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VSC-HVDC输电系统的非线性控制器设计

更新时间：2019-12-30 13:45:42 大小：312K 上传用户：xiaohei1810 查看TA发布的资源 标签：VSC-HVDC输电系统非线性控制器 下载积分：1分评价赚积分（如何评价?）打赏收藏评论(0) 举报

资料介绍

在分析基于电压源换流器的高压直流输电系统(VSC-HVDC)的非线性模型的基础上,运用非线性系统控制理论的状态反馈和坐标变换方法,将系统的非线性模型转化为完全能控的线性模型.再根据线性系统的最优控制理论得出了系统的最优控制规律.在此基础上设计了系统的非线性控制器.对所提出的非线性控制器和传统的PI控制器分别进行了计算机仿真研究.结果表明:在VSC-HVDC系统遭受扰动或故障后,所设计的非线性控制器比传统的PI控制器能更快更好地使系统恢复到正常状态,有效改善了系统的动态性能.

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弟35苍弟8明

V01．35．No．8

期甬大学学报(自然科学腹)

2 0 0

8年8月

Journal of Hunan

Sciences)

00 8

Aug．2

University(Natural

文章编号：1674．2974(2008)08．0038．05

VSC—HVDC输电系统的非线性控制器设计+

超

彭建春，金灵满’，曾

(湖南大学电气与信息工程学院，湖南长沙410082)

摘要：在分析基于电压源换流器的高压直流输电系统(VSC．HVDC)的非线性模型的

基础上，运用非线性系统控制理论的状态反馈和坐标变换方法，将系统的非线性模型转化为

完全能控的线性模型．再根据线性系统的最优控制理论得出了系统的最优控制规律．在此基

础上设计了系统的非线性控制器．对所提出的非线性控制器和传统的PI控制器分别进行了

计算机仿真研究．结果表明：在VSCHVDC系统遭受扰动或故障后，所设计的非线性控制器

比传统的PI控制器能更快更好地使系统恢复到正常状态，有效改善了系统的动态性能．

关键词：状态反馈；最优控制；非线性控制器；PI控制器；电压源换流器

中图分类号：TM571．2

文献标识码：A

of Nonlinear Control for VSC—HVDCTransmission

Design

System

PENG

Chao

Jian—chun，JIN

Ling—man’，ZENG

of Electficfl and Information

410082．China)

(College

Engineering。Hunan Univ，Changsha．Hunan

nonlinear

method for

control

Abstract：This

paper presented

transmission

optimal

Voltage—Source—Converter(vsc)in

model for the

HVDC

nonlinear

Direct Cur—

High Voltage

light power

systems．First，the

based VSCwas converted to

dynamic

and

state feedback

using

rent transmission

systems

coordinate transformation in nonlinear

controllable 1inear model

nonlinear

fully

control

control was de—

strategy

system

theory．Then，a

optimal

on the

control

of linear

new nonlinear controller was

tested and

controller were

for

designed

rived，based

optimal

theory

systems．Finally，a

VSC-HVDC _{systems．The}new

sim—

nonlinear controller and classical

compared by

ulation．Simulation results have shown that the newnonlinear controller can restore the

system，when subject

the

disturbance or

normal state faster and better than PI controller．It has

fault，to effectively improved

dy-

namic

of VSG-HVDC

performance

systems．

control；nonlinear controller；VSC

qpntroller；PI

words：state

Key

feedback；optimal

随着电力电子技术的发展，在高压直流输电系

控制比较复杂，相关研究也相对滞后n】．目前在

VSC-HVDC系统中大多采用传统的PI控制，这对

于提高电力系统的运行性能有一定的积极作用．但

当系统的运行状态发生较大变化时，PI控制器的控

制效果将大大削弱【2】．因此如何利用现代控制技术

来提高控制器的控制性能已成为VSC-HⅥ)C系统

研究的一个重要问题∞1．基于现代控制理论。国内外

学者提出了不同的控制策略．文献[4]根据VsC内

统中采用以全控型器件为基础的电压源换流器

Source

(Voltage

Converter，VSC)已成为可能．以

VSC为基础的高压直流输电(vSGHVDC)工程自

1997年试验成功以来，在国外已有多个工程已投入

运行或即将投入运行，但国内还没有此类工程的相

关报道．与传统直流输电技术相比，VSC-HVDC在

运行灵活性和可靠性方面具有明显优势，但其运行

· 收稿日期：2007-12-22

基金项目：国家自然科学基金资助项目(50677015)

