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电压源换流器论文:轻型高压直流输电系统的非线性控制策略研究


电压源换流器论文: 轻型高压直流输电系统的非线性控制策 电压源换流器论文: 略研究

【中文摘要】随着可关断电力电子器件(Insulated-gate Bipolar Transistor, IGBT; Gate-Turn Off Thyrisitor, GTO 等) 和 PWM 技术的发展,基于电压源换流器的轻型高压直流输电(Voltage Sourced Converter-High Voltage Direct Current, VSC-HVDC)系统 越来越受到人们的关注。 与传统的 HVDC 输电系统相比,该输电技术具 有可向无源网络供电、无换相失败危险、有功功率和无功功率独立控 制和易于构成多端直流输电系统等优点。本文着重研究 VSC-HVDC 输 电系统的非线性控制策略。第一种方法,建立起双端无穷大 VSC-HVDC 输电系统在同步旋转 dq 坐标系下的暂态非线性数学模型,采用状态 反馈精确线性化的方法,把非线性的数学模型转化成线性的形式。然 后,运用变结构的控制方法,设计整流侧和逆变侧的控制器,从而实现 直流侧电压恒定和有功、无功功率的独立解耦控制;第二种采用无源 性理论的方法,建立 VSC 在同步旋转 dq 坐标系下的暂态非线性数学模 型,验证了系统的无源性。外环采用定直流侧电压和定有功功率、无 功功率来生成内环 dq 轴参考电流 id*,iq*;内环采用无源性理论的 控制方法,设计无源性控制器,用来追踪参考电流,以达到控制直流侧 电压和独立调节有功和无功功率的。 最后,基于 MATLAB 的仿真结果表 明了该控制器能实现有功功率和无功独立控制,在负载扰动的情况下, 具有良好的暂态控制性能和很强的鲁棒性。 本文还建立了对无源网络

供电的 VSC-HVDC 输电系统的数学模型,整流侧采用状态反馈精确线 性化的方法对非线性数学模型进行解耦,然后用变结构的控制方法设 计控制器;逆变侧利用稳态数学模型,利用前馈解耦的控制方法设计 控制器。 最后,基于 MATLAB 的仿真结果表明该控制器具有良好的启动 和故障恢复性能,也能实现有功功率和无功独立控制。 【英文摘要】With the development of self-commutated power electronic devices (Insulated-Gate Bipolar Transistor, IGBT; Gate-Turn Off Thyrisitor, GTO and so on) and PWM technique, HVDC based on the Voltage Source Converter (VSC-HVDC) has got more and more attention. The VSC-HVDC transmission system has many advantages compared with the traditional HVDC system. For example, it can realize the power supply to passive network, and avoid the risk of commutation failure, and obtain the individual control of active power and reactive power, and is also easy to construct multi-terminal DC system.Two nonlinear control strategies for the VSC-HVDC transmission system are mainly studied in this paper. In the first strategy, a nonlinear transient mathematical model of VSC-HVDC transmission system in synchronously rotating dq frame is built. To design the controller for this nonlinear system directly, the approach of state feedback exact linearization is adopted to change the nonlinear mathematical model into the linear one; then

utilizing the variable structure control method, the controllers for rectifying side and inversion side are designed, thus the constant voltage at DC side and independent decoupling control for active power and reactive power can be implemented.In the second strategy, a nonlinear transient mathematical model of VSC-HVDC in synchronously rotating dq frame is developed and the passivity of the system is also verified. In order to realize the decoupling control between the active power and reactive power, a dual closed loop control strategy is established. The control strategy includes an outer loop, which contains the DC voltage together with active and reactive power regulators used to generate the inner dq-axis reference currents id*,iq*; and an inner loop, which consists of a passivity-based current controller that applied to track the reference currents. Finally, a MATLAB-based simulation model is constructed for simulation analysis of the controllers proposed. Simulation results show that the designed controllers possess satisfied transient control performance and strong robustness.A nonlinear transient mathematical model of VSC-HVDC system in synchronously rotating dq frame is developed. In rectifier side, the approach of state feedback exact linearization is adopted to change the nonlinear

mathematical model into the linear one, and the variable structure control method is used to design controllers; in the inverter side, the feedforward decoupling control strategy is adopted to design controllers. At last, the MATLAB simulation results show that the controller has excellent startup and fault recovery performances, and can realize independent decoupling control for active and reactive power. 【关键词】电压源换流器 高压直流输电 状态反馈精确线性化 变结构控制 无源控制器 【英文关键词】Voltage Sourced Converter(VSC) Voltage Direct Current(HVDC) linearization High

state feedback exact

variable structure control

passivity-based controller 【目录】轻型高压直流输电系统的非线性控制策略研究 6-7 Abstract 7 第一章 绪论 12-20 摘要

