CN106532744B - 一种基于自抗扰控制的光伏电站抑制电网低频振荡的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电力系统领域，具体涉及一种利用自抗扰附加阻尼控制器调节光伏系统有功出力抑制含大型光伏电站的电力系统低频振荡的方法。本发明以大型光伏电站作为研究对象，将自抗扰控制与MPPT控制相结合，设计光伏电站有功附加阻尼控制策略，并采用分离性原理设计整定自抗扰控制器，将同步发电机角速度作为自抗扰控制器的输入，控制器输出信号经限幅后附加到定功率控制外环上，从而达到抑制电力系统低频振荡的效果。本发明对单机和多机电力系统低频振荡均具有良好的控制效果，且控制器具有较强的鲁棒性。
Description
技术领域
本发明属于电力系统领域，具体涉及一种基于自抗扰控制的光伏电站抑制电网低频振荡的方法。
背景技术
随着我国经济的持续发展，社会对能源的需求和质量将提出更高的要求，这与传统能源煤炭、石油、天然气的日渐枯竭以及污染问题形成尖锐的矛盾。新能源的开发和利用是缓解这一矛盾的一种出路。太阳能本身取之不尽用之不竭，光伏发电安全、干净的特点可以降低环境污染和改善能源结构。我国光伏发电发展迅猛，截止到2015年底，累计装机容量已经超过40万千瓦，尤其是在青海、甘肃等西部地区累计装机容量已超过2000万千万，一些大规模光伏电站已经建成并投入使用。根据《太阳能利用“十三五”发展规划(征求意见稿)》，“十三五”是我国能源转型的启动期，为太阳能利用行业发展提供根本性支撑，到2020年底，光伏发电总装机容量预计达到1.5亿千瓦。显然，大规模光伏发电的发展已经称为我国乃至全球的一种必然趋势。
如此高渗透率的光伏接入对电网的稳定性影响达到了不可忽略的水平，光伏本身是静止元件，不参与功角振荡，其并网对潮流分布的改变可能增加或者减小系统阻尼。随着电网结构的不断发展，由于缺乏阻尼导致的低频振荡时有发生，光伏系统并网逆变器的控制策略与电力系统相互作用，可改变系统的阻尼，影响着系统的稳定性。因此，光伏电站高渗透率接入，其附加阻尼控制为抑制电网低频振荡，增强系统稳定性提供了新的可能性。
针对上述问题，国内外学者做了一系列研究并取得了丰硕成果，在光伏系统上附加阻尼控制是改善光伏电站并网后系统阻尼特性所普遍采用的方法。周林、余希瑞、郭珂等人提出了一种大型光伏电站抑制电力系统低频振荡控制器设计方法(专利号：201510303945.5)，同时考虑了功角和电压因素，但未考虑最大功率点跟踪(MPPT)控制，不能最大化利用光能。张海宁、王东方、李春来等人提出了一种光储发电系统附加阻尼的协调控制方法(专利号：201510746928.9)，实现光伏并网逆变器与蓄电池在振荡过程中的模式切换，可抑制系统功率振荡，但其控制器鲁棒性不强。电力系统结构与运行方式经常变化，是一个高阶、多变量、强耦合系统，经典的PID和传统的PSS控制效果易受系统变化影响，难以满足控制要求。
发明内容
本法明正是基于上述问题，为了克服上述缺陷，提出了基于自抗扰控制(ADRC)的光伏电站抑制电网低频振荡的方法，可自动检测并补偿被控对象的不确定性内外扰动，并且不依赖被控对象的数学模型，有较强的适应性和鲁棒性，并与MPPT控制相结合，提高了光能利用率，控制效果好，为抑制电力系统低频振荡提供一个新的途径。
为了实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：
步骤(1)：设计光伏电站与MPPT控制相结合的附加阻尼控制控制策略；
步骤(2)：设计步骤(1)中ADRC控制器的跟踪微分器(TD)、扩张状态观测器(ESO)、非线性状态误差反馈和扰动估计补偿四个部分，根据分离性设计原理整定ADRC控制器部分参数；
