（电力系统及其自动化专业论文）svc与hvdc的非线性变结构协调控制的研究.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 h i g hv o l t a g ea n dd i r e c tc u r r e n tt r a n s m i s s i o n ( h v d c ) s y s t e mi sc o n t r o l l a b l eh i g m y , a n das e to fc o n t r o ls y s t e mi st h ec o r et e c h n o l o g yo fh v d c w h e t h e ro rn o th v d cs y s t e m c a l lr u nn o r m a l l yi sr e l a t i v ec l o s e l yw i t ht h eb a s i cc o n t r o l l e r m o r e o v e r , t h ea d d i t i o n a l c o n t r o l l e ra l s oi st h ei m p o r t a n tg u a r a n t e et oi m p r o v et h es t a b i l i t yo fn m n i n gi nh v d c a c t h em a i nc o n t e n t sh a v e ： f i r s t l y , t h ep a p e ri n t r o d u c e sb a s i cc o n s t i t u t i o no fh v d c a n d ，b a s e do nas y s t e m a t i c m a t h e m a t i c a lm o d e l ，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 n da 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 s e c o n d l y , t h eb a s i cc o n c e p to ft h ed i f f e r e n t i a lg e o m e t r yt h e o r yi si n t r o d u c e d t h ee x a c t l i n e a r i z a t i o nc o n d i t i o na n dt h el i n e a r i z a t i o np r o c e s sa r ea n a l y z e do nb a s i so fs i s os y s t e m a n dm i m os y s t e m ，r e s p e c t i v e l y t h eb a s i cp r i n c i p l eo ft h es l i d i n gv a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o l i se x p o u n d e d t h ed e s i g np r o c e s sa n dm e t h o di sa n a l y z e df u l l y ad e t a i la n a l y s i so nt h e v i b r a t i o nc a u s eo ft h es l i d i n gv a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o li sm a d e ，a n dw a y sh o wt ow e a k e n v i b r a t i o na r ed i s c u s s e d t h i r d l y ，ab a s i cc o n t r o l l e ro fh v d ci sd e s i g n e d t h i sp a p e ra d o p t st h ec o n s t a n t r e a c t i v ec u r r e n tc o n t r o la tt h ei n v e r t e r ，珊c hi sd i f f e r e n tf r o mt h et r a d i t i o n a lc o n t r o lm e t h o d t h ec o n s t a n tr e a c t i v ec u r r e n tc o n t r o lc a na d j u s tr e a c t i v ep o w e rc o n s u m ea tt h ei n v e r t e ra n d i m p r o v et h ev o l t a g es t a b i l i t y b a s e do nf e e d b a c kl i n e a r i z a t i o ni nt h en o n l i n e a rs y s t e