CN110518614A - 一种风电场并网的无源滑模控制方法 - Google Patents

一种风电场并网的无源滑模控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种风电场并网的无源滑模控制方法。本发明通过构造VSC‑HVDC系统期望的平衡点，得到闭环系统期望的Hamilton函数，得出了基于PCHD模型的VSC‑HVDC系统的无源控制方法，并且在此基础上，选取系统相应的滑模面，加入辅助滑模控制，得到了基于PCHD模型的VSC‑HVDC系统的无源滑模控制方法，本发明在借助了控制方法设计的简便性，提高了系统的鲁棒性。

Description

一种风电场并网的无源滑模控制方法
技术领域
本发明属于电力系统及其自动化领域，特别涉及一种风电场并网的无源滑模控制方法。
背景技术
风力发电可以作为一个小的供电系统运行，也可以作为一种常规的电网电源。随着风力发电容量的日益扩大，风力发电越来越多的接入电网，风电的并网运行也成为大规模利用风能的最有效方式。在国家能源战略的推动下，风电由小规模开发、分布式接入电网向大规模开发、集中式远距离高压输电接入电网的方向发展。对于百兆瓦以上的风电场功率传输，电压源换流器型高压直流输电(VSC-HVDC)系统具有明显的经济技术优势，因此越来越多的工程将其作为首选并网方案。但风电固有的波动性和间歇性会影响电网的稳定运行，为解决这一问题，需要在已有研究基础上对适合风电场并网的VSC-HVDC系统控制方法做进一步研究。
对于我国来说，可再生能源丰富的地方多在偏远地区且负荷用量较少，而负荷集中区与这些地方距离较远，多端VSC-HVDC系统能够较好地解决将偏远地区的可再生能源发电传输至负荷集中区的问题。那么，如何经济、高效地传输至负荷区，需要对于VSC-HVDC系统级控制及调度指令做更为全面地优化分析。
柔性直流输电技术具有灵活的无功功率和电压的调节能力，可改善风电场接入系统的电能质量。相对于传统的直流输电技术，VSC-HVDC具有以下特点：不存在传统直流输电的换相失败问题；可独立控制有功功率和无功功率；能够为交流系统提供一定的无功补偿，进而改善系统的电能质量；直流侧电压极性不变，便于连接多个换流器，为以后风电场的扩建提供了便利。柔性直流输电技术的以上特点，为风电并网提供了一种可行的方案。
随着IGBT，GTO等电力电子器件的发展，全控型器件的容量的不断提升以及性能的不断改进，VSC-HVDC将会越来越多的应用于风电场的联网以及系统间的互联。在基于电压源换流器的高压直流输电(VSC-HVDC)工程实际控制中，比例积分(PI)控制器处于主导地位，但是PI控制器在面对系统内部和外部扰动时不能表现出良好的性能。其中最主要的原因是VSC-HVDC是一个复杂的非线性、多输人多输出系统，而传统的PI控制策略是基于线性的。随着非线性控制理论和智能控制理论的发展，已经有很多学者将其应用到VSC-HVDC系统的控制中，例如反馈线性化理论、滑模控制理论、自适应控制理论等。近年来，学者们尝试将无源控制理论运用到VSC-HVDC系统的控制中，取得了一些成果。
VSC-HVDC是一种以电压源换流器、自关断器件和脉宽调制(PWM)技术为基础的新型输电技术，该输电技术具有可向无源网络供电、不会出现换相失败、换流站间无需通信以及易于构成多端直流系统等优点。它的“柔性”就表现在它能根据电流情况自适应地调节电能质量，从而快速、灵活地调节其输出功率。目前，国内已基本上实现了柔性直流输电的理论研究，但对柔性直流输电的控制策略研究不够深入，缺乏仿真实验，尤其是在风电场的并网方面。因此，本发明专利提出了一种设基于端口受控耗散哈密顿系统(PCHD)模型的无源控制方法，然后加入辅助滑模控制来提高其鲁棒性。
发明内容
本发明的目的是改进VSC-HVDC的控制策略，使柔性直流输电系统在不同运行条件下具有更好的动静态性能与鲁棒性。
为了解决上述技术问题，本发明提成一种风电场并网的无源滑模控制方法，具体步骤为：
步骤1、根据两端三电平VSC-HVDC的系统的拓扑结构，建立VSC-HVDC系统一端换流器在a-b-c三相静止坐标系下的数学模型，通过Park变换，得到VSC-HVDC系统一端换流器在d-q旋转坐标系下的数学模型；
