轻型高压直流输电系统的动态建模及非线性解耦控制

制和电压源型换流器(voltage source converter，VSC) 的新一代直流输电技术，是现代大功率电力电子技 术在电力系统中应用的进一步延伸与发展[1]。 与传统 基于相位控制换流器(phase control converter，PCC) 的高压直流输电相比，HVDC light 具有控制灵活、 不存在换相失败、产生的谐波含量小、对受端电源 系统无容量要求、可参与系统无功功率调节、可向 [2-6] 无源负载供电等诸多优点 ，该项输电技术将高压 直流输电的经济容量延伸到数兆瓦至数百兆瓦，适 用于偏远地区供电、城市电网增容改造等领域，具 有良好的应用前景。国外已有 7 个 HVDC light 系统 投入运行，线路最高输电容量已达 330 MW[7-8]，我 国尚未有 HVDC light 系统工程，理论研究尚处于 起始阶段，如文献[9-14]对 HVDC light 系统的建模 及控制方法进行了有益的探讨。 本文 基于同步旋转坐标系(dq0) 建立了 HVDC light 系统的动态数学模型，采用非线性反馈线性化 方法[15-18]，设计了电流控制内环使用比例调节器、 电 压 及 功率 控制 外 环 使 用 比 例 积 分 (proportional integral，PI)调节器构成的非线性解耦控制器，并应 用 电 磁 暂 态 仿 真 工 具 PSCAD/EMTDC(power system computer aided design/electromagnetic transients program including direct current) 建立了 HVDC light 仿真模型， 通过仿真对所建立的系统模 型的正确性及控制器的有效性进行了验证。
严干贵 1，陈 涛 1，穆 钢 1，刘文华 2，李军徽 1，黄亚峰 1
（ 1．东北电力大学 电气工程学院，吉林省 吉林市 132012； 2．清华大学 电机工程与应用电子技术系，北京市 海淀区 100084）
Dynamic Modeling and Nonlinear-Decouple Control of HVDC Light System
(5)
式 中： k 为坐标变换系数(数 值与 PWM 控制的直 流电压利 用率有关 )；m1、m 2 分别为 VSC1、VSC2 的调制 比， 其值 等于换流器输 出交流基波 相 电压 幅值与直流侧电压 之比； δ1 、 δ2 分别为交流系统 1、 2 相 电压与 VSC1、VSC2 输出交流基波 相电压的 相角 差。 将式(5) 代入式(4) 进一步 得到全面表征 HVDC light 系统的状态方程
第 31 卷 第 6 期 2007 年 3 月 文章编号：1000-3673（2007）06-0045-06
电 网 技 术 Power System Technology 中图分类号：TM731 文献标识码：A
Vol. 31 No. 6 Mar. 2007 学科代码：470·4054
轻型高压直流输电系统的动态建模及 非线性解耦控制
来自百度文库ω1 − R L
uiq1 Cudc1 ω2 − R L
uid1 − usd1 0 L id1 u iq1 0 iq1 − L udc1 idc 0 C usd2 − uid2 0 L id 2 uiq2 0 iq 2 − − L u dc2 − idc 0 C
YAN Gan-gui1，CHEN Tao1 ，MU Gang1，LIU Wen-hua2，LI Jun-hui1，HUANG Ya-feng1
（1．School of Electrical Engineering，Northeast Dianli University，Jilin 132012，Jilin Province，China； 2．Department of Electrical Engineering，Tsinghua University，Haidian District，Beijing 100084，China） ABSTRACT: HVDC light is a new generation of HVDC power transmission based on PWM controlled voltage source converter (VSC) and possesses following advantages: flexible power control, capability of transmitting power to active and passive network as well as lower harmonics amount, etc. The authors establish a dynamic model of HVDC light system under synchronous rotating coordinate system, design a nonlinear decouple controller and realize individual control for active and reactive power transmission. By means of electromagnetic simulation software PSCAD/EMTDC, the principle of power control is analyzed, and the effectiveness of the established model and designed controller are validated in different standpoints. KEY WORDS: voltage source converter (VSC) ； HVDC light； linearization via feedback；nonlinear decouple control；power transmission and distribution 摘要： 轻型高压直流输电是基于脉宽调制电压源型换流器的 新一代直流输电， 具有功率控制灵活、 可向有源和无源网络 输电、 产生的谐波含量小等优点。 