高壓直流輸電技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)

1、高壓直流輸電技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)1倪以信,陳壽孫,張寶霖. 動(dòng)態(tài)電力系統(tǒng)的理論與分析. m. 清華大學(xué)出版社,北京,2002年.106-117.2盧強(qiáng),梅生偉,孫元章. 電力系統(tǒng)非線性控制m. 清華大學(xué)出版社,北京,2008年.240-245.3孫元章,焦曉紅,申鐵龍. 電力系統(tǒng)非線性魯棒控制m. 清華大學(xué)出版社,北京,2007年.222-230.4梅生偉,申鐵龍,劉康志.現(xiàn)代魯棒控制理論與應(yīng)用m.清華大學(xué)出版社,北京,2003年.5張秀華,張慶靈.非線性微分代數(shù)系統(tǒng)的控制理論與應(yīng)用m.科學(xué)出版社,北京,2007年.高壓直流輸電系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型直流輸電是指送端系統(tǒng)的正弦交流電在送端換流站升壓整流后通過直

2、流線路傳輸?shù)绞芏藫Q流站，受端換流站將直流逆變成正弦工頻交流后降壓和受端系統(tǒng)相連1。參考文獻(xiàn)：1陳慈萱. 電氣工程基礎(chǔ)（下冊(cè)）. 中國(guó)電力出版社. 北京，2004:312.高壓直流輸電近年來在世界各地迅速發(fā)展，尤其是大功率電力電子器件的可靠性增加，價(jià)格降低，光觸發(fā)電力電子器件的研制成功等等，為直流輸電的發(fā)展提供了可靠的基礎(chǔ)。由于直流輸電系統(tǒng)具有調(diào)節(jié)迅速、傳輸功率大及快速改變電力系統(tǒng)有功潮流分布等優(yōu)越性，因此它特別適用于跨海峽的電纜送電系統(tǒng)、不同頻率的電網(wǎng)并列運(yùn)行、大容量遠(yuǎn)距離輸電、大區(qū)域電力系統(tǒng)之間的聯(lián)網(wǎng)以及非工頻發(fā)電站（如某些風(fēng)力、抽水儲(chǔ)能電站等）與系統(tǒng)間的聯(lián)網(wǎng)等。圖1 兩端直流輸電系統(tǒng)的基本

3、構(gòu)成直流輸電線路主要由換流變壓器、換流器（整流器與逆變器）、直流輸電線路、平坡電抗器及交流側(cè)與直流側(cè)濾波器所組成。它的基本構(gòu)成如圖1所示。圖1中主要設(shè)備及功能如下：（1）換流變壓器，把交流系統(tǒng)電壓變?yōu)閾Q流器所需的交流電壓。（2）換流器，交流變直流或直流變交流的變流設(shè)備。（3）交流濾波器，交流側(cè)濾波用，一般單橋時(shí)為次諧波；雙橋時(shí)為次諧波（）。（4）直流濾波器，直流側(cè)濾波用，一般單橋時(shí)為次諧波；雙橋時(shí)為次諧波（）。（5）平波電抗器，平波電抗器是大型電抗器，具有1.0h的電感，串接在每個(gè)換流站的每一極上。主要用于：在直流線路內(nèi)減小諧波電壓和電流、防止逆變器的換相失敗、防止輕載時(shí)的電流不連續(xù)和在直流線

4、路短路時(shí)限制整流器的峰值電壓。由于現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展，直流輸電通過對(duì)換流器的控制可以快速地（時(shí)間為毫秒級(jí)）調(diào)整直流線路上的功率，從而提高交流系統(tǒng)的穩(wěn)定性；直流輸電線路可以連接兩個(gè)不同步或頻率不同的交流系統(tǒng)。1 直流輸電線路的動(dòng)態(tài)方程若整流器和逆變器的直流電壓分別用和表示，則直流輸電線路可以用圖2所示的等值電路表示。在圖2中，和分別表示整流側(cè)和逆變側(cè)平波電抗器的電感值；和分別為二分之一的直流線路電感值和電容值；為直流輸電線路總的對(duì)地電容值；和分別表示整流側(cè)和逆變側(cè)的直流電流；為電容上的電壓值。圖2應(yīng)用電路理論，可以列寫出直流輸電線路的動(dòng)態(tài)方程式為 （1）式中，。圖2 直流輸電線路的等值電路2 整