步骤(3)：采用电力系统仿真计算软件，根据步骤(1)建立含光伏电站的并网电力系统的仿真模型；
步骤(4)：对步骤(3)中电网施加扰动，根据步骤(2)原则整定ADRC其余关键参数，校核在不同系统运行方式下光伏电站附加阻尼控制器对抑制系统低频振荡的效果。
本发明所述步骤(1)中，电力系统正常运行时，光伏电站出力控制运行在MPPT模式；当检测到低频振荡发生时，切换到定功率输出附加阻尼控制模式。有功附加阻尼为ADRC控制，ADRC控制器的输入信号为同步发电机角速度，控制器的输出信号附加到定功率控制的有功功率外环上。无功控制方式为定并网点电压控制。
本发明所述步骤(2)中，设计的ADRC控制器的主要组成为跟踪微分器(TD)、扩张状态观测器(ESO)、状态误差反馈律和扰动估计补偿。TD根据控制目标v0，事先安排适合的过渡过程v1并提取其微分信号v2，可降低起始误差并缓和过渡过程的快速性和超调性之间的矛盾；ESO利用系统输出y和被控输入u来跟踪系统的状态变量x1、x2，并把能够影响被控输出的扰动作用ω(t)扩张成新的状态变量z3；误差反馈律将TD与ESO的状态误差进行组合，合适的反馈律可以有效抑制扰动，增强系统的稳定性；扩张状态观测器估计的扰动量和状态误差的反馈共同完成动态补偿线性化，使闭环系统具有更加满意的性能。
本发明所述步骤(2)中，ADRC控制器的设计满足分离性原理。可以先整定TD和ESO的参数，然后再进行状态误差反馈和补偿的调整。仿真步长h是基础参数。TD中的滤波因子h0用于抑制参考输入微分信号中的噪声；r0决定跟踪参考信号的光滑程度。ESO中参数包含α1、α2、δ、β01、β02、β03。参数α1、α2、δ决定了ESO的非线性，并对其他参数整定影响很大，一般最先确定。增益系数β01、β02、β03影响ESO的观测效果，取值必须满足ESO的稳定性。状态误差反馈律参数可根据控制效果在线调试，在合理的范围内，控制品质对这些参数的摄动不敏感，较容易整定。扰动估计补偿和ESO中的补偿因子b0应是控制量u作用于系统时的放大系数b。ADRC控制器对b的估计精度要求很低，b0很容易调出。
本发明所述步骤(2)中，光伏电站中ADRC附加阻尼控制器有效为系统提供阻尼：
上式为线性ADRC控制器，求其小扰动增量：
其中
有功附加阻尼控制中Ppv＝PMPPT0+PADRC，其小扰动为ΔPpv＝ΔPADRC。对整个系统ΔPs＝ΔPe+ΔPpv，其中同步发电机采用经典二阶模型，结合功率传输方程有：
因此可得
其中ΔPe第一项系数为正值，第二项作用取决于b0、β1、β2、β01、β02、β03参数设置，考虑线性ESO结构应有β01·β02≥β03，结合经验和反馈效果调节β1、β2，正常取值范围内可有效增加阻尼系数。
本发明所述步骤(3)中，光伏电站采用工程数学模型，单极式并网结构，其包括最大功率点跟踪控制、定直流侧电压控制、定并网点电压无功控制，有功控制为电流内环、直流电压中环、MPPT控制外环的三闭环控制，无功控制为并网点电压外环与电流内环的双闭环控制。同步发电机均采用计及调速器和励磁器的详细模型，不加装PSS。
本发明所述步骤(4)中，ADRC控制器整最后整定b0，根据控制效果调节关键参数b0，减小b0可增加阻尼系数使系统更稳定，但b0过小会导致同步力矩系数为负，使系统失稳。
与现有的技术方案相比，本发明基于ADRC技术设计的光伏电站附加阻尼控制器具有不依赖被控对象数学模型优点，很适用于电力系统这种复杂的对象，其强鲁棒性可在电力系统运行方式变化时仍保持良好的控制效果，分离性设计原理使控制器参数整定变得简单，有功附加阻尼控制与MPPT控制的切换可使系统的光能利用率更高。