建立了基于同步旋转坐标 系下的轻型高压直流输电系统的动态模型， 采用反馈线性化 方法设计了非线性解耦控制器， 实现输送有功、 无功功率的 独立控制。应用电磁暂态仿真软件 PSCAD/EMTDC 对轻型 直流输电系统的功率调节控制原理进行了仿真分析， 对模型 和控制器的有效性进行了多角度验证。 关键词：电压源型换流器(VSC)；轻型高压直流输电；反馈 线性化；非线性解耦控制；输配电工程
式中：Pc1、Pc2 为 VSC1、VSC2 交流侧流入(出)有功 功率；udc1、udc2 为 VSC1、VSC2 直流侧电压；i01、 i02 为 VSC1、VSC2 直流侧流出(入)的电流。 两端交流系统三相对称运行，分别以两端系统 电压为参考矢量，对式(1)、(2)进行 Park 变换，本 文所采用的变换矩阵[19]为 cos(ω t − 120°) cos(ω t + 120°) 2 cos ω t 3 − sin ω t − sin(ω t − 120°) − sin(ω t + 120°) 结合直流侧电压动态方程 Cdudc1 / dt = i01 − idc (3) Cdudc2 / dt = idc − i02 P= 式中 idc 为直流线路电流。得到 HVDC light 系统基 于 dq0 坐标下的状态方程为(d 轴与交流系统电压矢 量重合)
R − id1 L d iq1 = −ω1 d t u dc1 uid1 Cu dc1 R − L id2 d i = −ω 2 dt q2 u dc2 uid2 Cu dc2
uib2 ib2 uic2 ic2
图 1 HVDC light 系统模型 Fig. 1 System model of HVDC light
参考图 1 可得到 HVDC light 系统交流侧在三 相静止坐标系下的动态微分方程为 dia1 L dt + Ria1 = usa1 − uia1 di L b1 + Rib1 = usb1 − uib1 dt dic1 L + Ric1 = usc1 − uic1 dt (1) L dia 2 + Ria2 = uia2 − usa2 dt dib2 + Rib2 = uib2 − usb2 L dt L dic2 + Ri = u − u c2 ic2 sc2 dt 式中：ia1、ia2 分别为交流系统 1、2 的 a 相电流； usa1、usa2 分别为交流系统 1、2 的 a 相相电压；uia1、 uia2 分别为 VSC1、VSC2 交流侧 a 相相电压；同理 定义上述各量的 b、c 相变量。由功率守衡定律有 Pc1 = uia1ia1 + uib1ib1 + uic1ic1 = udc1i01 Pc2 = uia2ia2 + uib2ib2 + uic2ic2 = udc2i02 (2)
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换流器(VSC1、VSC2)、直流电容器(C1、C2) 、换流 电 抗 器 (L1 、 L2) 和 直 流 输 电 线 路 构 成 ， 通 常 有 L1=L2=L，C1=C2=C，换流器及线路、直流线路的损
Ps1 、 Qs1 usa1 R1 交 流 系 usb1 R1 统 1 usc1 R1 L1 L1 L1 Pc1 ia1 uia1 ib1 uib1 ic1 uic1 i01 2C1 udc1 VSC1 2C1 Rd /2 idc Rd/2
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引言
轻型高压直流输电(HVDC light) 是基于脉宽调
1
HVDC light 系统建模
HVDC light 系统由 2 个采用脉宽调制电压源型
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严干贵等：轻型高压直流输电系统的动态建模及非线性解耦控制
(4)
uiq2 Cudc2
式中：ω1、ω2 分别为交流系统 1、2 的电压角频率； usd1 、usd2 分别为交流系统 1、2 系统电压的 d 轴分 量；id1(id2)、iq1(iq2) 分别为两端交流线路电流的 d、 q 轴分量；uid1(uid2) 、uiq1(uiq2)分别为 VSC1、VSC2 交流侧电压的 d、q 轴分量。 HVDC light 系统中两端 VSC 采用脉宽调制 (pulse width modulation，PWM)控制，当只考虑其 输出交流基波电压时有 uid1 = km1udc1 cos δ1 uid2 = km2 udc2 cos δ 2 uiq1 = km1udc1 sin δ1 uiq2 = km2 udc2 sin δ 2
耗分别用电阻 R1=R2=R、Rd 表示，其中 C 为 VSC 提供电压支撑及减小直流侧谐波，L 用于滤除输出 电流谐波，系统模型如图 1 所示。
Pc2 i02 2C2 udc2 2C2 VSC2 uia2 ia2 L2 L2 L2 R2 R2 R2 Qs2 Ps2、 usa2 usb2 usc2 交 流 系 统 2