步骤2、将VSC-HVDC系统一端换流器在d-q旋转坐标系下的数学模型转换为PCHD模型的标准形式，求出系统Hamilton能量函数；
步骤3、构造VSC-HVDC系统期望的平衡点，寻求反馈控制，配置闭环系统的互联矩阵和阻尼矩阵，构造闭环系统期望的Hamilton函数，求解反馈控制，得到基于PCHD模型的VSC-HVDC系统的无源控制方法；
步骤4、在上述基于PCHD模型的VSC-HVDC系统的无源控制方法的基础上，加入辅助滑模控制，选取系统相应的滑模面，将滑模面的符号函数转换成饱和函数，得到基于PCHD模型的VSC-HVDC系统的无源滑模控制方法。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)哈密顿方程具有一般的仿射非线性结构，基于PCHD模型所设计的控制器本质为一种非线性控制方法，对VSC-HVDC系统的非线性特性具有针对性；(2)基于PCHD模型的无源控制理论除具有基于EL模型无源控制器的优点外，还可以采用互联和阻尼配置无源控制(IDA-PBC)方法，不仅能能量成型还能阻尼注入和互联矩阵，因此其设计过程灵活，可根据不同情况设计出更合适的控制器；(3)无源控制作为一种新型的非线性控制策略，控制效果很显著。该控制可以使功率响应变快，直流电压更加稳定且抗扰动能力更强；(4)该控制器能够在出现一些扰动因素时，在上述基于PCHD模型的无源控制策略的基础上加入辅助滑模控制，采用无源滑模控制算法，来提高系统的动态性和鲁棒性，具有较高的工程实用价值。
附图说明
图1是本发明基于VSC-HVDC的风电场并网控制策略的流程图。
图2是本发明两端三电平VSC-HVDC的系统原理图。
图3是本发明两端三电平VSC-HVDC系统的结构图。
图4是本发明VSC-HVDC的整体控制图。
其中，图1中1表示建立VSC-HVDC系统的dq旋转坐标系下的数学模型，2表示建立VSC-HVDC系统的PCHD模型，3表示实现基于端口受控耗散哈密顿系统模型的无源控制策略，4表示加入基于PCHD模型的滑模辅助改进策略。
具体实施方式
本发明提出一种风电场并网的无源滑模控制方法，包括以下步骤：
步骤1、根据两端三电平VSC-HVDC的系统的拓扑结构，建立VSC-HVDC系统一端换流器在a-b-c三相静止坐标系下的数学模型，通过Park变换，得到VSC-HVDC系统一端换流器在d-q旋转坐标系下的数学模型；
步骤2、将VSC-HVDC系统一端换流器在d-q旋转坐标系下的数学模型转换为PCHD模型的标准形式，求出系统Hamilton能量函数；
步骤3、构造VSC-HVDC系统期望的平衡点，寻求反馈控制，配置闭环系统的互联矩阵和阻尼矩阵，构造闭环系统期望的Hamilton函数，求解反馈控制，得到基于PCHD模型的VSC-HVDC系统的无源控制方法；
步骤4、在上述基于PCHD模型的VSC-HVDC系统的无源控制方法的基础上，加入辅助滑模控制，选取系统相应的滑模面，将滑模面的符号函数转换成饱和函数，得到基于PCHD模型的VSC-HVDC系统的无源滑模控制方法。
进一的实施例中，步骤1中假设三相主电路参数完全相同而且整流侧和逆变侧的结构对称，电气参数相同，所有量均采用标幺值表示，结合图2和图3，则VSC-HVDC系统一端换流器在abc三相静止坐标系下的数学模型为：
Ia，Ib，Ic分别为VSC-HVDC系统在a-b-c坐标系下注入到换流站的交流线路电流；Uca、Ucb Ucc分别为系统换流站在a-b-c坐标系下的交流电压；Usa、Usb Usc分别为交流侧系统在a-b-c坐标系下的电压；R、L分别为系统换流变压器和换流站的等效损耗和漏抗；C为系统直流侧的稳压电容；Udc、Idc分别为系统直流侧的电压和电流，系数ηi的计算公式如下所示：
sj为控制开关管通断的逻辑开关函数，sj＝1对应上桥臂导通、下桥臂关断，sj＝0对应上桥臂关断、下桥臂导通。
进一步的实施例中，式(1)做Park变换，得到d-q同步旋转坐标系下的数学模型如式(3)：