m sa n d v a r i a b l e s t r u c t u r ec o n t r o lt h e o r yi nt h el i n e a rs y s t e m ，n e wn o n l i n e a rb a s i cc o n t r o l l e ra n d a d d i t i o n a lc o n t r o l l e ra r ed e s i g n e di n t h i sp a p e r t h ee f f e c t i v e n e s sa n ds u p e r i o r i t i e so fn e w c o n t r o l l e r sh a v eb e e nt e s t i f i e dt h r o u g hs i m u l a t i o n f o u r t h l y , f o c u s i n go nt h ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e nt h ec o n s u m e dr e a c t i v ep o w e ro f i n v e r t e ra n dt h ev o l t a g es t a b i l i t y , t h ec h a p t e ra d o p t e ds v ct oc o m p e n s a t er e a c t i v ep o w e ro f i n v e r t e rs ot h a ti tm a k et h ev o l t a g ea ti n v e r t e rs i d em o r es t a b i l e a f t e rm o d e l i n gas y s t e m e q u a t i o no fh v d ca n ds v c ，o nt h eb a s i so fd i f f e r e n t i a lg e o m e t r y , t h eg e n e r a t o rn o n l i n e a r s v ca n dh v d cs y s t e mi sp u t t e du p b yc o m b i n i n gt h ed i f f e r e n t i a lg e o m e t r yt h e o r yw i t ht h e v e c t o rv a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o lt h e o r y a tl a s t ，t h eh v d ca n ds v cn o n l i n e a rc o o p e r a t i v e c o n t r o l l e ri sp r e s e n t e d a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h a tt h et r a n s i e n tp e r f o r m a n c eo ft h e s y s t e mc a nb ei m p r o v e de f f e c t i v e l y , a n dt h ev o l t a g ep e r f o r m a n c ei sa l s of d _ r t h e ri m p r o v e d ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第l ll 页 r e a c hab e t t e rc o n t r o lr e s u l t k e yw o r d s ：h v d ct r a n s m i s s i o n ；s v c ；d cp o w e rm o d u l a t i o n ；v a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o l ； n o n l i n e a rc o n t r o l ；b a s i cc o n t r o l ；a d d i t i o n a lc o n 9 0 1 西南交通大学四南父嬗大罕 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，在年解密后适角本授权书； 2 不保密一使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：盟友秀指导老师签名：学位论文作者签名：澎，叉莴指导老师签名： 日期：加j 。，6 工日期：刀fo 。6 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： ( 1 ) 应用状态反馈精确线性化与线性系统的变结构控制理论相结合的方法，验证 了已经提出的直流系统中新型的基本控制器和附加控制器。仿真结果证明了控制器的 有效性与优越性。 ( 2 ) 通过建立含有直流功率调制和静止无功补偿器的系统状态方程，并运用非线 性系统理论以及变结构控制理论，设计出了直流功率调制与静止无功补偿器的非线性 协调控制规律。