CN110912128B - 一种多端柔性直流输电系统的内模解耦控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多端柔性直流输电系统的内模解耦控制方法，属于电力输送技术领域，以解决换流站直流输出电压波动导致与之互联的换流站输出直流电压与交流网络波动的问题。方法包括建立VSC小信号模型、建立VSC所连交流网络小信号模型、建立VSC所连直流网络小信号模型、建立三端柔性直流输电系统小信号模型、建立三端柔性直流输电系统状态空间模型、设计解耦补偿器，使得广义被控对象形成对角优势、设计多端柔性直流输电系统内模解耦控制策略。本发明采用内模解耦控制策略弱化多端柔性直流输电系统中换流站之间的耦合，增强各换流站相互独立运行能力，增加整个系统的稳定性。

Description

一种多端柔性直流输电系统的内模解耦控制方法

技术领域

本发明属于电力输送技术领域，具体涉及一种多端柔性直流输电系统的内模解耦控制方法。

背景技术

我国近年来新能源建设迅速，风电、光伏并网容量逐年递增，新能源发电在我国能源结构中占比越来越高，大规模新能源发电基地远离负荷中心，新能源资源与负荷中心呈逆向分布，出力波动性大、输电通道能力受限，弃风、弃光现象频发，提高新能源消纳能力成为了新能源产业亟待解决的问题，多端柔性直流输电技术成为解决上述问题的重要途径，成为未来调整能源结构的强有力手段。然而多端柔性直流输电系统作为典型的高阶系统，具有多变量、非线性、强耦合的特点，各换流站之间以及换流站交直流侧存在着复杂的交互作用，当系统中某一端换流站输出直流电压发生大范围波动，会影响与之互联的换流站以及该换流站所连接的交流网络，该耦合交互关系对于多端柔性直流输电系统稳定运行极为不利，无法保证各换流站独立运行。为提高整个系统的稳定性，采用内模解耦控制方式弱化换流站间交互作用，可大幅度提高整个系统的稳定性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多端柔性直流输电系统的内模解耦控制方法，以解决换流站直流输出电压波动导致与之互联的换流站输出直流电压与交流网络波动的问题。

