CN109698515B - 一种抑制基于vsc-hvdc交直流混联电网低频振荡的方法 - Google Patents

一种抑制基于vsc-hvdc交直流混联电网低频振荡的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种抑制基于VSC‑HVDC交直流混联电网低频振荡的方法，本发明的综合控制器通过并联侧变流器控制交流母线的电压，串联侧变流器控制线路有功功率，直流变流器控制直流电压；变流器附加阻尼控制器引入母线电压变化量幅值变化量经过PI控制环节、超前滞后环节将线路末端无功功率变化量输入至变流器1，变流器2附加阻尼控制器引入母线电压相角变化量经过PI控制环节、超前滞后环节将线路末端有功功率变化量输入至变流器2；直流变流器附加阻尼控制引入线路末端有功功率变化量经过隔直环节、PI控制等环节将直流电流变化量输出至直流变流器。本发明可以准确地使受阻尼控制器的系统特征值阻尼比达到抑制低频振荡的需要。

Description

一种抑制基于VSC-HVDC交直流混联电网低频振荡的方法
技术领域
本发明属于交直流混联电网稳定运行与控制领域。具体涉及一种抑制基于VSC-HVDC交直流混联电网低频振荡的方法，以提高交直流混联电网的稳定运行。
背景技术
针对基于VSC-HVDC交直流混联系统出现的低频振荡现象，国内外目前均将利用直流附加阻尼控制器提高直流系统稳定性以抑制低频振荡。已有文献提出利用静止同步补偿器与直流附加阻尼控制器相结合的协调控制方法，该控制方法强调控制交流系统的母线电压以达到提高抵御换相失败的能力，从而极大地降低了小干扰失稳的风险，但该方法限制了直流外送的有功功率。
发明内容
本发明提出一种基于VSC-HVDC交直流混联系统的综合控制器及其参数确定方法，适用于不制约直流系统输电能力的同时提高含VSC-HVDC交直流混联电网抑制低频振荡的能力。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
一种抑制基于VSC-HVDC交直流混联电网低频振荡的方法，其特征在于，包括：
步骤1、变流器VSC1安装至与VSC-HVDC直流换流站相连的交流母线上，附加阻尼控制器输入信号为母线电压幅值变化量ΔVs，输出交流线路末端无功功率变化量ΔQlac信号至变流器VSC1；
步骤2、变流器VSC2通过耦合变压器串联至线路上，附加阻尼控制器输入信号为电压相角变化量ΔθS，输出交流线路末端有功功率变化量ΔPlac输入至变流器VSC2；
步骤3、直流变流器VSCDC附加阻尼控制器输入信号为交流线路末端有功功率变化量ΔPlac，输出直流线路电流变化量ΔIdc信号至直流换流站；
步骤4、构建含综合控制器的系统特征值增广矩阵，并求其特征值λ以及阻尼比ξ
步骤5、构建线性化约束方程如式(1)-(12)所示；
Figure GDA0003224425020000021
Figure GDA0003224425020000022
Figure GDA0003224425020000023
Δωi≥2π(ωi-C4) (4)
ΔPlacref＝ΔIdc·Vdc (5)
Figure GDA0003224425020000024
Figure GDA0003224425020000025
Figure GDA0003224425020000026
Plac0-Placmin≤ΔPlacref≤Placmax-Plac0 (9)
Vs0-Vsmin≤ΔVsref≤Vsmax-Vs0 (10)
Figure GDA0003224425020000027
Figure GDA0003224425020000028
步骤6、设定式(2)-(4)中约束参数C1～C4，根据阻尼比小于5％的振荡模式进行阻尼比修正量
Figure GDA0003224425020000029
及特征值实部修正量
Figure GDA00032244250200000210
依据各振荡模式阻尼比修正量的比值确定加权系数Wi；
步骤7、通过粒子群优化算法，将振荡模式个数确定为粒子个数，并依据目标函数(1)及相应的约束方程(2)-(4)、(9)、(10)，计算变流器VSC1控制目标参数Vsref及变流器VSC2控制目标参数Placref，确定综合控制器的PI控制参数Kp1、Kp2、Kp3及Ki1、Ki2、Ki3，并以此为基础进行迭代算出隔直时间常数TW、超前滞后时间常数Ta、Tb、Tc、Td、Te、Tf，直至算法收敛为止。
