CN108574296B - 一种柔性直流电网pi控制器参数快速调节方法 - Google Patents

一种柔性直流电网pi控制器参数快速调节方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种柔性直流电网PI控制器参数快速调节方法，属于电力系统及其自动化技术领域。本发明提出了PI参数快速调节方法，解决了PI参数调节过程存在的功率振荡问题，实现了PI参数的快速调节及合理取值。通过制定采用不同控制方式换流站的PI控制器参数调节的优先级顺序，总结PI参数调节的经验技巧，最后通过阶跃响应校验各PI控制器参数取值的合理性。本发明可以有效避免调节过程中功率振荡问题，有利于快速搭建直流电网电磁暂态仿真模型，为研究直流电网运行特性及控制策略提供技术手段。

Description

一种柔性直流电网PI控制器参数快速调节方法
技术领域
本发明属于电力系统及其自动化技术领域，更准确地说，本发明涉及一种柔性直流电网PI控制器参数快速调节方法。
背景技术
柔性直流输电技术由于采用全控型器件，不需要强大的交流电网提供换相电流，因此不存在换相失败风险，故障下柔性直流系统反而可以快速提供无功功率支撑，稳定交流电压。柔性直流输电技术在交直流互联、西北部大规模可再生能源并网、东部大型城市供电、沿海岛屿联网、无源网络供电、多端直流网络构建等场合具有广泛的应用前景。特别是随着新能源并网需求的增加、多端换流站间协调控制策略的完善以及控制保护技术的发展，多端柔性直流输电技术和直流组网将成为柔性直流输电技术的发展趋势。而准确搭建直流电网电磁暂态仿真模型是研究直流电网运行特性及其控制策略的必要技术手段。
建模的关键环节是对控制系统模型的搭建，目前最常见的控制结构是基于PI双闭环解耦的直接电流控制，需要对多个PI控制器参数进行调节实现模型的正常运行。在实际工程应用中，一般基于试凑法调节PI参数，但是该方法存在一定的盲目性，且相关调节技巧还缺乏总结。
发明内容
本发明目的是：为避免在直流电网建模过程中对PI控制器参数调节的盲目性，提出一种柔性直流电网PI控制器参数快速调节方法。
具体地说，本发明是采用以下技术方案实现的。一种柔性直流电网PI控制器参数快速调节方法，包括以下步骤：
步骤1)，给定各PI控制器参数初值；
步骤2)，调节定电压控制换流站的PI控制器参数；
步骤3)，调节定功率控制换流站的PI控制器参数；
步骤4)，调节直流电压偏差斜率控制换流站的PI控制器参数；
步骤5)，对直流电压和有功功率进行阶跃测试校验各PI控制参数取值，重复步骤2)-4)直至各物理量响应曲线均能跟踪上阶跃曲线。
步骤1)具体包括：外环PI控制器的放大系数取10，外环PI控制器的时间常数取0.1，外环PI控制器的限幅上限值取30，下限值取-30；
内环PI控制器的放大系数取30，内环PI控制器的时间常数一致取0.1，内环PI控制器的限幅上限值取30，下限值取-30。
步骤2)具体包括以下步骤：
调节定直流电压控制换流站中各PI控制器参数优先级顺序为直流电压控制参数优先于无功功率控制参数；
定电压控制换流站的直流电压外环参数控制器、直流电压内环参数控制器分别为PIV_VO、PIV_VI，定电压控制换流站的无功功率外环参数控制器、无功功率内环参数控制器分别为PIV_QO、PIV_QI；
PIV_VO和PIV_VI参数调节方法为：判断直流电压是否跟踪上参考曲线，若是则无需调节PIV_VO和PIV_VI的参数，否则进一步判断直流电压响应与参考曲线是否存在恒定偏差；若偏差恒定，则增大PIV_VO限幅，若偏差一直增大，则增大PIV_VI限幅；若电压响应曲线围绕参考曲线振荡则减小PIV_VO的放大倍数，增大PIV_VO的时间常数；
PIV_QO和PIV_QI参数调节方法包括以下步骤：由于PIV_VI和PIV_QI控制器参数相同，当PIV_VI参数调节完毕后，PIV_QI在PIV_VI基础上调节；若无功类物理量响应曲线围绕参考曲线振荡，则减小PIV_QO放大倍数并增大PIV_QO时间常数，否则减小PIV_QO放大倍数并增大PIV_QO时间常数。
步骤3)调节定有功功率控制换流站中各PI控制器参数优先级顺序为有功功率控制参数优先于无功功率控制参数；
假设定有功功率控制换流站的有功功率外环参数控制器、有功功率内环参数控制器分别为PIP_PO、PIP_PI，定有功功率控制换流站的无功功率外环参数控制器、内环参数控制器分别为PIP_QO、PIP_QI。
