CN105656032B - 一种电力系统孤网运行稳定控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种电力系统孤网运行稳定控制方法，包括：建立孤网系统连续时间状态方程；判断零阶采样保持环节是否满足简化近似条件；如果零阶采样保持环节满足简化近似条件，描述连续时间状态方程系统特征矩阵；根据连续时间状态方程系统特征矩阵矩阵特征值，判断系统是否渐进稳定；如果零阶采样保持环节不满足简化近似条件，离散化连续时间状态方程；描述离散时间状态方程系统特征矩阵；根据离散时间状态方程系统特征矩阵矩阵特征值，判断系统是否渐进稳定。本发明提供的电力系统孤网运行稳定控制方法可以判断连续时间状态下或离散时间状态下孤网系统是否渐进稳定，从而对电力系统孤网运行状态下进行准确地渐进稳定控制。

Description

一种电力系统孤网运行稳定控制方法

技术领域

本发明涉及电力电网技术领域，特别是涉及一种电力系统孤网运行稳定控制方法。

背景技术

“大电网、大电厂、大机组、高电压输电、高度自动控制”是我国电力的现状，可增强系统整体的资源配置，提高系统抵御故障的能力，但是，系统在大扰动下维持频率稳定的能力却在不断恶化。局部电网故障、极端天气或地质灾害的发生以及人为操作失误均可能导致与主网联系薄弱的地区电网与主网解列，形成孤网运行的情况。孤网是孤立电网的简称，一般泛指脱离大电网的小容量电网，如果电网中最大单机容量大于电网总容量的8％，则判定为孤网。

孤网运行时系统频率变化剧烈，如果控制措施不当，极可能出现大面积停电事故。电力系统发生裂解后，电力子系统与主网联系薄弱，易发生孤网运行。电力系统裂解为孤网运行后，发电机总出力过剩，超速保护功能(OPC)反复动作，引起频率和功率振荡。此过程中可能由于机炉保护动作引起发电机跳闸，低频减载装置动作，对电网危害大，可能造成局部电网全黑。现有孤网运行控制方法综合在考虑了负荷调节效应的作用、调速系统调节效应和旋转备用的补偿作用，对孤网运行参数整定过程制定低频减载整定的计算方法，对孤网系统稳定性进行控制。

然而，现有孤网运行控制方法中，只针对单机系统模型和简单的电网结构根据其频率动态特性而制定了低频减载整定的计算，未考虑到零阶采样保持环节对孤网系统被控对象建模的影响，不能在恒压或恒频控制条件下，准确地对电力系统孤网运行状态进行渐进稳定控制。

发明内容

本发明实施例中提供了一种电力系统孤网运行稳定控制方法，以解决现有技术中孤网运行控制方法未考虑零阶采样保持环节对孤网系统被控对象建模的影响，不能准确地对电力系统孤网运行状态进行渐进稳定控制的问题。

为了解决上述技术问题，本发明实施例公开了如下技术方案：

一种电力系统孤网运行稳定控制方法，包括以下步骤：

建立孤网系统连续时间状态方程；

判断零阶采样保持环节是否满足简化近似条件；

如果零阶采样保持环节满足简化近似条件，描述连续时间状态方程系统特征矩阵；

根据连续时间状态方程系统特征矩阵矩阵特征值，判断系统是否渐进稳定；

如果零阶采样保持环节不满足简化近似条件，离散化连续时间状态方程；

描述离散时间状态方程系统特征矩阵；

根据离散时间状态方程系统特征矩阵矩阵特征值，判断系统是否渐进稳定。

优选的，简化近似条件为，采用一阶Pade逼近或忽略采样和控制周期对孤网系统运行的影响。

优选的，连续时间状态方程下孤网系统渐进稳定的充分必要条件为，连续时间状态方程系统特征矩阵矩阵特征值幅值均具有负实部。

优选的，离散时间状态方程下孤网系统渐进稳定的充分必要条件为，离散时间状态方程系统特征矩阵矩阵特征值幅值均小于1。

由以上技术方案可见，本发明实施例提供的电力系统孤网运行稳定控制方法，可以在孤网运行过程中根据零阶采样保持环节对孤网系统稳定性影响的大小，采用连续时间状态方程或离散时间状态方程对孤网系统进行模拟控制，判断连续时间状态下或离散时间状态下系统是否渐进稳定，从而对电力系统孤网运行状态下进行准确地渐进稳定控制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种电力系统孤网运行稳定控制方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的一种线性定常系统结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种孤岛孤网模型结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种孤网分布式电源主电路结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种恒压/恒频控制模式下孤网控制器结构示意图；

图6为本发明实施例提供的一种PQ控制模式下孤网控制器结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

S101：建立孤网系统连续时间状态方程：

图2为本发明实施例提供的一种线性连续时间系统结构示意图，如图2所示，连续时间系统包含零阶采样保持环节G_d(s)，图中所示x(t)∈Rⁿ为系统状态变量；u(t)∈R^r为系统输入变量；A、B和K分别为系统状态矩阵、输入矩阵和状态反馈增益矩阵。由图2可得孤网系统连续时间状态方程为：