5、流器的電壓-電流特性方程一般換流器采用的是六相全橋式電路，如圖3所示，其中包括換流變壓器在內(nèi)的交流系統(tǒng)，用一個(gè)恒定電壓和恒定頻率的理想電源串聯(lián)一個(gè)無損電感表示。圖3 整流器的換流回路 當(dāng)換流器的交流側(cè)電壓、和對(duì)稱時(shí)，整流器可以用電壓表示為 （2）和等值內(nèi)部電阻為 （3）的等值直流電路來表示，如圖4所示。式中，為當(dāng)直流線路處于空載運(yùn)行狀態(tài)時(shí)整流器的輸出直流電壓；為觸發(fā)滯后角，為換弧角，為整流器的換流電抗。由圖4可以寫出整流器輸出直流電壓的表達(dá)式為 （4）式中，為整流器輸出直流電壓；為整流器輸出的直流電流；為整流器變壓器二次側(cè)（靠近整流器側(cè)）的線電壓，即，為整流變壓器二次側(cè)相電壓的有效值。圖4 整

6、流器等值電路 從方程式（4）可以得出，隨著整流器輸出直流電流的增加，整流器輸出的直流電壓隨之下降，下降的幅度取決于整流器的換流電抗的大小。另外，當(dāng)整流器觸發(fā)滯后角一定時(shí)，與成線性關(guān)系。3 逆變器的電壓-電流特性方程同理，對(duì)于逆變器、換流回路如圖5所示。與整流器一樣，逆變器也可以用電壓表示為 （5）和等值內(nèi)部電阻為 （6）的等值直流電路來表示，如圖6所示。式中，為當(dāng)直流線路空載運(yùn)行時(shí)逆變器的空載直流電壓；為觸發(fā)超前角，為關(guān)斷超前角，為逆變器的換流電抗。由圖5可以寫出逆變器輸出直流電壓的表達(dá)式為 （7）式中，為換流變壓器靠近逆變器側(cè)的線電壓，即，為換流變壓器靠近逆變器側(cè)相電壓的有效值。圖5 逆變器

7、的換流回路從方程式（7）可以得出，隨著直流電流的增加，逆變器輸出的直流電壓隨之增加，增加的幅度取決于逆變器的換流電抗的大小。另外，當(dāng)觸發(fā)超前角一定時(shí)，與成線性關(guān)系。如果用關(guān)斷超前角表示，則逆變器可用電壓為 （8）和內(nèi)部等值電阻為的等值電路來表示，這時(shí)逆變器的等值電路如圖7所示。 圖6 用表示的逆變器的等值電路 圖7 用表示的逆變器的等值電路由圖7可以寫出逆變器輸出直流電壓的另外一種表達(dá)式，即 （9）根據(jù)式（7）與式（9）所表示的電壓相等的條件，逆變器的關(guān)斷超前角可以表示為 于是，如果把式（4）和式（7）代入式（1），可以得到直流輸電線路的動(dòng)態(tài)方程組為 （10）由式（10）可以看出，無論是整流器

8、還是逆變器，適當(dāng)?shù)乜刂普髌鞯挠|發(fā)滯后角和逆變器的觸發(fā)超前角便可得到換流器的各種電壓-電流特性。但在通常的運(yùn)行狀態(tài)下，最廣泛采用的控制方式是整流器定直流控制和逆變器定關(guān)斷超前角控制。整流器定直流電流、逆變器定直流電壓的常規(guī)控制方式。它是提高換流器交流電壓的穩(wěn)定性的一種有效的控制方式。由于直流換流器具有比較大的換流電抗，所以換流器在工作中要消耗比較多的無功功率。其中整流器消耗的無功功率可由下式計(jì)算：逆變器消耗的無功功率為換流器的換弧角。不論是整流器還是逆變器，都由交流側(cè)向直流側(cè)送入滯后的無功功率，因此，在整流側(cè)和逆變側(cè)必須裝設(shè)無功功率補(bǔ)償設(shè)備。 直流輸電系統(tǒng)的功率調(diào)制，為了改善交直流并列輸電系統(tǒng)

