HVDC相关控制技术及其理论的探讨

摘要： 文章针对hvdc相关控制技术及其理论方面进行了探讨。首先简要地概述了高压直流输电系统，然后分析了高压直流传输系统的工作原理，并探讨了换流器的工作方式，最后围绕HVDC相关控制技术方面，给出了关于HVDC系统控制方面研究的主要方法和技术路线。

Abstract： In this paper， high voltage direct current transmission system is briefly introduced， and then the principle of high voltage direct current transmission system is analyzed， and the principle of converter is introduced and discussed in detail， finally， the research method is proposed around the problem of HVDC control techniques.

关键词： HVDC；拓扑结构；控制策略

Key words： HVDC；topological structure；control strategy

中图分类号：TP29 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）13-0045-02

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基金项目：黑龙江省教育厅科学技术研究项目（12531524）。

作者简介：王中鲜（1982-），男，黑龙江哈尔滨人，工程师，博士研究生，研究方向为电力电子技术、电机设计及驱动技术。

0 引言

由于HVDC系统在远距离输电过程中具有调节性能好、过电压水平低、线路损耗小等优点，特别适用于远距离大功率输电、海缆输电等场合，而且符合我国国情，因此，采用直流输电已成为必然趋势。

随着HVDC相关控制技术及其理论的研究逐步深入，国内已经掌握大部分关键技术。然而，国内对于电压源换流器直流输电技术仍处于研究阶段。HVDC系统应该是高度可控的，其有效的运行依赖于这种可控性的正确应用。然而，高压直流输电系统具有强非线性、高维性和不确定性，其运行参数随时间而动态变化，而且HVDC系统的控制参数较多，若设置不当，会影响系统的动态性能，甚至导致系统的不稳定。传统的研究多数是建立在线性化模型的基础上，用频域分析、特征值分析及最优控制理论进行设计。这些方法的缺点在于，得到的控制器只能保证其在某一工作点附近系统的性能最优，当系统的运行点改变或大扰动发生时，便不能保证整个系统仍能具有最优的性能，有时甚至会使系统的性能恶化。借此，对HVDC系统的相关控制技术及其理论进行研究具有重要意义。

1 HVDC系统拓扑结构

HVDC系统拓扑结构大致可分三种：单极拓扑结构、双极拓扑结构和同极拓扑结构。不论哪种拓扑结构，其构成基本相似，下面给出HVDC系统的简单拓扑结构，如图1所示。HVDC系统主要由输电站、变电站、交流滤波器、换流器、配电站、输电线路、控制器等构成。具体运行流程为：输电站输电至变电站经交流升压后，再经交流滤波器滤波后输至整流器，再通过脉冲控制器控制IGBT导通，将交流转换为所需的高压直流电，再经直流输电线路至逆变器转换为交流电，再经交流滤波器滤波后输送至配电站，最后供用户使用。

2 控制方式

直流输电的运行方式取决于整流侧和逆变侧换流器的控制方式。整流侧常用恒定电流Id或者恒定功率Pd控制，逆变侧常用恒定熄弧角γ或者恒定整流侧电压Vdi控制。但是，在某些条件下，整流侧以最小触发角的方式运行，逆变侧以恒定电流方式运行。以整流侧的恒电流Id运行、逆变侧的恒弧角γ运行为例，介绍HVDC系统稳态运行特性，以便于采取合适的控制策略。

图2所示为换流器运行特性，其中直线段AB、BF为整流侧的运行特性曲线，包含最小触发角控制（直线AB段）和定电流控制（直线BF段）；直线段CD、CE为逆变侧的运行特性曲线，包含恒电流控制（直线CE段）和最小熄弧角控制（直线CD段）。

直线AB段的方程式为：

V■=V■cosα-■I■ （1）

当Voi和α为定值时，Vdi与Id之间为线性关系。

直线CD段的方程式为：

V■=V■cosγ-■I■ （2）

当Voj和γ为定值时，Vdj与Id之间为线性关系。

由图2、公式1和公式2可知，交点P为此运行方式的运行点，即直线AB段和直线BF段的交点。在此方式运行下，整流侧应该采取恒电流控制方式，逆变侧应该采取恒息弧角控制方式。

3 研究方法

在查阅相关文献并掌握高压直流传输技术现状和发展趋势的基础上，展开对HVDC相关控制技术及理论的研究时亦应具有科学合理的研究方法，本文抛砖引玉，采取软硬件相结合的方法，简单给出了主要研究方法和技术路线，如图3所示，具体体现如下：

①在MATLAB语言环境下采用Nodal方法对高压直流传输系统进行建模，然后通过使用传统的PID控制方式进行调试，并结合实际高压直流传输系统中实际参数和实际运行情况，进行相关的仿真模拟；

②引入智能控制理论，在换流器运行原理的基础上，针对传统控制方式存在的问题，提出并设计一种新型控制方式，以解决相关技术难点；

③引入遗传算法，对控制器的关键参数进行优化。通过比较已优化参数的传统控制方式和智能控制方式，进而验证所提方案的有效性和优越性；

④选择不同的参数进行海量数据的仿真，并对每次仿真得出来的性能指标进行保存；然后引进粗糙集理论，对大量仿真数据进行海选，建立规则库，进而得出粗糙规则表；

⑤使用所获取的粗糙规则设计出粗糙调整器在线优化智能控制器；

⑥最后在理论研究的基础上，对所提方案进行模型仿真实验。

4 总结

本文简要地介绍了高压直流传输系统的组成和工作原理，并给了系统运行控制方式，最后为了提高系统的整体性能，在结合所查阅的文献的基础上，给出了系统的研究方法和技术路线，起到抛砖引玉的作用，还望为后续研究工作起到指引作用。

参考文献：

[1]周孝信.研究开发面向21世纪的电力系统技术[J].北京： 电力科学研究院研究生部，1997.

[2]王明新.高压直流输电控制保护装置冗余与可靠性[J].北京：中国电力科学研究院系统所，2002.

[3]赵畹君.高压直流输电工程技术[M].北京：中国电力出版社，2003.

[4]Vijay K.Sood著，徐政译.高压直流输电与柔流输电控制装置——静止换流器在电力系统中的应用[M].北京：机械工程出版社，2006.

[5]浙江大学发电教研组直流输电科研组.直流输电[M].北京： 电力工业出版社，2005.