最后对系统进行了仿真，其结果表明所设计的控制规律能有效地提高 系统的暂态稳定性，并能进一步改善交流系统的电压，达到良好的控制效果。 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。 学位论文作者签名：盈芰菇 日期：2 , o l o 年6 月2 ，日 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 选题背景和研究意义 近年来，我国电网面临空前发展的局面。由于直流输电具有送电距离远、送电容 量大、控制灵活等特点，因此，直流输电工程将在西电东送、南北互供中承担主要送 电任务，在未来全国联网中发挥着重要作用。将新建电源的电能安全、稳定、可靠、 经济地送出是我国电网建设的基本任务，并应在此基础上逐步改善电网结构、推进全 国联网，这使得电网的发展比电源建设更具挑战性。在电网建设中，对电网的网络结 构、输电方式、输电新技术和电压等级等如何选择，不仅关系到电源建成后的电力输 送能力，更关系到电力系统安全稳定、工程效益、电力市场和电力营销等一系列问题。 直流输电技术以其独具的特点在我国未来电网的发展中将发挥重要作用。 近年来，直流输电是电力系统中迅速发展的一项新技术【l 】。h v d c 技术具有许多 独特的优点，在远距离大容量输电、电力系统联网、远距离海底电缆或大城市地下电 缆送电、配电网络的轻型直流输电等方面获得了广泛的应用。越来越多的电力系统采 用交、直流互联电刚2 】【3 】，由于大型受端电网的形成，近年来的系统规划已开始出现多 条直流和多条交流线路并列运行的多馈入交直流混合输电系统。通过合理的直流控制 系统设计可以显著地提高整个交、直流互联电网的安全稳定水平。 到2 0 2 0 年左右，我国将建成世界上罕见的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，其运行的复杂性和难度在国际上也是少见的。直流输电系统 正常运行时的控制稳定性变得尤其重要，因此，把h v d c 系统的控制问题作为我的研 究课题是有理论和现实意义的【4 】。 1 2 国内外研究动态 在高压直流输电系统中，控制环节是直流输电线路的核心，其控制系统一般包括 基本控制和附加控制。国内外在控制器的改善和设计方面做了大量工作。目前在实际 的直流输电工程中，直流输电基本控制器是以p i 控制器为主，附加控制器以p i d 控制 器为主。其控制思想是对系统状态方程做线性化处理，这种控制器结构简单，物理意 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 义明确，调整方便，稳定性好，可靠性高。但是，当系统运行点发生改变时，p i 控制 器就不能很好的反映系统的运行状态。为了使p i 控制器的参数能实时的反应系统运行 状态的变化，国外一些学者提出了自适应p i 控制器 5 【6 ，其控制思想是通过对系统运 行状态的实时估计，来自动调节p i 控制器的参数，使其更好地跟踪直流系统变化的运 行点。有的学者设计了直流输电的非线性控制器 7 】 8 【9 ，文献 7 将非线性自抗扰方法 应用于h v d c 系统的控制中，利用非线性变换将h v d c 详细模型进行反馈线性化，设 计了高压直流输电的基本控制器；文献 8 9 】分别用变结构控制规律和非线性自适应控 制方法设计了不同的非线性控制器，其效果明显比p i 控制器优越。 附加控制器的作用主要是提高交直流系统运行的动态性能，当交流系统受到大的 扰动时，线性的p i d 控制器不能很好地控制非线性的直流输电系统，故在交直流输电 系统的附加控制器设计方面，国内外有很多研究成剿1 0 h 19 1 。其中在文献 1 0 】 1 1 1 2 1 3 中，附加控制器设计的目的是为了改善直流系统的稳定性，文献 1 0 1 2 1 4 用模糊神 经网络法设计了直流输电系统的附加控制器，文献 1 1 用模糊控制法设计了附加控制 器，文献 1 3 】用鲁棒非线性规律设计了h v d c 的附加控制器，文献 1 5 【1 6 1 7 设计了 交直流输电系统的阻尼控制器，提高了系统的稳定性，文献 1 8 设计了应用于交直流互 联系统的直流功率调制的非线性自适应鲁棒控制器，文献 1 9 设计了紧急功率支援自适 应模糊附加控制器。总之，交直流系统的附加控制器因其设计目的不同有多种设计思 路 2 0 】。 随着电力电子技术及微型计算机的发展，先进的控制方法在电力系统控制中的应 用研究己遍及了电力系统的所有领域，直流输电系统的控制也不例外。 非线性系统反馈线性化方法是非线性系统控制理论中的一种有效方法，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、直接反馈线性化方法和逆 系统方法等。在电力系统非线性控制中，对基于微分几何理论的反馈线性化方法的研 究和应用很多 2 1 2 2 2 3 2 4 【2 5 】。文献 2 6 应用输入对状态反馈线性化方法研究了 i - - i v d c 系统的非线性控制规律。卢强等首先将微分几何方法用于h v d c 系统一阶仿射 模型的非线性反馈线性化控制器的设计中，并仿真证明了该方法的可行性和有效性。 