为了解决以上问题，本发明技术方案为：

一种多端柔性直流输电系统的内模解耦控制方法，该方法为以下步骤：

步骤一：建立VSC小信号模型：

依托VSC换流器数学模型建立VSC小信号模型；

步骤二：建立VSC所连交流网络小信号模型：

依托VSC所连交流网络图建立VSC所连交流网络小信号模型；

步骤三：建立VSC所连直流网络小信号模型：

依托VSC所连直流网络图建立VSC所连直流网络小信号模型；

步骤四：建立三端柔性直流输电系统小信号模型：

在以上步骤所得的VSC小信号模型、VSC所连接交流网络小信号模型、VSC所连直流网络小信号模型的基础上构建全局小信号模型；

步骤五：建立三端柔性直流输电系统状态空间模型：

对所得VSC小信号模型、VSC所连接交流网络小信号模型、VSC所连直流网络小信号模型以及全局小信号模型进行整理，进而可得状态空间模型；

步骤六：设计解耦补偿器，使得广义被控对象形成对角优势：

设计解耦补偿器K_e、K_f，使得广义被控对象Q(s)形成对角优势，

利用串联常数补偿器K_e与并联常数补偿器K_f实现对角优势的系统图推导出下式：

Q^-1(s)＝K_e ^-1G^-1(s)+K_f＝T^-1(s)+K_f

被控对象G(s)的对角优势化分两步进行：

第一步为设计串联常数补偿器K_e；

第二步为设计并联常数补偿器K_f；

步骤七：设计多端柔性直流输电系统内模解耦控制策略：

采用多端柔性直流输电系统内模解耦控制系统框图，对多端柔性直流输电系统内模解耦控制系统进行设计。

进一步的，步骤一中建立的VSC小信号模型为：

式中，U_di0、

分别为其状态变量所对应的稳态值。

进一步的，步骤二中建立的VSC所连交流网络小信号模型为：

其中：Δi_sdi、Δi_sqi为Δi_si在此旋转坐标系下dq轴分量；

Δu_sdi、Δu_sqi为

在此坐标系下的dq轴分量；

Δu_cdi、Δu_cqi分别为

在此坐标系下的dq轴分量；

ΔP_i、ΔQ_i为交流侧注入换流站的有功、无功功率。

进一步的，步骤一中建立的VSC所连直流网络小信号模型为：

其中：R_ij+L_ij为节点i与节点j之间的等效阻抗；

C_i表示对应节点的对地电容；

i_ij表示从节点i流向节点j的电流；

U_di表示对应节点的对地电压，即换流站输出的直流电压；

i_di为换流站输出直流电流。

进一步的，步骤五中建立的三端柔性直流输电系统状态空间模型为：

x＝[Δi_sd1 Δi_sq1 Δu_sd1 Δu_sq1 Δu_cd1 Δu_cq1 ΔU_d1 Δi_d12 Δi_sd2 Δi_sq2 Δu_sd2Δu_sq2 Δu_cd2 Δu_cq2 ΔU_d2 Δi_d13 Δi_sd3 Δi_sq3 Δu_cd3 Δu_cq3 ΔU_d3 Δi₂₃]^T

u＝[ΔU_cd1 ΔU_cq1 ΔU_cd2 ΔU_cq2 ΔU_cd3 ΔU_cq3]^T

y＝[ΔP₁ ΔQ₁ ΔU_d2 ΔQ₂ Δu_sd3 Δu_sq3]^T

系统矩阵A为22×22的方阵，输入矩阵B为22×6的矩阵，输出矩阵C为6×22的矩阵，D为6×6的方阵；被控对象G(s)的传递函数矩阵为6×6的方阵，其表达式如下所示：

进一步的，步骤六中第一步具体为：

设计串联常数补偿器K_e，使得T^-1(s)＝K_e ^-1G^-1(s)成为对角优势，

式中，n代表传递函数的阶数，仅用串联常数补偿器K_e使得T^-1(s)＝K_e ^-1G^-1(s)成对角优势的充分必要条件是λ_max[N_h]＞0h＝1,2…,n，如果不能仅使用串联补偿器K_e使得T^-1(s)＝K_e ^-1G^-1(s)形成对角优势，则需要进行第二步设计。

进一步的，步骤六中第二步具体为：

设计串联常数补偿器K_f，使Q^-1(s)＝K_e ^-1G^-1(s)+K_f＝T^-1(s)+K_f的非对角元素模之和为最小，即：

由上式可得：

其中串联常数补偿器K_e由伪对角化方法求得，若T^-1(s)＝K_e ^-1G^-1(s)满足下式则被控对象G(s)可由串联常数补偿器K_e与并联常数补偿器K_f实现对角优势，

进一步的，步骤七中设计多端柔性直流输电系统内模解耦控制策略具体为：

采用多端柔性直流输电系统内模解耦控制系统框图，取G_m(s)为可逆对角阵，当取C(s)＝G_m(s)^-1时可实现对系统输出的解耦并消除扰动的影响于稳态误差，多端柔性直流输电系统内模解耦控制系统设计步骤如下：

第一步：取补偿后的广义被控对象的对角元素为内部模型G_m(s)：

G_m(s)＝diag{g_m1(s) g_m2(s) g_m3(s) g_m4(s) g_m5(s) g_m6(s)}

第二步：对模型G_m(s)按照最小相位稳定部分G_m-(s)与剩余部分G_m+(s)进行分解，对G_m-(s)进行求逆设计控制器，为保证控制器的可实现并增强系统鲁棒性引入滤波器F(s)：

F(s)＝diag{f₁(s) f₂(s) f₃(s) f₄(s) f₅(s) f₆(s)}

式中

αi是g_m-(s)分子分母多项式阶数之差，ε_i为引入的滤波器时间常数，因此内模控制器C(s)如下式所示：

C(s)＝diag{C₁(s) C₂(s) C₃(s) C₄(s) C₅(s) C₆(s)}

式中

所设计的内模控制器中只有6个滤波器常数ε_i(i＝1,2,3,4,5,6)需要调整，来改善系统的调节品质。

本发明的有益效果如下：

本发明应用于多端柔性直流输电系统某一换流站输出直流电压发生波动影响其它换流站及其所连接交流系统时，采用内模解耦控制策略弱化多端柔性直流输电系统中换流站之间的耦合，实现解耦后各换流站动态性能由换流站控制器自身决定，不再受其它互联的换流站干扰，增强各换流站相互独立运行能力，增加整个系统的稳定性。