1.1 HVDC 的

发展过程和现状 12-13 13-14

1.2 HVDC 技术的特点和局限性 1.4

1.3 VSC-HVDC 的技术特点和应用领域 14-15 15-16 1.5 VSC-HVDC 的研究现状

VSC-HVDC 的应用现状 16-18 16-17 17 17-18

1.5.1 VSC-HVDC 系统工作原理和数学模型研究 1.5.2 VSC-HVDC 系统的控制器设计研究 1.5.3 VSC-HVDC 系统的保护和控制策略研究 1.5.4 VSC-HVDC 系统调制波的生成方法研究

18 18

1.5.5 VSC-HVDC 系统在实际领域中的应用研究 1.6 课题的主要工作 18-20 20-23 第二章 VSC-HVDC 的运

行原理和数学模型 型 20-23

2.1 VSC-HVDC 的运行原理和数学模 2.1.2

2.1.1 VSC-HVDC 的运行原理 20-21 21-23

VSC-HVDC 的数学模型 23-33

第三章 非线性系统理论

3.1 多输入多输出非线性系统状态反馈精确线性化设 3.1.1 状态反馈精确线性化涉及的几个基本概 3.1.2 状态反馈精确线性化的条件 3.1.3 状态反馈精确线性化方法的设计方法 3.2 变结构控制理论 27-30 3.2.1 变结构控制的基 3.3

计原理 23-27 念 23-26 26-27 27

本问题 28-29

3.2.2 滑模变结构控制的设计 29-30 3.3.1 无源性的概念

无源性控制理论 30-33 30-31

3.3.2 系统的无源性和稳定性 31-32

3.3.3 欧

拉-拉格朗日系统 32-33

第四章 基于精确线性化变结构的 4.1 VSC-HVDC 系统控制方式 4.3 系统

VSC-HVDC 的控制器设计 33-44 33

4.2 选择合适的系统输入、输出量 33-34

的精确线性化和变结构控制器设计 34-38 精确线性化解耦 35-37 37-38

4.3.1 VSC-HVDC 的

4.3.2 变结构控制器设计 4.4.1

4.4 VSC-HVDC 输电系统 MATLAB 仿真 38-44 39-40 4.4.2 无功功率阶跃响应实验

有功功率反转实验 40-41

4.4.3 系统电压阶跃响应实验 41-42 42-44

4.4.4 换

流站参数摄动实验

第五章 VSC-HVDC 系统的无源性控制

器设计 44-53 44-45

5.1 三相电压型 PWM 换流器结构 45-47 5.2.1 VSC-HVDC

5.2 无源性控制器设计 45-46

内环参考电流计算 46-47 验 48-49 49-50

5.2.2 内环无源控制器设计 5.3.1 系统启动到稳态实

5.3 仿真分析 47-53

5.3.2 有功功率、无功功率阶跃响应 5.3.3 逆变侧三相接地短路故障实验 50-53 第 6.1

六章 对无源网络供电的 VSC-HVDC 系统控制器设计 53-64 向无源网络供电的 VSC-HVDC 输电系统结构图和数学模型 53-54 6.2 整流侧和逆变侧的控制器设计 54-55 6.3.1 启动实验

6.3

VSC-HVDC 输电系统仿真与分析 55-63 55-58 58-60 小结 63-64 文献 67-71

6.3.2 有功功率和无功功率的阶跃响应 6.3.3 逆变侧交流电压的阶跃响应 60-63 结论和展望 64-66 致谢 66-67 本章 参考

攻读硕士学位期间发表论文 71


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