PIP_PO和PIP_PI参数调节方法为：判断PIP_PI控制器的输出响应曲线是否跟踪上参考曲线，若是则进行PIP_QO和PIP_QI参数调节，否则进一步判断两者是否存在恒定偏差，若偏差不恒定且偏差一直增大，则同时增大PIP_PO和PIP_QO限幅；若偏差不恒定且偏差一直减小，则减小PIP_PO和PIP_PI时间常数；否则进一步判断PIP_PI参考曲线是否振荡，若是则减小PIP_PI放大倍数；若PIP_PI的响应曲线围绕参考曲线振荡，则减小PIP_PI的放大倍数；
PIP_QO和PIP_QI参数调节方法：由于PIP_PI和PIP_QI控制器参数相同，当PIP_PI参数调节完毕后，PIP_QI在PIP_PI基础调节；若无功类物理量响应曲线围绕参考曲线振荡，则减小PIP_QO放大系数并增大PIP_QO时间常数，否则减小PIP_QO放大倍数并增大PIP_QO时间常数。
步骤4)直流电压-有功功率特性曲线系数ki的选取方法为式(1)：
Figure BDA0001655031320000031
式(1)中，ki为第i个电压偏差斜率控制器的功率调节系数，K为直流电压控制换流站退出运行后，电压偏差斜率控制换流站需要承担的功率调节量，ΔPi为第i个(i＝1,2,3…n)电压偏差斜率控制换流器的可调功率裕度，
Figure BDA0001655031320000032
为电压偏差斜率控制换流器的可调功率裕度之和，n为柔性直流电网内采用电压偏差斜率控制换流站的总数量；
K的取值为式(2)：
Figure BDA0001655031320000033
式中，Prated为直流电压偏差斜率控制换流站的额定功率容量；Udh和Udl分别为电压偏差的上限值和下限值。
直流电压偏差斜率控制换流站的可调功率裕度与换流站故障位置与初始功率运行方向相关，可调功率裕度为表1；
表1直流电压偏差斜率控制换流站可调功率裕度
Figure BDA0001655031320000041
表1中，直流电压偏差斜率控制换流站与故障换流站初始运行功率同方向表示同为注入直流电网方向或者同为输出直流电网方向；Pirated为直流电压偏差斜率控制换流站的额定功率容量；Pi为直流电压偏差斜率控制换流站的初始运行功率。
本发明的有益效果如下：本发明总结PI控制器参数调节的经验技巧并形成一套详细的调节流程及方法，有效避免调节PI参数过程的盲目性，解决了PI参数调节过程存在的功率振荡问题，实现了PI参数的快速调节及合理取值。同时也可快速、准确地搭建直流电网电磁暂态仿真模型。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明；
图1为本发明一种柔性直流电网PI控制器参数快速调节方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
为了使本发明的技术手段、创作特征、工作流程、使用方法达成目的与功效，且为了使该评价方法易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。
下面参照附图并结合实例对本发明作进一步详细描述。
如图1所示，一种柔性直流电网PI控制器参数快速调节方法，包括以下步骤：
步骤1)，给定各PI控制器参数初值；
步骤2)，调节定电压控制换流站的PI控制器参数；
步骤3)，调节定功率控制换流站的PI控制器参数；
步骤4)，调节直流电压偏差斜率控制换流站的PI控制器参数；
步骤5)，对直流电压、有功功率进行阶跃测试校验各PI控制参数取值，重复步骤2)-4)直至各物理量响应曲线均能跟踪上阶跃曲线。
步骤1)具体包括：外环PI控制器的放大系数取10，外环PI控制器的时间常数取0.1，外环PI控制器的限幅上限值取30，下限值取-30；内环PI控制器的放大系数取30，内环PI控制器的时间常数一致取0.1，内环PI控制器的限幅上限值取30，下限值取-30。
步骤2)具体包括以下步骤：
调节定直流电压控制换流站中各PI控制器参数优先级顺序为直流电压控制参数优先于无功功率控制参数；
定电压控制换流站的直流电压外环参数控制器、直流电压内环参数控制器分别为PIV_VO、PIV_VI，定电压控制换流站的无功功率外环参数控制器、无功功率内环参数控制器分别为PIV_QO、PIV_QI；