在文献 2 7 1 中，采用h v d c 系统的三阶非仿射非线性控制模型，根据多变量控制的逆 系统方法，设计了基于非线性反馈线性化和线性二次型最优的组合控制器；而文献 2 8 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 则基于同样的控制系统，设计了非线性反馈线性化和满足一定极点配置要求的组合换 流控制器。由此可见，非线性反馈线性化方法在与其它成熟控制理论的结合应用方面 大有可为。 非线性变结构控制方法又可称为非线性滑动模态控制，在电力系统的非线性控制 中很早就得到了应用，是一种有效的非线性控制方法，具有如下一些优点：迅速的响 应、良好的暂态性能、容易实现以及对系统参数和外部扰动不敏感等。这种控制主要 有两种形式：一种是在微分几何方法的基础上，对线性系统采用线性变结构控制，这 一类方法仍然需要用到非线性控制反馈规律；另一种方法是在非线性系统模型上直接 设计变结构控制规律。目前，这两种形式的控制方法在电力系统中均有广泛的应用 【2 9 h 3 7 1 ，其中文献e 3 7 j 民i j 采用变结构控制理论设计了h v d c 系统中直流联络线的辅助变 结构控制器。 综上可见，非线性反馈线性化方法是一种适用面较宽的控制理论，可以和众多的 现代控制理论相结合，从而获得令人满意的控制效果。 1 3 论文思路和结构 本文一方面验证了文献 4 4 1 中已经提出了的h v d c 系统基本控制和附加控制规律， 另一方面还针对直流功率调制器与静止无功补偿器的协调作用，运用精确反馈线性化 及线性变结构理论，设计出了s v c 与h v d c 的非线性变结构协调控制规律。 第二章介绍了高压直流输电系统的控制原理。分别阐述h v d c 系统的控制特性、 直流输电控制系统分层结构、直流输电系统的各种调制功能以及直流调制在国内外工 程中的应用。 第三章对所用到的非线性控制理论中的精确反馈线性化理论和线性化变结构控制 理论作了详细的介绍，为下一步附加控制器的设计提供了理论依据。 第四章基于状态反馈精确线性化方法与线性系统的变结构理论，通过坐标变换和 非线性反馈，验证了文献 4 4 】已经提出的整流侧定直流电流、逆变侧定无功电流的基本 控制策略和附加控制策略，为后一章的比较提供依据。最后，在简单的交直流互联系 统上对该控制器进行了仿真，仿真结果表明所设计的控制器能有效地提高系统的暂态 稳定性，并进一步改善逆变侧的交流母线电压。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 第五章基于状态反馈精确线性化方法与线性系统的变结构理论，通过坐标变换和 非线性反馈，推导出了直流附加功率控制与静止无功补偿器的协调控制策略。并在装 有s v c 的h v d c 系统上对控制器进行了仿真，仿真结果表明，该控制器能有效地增强 系统阻尼、抑制发电机功角摇摆，同时也较好地维持了逆变侧交流母线电压，从而提 高了系统的暂态稳定性。 最后，第六章对全文所作的工作进行了总结和展望。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章高压直流输电的控制原理 直流输电的优点之一，是能够通过换流器触发相位的控制，实现快速和多种方式 的调节。为了改善直流输电系统本身的运行特性，需要进行各种调节，而且还可以扩 大到以交流系统为对象进行调节，即充分利用直流输电系统快速调节的特点，以改善 交流系统的运行特性，是由调节方式所确定的，所以，自动调节系统在直流输电系统 中占有重要地位。本章在建立系统数学模型的基础上，分析了直流输电系统的主要控 制和调节方式的原理及控制特性。 2 1 数学模型的建立和可控性分析 以图2 一l 所示的直流输电线路为例，忽略直流线路对地分布电容c 2 时，整流器的 直流电流就等于逆变器的直流电流，其等值电路图如图2 2 所示。 s 三相 交流 输电 三相 交流 输电 图2 1 直流输电系统原理接线图 c m 一触发脉冲发生装置； 一相位控制电路；孓一调节器；f 卜变压器分接头调节 器 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 r crs rdr c i _ y l旷l l jl jl 厶 jl jl l 毽 q 气 一石 旨 l蓉 - 一 - x -o心 * to 心 ，lr 、 寸 高 百 o i 整流器线路i 逆变器 i 图2 - 2 直流输电系统等值电路图 图中， = 丝ec o s 口：1 3 5 ec o s 口是整流侧空载直流电压， 吃，：墨垒巨c o s 口：1 3 5 ec o s 口是逆变侧空载直流电压；r c r 、也是整流侧、逆变侧的 等值换向电阻；也是直流线路电路；口是整流器的触发滞后角，声是逆变器的触发越 前角。 由图2 - 2 可知，从整流器流向逆变器的直流电流为： 厶= 坠落铲 p ， 整流器终端直流电压： = c o s a r 。，l d( 2 - 2 ) 整流器终端功率为： 乃= i , t ( 2 3 ) 逆变器侧的直流电压： 圪= 屹，c o s 一r 。f j d ( 2 4 ) 逆变器终端功率为： 匕= i d = 易一吼巧 ( 2 5 ) 当逆变器以定角运行时，分子中用e o s p 、分母中用+ 尺。