcontrollerarecarriedoutbyusingtheelectromagnetic

transientsimulationsoftwarePSCAD／EMTDC．Simulationresultsshowthatthe

modelsusinginthepaperarefeasibleandthelinearizationmethodareefficient．

Controllerscanrestorethesystemsubjectedtoadisturbanceorfaulttonormalstate

fasterandbetterthanthesystemwiththeexistingcontrollers．ItimproVesefnciently

thedynamicperformanceofthehybridtransmissionsystems．

KeyWords：

NonlinearControl；

DecentralizedandCoordinatedControl；

PSCAD／EMTDC

目录

1绪论1

1.1引言1

1.2VSC-HDVC输电系统的特点2

1.2.1VSC-HDVC输电系统的优点2

1.2.2VSC-HVDC输电系统的缺点3

1.3VSC-HVDC输电系统的应用场合和情况4

1.4VSC-HVDC输电技术的研究现状6

1.5本文的主要工作7

2VSC—HVDC输电系统的基本原理8

2.1VSC的电路结构8

2.2VSC的调相原理9

2.3VSC的运行特性11

3VSC-HDVC系统新型非线性控制器设计14

3.1非线性控制理论简介14

3.2VSC-HVDC输电系统的控制方式15

3.3VSC—HVDC输电系统模型16

3.3.1VSC．HVDC输电系统的结构模型16

3.3.2VSC．HVDC输电系统的数学模型18

4基于PSCAD的仿真算例及分析20

4.1PSCAD／EMTDC仿真软件简介20

4.1.1PSCAD／EMTDC发展历程20

4.1.2PSCAD／EMTDC的程序结构和功能特点21

4.2新型非线性控制器仿真研究22

4.3结论24

1绪论

1.1引言

高压直流输电（HVDC）技术起源于20世纪20年代，经历了大半个世纪的发展历程，直到1954年才进入商业化运行，其标志性工程是连接哥特兰岛（Gotland）与瑞典大陆之间的直流输电工程。

采用高压直流输电技术，首先要解决的是换流器问题，因此高压直流输电技术的发展与换流技术的发展，其中特别是大功率电力电子技术的发展有着密切的关系。

换流技术是实现直流输电的基本条件，换流技术的高低是决定直流输电各种运行性能和经济性能的重要因素。

根据换流器的发展历程，直流输电技术的发展可分为以下三个时期：

汞弧阀换流时期、晶闸管换流时期、新型半导体换流时期。

由于汞弧阀制造技术复杂、价格昂贵、逆弧故障率高、可靠性较低、运行维护不便等因素，使直流输电技术的发展受到了一定的限制。

20世纪70年代后，随着电力电子技术和微电子技术的日趋完善，晶闸管换流阀和微机控制技术在直流输电技术中的得到了极大的应用，有效地提高了直流输电的运行性能和可靠性，大大地促进了直流输电技术的发展。

由于晶闸管

换流阀在实际运行过程中不存在逆弧问题，而且制造、运行、维护都比汞弧阀方便简单，因此原来采用汞弧阀换流器的直流输电技术逐步被晶闸管换流阀所取代。

与此同时，人们对高压直流输电技术进行了广泛而深入的研究，克服和改善了高压直流输电技术中的某些缺点和不足，这使高压直流输电系统的运行性能有了很大的提高，如损耗降低、谐波减少、噪音下降和控制保护技术更加先进等，这使其在许多场合得到了广泛的应用，如远距离大容量输电、跨海送电、异频联网、系统互联等。

尽管如此，从本质上来说，目前绝大部分高压直流输电工程与早期的直流输电工程并无区别，它们都是采用普通晶闸管换流阀（无自关断能力、频率低）进行换流，这使高压直流输电工程存在着一些其固有的缺陷，主要表现在：

需要输送直流有功功率的40％～60％来进行无功补偿，这就需要大量的无功功率补偿装置和滤波设备；

而且在甩负荷时会出现无功过剩，可能会引起输电系统的过电压；

不能与弱电力系统相连，否则容易发生换相失败；

普通晶闸管换流阀只能在有源逆变方式下工作，因此只能与有源电力网络相连；

晶闸管换流阀本身就是一个谐波源，因此需要配置专门的滤波装置，这就导致直流输电工程设备投资昂贵，占地面积大和建设工期长等缺点。

由于高压直流输电技术存在着上述缺陷，因此大大地限制了其在某些场合的应用。

20世纪90年代后，随着电力电子技术的发展，特别是新型大功率半导体器件如绝缘栅双极型晶闸管和门极可关断晶闸管的相继问世，使在高压直流输电系统中采用以全型器件为基础的电压源换流器（vroltageSourceConverter—VSC）成为了可能，这给直流输电技术的发展带来了新的机遇。