附图说明
图1为光伏电站有功附加阻尼控制策略框图
图2为ADRC控制器的结构框图
图3为光伏电站并入单机无穷大系统等效电路图
图4为含光伏的4机2区系统
图5为复数力矩分析
图6为不同控制模式下G1的有功功率
图7为低频振荡时光伏电站有功出力
图8为轻联络线功率变化
图9为重联络线功率变化
图10为不同光伏容量下G2的有功功率
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。
步骤(1)：设计光伏电站与MPPT控制相结合的附加阻尼控制控制策略；
图1为光伏电站有功附加阻尼控制策略框图，当检测到同步发电机角速度ω稳定时开关S＝0，光伏电站有功控制工作与MPPT模式，分别由电流内环、直流电压中环、MPPT功率外环的三闭环控制；当检测到ω低频振荡时S＝1，光伏系统切换到定功率控制模式，其最大输出功率PMPPT0作为定功率控制的参考值，ADRC控制器的输出信号附加到定功率控制的有功功率外环上，再与光伏电站实际输出有功做差后输入到PI控制器中。PI控制器的输出信号经限幅后得到直流电压的参考值，经误差反馈后得到电流内环参考值。ADRC控制器输出设计限幅使有功出力在0与PMPPT0之间；Udcref1设计限幅使低频振荡时直流侧电压工作在最大功率点电压Um与开路电压Uoc之间，防止直流电压崩溃。
无功控制方式为定并网点电压控制，测量并网点电压实际值与参考值之差输出PI控制器，输出信号为无功电流环参考值。
步骤(2)：设计步骤(1)中ADRC控制器的跟踪微分器(TD)、扩张状态观测器(ESO)、非线性状态误差反馈和扰动估计补偿四个部分，根据分离性设计原理整定ADRC控制器部分参数；
步骤(201)，设计ADRC控制器结构。图2为ADRC控制器的结构框图，其包含跟踪微分器(TD)、扩张状态观测器(ESO)、非线性状态误差反馈和扰动估计补偿四个部分。
以二阶被控对象为例，其数学模型如下：
式中：ω(t)是模型的未知部分及扰动总和；f0(x1，x2)是被控对象的确知部分，可通过辨识被控对象得到，也可全部归入ω(t)中，即模型全部未知；b为控制量放大系数。ADRC控制的具体离散算法如下：
(1)根据控制目标v0，事先安排适合的过渡过程v1并提取其微分信号v2，可降低起始误差并缓和过渡过程的快速性和超调性之间的矛盾
其中：h是仿真步长；r0是速度因子；h0是滤波因子；fhan(p1，p2，r，h)称为离散最速控制综合函数，算法公式如下：
(2)ESO利用系统输出y和被控输入u来跟踪系统的状态变量x1、x2，并表示为z1、z2；把能够影响被控输出的扰动作用ω(t)扩张成新的状态变量z3。考虑系统已知部分的非线性ESO如下：
式中：β01、β02、β03为增益系数；fal(e，α，δ)是原点附近具有线性段的连续幂次函数，可避免高频颤振现象。
δ为线性段区间的长度；α为幂参数，一般取0＜α≤1。
(3)利用状态误差信息进行误差反馈控制，合适的反馈律可以有效抑制扰动，增强系统的稳定性
u0＝-fhan(e1，ce2，r，h1)
其中：c为阻尼因子，r为控制量增益，h1为快速因子
(4)扩张状态观测器估计的扰动量和状态误差的反馈共同完成动态补偿线性化，使闭环系统具有更加满意的性能。