因此，本发明具有如下优点：本发明提出的一种综合阻尼控制器及其参数确定方法，用以提高系统特征值阻尼比，该方法适用于提高含特高压直流输电的交直流混联电网抑制低频振荡的能力。使用本发明提出的参数确定方法，可以在准确地使受阻尼控制器的系统特征值阻尼比达到抑制低频振荡的需要。
附图说明
附图1是本发明涉及的综合控制系统框图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：
本发明提出一种综合控制控制器，以拟制基于VSC-HVDC交直流混联电网的低频振荡，其控制系统框图如图1所示。
图中，Vs∠θs为母线的电压幅值和相角，Ilac为交流线路电流，Plac+jQlac为交流线路传输功率，Vsh、Ish分别为变流器VSC1输出电压与输出电流，Vse、Ise分别为变流器VSC2输出电压与输出电流，Vc为直流变流器VSCDC首端电压，Vdc为直流电容电压，Idc为直流线路电流；Kp1、Kp2、Kp3为PI环节的比例系数，Ki1、Ki2、Ki3为PI环节的积分系数，TW为隔直时间常数，Ta、Tb、Tc、Td、Te、Tf为超前滞后环节时间常数；y1、y2、y3为综合阻尼控制器状态变量，包含电压Vsh、Vse、Vc变化量的dq轴分量以及电流Ish、Ise变化量的dq轴分量，具体如式(13)-(15)所示，
y1＝[ΔVshd,ΔVshq,ΔIshd,ΔIshq]T (13)
y2＝[ΔVsed,ΔVseq,ΔIsed,ΔIseq]T (14)
y3＝[ΔVcd,ΔVcq,ΔVdc]T (15)
本发明的综合控制器通过并联侧变流器VSC1控制交流母线的电压VS，串联侧变流器VSC2控制线路有功功率Plac，直流变流器VSCDC控制直流电压Vdc；变流器VSC1附加阻尼控制器引入母线电压变化量幅值变化量ΔVS经过PI控制环节、超前滞后环节将线路末端无功功率变化量ΔQlac输入至变流器VSC1，变流器VSC2附加阻尼控制器引入母线电压相角变化量ΔθS经过PI控制环节、超前滞后环节将线路末端有功功率变化量ΔPlac输入至变流器VSC2；直流变流器VSCDC附加阻尼控制引入线路末端有功功率变化量ΔPlac经过隔直环节、PI控制环节、超前滞后环节、限幅环节将直流电流变化量ΔIdc输出至直流变流器VSCDC。
为使该控制器协调有序、经济高效地工作，本发明提出确定该综合控制器最优参数的优化方法如下：
构建含综合综合阻尼控制器的系统特征值增广矩阵如式(16)所示
Figure GDA0003224425020000041
其中，x为系统状态变量；u为诸如发电机有功出力的控制变量；v为节点电压、相角以及线路潮流等相关变量，λ为系统特征值。
对式(16)的特征值λ实部σ与特征值虚部ω之比进行绝对值加权求和，构成最小目标函数，以其阻尼比ξ及振荡频率为约束条件，同时考虑线路传输极限及安全约束，构建如式(17)-(20)所示确定综合控制器参数的优化方程，
Figure GDA0003224425020000051
Figure GDA0003224425020000052
Placmin≤Placref≤Placmax (19)
Vsmin≤Vsref≤Vsmax (20)
其中，K＝[Kp1,Kp2,Kp3]T为由PI控制器比例环节系数构成的列向量，Wi为第i个振荡模式的加权系数，σi为第i个特征值实部，ωi为第i个特征值虚部，ξi为第i个特征值对应的阻尼比，n为系统出现低频振荡模式的总数，C1～C2为系统优化对系统阻尼比约束参数，C3为特征值约束参数，C4为特征值频率约束参数，Vsref、Placref分别为变流器控制交流母线电压Vs目标值与变流器控制交流线路有功功率Plac目标值。
为保证综合控制参数设定的合理性，现将式(17)-(20)转化成如下线性化问题，
Figure GDA0003224425020000053
Figure GDA0003224425020000054
Figure GDA0003224425020000055
Δωi≥2π(ωi-C4) (24)
ΔPlacref＝ΔIdc·Vdc (25)
Figure GDA0003224425020000056
Figure GDA0003224425020000057
Figure GDA0003224425020000058
Plac0-Placmin≤ΔPlacref≤Placmax-Plac0 (29)
Vs0-Vsmin≤ΔVsref≤Vsmax-Vs0 (30)
Figure GDA0003224425020000061
Figure GDA0003224425020000062