附图说明

图1为本发明的VSC换流器数学模型；

图2为本发明中VSC所连交流网络图；

图3为本发明中VSC所连直流网络图；

图4为本发明中三端柔性直流输电系统结构；

图5为本发明中利用串并联常数补偿器实现对角优势的示意图；

图6为本发明中内模解耦控制系统框图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步的详细说明。

如图1-6所示，一种多端柔性直流输电系统的内模解耦控制方法，该方法为以下步骤：

步骤一：建立VSC小信号模型

VSC换流器数学模型如图1所示，

其中

为PWM调制信号的dq轴分量，

U_cdi、U_cqi为交流测基频相电压dq轴分量，

K为换流站增益，T_σ为开关周期。

VSC小信号模型如上式所示，

式中，U_di0、

分别为其状态变量所对应的稳态值。

步骤二：建立VSC所连交流网络小信号模型：

VSC所连交流网络示意图如图2所示，

其中：理想电压源电压相量为E_i∠0°，交流网络等效阻抗为R_ni+L_ni，公共连接点(PCC)的电压为U_si∠θ°，电流为i_si∠η°，联结变压器加相电抗器的等效阻抗为R_i+L_i，换流站交流侧电压为U_ci∠ξ°，U_di为换流站直流侧输出电压。

VSC所连交流网络小信号模型如上式所示，

其中Δi_sdi、Δi_sqi为Δi_si在此旋转坐标系下dq轴分量，Δu_sdi、Δu_sqi为

在此坐标系下的dq轴分量，Δu_cdi、Δu_cqi分别为

在此坐标系下的dq轴分量，ΔP_i、ΔQ_i为交流侧注入换流站的有功、无功功率。

步骤三：建立VSC所连直流网络小信号模型

VSC所连直流网络如图3所示：

VSC所连直流网络小信号模型如上式所示，

其中R_ij+L_ij为节点i与节点j之间的等效阻抗，C_i表示对应节点的对地电容，i_ij表示从节点i流向节点j的电流，U_di表示对应节点的对地电压，即换流站输出的直流电压，i_di为换流站输出直流电流。

步骤四：建立三端柔性直流输电系统小信号模型：

以三端柔性直流输电系统构建其小信号模型以及状态空间模型，在所得VSC小信号模型、VSC所连接交流网络小信号模型、VSC所连直流网络小信号模型的基础上进行整理进而可得全局小信号模型，其中VSC1采用定有功无功控制，VSC2采用定直流电压控制，VSC3采用定交流电压控制。

步骤五：建立三端柔性直流输电系统状态空间模型：

由对所得VSC小信号模型、VSC所连接交流网络小信号模型、VSC所连直流网络小信号模型进行整理进而可得状态空间模型如下式所示：

x＝[Δi_sd1 Δi_sq1 Δu_sd1 Δu_sq1 Δu_cd1 Δu_cq1 ΔU_d1 Δi_d12 Δi_sd2 Δi_sq2 Δu_sd2Δu_sq2 Δu_cd2 Δu_cq2 ΔU_d2 Δi_d13 Δi_sd3 Δi_sq3 Δu_cd3 Δu_cq3 ΔU_d3 Δi₂₃]^T

u＝[ΔU_cd1 ΔU_cq1 ΔU_cd2 ΔU_cq2 ΔU_cd3 ΔU_cq3]^T

y＝[ΔP₁ ΔQ₁ ΔU_d2 ΔQ₂ Δu_sd3 Δu_sq3]^T

系统矩阵A为22×22的方阵，输入矩阵B为22×6的矩阵，输出矩阵C为6×22的矩阵，D为6×6的方阵；被控对象G(s)的传递函数矩阵为6×6的方阵，其表达式如下所示：

步骤六：设计解耦补偿器，使得广义被控对象Q(s)形成对角优势：

设计解耦补偿器K_e、K_f，使得广义被控对象Q(s)形成对角优势。

利用串联常数补偿器K_e与并联常数补偿器K_f实现对角优势的系统结构如图5所示，图5可得下式：

Q^-1(s)＝K_e ^-1G^-1(s)+K_f＝T^-1(s)+K_f

被控对象G(s)的对角优势化分两步进行：

第一步为设计串联常数补偿器K_e；第二步为设计并联常数补偿器K_f。

具体的第一步：设计串联常数补偿器K_e，使得T^-1(s)＝K_e ^-1G^-1(s)成为对角优势：

式中，n代表传递函数的阶数，仅用串联常数补偿器K_e使得T^-1(s)＝K_e ^-1G^-1(s)成对角优势的充分必要条件是λ_max[N_h]＞0h＝1,2…,n，如果不能仅使用串联补偿器K_e使得T^-1(s)＝K_e ^-1G^-1(s)形成对角优势，则需要进行第二步设计。