作者简介：彭建春(1964一)。男，湖南常德人，湖南大学教授，博士生导师

t通讯联系人．E-nufil：jirdingman@163．c．om

万方数据

第8期

彭建春等：VSC-HVDC输电系统的非线性控制器设计

部电流环和系统的控制要求，对变量之间的关系进

行了解耦处理，但由于仍采用PI控制器，因此同样

存在运行状态限制问题．文献[5，6]利用逆系统线性

化方法对VSGHvDC系统进行强制线性化，同时提

出了相应的控制模型，但没有给出具体的控制结构．

本文在分析VSGHVDC系统非线性模型的基

础上，运用状态反馈和坐标变换方法，将非线性模型

转化为完全能控的线性模型，再根据线性系统的最

优控制理论，得出了系统的最优控制规律，并在此基

础上设计了一种非线性控制器。为了验证本文所采

用的VSC．HVDC系统模型的正确性和所提出的非

线性控制器的有效性，对非线性控制器和PI控制器

分别进行了计算机仿真研究．结果表明，本文所采用

的系统模型正确，所设计的非线性控制器有效地改

善了系统的动态性能．

和Uc分别为两侧VSC所连交流系统母线电压的基

波分量有效值；R，L分别为换流器功率损耗的等效

电阻和电感．下标1和2分别对应VSCl和VSC2的

物理量．【，m和U电分别为直流输电线路两端的电压；

R，，L，分别为直流输电线路的等效电阻和电感．以整

流侧VSC为例，在忽略谐波分量的状态下，VSC所吸

收的有功功率和无功功率分别为[71：

P：旦!旦!!!坚竺兰些i璺里!，

√R2+(c也)2

(1)

(2)

Q：—U,—Uoc70s(亍a-；a)i竽．

√R‘+(乩)‘

式中：窿=arctan(Rla,L)；艿为【，。超前【，。的相位．

另外U。正比于PWM的调制度m，可以表示为：

(3)

U。=m，．Ud．

√Z

从式(1)～(3)可见：P主要由艿决定，Q可以通过

优来调节．因此只要适当地改变艿和m的大小就可

以控制有功功率和无功功率的大小和传输方向‘引．

VSC-HVDC系统的结构原理图

图1所示为双端VSC-HVI)C系统模型，其中UI

图1 VSC-HVIX3系统模型

Model．of VSC-HVDC

system

Fig．1

和定电压控制．当VSC处于其他控制方式时，只需

改变下文公式中相应的变量即可．

VSC．HVDC系统非线性模型

从VSC-HVDC系统模型的功率表达式(1)和

对图1所示的VSC-HVDC系统模型，直流输电

线路上的电流动态微分方程可以描述为：

(2)可以看出，VSC-HVDC系统是一个非线性、强耦

合系统，具有复杂的非线性特性．整流器和逆变器输

出的直流电压是交流电压的函数，而交流母线电压

则与全系统的状态呈复杂的非线性关系．若仅采用

PI控制策略，则无法保证系统在遭受扰动或故障时

仍具有良好的动态响应特性．为了克服上述缺陷，在

VSC-HVDC系统控制器的设计过程中有必要考虑

其非线性特性及交流母线电压对系统状态的影响．

(4)

jd=享二(udI—u正一R3jd)．

设VSCl和VSC2的PWM调制信号分别为ml和

m：，控制信号为巩。和【，，：，这里调制信号决定

VSC的实际输出值，而控制信号为VSC的实际输

出值与设定值之间的偏差再经信号放大环节所得，

因此它是调制信号的函数．将调节器的时间常数设

为T。。和T。：，传递函数为G。(s)和G：(5)，则有

因此本节将应用非线性系统控制理论来解决VSC-

HVDC系统的非线性控制器设计问题．

(5)

Gt =铝=忐．

由于VSC具有定电流控制、定电压控制和定功

率控制等多种不同的运行方式，为了简便起见，本文

对整流侧VSC和逆变侧VSC分别采用定电流控制

将式(5)写成微分形式，得

(6)

鲁2寺(‰ 一t+ ．

万方数据

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