柔性直流输电系统显式模型预测低复杂度控制技术研究

摘要

随着电力系统的发展，相较于传统交流输电技术，高压直流输电因具有更大传输容量、适合长距离传输以及功率可以快速调节等特点，得到了广泛的应用。然而，传统高压直流输电换流元件为半控型的普通晶闸管器件，只能控制器件的开通，而器件的关断则需要借助相联接的交流系统提供换相电压完成。为了能更好的向弱交流电网和孤岛电网供电，基于电压源换流器的柔性直流输电技术（Voltage Sourced Converter based High Voltage Direct Current,VSC-HVDC）应运而生。与常规的高压直流输电系统相比，VSC-HVDC系统可以对有功和无功功率进行独立控制，作为一种可以极大地提高线路输电效率的系统形式，逐渐的得到了全世界的认可。正因为如此，对VSC-HVDC的控制问题成为了当今研究的热点。 介绍了VSC-HVDC系统的器件结构和运行原理，建立整流和逆变两侧的abc三相坐标系下的数学模型，并应用park变换矩阵，将原模型转化为dq坐标系下的三阶数学模型。考虑到在系统中，其直流侧电压与电流具有明显的非线性关系，使用小偏差线性化的方法，将原有模型在特定的平衡点处，进行分段线性化。然后，引入在模型预测控制（model predictive control,MPC）基础上发展而来的显式模型预测控制（explicit model predictive control,EMPC）的方法，运用多参数二次规划（Multi-parameter Quadratic Programming,MP-QP）理论对状态空间进行了凸划分，将原本大量的在线控制计算过程转移到离线阶段进行预计算。同时，为了进一步降低EMPC的计算复杂度，本文在离线部分引入分离函数法和误判点的概念来减少需要预计算的离线分区。而在在线部分则利用可达分区法，来缩小状态量的搜索范围。最后通过仿真计算，验证可达分区法和分离函数法的有效性。且在嵌入分离函数后，验证了负载突增，有功无功突变和系统元件参数突变等环境下显式模型预测控制的控制性能。

目录

第1章 绪论

1.1 课题的研究背景及意义

1.2 VSC-HVDC研究现状

1.3 柔性直流输电系统基本控制原理

1.4 VSC-HVDC稳定控制策略研究现状

1.5 柔性直流输电技术在实际工程中应用

1.6 本文的主要内容

第2章 VSC-HVDC输电系统建模与分析

2.1 柔性直流输电系统运行原理

2.2 VSC-HVDC系统数学模型

2.3 PWA仿射模型建立

2.4 本章小结

第3章 EMPC控制器设计

3.1 传统VSC控制器模型

3.2 模型预测控制

3.3 EMPC基本原理

3.4 多参数规划

3.4.1 多参数二次规划

3.4.2 MP-QP与MP-LP的算例分析

3.5 离线计算

3.5.1 价值函数建立

3.5.2 参数变量筛选

3.5.3 临界域划分

3.5.4 显式控制律建立

3.6 在线计算

3.7 本章小结

第4章 EMPC低复杂度算法

4.1 分离函数法

4.1.1 分离函数建立

4.1.2 误判点分析

4.2 可达分区算法

4.2.1 可达分区算法原理

4.2.2 可达分区算法实现

4.3 本章小结

第5章 系统仿真分析

5.1 EMPC复杂度分析

5.2 VSC1侧控制器性能测试

5.3 VSC2侧控制器性能测试

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果及发表的学术论文

声明

致谢