与传统的高压直流输电技术不同的是，基于VSC的高压直流输电（为了与传统的高压直流输电相区别，本文称之为VSC-HVDC输电系统）采用的是具有自关断能力的高频绝缘栅双极型晶闸管或门极关断晶闸管器件进行换流，这种新型的换流阀不需要交流系统提供换相电压；

与交流系统直接相连时，可以作为整流器运行也可以作为逆变器运行。

对于交流系统来说，它像是一个发电机（逆变运行）和电动机（整流运行），而且可以快速、连续地调节有功功率和无功功率。

这种换流技术的应用，克服了传统直流输电技术中存在的一些问题，如向弱交流系统以及无电源的负荷送电问题，换流站的无功补偿以及有功和无功控制的相互影响，交流侧和直流侧的滤波等。

这大大地拓宽了高压直流输电技术的应用领域，这给高压直流输电技术的发展带来了新的机遇，并将有力地推动高压直流输电技术的发展。

1.2VSC-HDVC输电系统的特点

1.2.1VSC-HDVC输电系统的优点

于VSC-HVDC输电技术是以全控型、可关断器件构成的电压源换流器以及脉宽调制（PulsewidthModulation即PWM）控制技术为基础，换流器中全控型器件代替了传统的半控型晶闸管，这使得它不仅能对换流阀的开通时刻进行控制外，还能对关断时刻进行控制，因此VSC-HVDC输电技术具有对传输的有功功率和无功功率进行同时控制的能力，以及可实现对无源交流网络供电等众多优点，它克服了传统的高压直流输电技术的缺点和不足，并扩展了直流输电的应用领域，与传统的高压直流输电技术相比其具有以下几个优点：

（1）VSC为自换相换流器，在运行过程中电流能够自关断，不需要外加的换流电压，因此它既可以在有源方式下工作，也可以在无源逆变方式下工作；

受端网络可以是有源网络也可以是无源网络。

而传统的高压直流输电技术采用普通晶闸管进行换流，需要外加的换流电压，只能在有源逆变方式下工作，因此只能与有源网络相连。

（2）正常运行时，VSC-HVDC输电系统可以同时且相互独立地控制换流阀所输出的有功功率和无功功率，其控制方式比较灵活、方便。

而传统的高压直流输电系统虽然也能由控制系统控制换流阀输出的有功功率和无功功率，但由于它的控制量只有触发角，因此换流器输出的有功和无功功率之间是相互耦合的，不可能对它们进行独立地控制。

（3）VSC不仅不需要交流侧提供无功功率，而且在某些特殊情况下还能动态补偿交流母线的无功功率，这对于稳定交流母线电压、提高电力系统的稳定性有一定的积极作用。

这意味当VSC-HVDC输电系统发生故障时，在一定的范围内，VSC可以向故障区域提供有功功率的紧急支援，也可以提供无功功率支持，从而提高输电系统电压和功角的稳定性。

而传统高压直流输电则需要吸收所输送的直流功率的40％～60％来进行无功补偿。

在发生故障情形，这对电力系统的稳定性是极为不利的。

（4）VSC采用可关断的自换相器件及采用脉宽调制技术，这使VSC在一个周波内可换相多次。

这一特性使VSC输出的电压和电流波形可以被调制成近似正弦波输出，并同时控制功率因数，这能限制换流器所产生的低次谐波，并保证电能质量，这大大减少了所需的滤波装置。

而传统的高压直流输电并不具备上述特征，它在一个周波内只能换相一次。

因此为了得到所需要的电能质量，它需要大量的滤波装置来消除谐波。

（5）VSC-HVDC输电技术的一个固有特性就是能够提高系统阻尼，因此VSC-HVDC输电系统在实际的运行过程中不但不会引起发电机组的次同步振荡，而且还会提高发电机组的次同步振荡阻尼。

而传统的高压直流输电并不具备这一特性。

（6）在VSC-HVDC输电技术中，它无需大量的换流变压器、直流滤波器、平波电抗器、无功补偿设备以及快速通信设备，因此这种输电技术可减少换流站的设备，简化换流站的结构。

对于小容量低电压的换流站，可以方便地采用模块式结构，从而可降低造价，提高电力系统的运行可靠性，缩短工期。

这在经济上具有较强的竞争力。

1.2.2VSC-HVDC输电系统的缺点

于VSC的高压直流输电技术与传统的高压直流输电技术相比，虽然具有一些比较明显的优点，但由于电力电子技术发展的限制，它也存在着一些缺陷和不足，主要体现在以下几个方面：