式中，Id，Iq分别为VSC-HVDC系统在d-q坐标系下注入到换流站的交流线路电流；Ud、Uq分别为系统换流站在d-q坐标系下的交流电压，Ud＝SdUdc，Uq＝SdUdc；Usd，Usq分别为系统交流侧在d-q坐标系下的电压；Sd，Sq分别为开关函数的d，q轴分量；RDC为其中一端换流站和直流侧的等效电阻；L、R分别为整流、逆变侧的换流站等效电感和电阻；C为直流侧两端电容；ω为交流系统的角频率，T为派克(Park)变换转换矩阵，Park变换的转换矩阵T如式(4)所示：
进一步的实施例中，步骤2中，将式(3)转换为VSC-HVDC系统一端换流器基于PCHD模型的标准形式为：
式中，x为状态量，u为控制量，y为输出量；Id，Iq分别为VSC-HVDC系统在d-q坐标系下注入到换流站的交流线路电流。且式中：
u＝(Usd Usq)T (8)
Udc为系统直流侧的电压，Usd，Usq分别为系统交流侧在d-q坐标系下的电压。
系统的Hamilton能量函数为：
Id，Iq分别为VSC-HVDC系统在d-q坐标系下注入到换流站的交流线路电流，Udc为系统直流侧的电压。
VSC-HVDC系统的互联矩阵如(11)所示，且J＝-JT：
sd，sq分别为开关函数的d，q轴分量。阻尼矩阵如式(12)所示，且R＝RT≥0：
RDC为其中一端换流站和直流侧的等效电阻。
输入矩阵为：
由式(9)可得系统能量的变换率为：
由R(x)≥0可知，即系统所存储的能量不大于外部供给的能量，故系统为严格无源系统，可以实现系统的最优控制。
进一步的实施例中，步骤3中构造的VSC-HVDC系统期望的平衡点为：
为了将VSC-HVDC系统渐近稳定在期望的平衡点x0附近，构造一个加入反馈控制后的闭环期望能量函数Hd(x)，使它在x0处取得极小值。寻求反馈控制：u＝β(x)，使闭环系统为：
式中，Jd、Rd分别为期望的互联和阻尼矩阵，且
设配置的待定的互联和阻尼矩阵为：
Ja＝0 (18)
构造的闭环系统期望的Hamilton函数具体为：
推导出相应的控制规律：
为了使式(20)和式(15)等价，令
则可解出反馈控制u＝β(x)为：
式(23)做变形，可得到VSC-HVDC对应的控制规律，即基于PCHD模型的VSC-HVDC系统的无源控制方法为：
且可证明：
-[Jd(x)-Rd(x)](D-1(x0)＝-[Ja(x)-Ra(x)](D-1(x)+Gβ(x) (25)
当x＝x0时，且证明Hd(x)在x0处取得极小值，由式(25)和式(26)可知，满足PCHD系统的IDA-PBC原理，整个闭环系统在平衡点是渐近稳定的。
进一步的实施例中，步骤四中选取系统相应的滑模面为：
则：
根据基于趋近律的滑模控制，令
式中，ρ1，ρ2＞0，为了减少滑模控制的高频颤抖，将符号函数换成饱和函数，则如式(30)所示：
从而解出
联立式(24)和式(31)可以得到
将式(32)代入式(24)中，结合图4得到基于PCHD模型的VSC-HVDC系统的无源滑模控制方法为：
上式中，由外环PI控制得到。
本发明所提出的一种风电场并网的无源滑模控制方法，良好的鲁棒性使所提算法在两端强电网互联柔直工程中具有良好的应用前景。再加入辅助滑模控制后，借助其良好的鲁棒性和设计的简便性，可以有效改善系统在一些扰动因素下的运行性能。多端VSC-HVDC系统能够较好地解决将偏远地区的可再生能源发电传输至负荷集中区的问题，降低投资成本，提高自然资源利用率，减少弃电率，为电网的储能容量优化配置提供了一定的指导意义。

Claims (9)

1.一种风电场并网的无源滑模控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、根据两端三电平VSC-HVDC的系统的拓扑结构，建立VSC-HVDC系统一端换流器在a-b-c三相静止坐标系下的数学模型，通过Park变换，得到VSC-HVDC系统一端换流器在d-q旋转坐标系下的数学模型；
步骤2、将VSC-HVDC系统一端换流器在d-q旋转坐标系下的数学模型转换为PCHD模型的标准形式，求出系统Hamilton能量函数；
步骤3、构造VSC-HVDC系统期望的平衡点，寻求反馈控制，配置闭环系统的互联矩阵和阻尼矩阵，构造闭环系统期望的Hamilton函数，求解反馈控制，得到基于PCHD模型的VSC-HVDC系统的无源控制方法；
步骤4、在上述基于PCHD模型的VSC-HVDC系统的无源控制方法的基础上，加入辅助滑模控制，选取系统相应的滑模面，将滑模面的符号函数转换成饱和函数，得到基于PCHD模型的VSC-HVDC系统的无源滑模控制方法。
