VSC-HVDC系统的鲁棒及优化控制策略研究

摘要

基于电压源换流器的高压直流(voltage source converter-based high voltagedirect current,VSC-HVDC)输电系统与传统的基于电流源换流器的高压直流(current source converter-based high voltage direct current,CSC-HVDC)输电系统相比，具有可以向无源网络供电、独立控制有功无功功率、能够互联非同步电网等优势，因此得到了世界各国的重视与应用。我国的柔性直流工程近十几年来发展迅速，已相继有舟山、南澳、大连、厦门和张北五大项目投入运行，但对于VSC-HVDC系统的控制策略仍有若干关键问题亟待解决，现有VSC-HVDC系统的换流站级控制大多基于传统PI控制，其鲁棒性较差；多端VSC-HVDC系统的系统级控制以主从控制和多点电压下垂控制为主，这两种方法均不能同时兼顾可靠性和控制精度。本文针对如何提高VSC-HVDC系统的鲁棒性、动态性和精确性等问题，展开了较为深入的研究工作，取得的成果如下：
　　提出了一种基于定量反馈理论的VSC-HVDC系统的换流站级鲁棒控制策略。为了提高VSC-HVDC系统的换流器级控制的鲁棒性，并且易于对频域控制理论较为熟悉的工程人员理解、操作，论文在研究d-q矢量解耦双环控制结构的基础上，应用基于频域的定量反馈理论，设计了VSC-HVDC系统换流器的双环鲁棒控制策略。在PSCAD中的仿真结果表明，所提控制策略在换流站参数有较大变化，交流侧短路和换流站交流侧电压突变等情形下的控制效果均优于PI控制。
　　提出了一种适用于计算机采样的VSC-HVDC系统的离散数学模型和换流站级非线性鲁棒控制策略。由于VSC-HVDC是一个多输入多输出的强非线性系统，论文采用非线性反馈线性化方法建立了VSC-HVDC系统线性化后的离散数学模型，并在此基础上采用离散滑模控制方法设计了鲁棒控制策略。为了保证该策略在准滑模状态下的有效性，在输出反馈中采用了快速输出采样技术。MATLAB/SIMULINK中的实验结果表明，所提控制策略可以使VSC-HVDC系统在换流站指令值反转阶跃变化和换流站参数发生变化的扰动情形下，均能保持稳定运行。
　　提出了一种基于 PCHD模型的无源控制与滑模控制相结合的换流站级非线性鲁棒控制策略。针对VSC-HVDC系统的非线性特性，论文提出了一种基于PCHD模型的无源控制策略，可以使VSC-HVDC系统具有更好的动、静态性能。但是该策略依赖于精确的系统参数模型，当系统遭遇扰动时，系统的运行参数的变化会导致所设计控制器的鲁棒性变差。为了解决这一问题，在所设计的基于PCHD模型的无源控制策略基础加入了滑模控制，借助其良好的鲁棒性和设计的简便性，来提高VSC-HVDC系统的鲁棒性。在MATLAB/SIMULINK中的仿真结果表明，所提控制策略在换流站功率指令值阶跃、交流侧母线短路和换流站参数发生变化的情形下，均能使VSC-HVDC系统运行良好。
　　提出了一种多端VSC-HVDC系统的优化控制策略。针对VSC-HVDC系统在现行下垂控制策略下实际运行值与期望值之间存在较大偏差这一问题，论文详细分析了存在偏差的原因，即当功率和电压指令值均直接设定为期望运行值时，未考虑实际运行中直流线路电阻和换流器损耗的影响，则根据下垂特性，会引起较大的功率偏差。为了减少该偏差，论文提出了一种采用各端换流器实际稳态运行点（即计算潮流值）作为控制参考值的下垂控制策略，在PSCAD中的仿真结果表明，此种策略可有效减少实际运行值与期望值之间的偏差，进而优化了下垂控制方式下多端系统的运行结果。同时为保证能够快速、精确地计算出潮流值，论文提出了一种基于节点电流关系的下垂控制方式下多端交直流系统潮流计算方法，在MATLAB中的程序运算结果表明，该计算方法与现有基于节点功率的方法相比，更具快速性、精确性和鲁棒性。

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1 绪论

1.1 研究背景

1.2 VSC-HVDC输电系统控制策略国内外研究现状

1.3 本文所做的工作及章节安排

2基于定量反馈理论的VSC-HVDC系统控制策略

2.1引言

2.2 VSC-HVDC系统数学模型

2.3基于定量反馈理论的系统控制器设计

2.4算例分析

2.5 本章小结

3基于离散滑模控制的VSC-HVDC系统控制策略

3.1引言

3.2 VSC-HVDC系统的离散数学模型

3.3 VSC-HVDC系统的离散滑模控制策略设计

3.4 算例分析

3.5本章小结

4 VSC-HVDC系统的无源控制及辅助滑模控制策略

4.1引言

4.2 VSC-HVDC的PCHD模型

4.3 PCHD模型下的控制算法

4.4无源滑模控制算法

4.5 算例分析

4.6本章小结

5 多端VSC-HVDC系统的优化控制策略

5.1引言

5.2多端系统的稳态运行点计算

5.3优化控制策略下系统运行结果的对比分析

5.4本章小结

6总结与展望

6.1全文总结

6.2研究工作展望

参考文献

致谢

附录1 攻读博士学位期间发表的论文

附录2 攻读博士学位期间参与的科研项目