9、的穩(wěn)定性，提高交流線路的極限傳輸功率，普遍采用了直流功率調(diào)制器。直流功率調(diào)制信號(hào)可以取自與直流線路并聯(lián)的交流線路的有功功率增量，或者取換流站的無功電流增量。直流功率調(diào)制器設(shè)計(jì)的合理，可以有效地改善交直流并列輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，抑制系統(tǒng)中發(fā)生的低頻振蕩，提高交流輸電線路的功率極限。4 直流調(diào)節(jié)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型直流系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，根據(jù)圖2及式（4）和式（7），可以求得穩(wěn)態(tài)直流電流為推導(dǎo)過程為由式+式可得 （11）式中，通過調(diào)節(jié)整流器的觸發(fā)滯后角或逆變器的觸發(fā)超前角，可以改變直流電流或直流線路傳輸?shù)墓β?。在整流?cè)，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)觸發(fā)滯后角的調(diào)節(jié)，信號(hào)放大環(huán)節(jié)和相位控制與觸發(fā)電路是調(diào)節(jié)器的基本環(huán)節(jié)，如圖8

10、所示。在圖8中，表示調(diào)節(jié)器的控制信號(hào)，當(dāng)采用定直流電流調(diào)節(jié)時(shí) （12）式中，為直流電流的穩(wěn)態(tài)值。在采用按觸發(fā)至后角的偏差比例調(diào)節(jié)時(shí)，信號(hào)放大環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為 （13）式中，為調(diào)節(jié)器的放大倍數(shù)；為調(diào)節(jié)器的時(shí)間常數(shù)；為角的偏差。若把式（13）寫成微分方程形式，可得 （14）式中，表示正常運(yùn)行時(shí)觸發(fā)滯后角的給定值。圖8 整流器調(diào)節(jié)原理框圖 在直流系統(tǒng)中，逆變側(cè)的相位控制電路結(jié)構(gòu)圖與整流側(cè)是一樣的，如圖9所示。圖9 逆變側(cè)調(diào)節(jié)原理框圖在圖9中，表示調(diào)節(jié)器的控制信號(hào)，當(dāng)逆變側(cè)采用定關(guān)斷超前角控制時(shí) （15）式中，為逆變器在正常運(yùn)行時(shí)所允許的額定關(guān)斷超前角。這時(shí)，信號(hào)放大環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為 （16）式中，為

11、調(diào)節(jié)器的放大倍數(shù)；為調(diào)節(jié)器的時(shí)間常數(shù)；為角的偏差。若把式（16）寫成微分方程形式，可得 （17）式中，表示正常運(yùn)行時(shí)觸發(fā)滯后角的給定值。5 直流輸電系統(tǒng)簡(jiǎn)化的數(shù)學(xué)模型 當(dāng)忽略直流線路對(duì)地分布電容時(shí)，整流器的直流電流就等于逆變器的直流電流，即。在這種情況下，由圖1及式（4）、（7）和式（14）、（17），可以得到直流輸電系統(tǒng)簡(jiǎn)化的狀態(tài)方程式為 （18）利用式（18）的第一個(gè)方程式+第二個(gè)方程式可得 （19）式中，。直流換流器交流側(cè)電壓和應(yīng)該是整個(gè)交直流系統(tǒng)中狀態(tài)變量的復(fù)雜函數(shù)。交流系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的變化是通過交流電壓（幅值及相角）的變化來影響直流系統(tǒng)運(yùn)行行為的。交流電壓是時(shí)間的函數(shù)。6 整流器定直流

12、、逆變器定關(guān)斷超前角非線性最優(yōu)控制器的設(shè)計(jì)直流輸電系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型可知，整流器和逆變器都具有復(fù)雜的非線性控制特性。因?yàn)檎髌骱湍孀兤鞯闹绷麟妷菏墙涣鱾?cè)電壓的函數(shù)，而交流母線電壓則與全系統(tǒng)的狀態(tài)呈現(xiàn)復(fù)雜的非線性關(guān)系。因此，采用比例式或比例-積分-微分（pid）控制方式，就難以使直流輸電系統(tǒng)的控制對(duì)改善交直流并聯(lián)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，特別是在交流系統(tǒng)受到大干擾情況下的暫態(tài)穩(wěn)定性方面，發(fā)揮應(yīng)有的積極的作用。 為了充分發(fā)揮直流換流器的快速調(diào)節(jié)對(duì)改善交直流混合輸電系統(tǒng)的運(yùn)行性能及小干擾和大干擾穩(wěn)定性的作用，在控制器的設(shè)計(jì)中有必要考慮直流換流器的非線性特性及直流換流器交流側(cè)電壓變化對(duì)直流系統(tǒng)性能的影響。 對(duì)于整流器，