，；若以定7 ，角运行时， 则用c o s y 以及一心代入上式。求出厶后，便可确定各点直流电压和直流功率。 式( 2 1 ) 表明，直流输电的基本控制手段就是控制口、e 、e 4 个量以满足直 流输电系统的各种运行要求。可以从如下两方面调节输送的直流电流和直流功率： 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 1 ) 调节整流器的触发滞后角口或逆变器的触发越前角，即调节加到换流阀控 制极或栅极的触发脉冲的相位，简称控制极调节。采用这种方式调节不但调节范围大， 而且具有极快的响应速度，通常在1 卅m s 之内，是直流输电系统主要的调节手段。 2 ) 调节换流器的交流电势e ，或e ，一般靠改变换流变压器的分接头来实现。其 响应速度与触发控制角相比要慢很多，通常换流变压器每调节1 档需要5 1 0 s ，且范 围有限，所以只作为控制极调节的补充。 由式( 2 1 ) 、( 2 - 2 ) 、( 2 - 4 ) 口- - - 见，直流输电线路的直流电压和直流电流的大小都是可 以控制的，由式( 2 3 ) 、( 2 5 ) 可见，直流传输功率的大小也可以得到控制。所以，直流 传输系统具有一定的可控制性。 2 2h v d c 系统的基本控制 为了保证高压直流输电系统的可靠运行，控制系统是必不可少的。直流输电控制 系统包括基本控制和附加控制。其中，基本控制是必需的，以保证直流系统的正常运 行。控制换流器控制级触发脉冲的相位是直流输电系统控制和调节的基础。换流器控 制极触发系统主要由相位控制电路、触发脉冲发生装置和若干调节器等构成，如图2 1 所示。相位控制电路产生换流器各阀的触发信号，并接受调节器送来的调节信号控制， 进行触发信号的移相。触发脉冲装置的作用，是把相位控制电路送来的触发信号，进 行放大整形并传递到换流阀的控制极。 2 2 1h v d c 系统的结构 直流输电控制系统的结构通常被分为三个层次，第一层次为主控制级( 或双极控制 级) ，第二层次为极控制级，第三层次为阀组控制极。如图2 3 所示。 图2 - 3 直流输电拉制系统的分层结构 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第一层为主控制级，也称为双层控制级。通常包含3 个模块，分别是接受调度中 心发来的输送功率指令的模块、功率调制和快速功率变化控制的模块和计算直流电流 指令值的模块，即期望的直流电流值。电流控制的期望值从这个模块被传送到第二层 次的控制系统，即极控级。可以看出主控制级的主要控制功能是接受来自调度中心的 直流输送功率指令，经过控制运算以后发送一个直流电流指令给极控制级。 第二层为极控制级。直流输电极控制级中各控制器的目标是使直流输电系统按照 某种特定的特性曲线来运行。在直流输电的极控制级中，整流侧通常配备有带口疵限 制的定电流控制器；逆变侧通常配备有定电压控制器、定电流控制器和定，角控制器， 另外还配有电流偏差控制器( c u r r e n te r r o rc o n t r o l l e r ，c e c ) 。在定电流控制器中，电 流的整定值来自于低电压限电流指令环节( v o l t a g ed e p e n d e n tc u r r e n to r d e rl i m i t e r ， v d c o l ，简称为低压限流环节) 的输出再加上电流调制控制器的输出。极控制级的主要 控制功能是将电流指令转换为触发角指令发送给第三层次阀组控制级的各个阀组控制 单元。这种控制功能主要是通过控制器来实现。所以，极控制是直流输电控制系统的 重要部分。 第三层为阀组控制级。阀组控制级主要有两个功能：取触发脉冲的同步信号和产 生满足要求的触发脉冲系列以触发晶闸管阀。触发脉冲的同步信号应严格与换流站交 流母线电压频率保持确定的倍数关系，以满足当系统发生严重故障，换流站交流母线 电压大幅度跌落时仍能正常工作的要求。直流输电的阀组控制主要涉及系统硬件电路 的设计。 直流输电控制系统的三个层次在响应时间上有较大差别，控制的层次越高，响应 速度越慢。第三层次响应速度最快，但是主要是硬件设计，本文不予考虑。第二层次 主要控制触发角的相位，响应速度快，直流输电系统各种运行控制特性的实现都是通 过该层次控制器来实现。下面所述基本控制方式大都在该层次得以实现3 1 。 2 2 2h v d c 系统的基本控制方式 在实际系统中，为了满足正常的运行要求，直流系统换流站的控制通常备有如下 的基本控制方式： ( 1 ) 定直流电流控制：定电流调节不但可以改善直流输电的运行性能，同时也可 以限制过电流和防止换流器过载，所以它是直流输电系统基本的调节方式。定电流控 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 制的基本原理是将测得的实际直流l 与整定值( 电流指令) 厶。进行比较，再将误差 孝= 厶。一厶进行放大。放大器的输出用来控制相位控制电路，使触发角改变，从而控制 直流电压以使电流差值减小或消失，来保证实际电流值等于或接近给定值。定电流调 节原理框图如图2 4 。 