式中
Figure GDA0003224425020000063
分别为特征值阻尼比及特征值实部修正量，εξ、εσ分别为计算过程中阻尼比及特征值实部的微变量。
实施步骤
第一步：变流器VSC1安装至与VSC-HVDC直流换流站相连的交流母线上，附加阻尼控制器输入信号为母线电压幅值变化量ΔVs，输出交流线路末端无功功率变化量ΔQlac信号至变流器VSC1；
第二步：变流器VSC2通过耦合变压器串联至线路上，附加阻尼控制器输入信号为电压相角变化量ΔθS，输出交流线路末端有功功率变化量ΔPlac输入至变流器VSC2；
第三步：直流变流器VSCDC附加阻尼控制器输入信号为交流线路末端有功功率变化量ΔPlac，输出直流线路电流变化量ΔIdc信号至直流换流站；
第四步：构建含综合控制器的系统特征值增广矩阵，并求其特征值λ以及阻尼比ξ
第五步：构建线性化约束方程如式(21)-(32)所示；
第六步：设定式(22)-(24)中约束参数C1～C4，根据阻尼比小于5％的振荡模式进行阻尼比修正量
Figure GDA0003224425020000064
及特征值实部修正量
Figure GDA0003224425020000065
依据各振荡模式阻尼比修正量的比值确定加权系数Wi；
第七步：通过粒子群优化算法，将振荡模式个数确定为粒子个数，并依据目标函数(21)及相应的约束方程(22)-(24)、(29)、(30)，计算变流器VSC1控制目标参数Vsref及变流器VSC2控制目标参数Placref，确定综合控制器的PI控制参数Kp1、Kp2、Kp3及Ki1、Ki2、Ki3，并以此为基础进行迭代算出隔直时间常数TW、超前滞后时间常数Ta、Tb、Tc、Td、Te、Tf，直至算法收敛为止。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (1)

1.一种抑制基于VSC-HVDC交直流混联电网低频振荡的方法，其特征在于，包括：
步骤1、变流器VSC1安装至与VSC-HVDC直流换流站相连的交流母线上，附加阻尼控制器输入信号为母线电压幅值变化量ΔVs，输出交流线路末端无功功率变化控制量ΔQlac信号至变流器VSC1；
步骤2、变流器VSC2通过耦合变压器串联至线路上，附加阻尼控制器输入信号为电压相角变化量ΔθS，输出交流线路末端有功功率变化控制量ΔPlac输入至变流器VSC2；
步骤3、直流换流站VSCDC附加阻尼控制器输入信号为交流线路末端有功功率变化控制量ΔPlac，输出直流线路电流变化控制量ΔIdc信号至直流换流站；
步骤4、构建含综合控制器的系统特征值增广矩阵，并求其特征值λ以及阻尼比ξ；
步骤5、构建目标函数及相应的约束方程如式(1)-(12)所示；
Figure FDA0003257621850000011
Figure FDA0003257621850000012
Figure FDA0003257621850000013
Δωi≥2π(ωi-C4) (4)
ΔPlacref＝ΔIdc·Vdc (5)
Figure FDA0003257621850000014
Figure FDA0003257621850000015
Figure FDA0003257621850000021
Plac0-Placmin≤ΔPlacref≤Placmax-Plac0 (9)
Vs0-Vsmin≤ΔVsref≤Vsmax-Vs0 (10)
Figure FDA0003257621850000022
Figure FDA0003257621850000023
步骤6、设定式(2)-(4)中约束参数C1～C4，根据阻尼比小于5％的振荡模式进行阻尼比修正和及特征值实部修正，阻尼比修正量为
Figure FDA0003257621850000024
特征值实部修正量为
Figure FDA0003257621850000025
依据各振荡模式阻尼比修正量的比值确定加权系数Wi；
步骤7、通过粒子群优化算法，将振荡模式个数确定为粒子个数，并依据目标函数(1)及相应的约束方程(2)-(4)、(9)、(10)，计算变流器VSC1控制目标参数Vsref及变流器VSC2控制目标参数Placref，确定综合控制器的PI控制参数Kp1、Kp2、Kp3及Ki1、Ki2、Ki3，并以此为基础进行迭代算出隔直时间常数TW、超前滞后时间常数Ta、Tb、Tc、Td、Te、Tf，直至算法收敛为止。
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