13、為了滿足在任何時(shí)刻都保持定直流電流運(yùn)行這樣一種性能要求，可以建立這樣一種性能指標(biāo)：使實(shí)際直流電流與設(shè)定值的偏差盡可能小。同理，對(duì)于逆變器，為了在任何時(shí)刻都保持定關(guān)斷超前角恒定，則建立這樣一種性能指標(biāo)：使實(shí)際關(guān)斷超前角與設(shè)定值的偏差為最小值。即直流控制系統(tǒng)模型可以寫成以下表達(dá)式式中，；和分別表示定電流和定關(guān)斷超前角的控制變量；。第一步，進(jìn)行坐標(biāo)變換首先選擇第一個(gè)坐標(biāo)變換為。第二個(gè)坐標(biāo)為由lie導(dǎo)數(shù)的計(jì)算公式可算出又由于不是換流器交流側(cè)電壓和的函數(shù)，故，因此第二個(gè)坐標(biāo)為選擇第三個(gè)坐標(biāo)為坐標(biāo)變換為已經(jīng)確定它的jacobian矩陣為在直流系統(tǒng)的所有運(yùn)行范圍內(nèi)，即在，的范圍內(nèi)，其行列式值均不為零，因?yàn)檎?/p>

14、流器交流側(cè)電壓幅值在任一時(shí)刻總是大于零的。通過坐標(biāo)變換，求取一個(gè)新的坐標(biāo)系下的直流輸電系統(tǒng)模型輸出方程為（11.13）若令式中由于是換流器交流側(cè)電壓和的函數(shù)，故由于是換流器交流側(cè)電壓的函數(shù)，故于是從上式分別可以求出定電流和定關(guān)斷角的非線性控制律表達(dá)式為（11.16a）（11.16b）新坐標(biāo)系下的直流輸電系統(tǒng)模型的標(biāo)準(zhǔn)形式為輸出方程為式中，和分別為整流器的實(shí)際直流電流與設(shè)定值的偏差和逆變器關(guān)斷越前角實(shí)際值與其設(shè)定值的偏差。由線性最優(yōu)控制理論，系統(tǒng)的最優(yōu)控制律為 （11.18a）式中，及為最優(yōu)反饋增益系數(shù)。一般系統(tǒng)寫成矩陣形式式中，為維狀態(tài)向量；為維輸出向量；為維控制向量；，及分別稱為狀態(tài)系數(shù)矩陣

15、、控制系數(shù)矩陣和輸出系數(shù)矩陣。二次型指標(biāo)的一般表達(dá)式為式中，為正定或半正定的權(quán)矩陣；為正定的權(quán)矩陣。線性二次型最優(yōu)控制律是狀態(tài)變量的線性函數(shù)，即式中，為最優(yōu)增益矩陣，其表達(dá)式為對(duì)于線性定常數(shù)系統(tǒng)，為常數(shù)矩陣； 為riccati方程的解。當(dāng)選擇二次型性能指標(biāo)中的權(quán)矩陣和是，最優(yōu)反饋系數(shù)為；將式（11.18a）代入式（11.16a）及式及式（11.16b）中，并根據(jù)式（11.13）所得到的關(guān)系式再由式（11.18）中的表達(dá)式，不難得到以下的直流輸電系統(tǒng)中整流器定電流和逆變器定角控制規(guī)律。 整流器的定電流控制律為（11.19a）由上式可見，在整流器定電流控制規(guī)律中，存在逆變側(cè)直流電壓導(dǎo)數(shù)。如果直接采

16、用式（11.19a）所示的控制規(guī)律，就需要將變量由逆變側(cè)傳送至整流側(cè)。這就給非線性控制規(guī)律的實(shí)現(xiàn)帶來困難。為此，對(duì)變量作如下變換。逆變器直流電壓與整流器直流電壓及線路直流電流的關(guān)系為式中，為直流線路電阻。將上式代入式（11.19a），加以整理可得整流器的定電流控制規(guī)律為 （11.19b）此處，。逆變器的定關(guān)斷越前角控制律為 （11.20）式中，。廣義二次性能指標(biāo)意義下最優(yōu) （11.21）式中，和分別是式（1.7）中矩陣和的對(duì)角元，通常和均設(shè)為對(duì)角矩陣。指標(biāo)的物理意義，其被積函數(shù)的第一項(xiàng)為，期望目標(biāo)是直流電流偏差平方的最?。坏诙⑺捻?xiàng)分別為和，目標(biāo)是直流電流波動(dòng)速度和加速度最??；第三、五項(xiàng)分別為