S102：判断孤网系统零阶采样保持环节G_d(s)是否满足简化近似条件。

零阶采样保持环节G_d(s)的简化近似条件为：可以采用一阶Pade逼近或忽略采样和控制周期对孤网系统运行的影响。如零阶采样保持环节G_d(s)满足简化近似条件，执行步骤S103，如否，则执行步骤S105。

S103：描述连续时间状态方程系统特征矩阵：

本实施例中零阶采样保持环节G_d(s)的延时环节e^-Ts采用一阶Pade逼近，近似表达式为：

其中，T为采样和控制周期，s＝δ+jω，δ为等效电力系统的实部、ω为等效电力系统的虚部，即电力系统的角速度。

由上式可得零阶采样保持环节G_d(s)表达式为：

孤网系统连续时间状态方程可以表示为：

式中，x_e(t)为系统连续时间状态变量，x_e(t)＝[x(t),u(t)]^T，

A_e为孤网系统连续时间状态方程系统特征矩阵，A_e表达式为：

其中，I为孤网系统的电流。

S104：根据连续时间状态方程系统特征矩阵矩阵特征值，判定系统渐进稳定：

连续时间状态方程下孤网系统渐进稳定的充分必要条件为，连续时间状态方程系统特征矩阵A_e，特征值幅值均具有负实部。

本实施例中，采样和控制周期T足够小，忽略零阶采样保持环节G_d(s)对系统稳定性的影响，孤网系统连续时间状态方程亦可以表示为：

则忽略零阶采样保持环节G_d(s)对系统稳定性的影响后，连续时间状态方程下孤网系统渐进稳定的充分必要条件为系统特征矩阵A-BK的所有特征值均具有负实部。

S105：离散化连续时间状态方程：

其中，x(k+1)为离散化连续时间k的下一个时间点，G为离散时间状态方程系统特征系数，x(k)为孤网系统连续时间状态方程，H为离散时间状态方程系统特征征系数，U(k)为状态反馈增益矩阵K和x(k)乘积的负值。

S106：描述离散时间状态方程系统特征矩阵：

其中，k为离散化连续时间。

S107：根据离散时间状态方程系统特征矩阵矩阵特征值，判定系统渐进稳定：

离散时间状态方程下孤网系统渐进稳定的充分必要条件为，离散时间状态方程系统特征矩阵G-HK的所有特征值幅值均小于1。

实施例：孤岛孤网运行条件下稳定建模控制过程：

图3为本发明实施例提供的一种孤岛孤网模型结构示意图，由图3可知，孤岛孤网模型包含一个主电源(DG_0)和多个从电源(DG_i，i＝1,2,..N，N为从电源数量)。R_load/L_load表示串联型RL负荷。虚拟大电阻R_u为1000欧姆，这一电阻阻值较大不影响稳定性分析结果，便于节点电压u_o建模。在孤网中，一般情况下线路阻抗R/X比例越高，系统阻尼越大，稳定性越好。在实际低压孤网中，线路阻抗R/X比例一般较大，但由于线路较短，可以不考虑阻抗值，认为其值为零。

图4为发明实施例提供的一种孤网分布式电源主电路结构示意图。图中L_{f_i}和R_{f_i}分别为逆变侧滤波电感及等效电阻；L_{g_i}和R_{g_i}分别为电网侧滤波电感及等效电阻；C_{f_i}和R_{d_i}分别为滤波电容及阻尼电阻；i_{L_i}和i_{o_i}分别为DG的逆变侧和电网侧输出电流；u_{c_i}为DG的滤波电容电压。

从图3可获得主电源DG(下标i＝0)和从电源DG(下标i＝1,2,..N)的LCL数学模型：

图5为本发明实施例提供的一种恒压/恒频控制模式下孤网控制器结构示意图。图中u_dref、u_qref分别为dq轴电压环参考值；i_{Ldref_0}、i_{Ldref_0}分别为dq轴电流环参考值；k_pu、k_iu分别为电压环比例和积分增益；k_pi、k_ii分别为电流环比例和积分增益。孤网独立运行时，主电源逆变器需采用基于电压电流双环控制的恒压/恒频控制模式，维持负荷侧电压幅值和频率恒定。电压和电流反馈量分别为滤波电容电压u_{c_0}和逆变侧电感电流i_{L_0}。

图6为本发明实施例提供的一种PQ控制模式下孤网控制器结构示意图，图6中，i_{odref_i}、i_{odref_i}分别为第i个从电源dq轴电流环参考值；k_{pi_i}、k_{ii_i}分别为第i个从电源的电流环比例和积分增益。对于从电源来说，采用电流控制，电流反馈为电网侧电感电流i_{o_i}(i＝1,2…,N)。

负荷模型可表示为：

图3中交流母线电压u_o可表示为：

采用连续时间控制方法进行孤岛孤网运行条件下稳定控制建模:

对式LCL数学模型、负荷模型和图3中交流母线电压u_o进行dq0坐标系变换可获得用于描述孤网系统被控对象的连续时间状态方程：

式中，各变量定义如下式：

x_plant＝[x_0LCL,x_1LCL,...,x_iLCL,...,x_NLCL,x_load],

u＝[u₀,u₁,...,u_i,...,u_N],

x_iLCL＝[Δi_{Ld_i},Δi_{Lq_i},Δu_{cd_i},Δu_{cq_i},Δi_{od_i},Δi_{oq_i}]^T,

x_load＝[Δi_loadd,Δi_loadq]^T,u_i＝[Δu_{invd_i},Δu_{invq_i}]^T.

