CN111313452A - 一种基于ziegler-nichols方法的柔性直流输电控制策略 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于ziegler‑nichols方法的柔性直流输电控制策略。控制系统采用PI控制器进行调节，针对不同的暂态条件，采用ziegler‑nichols方法选择控制器增益。通过计算得到的控制器增益被用于具有减小测量电流传感器拓扑的PI调节方法中。这种控制方法保证了在负载扰动、电压骤降等瞬态情况下，系统能接近单位功率因数运行，最后在matlab/simulink环境下对系统进行了设计、建模和仿真，仿真波形结果验证了该控制方案的有效性。

Description

一种基于ziegler-nichols方法的柔性直流输电控制策略

技术领域

本发明涉及一种基于ziegler-nichols方法的柔性直流输电控制策略，属于柔性直流输电技术领域。

背景技术

与高压交流系统相比，高压直流输电系统具有效率高、功率密度大等优点，是一种较好的选择。高压直流输电系统由电流源换流器(CSC)或电压源换流器(VSC)供电。VSC因结构紧凑、重量轻、安装调试周期短、运行维护成本低、控制灵活而最受欢迎的。由于这些理想的特性，VSC通常用在背靠背高压直流输电系统中。

柔性直流输电技术与传统的线路换流器(LCC)高压直流技术相比，在多终端系统中具有明显的优势。但柔性直流输电仍有许多问题亟待解决的是:1)具有直流短路故障电流清除能力的电压源换流器拓扑结构；2)高压直流断路器技术；3)直流电网运行的基础理论及控制保护技术。高压直流输电系统大部分应用在风力发电技术领域，从电压骤降幅度、并网运行时间两方面来看，英国、美国分别要求风电机组能够在并网点电压跌落至15％额定值时持续并网运行140ms和625ms不脱网，而澳大利亚要求在电压跌落为零的条件下持续运行120ms不脱网，即实现零电压穿越。尽管的VSC-HVDC超级电网仍存在一些障碍，但技术正逐渐成熟，朝着一个合理可行的替代方案发展。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种在保证了在负载扰动、电压骤降等瞬态情况下，系统能接近单位功率因数运行的基于ziegler-nichols方法的柔性直流输电控制策略。

实现本发明目的的技术方案是提供一种基于ziegler-nichols方法的柔性直流输电控制策略，具体包括如下步骤：

步骤一：采用具有减少电流测量传感器的系统模型；

步骤二：系统采用电流双环控制方法；

步骤三：采用Zeigler-Nichols方法整定电流内环，电压外环的PI参数；

步骤四：设计控制器增益，对系统进行MATLAB仿真。

进一步的，步骤一中，采用具有减少电流测量传感器的系统模型：

基于背靠背柔性直流输电的18脉波电压源换流器系统，用两个传感器测量三相电流；用基尔霍夫电流定律来测量三相电流，由公式计算可得：

I_A＝-(I_B+I_C) (1)

其中I_A，I_B，I_C分别是A,B,C三相电流。

更进一步的，步骤二中，背靠背18脉波换流器柔性直流输电系统采用电流双环控制方法：

电流双环控制方法如下：

柔性直流输电系统采用的电流双环控制方法；控制方案包括电压控制器、参考电流控制器、脉冲宽度调制电流发生器控制方案；

电压控制器控制方案：

电压控制器是比例积分控制器，它密切控制电压误差v_e，并产生控制信号以使电压误差最小化；如果在第k个瞬间，

是参考的直流链路电压，v_dc是实际测得的直流链路电压，则电压误差估计为，

V_e(k)＝V^* _dc(k)-V_dc(k) (2)

在第k时刻，电压控制器的输出是控制信号(I_com)，测量为，

I_con(k)＝I_con(k-1)+k_pv{V_e(k)-V_e(k-1)}+k_ivV_e(k) (3)

其中k_pv和k_iv分别是电压控制器的比例增益和积分增益；

参考电流控制器控制方案：

将控制信号与三相输入电压相乘，产生三相参考电流；三相输入电压为，

v_SA＝V_A/V_LL (4)

v_SB＝V_B/V_LL (5)

v_SC＝V_C/V_LL (6)

式中，v_LL是交流线电压，V_A、V_B、V_C分别是交流网侧三相电压，V_SA、V_SB、V_SC分别是逆变侧三相交流电压，计算为，

当V_A,V_B,V_C为三相电压时，参考电流估计为，

I^* _A＝I_con*v_SA(8)

I^* _B＝I_con*v_SB(9)

I^* _C＝I_con*v_SC(10)

将参考电流与实际测得的三相电流相减从而产生电流误差，

△i_a＝(I^* _A-I_A) (11)

△i_b＝(I^* _B-I_B) (12)

△i_c＝(I^* _C-I_C) (13)

△i_a,△i_b,△i_c分别为相电流误差；

脉冲宽度调制电流发生器控制方案：

用增益k放大电流误差，并与固定频率的载波波形m(t)进行比较；它产生多脉冲VSC的开关序列；开关序列是根据下面给出的逻辑生成的，

If k△i_a>m(t)then S_upper＝1 or S_lower＝0 (14)