17、和，目標(biāo)是關(guān)斷超前角偏差的平方最小和關(guān)斷超前角偏差的波動(dòng)速度最小。指標(biāo)的最優(yōu)性體現(xiàn)在整流器直流電流和逆變器關(guān)斷超前角穩(wěn)定，包含了對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)的要求。因而，閉環(huán)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)指標(biāo)最優(yōu)性的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的多目標(biāo)優(yōu)化控制。2 定電流、定電壓非線性最優(yōu)控制器的設(shè)計(jì)整流器定直流、逆變器定關(guān)斷超前角非線性最優(yōu)控制器的設(shè)計(jì)已成為直流輸電系統(tǒng)的一種基本控制方式，但是由于逆變器的直流電壓與觸發(fā)越前角、交流側(cè)電壓以及直流電流的關(guān)系是復(fù)雜的非線性函數(shù)，因此采用那種在某一平衡點(diǎn)處近似線性化的數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)出的線性反饋方式不能充分發(fā)揮在大干擾條件下逆變器的電壓控制對(duì)改善系統(tǒng)穩(wěn)定性的作用。于是采用定電流、定電壓非線性最優(yōu)控制器

18、的設(shè)計(jì)。從運(yùn)行中任何時(shí)刻都保持逆變器直流電壓恒定這一要求出發(fā)，則希望偏差量 （1）為最小值。 （2）整流側(cè)定電流和逆變器定電壓方式下的控制模型可以寫成以下非線性系統(tǒng)形式 （3）式中，；和分別表示整流側(cè)定電流和逆變側(cè)定電壓的控制變量；。第一步，進(jìn)行坐標(biāo)變換首先選擇第一個(gè)坐標(biāo)變換為。第二個(gè)坐標(biāo)為由lie導(dǎo)數(shù)的計(jì)算公式可算出又由于不是換流器交流側(cè)電壓和的函數(shù)，故，因此第二個(gè)坐標(biāo)為選擇第三個(gè)坐標(biāo)為組成映射為 （4）其jacobian矩陣為由此可見，當(dāng)直流系統(tǒng)在其可能的運(yùn)行范圍內(nèi)，即在，的范圍內(nèi)，其行列式值均不為零，因?yàn)檎髌鹘涣鱾?cè)電壓幅值在任一時(shí)刻總是大于零的。通過坐標(biāo)變換，求取一個(gè)新坐標(biāo)系下的直流輸

19、電系統(tǒng)模型整流器的定電流控制律為（11.29a）由于是換流器交流側(cè)電壓的函數(shù)，故于是 （11.29b）線性系統(tǒng)的最優(yōu)控制律可表示為整流器定電流控制律逆變器定電流控制律由此可見，改變換流站極對(duì)地電壓、，即可改變直流電流，并相應(yīng)改變輸送的功率。改變直流電流（或功率）可以通過調(diào)節(jié)整流器的觸發(fā)延遲角或逆變器的越前觸發(fā)角（熄弧角）來實(shí)現(xiàn)，這也是直流輸電系統(tǒng)的主要調(diào)節(jié)手段。因此直流控制系統(tǒng)是保證高壓直流輸電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。整流側(cè)常采用定電流的基本調(diào)節(jié)方式，將直流電流與電流給定值進(jìn)行比較，所得誤差信號(hào)經(jīng)pi 調(diào)節(jié)后作用于移相控制電路來改變整流器的觸發(fā)延遲角，達(dá)到定電流調(diào)節(jié)作用。逆變器常用定熄弧角和定

20、電壓的基本調(diào)節(jié)方式，定熄弧角 調(diào)節(jié)是將測(cè)量所得熄弧角與給定值比較，其誤差信號(hào)經(jīng)放大后進(jìn)行移相控制，從而改變逆變器的超前觸發(fā)角。定電壓調(diào)節(jié)方式與定電流調(diào)節(jié)方式相似，將電壓測(cè)量值與給定值比較，所得誤差信號(hào)經(jīng)放大后進(jìn)行移相控制，從而改變逆變器的超前觸發(fā)角。此外，在基本調(diào)節(jié)方式下，常附加某些限制措施。整流側(cè)采用定電流調(diào)節(jié)方式時(shí)，常附加最小觸發(fā)角限制，使觸發(fā)角不小于某一最小安全限值；逆變側(cè)采用定電壓調(diào)節(jié)方式時(shí)，常附加最小熄弧角限制。2 vsc 的控制策略本文的vsc-hvdc系統(tǒng)連接2 個(gè)有源系統(tǒng)，一側(cè)的換流器作為電壓控制器以維持直流電壓的穩(wěn)定；另一側(cè)的換流器作為功率控制器調(diào)節(jié)2 個(gè)有源系統(tǒng)之間的功率傳