第二步：设计串联常数补偿器K_f，使Q^-1(s)＝K_e ^-1G^-1(s)+K_f＝T^-1(s)+K_f的非对角元素模之和为最小，即：

由上式可得：

其中串联常数补偿器K_e由伪对角化方法求得，若T^-1(s)＝K_e ^-1G^-1(s)满足下式则被控对象G(s)可由串联常数补偿器K_e与并联常数补偿器K_f实现对角优势：

步骤七：设计多端柔性直流输电系统内模解耦控制策略

所采用多端柔性直流输电系统内模解耦控制系统框图如图6所示，R(s)为6×1被控量设定输入矩阵，

y(s)为6×1的输出矩阵，y(s)＝[ΔP₁ ΔQ₁ ΔU_d2 ΔQ₂ Δu_sd3 Δu_sq3]^T，u(s)为6×1的被控对象实际控制矩阵,v(s)为6×1的广义控制矩阵，G(s)为6×6的被控对象传递函数矩阵，G_m(s)为6×6的内部模型传递函数矩阵，C(s)为6×6的控制器传递函数矩阵，F(s)为6×6的滤波器传递函数矩阵，K_e为6×6的串联常数补偿矩阵，K_f为6×6的并联常数补偿矩阵，Q(s)为6×6的实现对角优势后的广义被控对象，d(s)为6×1的扰动输入矩阵。

若取G_m(s)为可逆对角阵，当取C(s)＝G_m(s)^-1时可实现对系统输出的解耦并消除扰动的影响于稳态误差，多端柔性直流输电系统内模解耦控制系统设计步骤如下：

第一步：取补偿后的广义被控对象的对角元素为内部模型G_m(s)：

G_m(s)＝diag{g_m1(s) g_m2(s) g_m3(s) g_m4(s) g_m5(s) g_m6(s)}。

第二步：对模型G_m(s)按照最小相位稳定部分G_m-(s)与剩余部分G_m+(s)进行分解，对G_m-(s)进行求逆设计控制器，为保证控制器的可实现并增强系统鲁棒性引入滤波器F(s)：

F(s)＝diag{f₁(s) f₂(s) f₃(s) f₄(s) f₅(s) f₆(s)}

式中

αi是g_m-(s)分子分母多项式阶数之差，ε_i为引入的滤波器时间常数，因此内模控制器C(s)如下式所示：

C(s)＝diag{C₁(s) C₂(s) C₃(s) C₄(s) C₅(s) C₆(s)}

式中

所设计的内模控制器中只有6个滤波器常数ε_i(i＝1,2,3,4,5,6)需要调整，来改善系统的调节品质。

Claims (7)

1.一种多端柔性直流输电系统的内模解耦控制方法，其特征在于：该方法为以下步骤：

步骤一：建立VSC小信号模型：

依托VSC换流器数学模型建立VSC小信号模型；

步骤二：建立VSC所连交流网络小信号模型：

依托VSC所连交流网络图建立VSC所连交流网络小信号模型；

步骤三：建立VSC所连直流网络小信号模型：

依托VSC所连直流网络图建立VSC所连直流网络小信号模型；

步骤四：建立三端柔性直流输电系统小信号模型：

在以上步骤所得的VSC小信号模型、VSC所连接交流网络小信号模型、VSC所连直流网络小信号模型的基础上构建全局小信号模型；

步骤五：建立三端柔性直流输电系统状态空间模型：

对所得VSC小信号模型、VSC所连接交流网络小信号模型、VSC所连直流网络小信号模型以及全局小信号模型进行整理，进而可得三端柔性直流输电系统状态空间模型，具体如下：

x＝[Δi_sd1 Δi_sq1 Δu_sd1 Δu_sq1 Δu_cd1 Δu_cq1 ΔU_d1Δi_d12 Δi_sd2 Δi_sq2 Δu_sd2 Δu_sq2Δu_cd2 Δu_cq2 ΔU_d2Δi_d13 Δi_sd3 Δi_sq3 Δu_cd3 Δu_cq3 ΔU_d3 Δi₂₃]^T

u＝[ΔU_cd1 ΔU_cq1 ΔU_cd2 ΔU_cq2 ΔU_cd3 ΔU_cq3]^T

y＝[ΔP₁ ΔQ₁ ΔU_d2 ΔQ₂ Δu_sd3 Δu_sq3]^T

系统矩阵A为22×22的方阵，输入矩阵B为22×6的矩阵，输出矩阵C为6×22的矩阵，D为6×6的方阵；被控对象G(s)的传递函数矩阵为6×6的方阵，其表达式如下所示：