If k△i_a≤m(t)then S_upper＝0 or S_lower＝1 (15)

其中“1”和“0”表示开关的“开”和“关”位置，而S_upper和S_lowerA相的上下开关；相应的逻辑被用来产生B相和C相的开关脉冲；

更更进一步的，步骤三中，Zeigler-Nichols方法根据瞬态响应特性对控制器进行比例增益、积分增益和微分增益进行调节；调节由表1中的规则决定；它主要依赖于比例增益的整定，进而整定积分增益和微分增益，所提出的控制方案使用了简单的PI控制器；

表1 ZIEGLER和NICHOLS方法的规则

控制类型	kP	Ti	Td
				P	0.5(kcr)	∞	0
PI	0.45(kcr)	(Tcr)/12	0
				PID	0.6(kcr)	0.5(Tcr)	0.125(Tcr)

其中T_cr或1/T_cr是持续振荡的时间周期或振荡频率,临界增益k_cr是系统开始持续振荡的比例增益；

比例增益的计算是根据表1中总结的规则进行的，积分增益的测量如下：

k_i＝1/T_i (16)。

更更更进一步的，步骤四中，控制器增益的设计如下：

所提出的电流调节方法有两个控制器，即电压控制器和电流控制器；在负载扰动情况下，首先用电压控制器对系统进行整定；

k_cr和T_cr分别为1.4和0.227，因此电压控制器增益计算为：

k_pv＝0.45*(k_cr)＝0.63 (17)

T_i＝(1/12)*(T_cr)＝0.01891 (18)

k_iv＝1/0.017＝52.86 (19)

引入电流控制器，同时保持上述计算所得的电压控制器增益值不变；临界增益和临界时间分别为0.54和4.42；

k_pc＝0.243and T_i＝0.368 (20)

k_ic＝1/T_i＝2.71 (21)

采用同样的方法，在电压暂降、抽头负载故障等暂态条件下，获得了电压和电流控制器的增益；所得结果见表二；

表二 ZIEGLER-NICHOLS方法获得的结果

本发明具有积极的效果：(1)本发明提出一种基于ziegler-nichols方法的柔性直流输电控制策略。控制系统采用PI控制器进行调节，针对不同的暂态条件，采用ziegler-nichols方法选择控制器增益。通过计算得到的控制器增益被用于具有减小测量电流传感器拓扑的PI调节方法中。这种控制方法保证了在负载扰动、电压骤降等瞬态情况下，系统能接近单位功率因数运行，最后对系统进行了设计、建模和仿真，仿真波形结果验证了该控制方案的有效性，为背靠背柔直柔性直流输电控制提供了理论依据和技术支持。

附图说明

图1为基于18脉冲电压源换流器(VSC)的背靠背柔性直流输电系统拓扑结构图；

图2为控制方案示意图；

图3(a)为PCC1荷载扰动下的模拟响应(b)输入交流电源的THDV和THDI示意图；

图4(a)为PCC1电压骤降下的模拟响应(b)输入交流电源的THDV和THDI示意图。

具体实施方式

(实施例1)

本发明的一种基于ziegler-nichols方法的柔性直流输电控制策略，包括如下步骤：

步骤一：采用具有减少电流测量传感器的系统模型；

步骤二：系统的电流双环控制方法；

步骤三：Zeigler-Nichols方法；

步骤四：控制器增益的设计；

具体实施过程如下：

为使系统能够在负载扰动、电压骤降等瞬态情况下能接近单位功率因数运行，本发明提出一种基于ziegler-nichols方法的背靠背18脉波换流器柔性直流输电系统的控制策略。首先采用具有减少电流测量传感器的系统模型，减少测量传感器数量，其次系统采用电流双环控制方法，便于实现系统控制，再次采用Zeigler-Nichols方法整定电流内环，电压外环的PI参数，最后设计控制器增益，对系统进行了MATLAB仿真，仿真波形结果验证了该控制方案的有效性，为背靠背柔直柔性直流输电控制提供了理论依据和技术支持。

1)采用具有减少电流测量传感器的系统模型

图1为提出的基于背靠背柔性直流输电的18脉波电压源换流器系统的原理图。在这种控制方案中，用两个传感器测量三相电流。用一个简单的基尔霍夫电流定律来测量三相电流，由公式计算可得：

I_A＝-(I_B+I_C) (1)

其中I_A，I_B，I_C分别是A,B,C三相电流。

因此，在测量电流实际值时，减少了一个传感器的使用，减少了成本并且使系统的控制更加容易。

2)系统的电流双环控制方法

柔性直流输电系统采用的电流双环控制方法。控制方案包括电压控制器、参考电流控制器、脉冲宽度调制电流发生器控制方案。

a.电压控制器控制方案

电压控制器是比例积分(PI)控制器，它密切控制电压误差(v_e)，并产生控制信号以使电压误差最小化。如果在第k个瞬间，

是参考的直流(DC)链路电压，v_dc是实际测得的直流(DC)链路电压，则电压误差估计为，

V_e(k)＝V^* _dc(k)-V_dc(k) (2)