21、輸。vsc-hvdc系統(tǒng)中換流器交流側(cè)輸出的基波電壓相角和幅值可以通過改變pwm 調(diào)制波的相位和調(diào)制度來調(diào)節(jié)，進(jìn)而控制系統(tǒng)輸送的有功和無功功率。2.1 直流電壓控制器 vsc-hvdc的換流站工作在定直流電壓控制模式下，以直流電壓作為主要控制目標(biāo)，以無功功率為輔助控制目標(biāo)。 由，式（8）可表示為 （10）式（8）等價(jià)為 （11）不懂！其中為反饋增益。換流器的數(shù)學(xué)模型式（1）定義為（a）定有功功率和無功功率 (a) control mode constant active power and reactive power（b）定直流電壓和無功功率 （b）control mode for cons

22、tant dc voltage and reactive power圖 vsc-hvdc控制系統(tǒng)圖fig. 2 control system diagram of vsc-hvdc4 趙成勇,孫營(yíng),李廣凱. 雙饋入直流輸電系統(tǒng)中vsc-hvdc的控制策略j. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào). 第28卷,第7期,2008年5月:97-102. zhao cheng-yong, sun ying, li guang-kai. control strategy of vsc-hvdc in dual-infeed hvdc systems. proceedings of the csee. vol.28 no.7

23、 mar.5, 2008: 97-102.vsc-hvdc通過控制正弦脈寬調(diào)制給定正弦信號(hào)的相位和調(diào)制度就可控制有功功率和無功功率的大小及傳輸方向，從而可實(shí)現(xiàn)有功功率、無功功率同時(shí)且相互獨(dú)立、快速的調(diào)節(jié)。vsc-hvdc不僅不需要交流側(cè)提供無功功率，而且能起到靜止補(bǔ)償器(static compensators，statcom)的作用，動(dòng)態(tài)補(bǔ)償交流系統(tǒng)的無功功率，穩(wěn)定所連交流系統(tǒng)母線的電壓，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。文獻(xiàn)12 推導(dǎo)了dq坐標(biāo)系下vsc-hvdc的連續(xù)時(shí)間狀態(tài)空間模型，通過前向補(bǔ)償方法實(shí)現(xiàn)了有功與無功、直流電壓與無功的獨(dú)立控制，仿真結(jié)果驗(yàn)證了數(shù)學(xué)模型的正確性及控制策略的有效性。文獻(xiàn)13

24、建立了ac/dc數(shù)學(xué)模型，提出了一種采用逆系統(tǒng)線性化理論的分散最優(yōu)協(xié)調(diào)控制模式，仿真結(jié)果表明了該控制策略的有效性和魯棒性。文獻(xiàn)14 基于節(jié)點(diǎn)電流注入法建立了vsc-hvdc的詳細(xì)動(dòng)態(tài)模型，通過暫態(tài)仿真，驗(yàn)證了vsc-hvdc動(dòng)態(tài)模型的正確性，并表明兩端vsc 采用定交流電壓控制方式時(shí)系統(tǒng)具有較好的電壓穩(wěn)定性，但在這種控制方式下，vsc 的過載程度較兩端定無功功率控制方式下更為嚴(yán)重。文獻(xiàn)15 建立了vsc-hvdc的小信號(hào)動(dòng)態(tài)模型，利用極點(diǎn)配置技術(shù)，設(shè)計(jì)了單輸入單輸出結(jié)構(gòu)的vsc-hvdc附加阻尼控制器，仿真表明配備該阻尼控制器的vsc-hvdc能有效地抑制系統(tǒng)低頻振蕩，增加系統(tǒng)阻尼。文獻(xiàn)16

25、采用多變量非線性控制的逆系統(tǒng)方法17 , 設(shè)計(jì)了vsc-hvdc有功、無功獨(dú)立調(diào)節(jié)的控制系統(tǒng)，仿真結(jié)果表明該控制系統(tǒng)具有優(yōu)良的控制品質(zhì)。12 尹明,李庚銀,牛同義等vsc-hvdc 連續(xù)時(shí)間狀態(tài)空間模型及其控制策略研究j中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2005 ，25(18) ：34-39 yin ming ，li gengyin，niu tongyi，et al continuous-time state-space model of vsc-hvdc and its control strategyjproceedings of the csee，2005，25(18) ：34-39(in chines