步骤(202)根据分离性原理整定ADRC控制器部分参数，可以先整定TD和ESO的参数，然后再进行状态误差反馈和补偿的调整。仿真步长h是基础参数，小的步长可有效抑制噪声，但h过小也会加重计算负担。TD中的滤波因子h0用于抑制参考输入微分信号中的噪声，当仿真步长h已经确定时，增大h0是增强滤波效果的有效手段。对于固定的参考输入不需要抑制噪声，可取h0等于h。速度因子r0越大，TD的输出越接近参考信号，但过大会使微分信号振荡；r0越小则输出越光滑的跟踪参考信号。ESO中参数包含α1、α2、δ、β01、β02、β03。其中δ变大，会使线性工作区变大，控制器性能变差；δ太小会产生高频颤振。参数α1、α2、δ决定了ESO的非线性，并对其他参数整定影响很大，一般最先确定，通常取α1＝0.5，α2＝0.25，δ＝h。增益系数β01、β02、β03影响ESO的观测效果，取值必须满足ESO的稳定性，在仿真步长h和α1、α2、δ确定后，增益系数近似为β01≈1/h，β02≈1/(2.4×h2)，β03≈1/(15.5×h3)。状态误差反馈律参数可根据控制效果在线调试，在合理的范围内，控制品质对这些参数的摄动不敏感，较容易整定。
步骤(203)光伏电站中ADRC附加阻尼控制器为系统提供阻尼。如图3光伏电站并入单机无穷大系统，对整个系统ΔPs＝ΔPe+ΔPpv，其中同步发电机采用经典二阶模型有：
由传输功率方程得：
线性ADRC控制器算法为：
求其小扰动增量：
其中
有功附加阻尼控制中Ppv＝PMPPT0+PADRC，其小扰动为ΔPpv＝ΔPADRC，因此可得
其中ΔPe第一项系数为正值，第二项作用取决于b0、β1、β2、β01、β02、β03参数设置，考虑线性ESO结构应有β01·β02≥β03，结合经验和反馈效果调节β1、β2，正常取值范围内可有效增加阻尼系数。
步骤(3)：采用电力系统仿真计算软件，根据步骤(1)建立含光伏电站的并网电力系统的仿真模型；
光伏电站采用工程数学模型，单极式并网结构，如图3同步发电机G1不加装PSS，容量为900MW，正常运行时有功出力550MW；光伏电站有功最大功率为250MW，ADRC控制器通过检测发电机G1的角速度来判断低频振荡，同时发电机G1的角速度与同步速之差作为ADRC控制器的输入信号，系统稳定时有功控制运行在MPPT模式，无功控制参考输入为母线B3的电压参考值。如图4含光伏的4机2区系统，光伏电站经过逆变、升压后并入230KV输电网，系统中的各台同步发电机均未加装PSS，图中为系统稳定运行时的功率，同步发电机均采用计及调速器和励磁器的详细模型，ADRC控制器检测G2的角速度。
步骤(4)：对步骤(3)中电网施加扰动，根据步骤(2)原则整定ADRC其余关键参数，校核在不同系统运行方式下光伏电站附加阻尼控制器对抑制系统低频振荡的效果。
步骤(401)对电网施加扰动后，根据控制效果整定b0，如图5复数力矩分析，减小b0可增大P2，使阻尼力矩增大，系统稳定性提高；若b0过小，导致ΔPe处于II象限同步力矩为负，系统失稳。
下面通过仿真实例对本发明所设计的方法进行验证
步骤(402)仿真图3所示的含光伏的单机无穷大系统，2s时母线B1发生三相短路故障，0.1s后故障切除。如图6对比了光伏电站分别采用无附加阻尼控制、PI附加阻尼控制、ADRC附加阻尼控制时G1的有功出力情况。无附加阻尼控制时系统功率振荡持续时间超过15s；在采用传统的PI控制时，振荡持续12s；在采用ADRC控制时，功率振荡在6s内平息，极大的抑制了低频振荡，并且效果要优于传统的PI控制。如图7低频振荡时光伏电站有功出力，在振荡过程中光伏电站通过降低出力来抑制低频振荡，限幅环节保证有功上限为光伏最大功率，使系统在振荡结束后可平滑的过渡到MPPT控制。