2.根据权利要求1所述的风电场并网的无源滑模控制方法，其特征在于，步骤1中建立的VSC-HVDC系统一端换流器在a-b-c三相静止坐标系下的数学模型具体为：
Ia，Ib，Ic分别为VSC-HVDC系统在a-b-c坐标系下注入到换流站的交流线路电流；Uca、Ucb、Ucc分别为系统换流站在a-b-c坐标系下的交流电压；Usa、Usb、Usc分别为交流侧系统在a-b-c坐标系下的电压；R、L分别为系统换流变压器和换流站的等效损耗和漏抗；C为系统直流侧的稳压电容；Udc、Idc分别为系统直流侧的电压和电流，系数ηi的计算公式如下所示：
Sj为控制开关管通断的逻辑开关函数，Sj＝1对应上桥臂导通、下桥臂关断，Sj＝0对应上桥臂关断、下桥臂导通。
3.根据权利要求1所述的风电场并网的无源滑模控制方法，其特征在于，步骤1中通过Park变换，得到的VSC-HVDC系统一端换流器在d-q旋转坐标系下的数学模型具体为：
式中，Id，Iq分别为VSC-HVDC系统在d-q坐标系下注入到换流站的交流线路电流；Ud、Uq分别为系统换流站在d-q坐标系下的交流电压，Ud＝SdUdc，Uq＝SdUdc；Usd，Usq分别为系统交流侧在d-q坐标系下的电压；Sd，Sq分别为开关函数的d，q轴分量；RDC为其中一端换流站和直流侧的等效电阻；L、R分别为整流、逆变侧的换流站等效电感和电阻；C为直流侧两端电容；ω为交流系统的角频率。
4.根据权利要求1所述的风电场并网的无源滑模控制方法，其特征在于，步骤2中PCHD模型的标准形式具体为：
式中，x为状态量，u为控制量，y为输出量；Id，Iq分别为VSC-HVDC系统在d-q坐标系下注入到换流站的交流线路电流；
系统Hamilton能量函数
式中，L为整流、逆变侧的换流站等效电感，；C为直流侧两端电容，
5.根据权利要求1所述的风电场并网的无源滑模控制方法，其特征在于，步骤3中构造的VSC-HVDC系统期望的平衡点具体为：
L、R分别为整流、逆变侧的换流站等效电感和电阻；C为直流侧两端电容；
配置的闭环系统的互联矩阵和阻尼矩阵分别为：
Ja＝0
构造的闭环系统期望的Hamilton函数具体为：
求解的反馈控制为：
式中，Usd，Usq分别为系统交流侧在d-q坐标系下的电压；Id，Iq分别为VSC-HVDC系统在d-q坐标系下注入到换流站的交流线路电流；Sd，Sq分别为开关函数的d，q轴分量；L、R分别为整流、逆变侧的换流站等效电感和电阻；ω为交流系统的角频率。
6.根据权利要求1所述的风电场并网的无源滑模控制方法，其特征在于，步骤3中得到的基于PCHD模型的VSC-HVDC系统的无源控制方法具体为：
Id，Iq分别为VSC-HVDC系统在d-q坐标系下注入到换流站的交流线路电流；Ud、Uq分别为系统换流站在d-q坐标系下的交流电压；Usd，Usq分别为系统交流侧在d-q坐标系下的电压；Sd，Sq分别为开关函数的d，q轴分量；L、R分别为整流、逆变侧的换流站等效电感和电阻；ω为交流系统的角频率。
7.根据权利要求1所述的风电场并网的无源滑模控制方法，其特征在于，步骤4中选取的滑模面具体为：
Id，Iq分别为VSC-HVDC系统在d-q坐标系下注入到换流站的交流线路电流。
8.根据权利要求1所述的风电场并网的无源滑模控制方法，其特征在于，步骤4中将滑模面的符号函数转换成饱和函数，具体为：
Id，Iq分别为VSC-HVDC系统在d-q坐标系下注入到换流站的交流线路电流；Usd，Usq分别为系统交流侧在d-q坐标系下的电压；sd，sq分别为开关函数的d，q轴分量；L、R分别为整流、逆变侧的换流站等效电感和电阻；ω为交流系统的角频率。
9.根据权利要求1所述的风电场并网的无源滑模控制方法，其特征在于，步骤4中得到的基于PCHD模型的VSC-HVDC系统的无源滑模控制方法具体为：
Id，Iq分别为VSC-HVDC系统在d-q坐标系下注入到换流站的交流线路电流；Usd，Usq分别为系统交流侧在d-q坐标系下的电压；L、R分别为整流、逆变侧的换流站等效电感和电阻；ω为交流系统的角频率。
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