26、e) 13李國(guó)棟,毛承雄,陸繼明,等ac/ dc混合輸電系統(tǒng)分散協(xié)調(diào)控制j中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2005，25(19) ：37-42 li guodong，mao chengxiong，lu jiming，et al decentralized coordinated control of the ac/dc hybrid transimission system jproceedings of the csee，2005，25(19) ：37-42(in chinese) 14 鄭超,周孝信,李若梅電壓源換流器式高壓直流輸電的動(dòng)態(tài)建模與暫態(tài)仿真j電網(wǎng)技術(shù)，2005，29(16) ：1-5 zhe

27、ng chao，zhou xiaoxin ，li ruomeidynamic modeling and transient simulation for voltage source converter based hvdc jpower system technology ，2005，29(16) ：1-5(in chinese) 15鄭超,周孝信基于電壓源換流器的高壓直流輸電小信號(hào)動(dòng)態(tài)建模及其阻尼控制器設(shè)計(jì)j中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2006 ，26(2)：7-12 zheng chao，zhou xiaoxin small signal dynamic modeling and damping

28、controller designing for vsc based hvdcjproceedings of the csee ，2006，26(2)：7-12(in chinese) 16趙成勇,李金豐,李廣凱基于有功和無功獨(dú)立調(diào)節(jié)的 vsc-hvdc控制策略j電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2005，29(5)：20-24，30 zhao chengyong，li jinfeng，li guangkaivsc-hvdc control strategy based on respective adjustment of active and reactive power jautomation of el

29、ectric power systems，2005，29(5)：20-24，30(in chinese) 17李春文,馮元琨多變量非線性控制的逆系統(tǒng)方法m 北京：清華大學(xué)出版社，19915 魏曉云,孫輝,徐鳳閣,馬千. 矢量電流控制的電壓源換流器式高壓直流輸電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性分析j. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào). 第30卷,第6 期, 2010年2 月25日:34-40.wei xiao-yun,sun hui, xu feng-ge,ma qian. dynamic performance analysis of vector current controllers for vsc-hvdcj. proc

30、eedings of the csee.vol.30 no.6 feb.25, 2010:34-40.3 喬麗,洪偉,武蓮. 在dq0 坐標(biāo)系建立的 vsc-hvdc控制策略j. 南方電網(wǎng)技術(shù), 2009年第3卷 第3期:24-27.qiao li, hong wei, wu lian. control strategy for vsc-hvdc systems with the dq0 reference frame. southern power system technology. 2009,vo l .3,no. 3:24-27.文獻(xiàn)4提出了vsc-hvdc的穩(wěn)態(tài)模型和基于逆模型和pi

31、 控制相結(jié)合的非線性控制器。文獻(xiàn)5對(duì)vsc-hvdc的精確穩(wěn)態(tài)模型進(jìn)行了有功功率和無功功率的獨(dú)立控制，推導(dǎo)出了有功功率和無功功率的解耦控制策略。4 zhang gui-bin, xu zheng, guan wang. a linear and decoupled control strategy for vsc based hvdc system c/ transmission and distribution conference and exposition, ieee/pes, atlanta, georgia, oct. 28, nov. 2, 2001. new york：ieee

32、, 2001, 1：14-19 5 李金豐輕型直流輸電控制策略及控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)d 保定：華北電力大學(xué)，2004柔性直流輸電系統(tǒng)暫態(tài)數(shù)學(xué)模型hvdc參數(shù)的設(shè)計(jì) 計(jì)算： 計(jì)算： where is the pre-set maximum reactive reference current.計(jì)算in spwm, to obtain balanced three-phase outputs, a triangular wave form is compared with three sinusoidal control voltages that are 120 out of phase. in t

33、he linear region of modulation (amplitude modulation index, ), the fundamental frequency component of the output voltage of the converter varies linearly with m. the line to line voltage at the fundamental frequency can be written as （1）the two-level bridge is the simplest circuit that can be used f

34、or building up a three phase forced commutated vsc bridges. it consists of six valves and each valve consists of an igbt and an anti-parallel diode. igbts of nominal current 500-1500 a, rated voltage of 2.5 kv and switch frequency of 1-2 khz are available on market 13. in order to use the two or thr