PIV_VO和PIV_VI参数调节方法为：判断直流电压是否跟踪上参考曲线，若是则无需调节PIV_VO和PIV_VI的参数，否则进一步判断直流电压响应与参考曲线是否存在恒定偏差；若偏差恒定，则增大PIV_VO限幅，若偏差一直增大，则增大PIV_VI限幅；若电压响应曲线围绕参考曲线振荡则减小PIV_VO的放大倍数，增大PIV_VO的时间常数；本实施例中，限幅增大量、PIV_VO的放大倍数、PIV_VO的时间常数增大量，基于实际直流电压与参考曲线之间的偏差决定；以下参数调节具体调节量同样基于实际直流电压与参考曲线之间的偏差决定。
PIV_QO和PIV_QI参数调节方法包括以下步骤：由于PIV_VI和PIV_QI控制器参数相同，当PIV_VI参数调节完毕后，PIV_QI在PIV_VI基础上调节；若无功类物理量响应曲线围绕参考曲线振荡，则减小PIV_QO放大倍数并增大PIV_QO时间常数，否则减小PIV_QO放大倍数并增大PIV_QO时间常数。
步骤3)调节定有功功率控制换流站中各PI控制器参数优先级顺序为有功功率控制参数优先于无功功率控制参数；
定有功功率控制换流站的有功功率外环参数控制器、有功功率内环参数控制器分别为PIP_PO、PIP_PI，定有功功率控制换流站的无功功率外环参数控制器、内环参数控制器分别为PIP_QO、PIP_QI。
PIP_PO和PIP_PI参数调节方法为：判断PIP_PI控制器的输出响应曲线是否跟踪上参考曲线，若是则进行PIP_QO和PIP_QI参数调节，否则进一步判断两者是否存在恒定偏差，若偏差不恒定且偏差一直增大则同时增大PIP_PO和PIP_QO限幅；若偏差不恒定且偏差一直减小，则减小PIP_PO和PIP_PI时间常数；否则进一步判断PIP_PI参考曲线是否振荡，若是则减小PIP_PI放大倍数；若PIP_PI的响应曲线围绕参考曲线振荡，则减小PIP_PI的放大倍数；
PIP_QO和PIP_QI参数调节方法：由于PIP_PI和PIP_QI控制器参数相同，当PIP_PI参数调节完毕后，PIP_QI只需在PIP_PI基础上调节。PIP_QO参数的调节技巧：若无功类物理量响应曲线围绕参考曲线振荡，则减小PIP_QO放大系数并增大PIP_QO时间常数，否则减小PIP_QO放大倍数并增大PIP_QO时间常数。
步骤4)中直流电压-有功功率特性曲线系数ki的选取方法为式(1)：
Figure BDA0001655031320000071
式(1)中，ki为第i个电压偏差斜率控制器的功率调节系数，K为直流电压控制换流站退出运行后，电压偏差斜率控制换流站需要承担的功率调节量，
ΔPi为第i个(i＝1,2,3…n)电压偏差斜率控制换流器的可调功率裕度，
Figure BDA0001655031320000072
为电压偏差斜率控制换流器的可调功率裕度之和，n为柔性直流电网内采用电压偏差斜率控制换流站的总数量。
K的取值为式(2)所示。
Figure BDA0001655031320000073
式中，Prated为直流电压偏差斜率控制换流站的额定功率容量；Udh和Udl分别为电压偏差的上、下限值；
直流电压偏差斜率控制换流站可调功率裕度与换流站故障位置与初始功率运行方向相关，具体的可调功率裕度如表1所示。
表1直流电压偏差斜率控制换流站可调功率裕度
Figure BDA0001655031320000074
Figure BDA0001655031320000081
表1中，直流电压偏差斜率控制换流站与故障换流站初始运行功率同方向表示同为注入直流电网方向或者同为输出直流电网方向；Pirated为直流电压偏差斜率控制换流站的额定功率容量；Pi为直流电压偏差斜率控制换流站的初始运行功率。
本领域内的技术人员可以对本发明进行改动或变型的设计但不脱离本发明的思想和范围。因此，如果本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同的技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (4)

1.一种柔性直流电网PI控制器参数快速调节方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)，给定各PI控制器参数初值；
步骤2)，调节定电压控制换流站的PI控制器参数；
步骤3)，调节定功率控制换流站的PI控制器参数；
步骤4)，调节直流电压偏差斜率控制换流站的PI控制器参数；
步骤5)，对直流电压和有功功率进行阶跃测试校验各PI控制参数取值，重复步骤2)-4)直至各物理量响应曲线均能跟踪上阶跃曲线；
步骤2)具体包括以下步骤：