图2 4 定电流调节原理方框图 ( 2 ) 整流侧定触发延迟角( 口) 控制：当整流器的定电流或其它控制将口角减小 到上限值时，电流也不能回复正常工作；控制方式将自动转为定口控制，即换流器 运行于最小口角。最小口角一般为5 0 左右。 ( 3 ) 逆变侧定触发超前角( ) 控制：= 1 8 0 0 一口，是互补的关系，定控制 实际上即定口控制。 ( 4 ) 逆变侧定熄弧超前角( 7 ) 控制：定熄弧角y 控制是逆变器常用的一种控制 方式。从减小无功消耗和提高换流器利用效率的角度看，应该使尽可能地小，但从保 持换流器安全运行的角度看，又希望不能太小，因为过小的7 有可能使刚退出导通的晶 闸管未能完全恢复正向阻断能力，在正向电压来临时再次导通，引起换相失败。工程 上一般为1 5 0 到1 8 0 。 ( 5 ) 定直流电压控制：定直流电压调节的原理与定直流电流原理相似，只是反馈 信号为直流电压，它保持直流线路送端或受端的电压等于给定值。也是逆变器经常采 用的一种控制方式。 ( 6 ) 定功率控制：通常，要求h v d c 联络线传输预定的功率。在这种应用中， 相应的电流指令等于功率指令( 昂) 除于测量的直流电压乙= 昂巧，这样所计算出 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 来的电流指令用作电流的输入信号。 l e r 。一干 r 。 i 一一一一一一一一一一一一一一一一 - 二二1 r 一一、 + 专 ld 图2 - 5 定电压调节原理方框图 在以上的基本控制环节中都要有一些限制环节，以保证系统的正常运行，主要是 电流限制和触发角限制。 ( 1 ) 电流限制 确定电流整定值时必须考虑如下限制： 最大电流限制：一般定为额定电流的1 0 1 2 倍，以防止换流器过载； 最小电流限制：一般定为额定电流的1 0 ，运行电流不能小于这一限值，以免换 相角太小和电流间断引起过电压； 依赖于电压的电流指令限制( v d c o l ) ：系统受到大扰动时，直流电压或换流母线 电压将迅速下降，一方面，在低电压条件下，要想保持额定直流电流或额定功率是不 可能的。因为当一个换流器的电压降超过3 0 时，和它相隔很远的换流器无功需求将 增加，这对交流系统可能有不利的影响。系统电压水平的降低也会使滤波器和电容器 所提供的无功功率明显减少，而换流器吸收的无功功率大部分由它们提供。另一方面， 当电压降低时，也会面临换相失败和电压不稳定的危险。这些和低电压条件下的运行 状况有关的问题可通过引入“依赖于电压的电流指令限镱t ( v d c o l ) ”来防止。当电压 降低到预定值以下时，这个限制通过降低最大容许直流电流以降低直流功率，这样可 以减少故障期间换流站对交流系统无功功率的需求，帮助恢复交流电压，减小发生换 相失败的概率。 ( 2 ) 触发角限制：通过控制电流指令和电流裕度可以控制线路的传输功率，这些 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 信号能通过一个远动通信线路传送到换流站。在换相失败或直流线路故障时，逆变器 可切换为整流方式，这将逆转功率传送方向。为预防这种情况，在逆变器控制中引入 最小口限制，这就将逆变器的触发角限定在大于9 0 0 的某个值，其典型范围为9 5 0 到 1 1 0 0 。但是，在特定故障条件下，可以允许整流器运行于逆变区域以帮助系统。典型地 加于整流器触发角的最大限制在9 0 0 到1 4 0 0 之间。 综上所述，直流输电系统基本的控制方式有：定电流控制、定电压控制、定触发 越前角控制、定熄弧角7 控制、定触发延迟角o s 控制和定功率控制等。其中定功率控 制属于主控制级，响应较慢：定电流控制、定电压控制、定触发越前角控制、定熄 弧角7 控制和定触发延迟角口控制属于极控制级，响应较快。在高压直流输电系统中， 实际应用的控制方式并不是一种，而是几种基本方式的组合，它们各自担负着不同的 控制调节任务而又相互配合，即使在整流器或逆变器中也不仅仅单一地采用某一种控 制方式。 2 2 3h v d c 系统的控制特性 1 理想控制特性 直流输电系统基本控制的作用是确保直流系统按指定的功率安全运行，在正常运 行条件下，使整流器维持恒定电流( c c ) ，逆变侧运行在恒定熄弧角( c e a ) 以维持足够的 换相裕度，如图2 - 6 所示，当整流器保持恒定电流时，它的v _ i 特性是一条垂直线，由 图2 2 可以得到： = i c o s 7 + ( r d r 0 i ) 厶 ( 2 - 6 ) c 图2 - 6 理想换流器的稳态伏安特性 通过调节“电流指令或者“电压整定值”可以使整流器特性水平移动。通过逆 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 变器的变压器抽头切换装置的作用，它的特性会升高或降低。当抽头切换装置动作时， c e a 调节器迅速将恢复到期望值，其结果是直流电流改变，但很快会被整流器的电流 调节恢复到期望值。通过整流器抽头切换装置的作用，将a 控制在1 0 0 到2 0 0 的期望范 围内以确保高功率因素和控制的适当裕度 3 8 1 。 