35、ee-level bridge in high power applications series connection of devices may be necessary and then each valve will be built up of a number of series connected turn-off devices and anti-parallel diodes. the number of devices required is determined by the rated power of the bridge and the power handlin

36、g capability of the switching devices.1. direct voltagetechnically, the minimum direct-voltage level required to avoid converter saturation while using sinusoidal pulse width modulation can be calculated from eqn. (1) with , and is given by eqn. (2). （2）the maximum direct voltage depends on the desi

37、gn steady state modulation index. in most commercial applications 13 is taken as a design parameter. the maximum direct voltage level is given by eqn. (3). （3）where and are the maximum and minimum steady state acceptable ac-voltage level, 105 % and 95 %, respectively.with a steady state modulation i

38、ndex of , a direct voltage of 100 kv which is within the above two limits is chosen as a design value.初步計(jì)算已知，得到，于是，2. dc capacitorwhere denotes the nominal direct voltage and stands for the nominal apparent power of the converter. the time constant is equal to the time needed to charge the capacitor

39、 from zero to rated voltage when the converter is supplied with a constant active power equal to. denotes the allowed ripple (peak to peak), and the electrical frequency.the time constant is selected to be less than 10 ms to satisfy small ripple and transient overvoltage on the dc-link.計(jì)算已知，來源于注意：合理

40、正確a capacitance of 15.9 f which result in a peak to peak percentage ripple of 7.96 % is used.3. phase reactorthe reactors also functions as ac filters to reduce the high frequency harmonic content of the ac currents which are caused by the switching operation of the vscs. the reactors are essential

41、for both the active and reactive power flow, since these properties are determined by the power frequency voltage across the reactors.計(jì)算：the phase reactors are usually in the range of 0.1 pu to 0.2 pu.移相器電阻為，簡(jiǎn)化為標(biāo)幺值移相器電感為，簡(jiǎn)化為標(biāo)幺值4. ac filtersfig. 3.4 passive second order high pass filterquality factor

42、 of typical values between 0.5 % and 5 % 9, ac-filter rating, filter and harmonic order are used as a design parameters. the resistance, capacitance and inductances are calculated based on the following equationsin this thesis typical values of filter of converter rating, , and are used as design in

43、puts.5. vector controlthe most widely used control scheme for vsc-hvdc is vector control. this method controls the converter voltage to track a current order injected into the ac network.其中，where is the proportional gain and is the integral time constant.the control delay block emulates the delay in

44、troduced by the digital calculation; its transfer function is given by (4.7) and it has the form of a first order transfer function with the time constant. （4.7）where, represents the sampling frequency;the inverter block emulates the delay introduced by the inverter; its transfer function is given b

45、y (4.8) and it has the form of a first order transfer function with the time constant.where, represents the switching frequency;the sampling block emulates the delay introduced for the analog to digital conversion; its transfer function is given by (4.11) and it has the form of a first order transfe

46、r function with the time constant .pid控制參數(shù)的設(shè)計(jì)圖 pid控制器the target of pid control is to keep the dynamic error signal e(t) as small as possible. integral performance indices to the error signal e(t) are often good choices to do so.3 電壓源型換流器工作原理1傳統(tǒng)功率定義傳統(tǒng)的有功功率定義為瞬時(shí)功率的平均值，瞬時(shí)功率定義為若電壓和電流為周期性變化的量，可用傅里葉級(jí)數(shù)表示為式

47、中，為電壓周期性變化量的級(jí)數(shù)余弦項(xiàng)系數(shù)與正弦項(xiàng)系數(shù)決定的相角，；為次諧波電壓和電流之間的相位差；為次諧波的角頻率，；為次諧波電壓的方均根，；為次諧波電壓的方均根，。有功功率、視在功率及無功功率為對(duì)三相三線制系統(tǒng)（無中性線），由于電流不存在零序電流分量，為零，則式中，為次諧波電壓和電流的相角差。由上式可以看出，有功功率和無功功率的平方和不等于視在功率的平方，即。對(duì)此，引入“失真功率”的概念，用表示，如圖1所示。與其他功率的關(guān)系為圖1 功率分量及其關(guān)系失真功率越小越好。如果電壓、電流均為正弦波，為0。2 傳統(tǒng)功率的不足fig.1 vsc-hvdc systemspower electronic control in electrial systems1 compensation and voltage control fig.1 equivalent circ