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1、 HUNAN UNIVERSITY课程论文 论文题目：基于VSC的高压直流输电系统控制策略研究学生姓名：学生学号： 专业班级：电气2班 学院名称：电气与信息工程学院 指导老师：学院院长： 年 月 日 湖南大学课程论文 第 II 页摘 要VSC-HVDC输电技术在实际的电力系统中已得到了一些成功的应用，其显著的特点就是具有高度可控性。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VS
2、C-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PSCADEMTDC，对本文提出的非线性控制器和分散协调控制器分别进
3、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；PSCADEMTDC.AbstractThe technology of HVDC power transmission based on VSC which could be highly controlled
4、had some successful applications in the power systemsBut as a newtechnology，study in this field is not mature in our countrySo the study in this fieldespecially the immature control scheme is of great meaning in both theory andexpenence.Starting from the structure of singlephase circuit of VCS，this
5、article brienyanalyzed both the principle and control method of VSCHVDC power transmissionsystemOn that basis stable math model of the VSCHVDC power system under given control scheme was deduced.Then the model is converted to a fully controllablelinear model using state feedback and coordinate trans
6、formation in nonlinear systemcontrol theory Last a nonlinear optimal control strategy is deriVed based on theoptimal control theor)r of linear systems Finally a new nonlinear controller isdesigned for VSCHVDC systemsThe state equation and output equation are obtained using linearization methodon the
7、 basis of analyzing the hybrid transmission systemsThen an optimal controlstrategy is derived based on the structure restriction control theory of Iinear systemsFinally a new decentralized and coordinated controller is designed for hybridtransmission systemsNumerical simulations of the newly designe
8、d nonlinear controller and decentralized and coordinated controller are carried out by using the electromagnetictransient simulation software PSCADEMTDCSimulation results show that themodels using in the paper are feasible and the linearization method are efficientControllers can restore the system
9、subj ected to a disturbance or fault to normal statefaster and better than the system with the existing controllersIt improVes efncientlythe dynamic performance of the hybrid transmission systemsKey Words：VSC； Nonlinear Control； Decentralized and Coordinated Control；PSCADEMTDC 湖南大学课程论文 第 I 页目 录1绪论11
10、.1引言11.2VSC-HDVC输电系统的特点21.2.1VSC-HDVC输电系统的优点21.2.2VSC-HVDC输电系统的缺点31.3VSC-HVDC输电系统的应用场合和情况41.4VSC-HVDC输电技术的研究现状61.5本文的主要工作72VSCHVDC输电系统的基本原理82.1VSC的电路结构82.2VSC的调相原理92.3VSC的运行特性113VSC-HDVC系统新型非线性控制器设计143.1非线性控制理论简介143.2VSC-HVDC输电系统的控制方式153.3VSCHVDC输电系统模型163.3.1VSCHVDC输电系统的结构模型163.3.2VSCHVDC输电系统的数学模型18
11、4基于PSCAD的仿真算例及分析204.1PSCADEMTDC仿真软件简介204.1.1PSCADEMTDC发展历程204.1.2PSCADEMTDC的程序结构和功能特点214.2新型非线性控制器仿真研究224.3结论24 湖南大学毕业设计（论文） 第 1 页1 绪论1.1 引言 湖南大学课程论文 第 24 页高压直流输电(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
12、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
13、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
14、在：需要输送直流有功功率的4060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
15、中采用以全型器件为基础的电压源换流器(vroltage Source ConverterVSC)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