2 实际控制特性 图2 - 6 只是直流系统的理想控制特性，在实际的直流输电工程中，还应考虑各种 电流限制和最小触发角限制等，如图2 7 所示： d 图2 - 7 有v d c o l 、最小电流和最小触发角限制的静态伏安特性 图中，整流器的特性曲线包括四部分：最小口角限制的恒定触发角( c t a ) 特性曲线、 v d c o l 特性曲线、恒定电流( c c ) 特性曲线和最小电流限制特性曲线。而逆变器的特性 包括六部分：恒定熄弧角( 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，相应于整流侧的最小电流限制特性曲线和逆变最小口角限制特性曲 线。在正常运行条件下，整流器和逆变器工作于两条特性曲线的交点，即整流侧运行 于恒电流控制方式( c c ) ，逆变侧运行于最小熄弧角控制方式( c e a ) 。当系统运行环境发 生变化时，直流系统则根据自身特性调节两侧的控制方式，且各种控制方式之间可以 平滑的切换。 2 3h v d c 系统的附加控制 在高压直流输电系统中，基本的控制量是整流器控制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 西南交通大学硕士研究生学位论文 第13 页 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，常常需要在基本控制的基础上附加一些高级控制即装附加控制来扩展直 流系统的控制功能，充分发挥直流输电系统所具有的大范围控制输送电力的特点，实 现以所连接的交流系统为对象的外部调节( 如交流系统的频率调节、无功功率调节等) ， 以提高交流系统的动态性能。一般来说，采用直流输电系统附加控制的主要原因如下： 提高交流系统机电振荡的阻尼； 改善暂态稳定； 隔离系统扰动； 控制独立小系统的频率； 无功功率调节和动态电压支撑。 直流附加控制也叫直流调制，主要有功率控制、恒逆变器熄弧角控制、功率与熄 弧角的联合控制等。为了改善交直流混合系统的稳定性，提高交直流系统的极限传输 功率，普遍采用了直流功率调制器。当交流系统受到扰动时，通过调制直流线路的传 输功率，对交流系统功率震荡提供阻尼，维持整个系统的稳定性。 在直流输电线作为两端交流系统联络线的情况下，可采用两端的频率信号作为附 加控制的输入信号，通过控制两区域间的交换功率，在直流一侧的交流区域发生扰动 时协助其快速实现频率恢复防止故障进一步扩大以提高供电可靠性。这种调节方式的 原理框图参见图2 8 虚线框所示，h v d c 系统控制原理框图如图2 8 【3 9 】。 if a o ，肋 o o o o 一_ o _ 图2 - 8 总体控制原理框图 i i l i i j 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 在本文的交直流混合系统中，高压直流输电系统的基本控制采用整流侧定直流电 流，逆变侧定无功电流控制。由于直流系统的快速响应特性，本文采用了直流功率的 一阶模型： 也= 一吉( 一吃+ ) + 专 ( 2 _ ) 其中乃为直流系统时间常数，u d c 为直流系统控制量。 2 4 交直流系统的协调控制 直流输电的控制信号大多取自交流系统，研究直流输电的稳定性以及直流输电系 统对交流系统稳定性的影响问题实际上就是研究交直流混合系统相互作用相互协调的 过程。直流系统基本控制方式虽然缓冲了直流联络系统的相互影响，但由于直流电压 取自交流电压，因此也失去了自行调节功率的特点。从交流系统看，直流换流站是个 对频率不敏感的负荷，对系统的稳定产生不利的影响，甚至引起系统的负阻尼，这在 交直流并联系统中表现得更为明显，无论是交流系统侧的短路故障还是直流故障，都 会给交流系统带来较大冲击，在弱交流、直流输电系统中，这种冲击引起的后果比较 严重，往往成为限制交直流系统断面输送能力提高的瓶颈。而附加控制器不但可以保 证直流系统的可靠运行，还能改善系统阻尼，提高交直流系统的动态特性，所以交直 流混合系统协调控制的直流部分主要考虑直流附加控制。通过直流附加控制和交流系 统进行协调控制，从全局上对系统进行优化，从而减小由于单个控制器的局部优化控 制而导致系统其他部分或整个系统性能恶化的可能e 4 0 j 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 第3 章非线性变结构控制理论方法 随着电力系统本身的发展，传统的控制理论已经不能满足需要，人们一直在不断 地尝试将更先进更有效的控制理论引入电力系统的控制领域：电力系统的控制技术从 最初的单输入控制系统、双输入控制系统一直发展到线性最优控制方式，而随着现代 控制理论与非线性控制理论的发展，在电力系统中，可供选择的控制方式变的更加丰 富多彩了。鉴于电力系统本身具有强非线性的特点，非线性控制理论更是广为关注， 卢强老师等人开拓了电力系统非线性控制这个新领域 4 1 h 4 3 1 。文献 2 3 理性地定义了控 制的概念，控制是用施加某种特定的输入的方法，改造所涉及的各种动力学系统的性 能，使其最大限度地满足特定需要的理论与技术的总称。至今为止，控制理论经历了 古典控制理论、现代控制理论以及非线性控制理论三个阶段。古典控制理论由建模理 论、响应分析、稳定性分析与综合校正等四部分内容组成，该理论与方法主要适用于 研究单控制量、单输出量的线性定常控制系统，难以揭示系统内部的动态行为。