（1）由于电力电子器件容量及开关损耗的限制，绝缘栅双极型晶闸管和门极可关断晶闸管与传统的晶闸管相比，其单个元件功率较小且损耗较大，这就导致VSC-HVDC输电系统的输送容量不能与传统的高压直流输电系统相比，因此其不利于在大型的直流输电工程中应用，只能应用于输送容量较小的工程。

（2）电压源换流器与传统的电流源换流器相比，其单位千瓦制造成本较高。

因此仅应用于某些电流源换流器不能应用的场合。

（3）目前提高VSC-HVDC输电系统输送容量的措施除了尽可能多地将换流器串联、并联使用外，主要采用将多个VSC通过多重化的方法进行联结和控制。

然而，当联结的重数较多时会导致控制系统不灵活、动态响应速度较慢和故障承受能力较低等缺点。

1.3VSC-HVDC输电系统的应用场合和情况

经投运的VSC-HVDC输电工程大多用于两个交流电网互联的场合，但由于VSC-HVDC输电技术克服了传统高压直流输电技术的固有缺陷，大大地拓宽了直流输电的可能应用领域；

同时高压直流输电电缆的研制成功也大大地降低了直流输电线路的铺设成本，使直流电缆的铺设更加经济、快速、方便。

从经济上和技术上来说，以VSC为基础的高压直流输电工程非常适用于传统高压直流输电工程无法实现的场合。

其主要应用领域包括以下几个方面：

（1）向远方的孤立负荷点送电；

这些孤立的负荷点一般负荷较小且波动较大，因此通过长距离的交流输电线路对这些负荷地区供电既不经济，同时也受到交流传输功率极限的限制。

而传统的高压直流输电不能向无源负荷供电。

在输电性能上，VSC-HVDC输电系统既可以向有源负荷供电，又可以向无源负荷供电，且不受传输距离的限制，因此可以采用VSC-HVDC输电技术向这些负荷地区提供高效、清洁的电能来代替当地小型、低效的电站，这在经济上具有明显的效益。

如挪威的Trolla输电工程，该工程采用长距离海底电缆向海上天然气钻井平台上的用电设备供电。

．

（2）向城市送电；

随着工业化的发展，城市人口急剧膨胀，城市用电容量急增，通过交流线路向城市中心增加输电容量需要架设新的线路走廊。

但在某些情况下，新的输电走廊难以获得。

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。

VSC—HVDC输电技术采用地埋式电缆，所需的空间比交流架空线路小，同时也不会影响城市市容，但它的输送容量却比交流架空线路大。

因此通过VSC．HVDC输电技术向城市负荷中心供电是一种较好的选择。

如美国的EaglePass输电工程，该工程为背靠背异步互联工程，增加了电网的输电能力。

（3）小规模可再生能源的馈入；

随着环保型可再生能源（如风能、太阳能等）的开发，新能源的发展迫切需要将分散的小型电站通过经济环保的方式反馈回电网，而采用VSC-HVDC输电技术具有较明显的优势。

对于这一类型的电站来说，VSC-HVDC输电系统可输送电站的有功功率，同时还可以提供电站所需要的无功功率。

另外为了提高能源的利用效率，还可以允许不同发电机在不同的频率下运行。

如：

瑞典的Gotland和丹麦的Tjaereborg输电工程，这二个工程为风力发电提供电压支持且采用电缆传输电能，对环境的影响小。

（4）非同步运行电网之间的互联：

由于VSC-HVDC输电技术与传统的高压直流输电技术一样具有双向传输功率的能力，且两端VSC可以独立地调节交流侧所输出电压和相位，因此当两个非同步的交流系统需要交换较小容量的有功功率时，可采用VSC-HVDC输电系统将它们进行互联。

如澳大利亚的DirectLink、MurrayLink和美国的EaglePass输电工程。

（5）满足电力市场对输电网络的要求，能够很好地适应电力市场对于电能传输的要求，提高电能交易的自由度。

如美国的EaglePass和CrossSoundCable输电工程和澳大利亚的DirecLink输电工程。

（6）推动多端直流输电系统的发展：

由于VSC-HVDC输电系统在潮流反转时，电流方向反向而直流电压极性不变，另外每个电压源型换流器的输出都具有相同的极性，根据这几个特点可以方便地把任何数目的VSC连接到具有固定极性的直流母线上，从而构建既能方便地控制潮流又有较高可靠性的多端直流输电系统。

这种系统可以对多个孤立负荷地区、海上钻井平台供电。

在过去的10年中，由于快速、大功率、高压电力电子器件和直流输电电缆制造技术的发展，高压直流输电技术开始应用于一些新的领域。

减少温室气体排放的全球性趋势和可再生能源的发展，VSC-HVDC输电技术变得越来越重要，市场的牵引和技术的发展将有力地推动VSC-HVDC输电技术在不远的将来得到进一步的发展。