步骤(403)仿真图4所示的含光伏的4机2区系统，仿真开始2s后L1线路发生三相短路故障，经0.05s后故障切除，如图8为轻联络线功率变化，光伏无附加阻尼控制时，系统在扰动后稳定，但28s内振荡也未平息，当采用ADRC控制后，系统振荡在13s内基本平息；然后增加联络线传输功率，将G1有功出力提高为550MW，二区域负载Load2提高为1667MW+j100MVar，自抗扰控制器仍采用同一套参数，如图9为重联络线功率变化，此时系统扰动后功率已经发散振荡，但采用ADRC控制可使系统振荡快速平息，说明ADRC控制器对区域间振荡抑制的有效性。图8与图9两种情况下ADRC控制器参数未改变，也说明了ADRC控制器鲁棒性强。
步骤(404)仍仿真图4所示的系统，此时为步骤(403)中重联络线功率情况，不改变ADRC参数，只改变光伏电站并网功率，分别为250MW、300MW、350MW时G2的有功出力情况。如图10，在采用ADRC附加阻尼控制时，随着光伏并网容量的增加，G2的功率振荡平息越快。光伏容量的增加，增强了ADRC控制器对邻近机组的调节能力，同时也说明了ADRC控制器有较好的鲁棒性。
最后应当说明的是：以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (4)
1.一种基于自抗扰控制的光伏电站抑制电网低频振荡的方法，其包括ADRC控制器，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤(1)：设计光伏电站与MPPT控制相结合的附加阻尼控制控制策略；
步骤(2)：设计ADRC控制器的跟踪微分器(TD)、扩张状态观测器(ESO)、非线性状态误差反馈和扰动估计补偿四个部分，根据分离性设计原理整定ADRC控制器部分参数；
步骤(3)：采用电力系统仿真计算软件，根据步骤(1)建立含光伏电站的并网电力系统的仿真模型；
步骤(4)：对步骤(3)中电网施加扰动，根据步骤(2)原则整定ADRC其余关键参数，校核在不同系统运行方式下光伏电站附加阻尼控制器对抑制系统低频振荡的效果；
在所述步骤(2)中，光伏电站中ADRC附加阻尼控制器有效为系统提供阻尼；
线性ADRC控制器：
求其小扰动增量：
其中
有功附加阻尼控制中Ppv＝PMPPT0+PADRC，其小扰动为ΔPpv＝ΔPADRC；对整个系统ΔPs＝ΔPe+ΔPpv，其中同步发电机采用经典二阶模型，结合功率传输方程有：
因此可得：
其中
ΔPe第一项系数为正值，第二项作用取决于b0、β1、β2、β01、β02、β03参数设置，考虑线性ESO结构应有β01·β02≥β03，结合经验和反馈效果调节β1、β2，正常取值范围内可有效增加阻尼系数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤(1)中，电力系统正常运行时，光伏电站出力控制运行在MPPT模式；当检测到低频振荡发生时，切换到定功率输出附加阻尼控制模式；给定值为最大输出功率PMPPT0，无功控制方式为定并网点电压控制。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤(1)中，低频振荡时，ADRC控制器输出设计限幅使有功出力在0与PMPPT0之间，输出信号附加到定功率控制的有功功率外环上，再与光伏电站实际输出有功做差后输入到PI控制器中；PI控制器的输出信号设计限幅，保证直流电压的参考值工作在最大功率点电压与开路电压之间。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤(4)中，ADRC控制器整最后整定b0，根据控制效果调节关键参数b0，减小b0可增加阻尼系数使系统更稳定，但b0过小会导致同步力矩系数为负，使系统失稳。
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