描述孤网系统被控对象的连续时间状态方程中，相关矩阵A_plant和B_plant表达式如下：

A_plant矩阵表达式为：

其中，A_plant矩阵中A_i、B_i、D_i、A_load、D_load、E和F如下：

B_plant矩阵表达式为：B_plant＝diag[B₀,B₁,…,B_i,…,B_N,0]

孤网各分布式电源控制系统如图5和图6所示，获得用于描述孤网控制系统的连续时间状态方程：

式中，L、M、J为系统特征矩阵，x_PI(k)＝[x_0PI(k),x_1PI(k),...,x_iPI(k),...,x_NPI(k)]，x_0PI＝[Δu_udr,Δu_uqr,Δu_idr,Δu_iqr]^T(其中Δu_udr和Δu_uqr分别为电压环积分项输出增量；Δu_idr和Δu_iqr分别为电流环积分项输出增量，x_iPI＝[Δu_{idr_i},Δu_{iqr_i}]^T，其中Δu_{idr_i}和Δu_{iqr_i}分别为第i个从电源电流环积分项输出结果增量)。

式中，相关矩阵K_CTL、J、L和M表达式如下：

K_CTL矩阵表达式为：

其中，K_CTL矩阵中K₀、J₀、L₀、M₀、C、K_i、J_i和L_i为：

J矩阵、L矩阵以及M矩阵的表达式分别为：

J＝diag[J₀,J₁,…,J_i,…,J_N]；L＝diag[L₀,L₁,…,L_i,…,L_N,0]；M＝diag[M₀,0,…,0,…,0]；

用于描述孤网及其控制系统的连续时间状态方程可以进一步表达为：

式中，x＝[x_plant,x_PI]^T，系统特征矩阵A为：

当系统出现异常情况，孤网控制系统稳定建模时，考虑零阶采样保持环节G_d(s)对系统稳定性的影响。设定孤网中各分布式电源控制系统的采样和控制周期均为T，用于描述孤网控制系统的连续时间状态方程将变为：

式中，x＝[x_plant,x_PI,u]^T，系统特征矩阵A_e为：

连续时间状态方程下孤网系统渐进稳定的充分必要条件为，连续时间状态方程系统特征矩阵A_e，特征值幅值均具有负实部。

采用离散时间控制方法进行孤岛孤网运行条件下稳定控制建模：

将描述孤网系统被控对象的连续时间状态方程离散化：

x_plant(k+1)＝G(T)x_plant(k)+H(T)u(k)

式中，

根据图5和图6所示孤网控制器结构，孤网控制系统的离散时间状态方程转化为：

式中，I_4+2N为4+2N阶单位矩阵。

由上式可构成用于描述孤网及其控制系统的离散时间状态方程：

x(k+1)＝A_zx(k)

式中，x(k)＝[x_plant(k),x_PI(k)]，

根据发明本实施例提供的方法，采用连续或离散时间控制方法进行稳定控制建模，判断连续时间状态下或离散时间状态下系统是否渐进稳定，从而对电力系统孤网运行状态下进行准确地渐进稳定控制。对孤网稳定性进行分析和研究。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种电力系统孤网运行稳定控制方法，其特征在于，所述电力系统孤网运行稳定控制方法包括以下步骤：

建立孤网系统连续时间状态方程；

判断零阶采样保持环节是否满足简化近似条件；

如果零阶采样保持环节满足简化近似条件，描述连续时间状态方程系统特征矩阵；

根据连续时间状态方程系统特征矩阵的矩阵特征值，判断系统是否渐进稳定；

如果零阶采样保持环节不满足简化近似条件，离散化连续时间状态方程；

描述离散时间状态方程系统特征矩阵；

根据离散时间状态方程系统特征矩阵的矩阵特征值，判断系统是否渐进稳定；

其中，所述简化近似条件为，采用一阶Pade逼近或忽略采样和控制周期对孤网系统运行的影响。

2.根据权利要求1所述的电力系统孤网运行稳定控制方法，其特征在于，所述连续时间状态方程下孤网系统渐进稳定的充分必要条件为，所述连续时间状态方程系统特征矩阵的矩阵特征值幅值均具有负实部。

3.根据权利要求1所述的电力系统孤网运行稳定控制方法，其特征在于，所述离散时间状态方程下孤网系统渐进稳定的充分必要条件为，所述离散时间状态方程系统特征矩阵的矩阵特征值幅值均小于1。