步骤六：设计解耦补偿器，使得广义被控对象形成对角优势：

设计解耦补偿器K_e、K_f，使得广义被控对象Q(s)形成对角优势，

利用串联常数补偿器K_e与并联常数补偿器K_f实现对角优势的系统图推导出下式：

Q^-1(s)＝K_e ^-1G^-1(s)+K_f＝T^-1(s)+K_f

被控对象G(s)的对角优势化分两步进行：

第一步为设计串联常数补偿器K_e；

第二步为设计并联常数补偿器K_f；

步骤七：设计多端柔性直流输电系统内模解耦控制策略：

采用多端柔性直流输电系统内模解耦控制系统框图，对多端柔性直流输电系统内模解耦控制系统进行设计。

2.如权利要求1所述的一种多端柔性直流输电系统的内模解耦控制方法，其特征在于：步骤一中建立的VSC小信号模型为：

式中，U_di0、

分别为其状态变量所对应的稳态值。

3.如权利要求1所述的一种多端柔性直流输电系统的内模解耦控制方法，其特征在于：步骤二中建立的VSC所连交流网络小信号模型为：

其中：Δi_sdi、Δi_sqi为Δi_si在此旋转坐标系下dq轴分量；

Δu_sdi、Δu_sqi为

在此坐标系下的dq轴分量；

Δu_cdi、Δu_cqi分别为

在此坐标系下的dq轴分量；

ΔP_i、ΔQ_i为交流侧注入换流站的有功、无功功率。

4.如权利要求1所述的一种多端柔性直流输电系统的内模解耦控制方法，其特征在于：步骤一中建立的VSC所连直流网络小信号模型为：

其中：R_ij+L_ij为节点i与节点j之间的等效阻抗；

C_i表示对应节点的对地电容；

i_ij表示从节点i流向节点j的电流；

U_di表示对应节点的对地电压，即换流站输出的直流电压；

i_di为换流站输出直流电流。

5.如权利要求1所述的一种多端柔性直流输电系统的内模解耦控制方法，其特征在于：步骤六中第一步具体为：

设计串联常数补偿器K_e，使得T^-1(s)＝K_e ^-1G^-1(s)成为对角优势，

式中，n代表传递函数的阶数，仅用串联常数补偿器K_e使得T^-1(s)＝K_e ^-1G^-1(s)成对角优势的充分必要条件是λ_max[N_h]＞0h＝1,2…,n，如果不能仅使用串联补偿器K_e使得T^-1(s)＝K_e ^-1G^-1(s)形成对角优势，则需要进行第二步设计。

6.如权利要求1所述的一种多端柔性直流输电系统的内模解耦控制方法，其特征在于：步骤六中第二步具体为：

设计串联常数补偿器K_f，使Q^-1(s)＝K_e ^-1G^-1(s)+K_f＝T^-1(s)+K_f的非对角元素模之和为最小，即：

由上式可得：

其中串联常数补偿器K_e由伪对角化方法求得，若T^-1(s)＝K_e ^-1G^-1(s)满足下式则被控对象G(s)可由串联常数补偿器K_e与并联常数补偿器K_f实现对角优势，

7.如权利要求1所述的一种多端柔性直流输电系统的内模解耦控制方法，其特征在于：步骤七中设计多端柔性直流输电系统内模解耦控制策略具体为：

采用多端柔性直流输电系统内模解耦控制系统框图，取G_m(s)为可逆对角阵，当取C(s)＝G_m(s)^-1时可实现对系统输出的解耦并消除扰动的影响于稳态误差，多端柔性直流输电系统内模解耦控制系统设计步骤如下：

第一步：取补偿后的广义被控对象的对角元素为内部模型G_m(s)：

G_m(s)＝diag{g_m1(s) g_m2(s) g_m3(s) g_m4(s) g_m5(s) g_m6(s)}

第二步：对模型G_m(s)按照最小相位稳定部分G_m-(s)与剩余部分G_m+(s)进行分解，对G_m-(s)进行求逆设计控制器，为保证控制器的可实现并增强系统鲁棒性引入滤波器F(s)：

F(s)＝diag{f₁(s) f₂(s) f₃(s) f₄(s) f₅(s) f₆(s)}

式中

αi是g_m-(s)分子分母多项式阶数之差，ε_i为引入的滤波器时间常数，因此内模控制器C(s)如下式所示：

C(s)＝diag{C₁(s) C₂(s) C₃(s) C₄(s) C₅(s) C₆(s)}

式中

所设计的内模控制器中只有6个滤波器常数ε_i(i＝1,2,3,4,5,6)需要调整，来改善系统的调节品质。

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