柔性直流输电系统控制策略研究及其实验系统的实现

柔性直流输电（VSC-HVDC）技术极大地拓展了直流输电的应用范围。由于其在控制灵活性、环境保护、电力交易、绿色能源并网和提高电能质量等方面的优良特性,成为当前输配电领域的研究热点之一。尤其在我国尚无实际工程的情况下,许多应用基础问题仍需深入研究。 本文特别关注了VSC-HVDC的数学模型、控制策略和实验系统等问题。从VSC-HVDC系统的模型、控制体系、控制策略及实验系统的研制等方面进行了研究,取得的主要成果如下: （1）推导了abc以及dq0坐标系下VSC-HVDC系统的数学模型。基于VSC-HVDC系统的低频数学模型,建立了VSC-HVDC系统的动态等效电路。通过该电路可以清晰方便地分析VSC-HVDC系统中各变量扰动时的动态特性。对VSC-HVDC系统静态特性的研究进一步揭示了VSC-HVDC的运行机理。 （2）构建了VSC-HVDC系统控制体系框架,具体提出了建立四层结构的VSC-HVDC系统控制体系框架的观点,即直流系统控制层、换流器控制层、阀组控制层和独立控制层四层结构。阐述了VSC-HVDC控制系统的基本功能,指出了采用多重化配置和分层控制结构设计的必要性,明晰了控制系统各层次的控制功能和控制范围以及各控制层次之间的关系,为VSC-HVDC控制系统的开发奠定了基础。 （3）设计了VSC-HVDC系统H∞控制器。针对PI控制器设计的缺点和从提高系统鲁棒性的角度出发,采用H∞控制理论分别设计了VSC-HVDC面向无源网络和两端联接有源网络的H∞控制器。为了更好地抑制交流系统电压扰动对VSC-HVDC系统的影响,在对数学模型进一步推导的基础上,设计了考虑系统电压扰动的VSC-HVDC H∞控制器。 （4）设计并完成了VSC-HVDC实验系统,包括主电路、控制子系统和监控子系统三部分。利用所建立的实验系统,进行了向无源网络和两端联接有源网络供电的实验。为了弥补常规PI控制器的缺陷,设计了模糊自适应PI控制器,该控制器能够实现自动调整PI参数,较好地适应了系统的各种变化,实验结果验证了它的有效性。 （5）提出了多端VSC-HVDC系统的三种基本结线方式,包括并联结线方式、串联结线方式和混合结线方式。其中,混合结线方式又可以分为串并联结线方式和并串联结线方式两类。给出了三类结线方式的结构图,详细分析了它们各自的特点,并验证了这些结线方式的可行性。