现代 控制理论则属于线性多变量控制系统的理论体系，采用状态空间描述与线性代数理论 相结合的方法，其中线性最优控制理论发展的最为成熟，并且得到了广泛地应用；现 代控制理论的建模理论与数学方法使其适用于线性多输入多输出控制系统。近十年来， 近代微分几何方法与非线性控制系统的设计问题相结合，形成了一门新的学科体系， 即非线性控制系统几何结构理论体系，非线性系统状态反馈精确线性化理论是其中发 展最为迅速的一个分支，在工程中也得到了应用。 电力系统是典型的非线性系统，但电力系统的控制技术大多采用传统的古典控制 或现代控制理论，二者都是基于线性系统的控制理论，因此常常需要将电力系统的非 线性状态方程在某一特定运行方式下进行近似线性化。很明显，这种在某一特定状态 x 。下被近似线性化的数学模型只能在实际运行状态x ( t ) 十分接近x 。时才比较准确。 换言之，当实际状态x ( t ) 偏离x 。较远时，那种近似线性化的数学模型并不能正确表达 实际的控制系统。因此，以其为根据而设计的控制器也就不能正确有效地工作，故而 这种设计方法与提高电力系统大干扰稳定性的要求不相适应。相对而言，采用恰当的 非线性控制方案，使电力系统自身的非线性特性得以抵消和补偿，可能获得更好的控 制效果。 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 因此，以非线性控制系统理论与方法来设计电力系统控制器具有很好的潜力及应 用前景。对高度可控的高压直流输电系统而言，其控制器借助于非线性控制系统的理 论来设计必能取得更佳的控制效果，从而增强全系统的稳定性。为服务于下一步非线 性控制器的设计，本章将对后面的章节中要用到的非线性控制理论中的基本概念及主 要理论方法做一简要的介绍【删。 3 1 非线性控制理论中的一些基本概念 在非线性控制器的设计过程中将频繁使用到非线性控制理论中的一些基本概念， 主要包括：非线性控制系统的坐标变换、仿射非线性系统、向量场、李导数、控制系 统的关系度等等。当然，在非线性控制理论中还有很多更加精深的内容，对于在本文 非线性控制器的设计中没有涉及到的概念和内容，这里就不做一一介绍。 3 1 1 非线性控制系统的坐标变换 给定一个单输入单输出的非线性系统为： 输出方程为： 毫= z ( ，毛) + 9 1 ( x l ，) “l 2 2 。f 2 ( x ，x o ) 十9 2 ( x l ，吒) “2 ( 3 - 1 、 毫= 工( x l ，) + g 。( 而，吒) 甜。 将上式写成压缩形式则为： y = h ( x l ，) jx=f(x)+g(x)(3-2) l y = 办( x ) 此处，x r ”和“r 1 分别为状态变量和控制量；y r 1 为输出量；f 和g 为非线 性函数向量；h 为x 的非线性函数。 选择非线性坐标变换为： z = ( x ) ( 3 - 3 ) 将上述两边对时间t 求导，我们得到： 之( f ) = 掣= 百a ( x ) 百d x ( 3 - 4 ) 、7 出a x疵 西南交通大学硕士研究生学位论文 第17 页 硇= 簧刊1 z ， 翮= 蓑酬1 z ， 万( z ) = 办( x ) k - l ( z ) ( 3 8 ) ( 3 7 ) 式与( 3 8 ) 式表示出了形如( 3 2 ) 式所描述的非线性系统的一般坐标变 换形式。 3 1 2 仿射非线性系统 在工程实际中，很多的一类非线性系统，包括电力系统，机器人系统，直升飞机 自控系统及化工工程控制系统等的数学模型具有一下形式，即：状态方程为 毫= 石( 五，) + 蜀1 ( 五，) “1 + l ( 五，o eo9 ) “m 岛= 厶( _ ，) + 9 1 2 ( _ ，) “1 + g i n 2 ( z l ，x 一) “m ( 3 9a ) 矗= ( ，矗) + g l 。( 五，) 鸭+ g 删。( 五，x o ) u 。 输出方程为 仁兰， ( 3 9 b ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 将上式写成压缩形式则为 rm j “t ) - f ( x ( t ) ) + 擎( x ( t ) ) ( 3 - 1 0 )苫。 【y ( t ) = h ( x ) 这里，x r ”为状态变量， “，( f - l ，2 ，聊) 为控制量，f ( x ) 与 g ，( x ) ( 江1 ，2 ，m ) 为1 1 维函数向量；h ( x ) 为1 1 1 维输出函数向量，由( 3 - 9 ) 或( 3 - 1 0 ) 式可以看到，这种类型的非线性系统的特点是：它对于状态向量x ( t ) 是非线性的，但 对于控$ 1 j 里u ，( f = 1 ，2 ，m ) 却是线性的关系，这种形式的非线性系统称之为仿射非 线性系统。以下设计非线性控制器所依托的控制系统都隶属于仿射非线性控制系统范 畴。 3 1 3 向量场和李导数 在介绍李导数之前需要先了解一下空间中的向量场的概念。以n 维函数向量f ( x ) 为例，即 f ( x ) = 石( 五，毛) 厶( x l ，) 工( 为，讫) ( 3 1 1 ) f ( x ) 的每个分量都是变量x = 五， ，的函数。状态空间中每一个确定的点 对应着一个确