调节定直流电压控制换流站中各PI控制器参数优先级顺序为直流电压控制参数优先于无功功率控制参数；
定电压控制换流站的直流电压外环参数控制器、直流电压内环参数控制器分别为PIV_VO、PIV_VI，定电压控制换流站的无功功率外环参数控制器、无功功率内环参数控制器分别为PIV_QO、PIV_QI；
PIV_VO和PIV_VI参数调节方法为：判断直流电压是否跟踪上参考曲线，若是则无需调节PIV_VO和PIV_VI的参数，否则进一步判断直流电压响应与参考曲线是否存在恒定偏差；若偏差恒定，则增大PIV_VO限幅，若偏差一直增大，则增大PIV_VI限幅；若电压响应曲线围绕参考曲线振荡则减小PIV_VO的放大倍数，增大PIV_VO的时间常数；
PIV_QO和PIV_QI参数调节方法包括以下步骤：当PIV_VI参数调节完毕后，PIV_QI在PIV_VI基础上进行调节；若无功类物理量响应曲线围绕参考曲线振荡，则减小PIV_QO放大倍数并增大PIV_QO时间常数，否则减小PIV_QO放大倍数并增大PIV_QO时间常数；
步骤3)调节定有功功率控制换流站中各PI控制器参数优先级顺序为有功功率控制参数优先于无功功率控制参数；
定有功功率控制换流站的有功功率外环参数控制器、有功功率内环参数控制器分别为PIP_PO、PIP_PI，定有功功率控制换流站的无功功率外环参数控制器、内环参数控制器分别为PIP_QO、PIP_QI；
PIP_PO和PIP_PI参数调节方法为：判断PIP_PI控制器的输出响应曲线是否跟踪上参考曲线，若是则进行PIP_QO和PIP_QI参数调节，否则进一步判断两者是否存在恒定偏差，若偏差不恒定且偏差一直增大，则同时增大PIP_PO和PIP_QO限幅；若偏差不恒定且偏差一直减小，则减小PIP_PO和PIP_PI时间常数；否则进一步判断PIP_PI参考曲线是否振荡，若是则减小PIP_PI放大倍数；若PIP_PI的响应曲线围绕参考曲线振荡，则减小PIP_PI的放大倍数；
PIP_QO和PIP_QI参数调节方法：当PIP_PI参数调节完毕后，PIP_QI在PIP_PI基础上调节；若无功类物理量响应曲线围绕参考曲线振荡，则减小PIP_QO放大系数并增大PIP_QO时间常数，否则减小PIP_QO放大倍数并增大PIP_QO时间常数。
2.根据权利要求1所述的一种柔性直流电网PI控制器参数快速调节方法，其特征在于，
步骤1)具体包括：外环PI控制器的放大系数取10，外环PI控制器的时间常数取0.1，外环PI控制器的限幅上限值取30，下限值取-30；
内环PI控制器的放大系数取30，内环PI控制器的时间常数一致取0.1，内环PI控制器的限幅上限值取30，下限值取-30。
3.根据权利要求1所述的一种柔性直流电网PI控制器参数快速调节方法，其特征在于，
步骤4)直流电压-有功功率特性曲线系数ki的选取方法为式(1)：
Figure FDA0002807823520000021
式(1)中，ki为第i个电压偏差斜率控制器的功率调节系数，K为直流电压控制换流站退出运行后，电压偏差斜率控制换流站需要承担的功率调节量，ΔPi为第i个,i＝1,2,3…n，电压偏差斜率控制换流器的可调功率裕度，
Figure FDA0002807823520000031
为电压偏差斜率控制换流器的可调功率裕度之和，n为柔性直流电网内采用电压偏差斜率控制换流站的总数量；
K的取值为式(2)：
Figure FDA0002807823520000032
式中，Prated为直流电压偏差斜率控制换流站的额定功率容量；Udh和Udl分别为电压偏差的上限值和下限值。
4.根据权利要求3所述的一种柔性直流电网PI控制器参数快速调节方法，其特征在于，
步骤4)中，直流电压偏差斜率控制换流站的可调功率裕度与换流站故障位置与初始功率运行方向相关，可调功率裕度为；
当电压偏差斜率控制换流站与故障换流站初始功率同方向，可调功率裕度ΔPi为Pirated－Pi；
当电压偏差斜率控制换流站与故障换流站初始功率反方向，可调功率裕度ΔPi为Pi；
当自身换流站故障，可调功率裕度ΔPi为0；
其中，直流电压偏差斜率控制换流站与故障换流站初始运行功率同方向表示同为注入直流电网方向或者同为输出直流电网方向；Pirated为直流电压偏差斜率控制换流站的额定功率容量；Pi为直流电压偏差斜率控制换流站的初始运行功率。
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