1.4VSC-HVDC输电技术的研究现状

利用基于全控型器件以及脉宽调制技术的VSC-HVDC输电技术最早是由加拿大McGiil大学的Boon．Tech等在1990年提出的，他们虽然提出了VSC-HVDC输电技术的概念，但是并没有给出其具体的系统模型、数学模型和有效的控制方式。

由于VSC-HVDC输电技术采用可关断电力电子器件和脉宽调制技术，克服了传统高压直流输电技术存在的缺点和不足，在控制方式上更加灵活，具有传统高压直流输电技术无法比拟的优越性，因此被认为是传统高压直流输电技术的理想替代品，因此吸引了国内外的许多专家和学者对它进行相关的研究工作，他们主要对VSC-HVDC输电系统的数学模型、运行特性、控制策略和保护等进行了一些探讨研究，并取得了一些成果。

尽管在国外已有一些成功的工程范例，但与传统的高压直流输电技术相比，其各项技术并不是非常成熟，许多基础理论和相关的应用问题尚需更深入的探讨，特别是VSC-HVDC输电系统的运行特性及相关的保护控制策略尤为引入关注。

国内VSC-HVDC输电技术的研究起步比国外晚，目前尚还属于起步阶段，但相关技术的研究己日趋成为一个热点，目前己经有多所高等学校和科研机构己展2000年“中国电力设备发展战略专家论坛”上，有关专家就提到要重视VSC-HVDC输电技术的发展。

但由于我国缺乏相应的工程经验，相关的研究工作只停留在理论研究或实验室软件仿真阶段，并没有进行更深一步的探讨或者进行硬件实验以校核仿真结果的正确性，所以有必要在VSC-HVDC输电技术研究尤其是在其控制策略研究的基础上建立其相应的物理模型和数学模型，这样既有利于对VSC-HVDC输电技术的进一步了解同时也为更深一步的研究提供实验平台。

随着高新技术产业的快速发展、可再生能源的全面开发以及电力市场的日益发展和完善，对高品质电能质量和电网运行灵活性和可靠性的要求进一步提高，VSC-HVDC输电技术必将在我国得到越来越广泛的重视、研究和应用。

此外，我国电网正处于高速发展时期，目前已进入从大区性电网向全国性互联电网过渡的。

由于我国能源的分布不均匀和负荷的相对集中使得西电东送、南北互供和全国联网成为我国电网发展的重要组成部分。

直流输电技术因其种种技术优势必将在西电东送和全国联网中起主导作用。

而VSC-HVDC输电技术具有传统的高压直流输电技术所没有的很多优点，因此，VSC-HVDC输电技术将在我国未来的电网互联工程中有很广泛的应用前景。

因此尽快提高该技术的研究水平，尽快投入实际工程应用，具有十分重要的意义和现实意义。

1.5本文的主要工作

作为一种新型的直流输电技术，虽然VSC-HVDC已经成功地投入到实际的运行当中，但由于它涉及到输配电工程、现代电力电子技术、自动控制理论、电力系统运行分析与控制、系统建模、仿真技术等学科领域，对其进行的理论研究仍然处于相对滞后的状态；

在国内相关的理论研究才刚刚起步不久。

而在VSC-HVDC．输电技术中，VSC的控制是其核心技术。

另外当多个VSC—HVDC输电系统与交流输电系统相连构成多端交直流混合输电系统时，它的控制策略和保护方式也将变得更加复杂。

随着VSC-HVDC输电系统的广泛应用，开展VSC-HVDC输电技术的控制策略的研究工作具有相当重要的意义。

本文侧重于研究非线性控制理论在VSC-HVDC输电系统中的应用，并结合线性系统控制理论，设计了VSC-HVDC输电系统的新型控制器。

主要工作包括以下几个部分：

首先在论文的第二章，从VSC的单相电路结构入手，介绍了在稳态的情况下VSC-HVDC输电系统的运行原理及控制方式，分析了输电系统中各个变量之间的相互关系，这为后面的三相VSC-HVDC输电系统的运行和控制研究提供了一定的理论基础。

第三章根据两端连接有源网络的VSC-HVDC输电系统的稳态模型，得出了输电系统在一定控制方式下的非线性数学模型，然后利用非线性控制理论的状态反馈和坐标变换的方法，将所得出的非线性数学模型转化为完全能控的线性数学模型，再根据二次型最优控制理论原理设计了VSC．HVDC输电系统的非线性控制器。

第四章首先简要地介绍了电磁暂态仿真软件PSCAD／EMTDC的发展历程和功能特点。

再根据第三章提出的非线性控制器，对VSC-HVDC输电系统发生扰动或