在第k时刻，电压控制器的输出是控制信号(I_com)，测量为，

I_con(k)＝I_con(k-1)+k_pv{V_e(k)-V_e(k-1)}+k_ivV_e(k) (3)

其中k_pv和k_iv分别是电压控制器的比例增益和积分增益。

b.参考电流控制器控制方案

将控制信号与三相输入电压相乘，产生三相参考电流。三相输入电压为，

v_SA＝V_A/V_LL (4)

v_SB＝V_B/V_LL (5)

v_SC＝V_C/V_LL (6)

式中，v_LL是交流线电压，V_A、V_B、V_C分别是交流网侧三相电压，V_SA、V_SB、V_SC分别是逆变侧三相交流电压，计算为，

当V_A,V_B,V_C为三相电压时，参考电流估计为，

I^* _A＝I_con*v_SA (8)

I^* _B＝I_con*v_SB (9)

I^* _C＝I_con*v_SC (10)

将参考电流与实际测得的三相电流相减从而产生电流误差，

△i_a＝(I^* _A-I_A) (11)

△i_b＝(I^* _B-I_B) (12)

△i_c＝(I^* _C-I_C) (13)

△i_a,△i_b,△i_c分别为相电流误差。

c.脉冲宽度调制电流发生器控制方案

用增益k放大电流误差，并与固定频率的载波波形m(t)进行比较。它产生多脉冲vsc的开关序列。开关序列是根据下面给出的逻辑生成的，

If k△i_a>m(t)then S_upper＝1 or S_lower＝0 (14)

If k△i_a≤m(t)then S_upper＝0 or S_lower＝1 (15)

其中“1”和“0”表示开关的“开”和“关”位置，而S_upper和S_lowerA相的上下开关。相应的逻辑被用来产生B相和C相的开关脉冲。

3)Zeigler-Nichols方法

Zeigler-Nichols方法根据瞬态响应特性对控制器进行比例增益、积分增益和微分增益进行调节。调节由表1中的规则决定。它主要依赖于比例增益的整定，进而整定积分增益和微分增益，本专利中所提出的控制方案使用了简单的PI控制器。

表1 ZIEGLER和NICHOLS方法的规则

控制类型	k<sub>P</sub>	T<sub>i</sub>	T<sub>d</sub>
				P	0.5(k<sub>cr</sub>)	∞	0
PI	0.45(k<sub>cr</sub>)	(T<sub>cr</sub>)/12	0
				PID	0.6(k<sub>cr</sub>)	0.5(T<sub>cr</sub>)	0.125(T<sub>cr</sub>)

其中T_cr或1/T_cr是持续振荡的时间周期或振荡频率,临界增益k_cr是系统开始持续振荡的比例增益。

比例增益的计算是根据表1中总结的规则进行的，积分增益的测量如下：

k_i＝1/T_i (16)

4)控制器增益的设计

所提出的电流调节方法有两个控制器，即电压控制器和电流控制器。在负载扰动情况下，首先用电压控制器对系统进行整定。

k_cr和T_cr分别为1.4和0.227，因此电压控制器增益计算为：

k_pv＝0.45*(k_cr)＝0.63 (17)

T_i＝(1/12)*(T_cr)＝0.01891 (18)

k_iv＝1/0.017＝52.86 (19)

引入电流控制器，同时保持上述计算所得的电压控制器增益值不变。临界增益和临界时间分别为0.54和4.42。

k_pc＝0.243 and T_i＝0.368 (20)

k_ic＝1/T_i＝2.71 (21)

采用同样的方法，在电压暂降、抽头负载故障等暂态条件下，获得了电压和电流控制器的增益。所得结果见表二。

表二 ZIEGLER-NICHOLS方法获得的结果

为了进一步说明本发明方法的准确性和可靠性，基于Matlab/Simulink搭建了如图1所示的系统仿真模型。

该仿真模型的参数设置如下：供电电压：33kV，额定功率：100MW，开关频率＝1950Hz，降压变压器：33/2.1KV，阻抗：R1＝R2＝R3＝0.015pu，X1＝X2＝X3＝0.2pu，直流侧电压：2.7KV，直流侧电容＝2100μF。

1)负荷扰动条件

系统额定功率为100MW，如图3a所示，T＝1.1秒时突然减载即40MW，T＝1.5秒时又恢复，直流侧出现过冲，但直流侧电压在5个周期内迅速跟踪，从而保持恒定的功率传输。如图3b所示，由测得的电能质量结果可以知道,电压和电流的谐波畸变率分别是3.52％，3.98％小于国家标准的5％，符合国际标准。

2)电压暂降情况

由图4a所示可知，在t＝1.1至1.5秒的持续时间内产生电压暂降，使电源电压和电流降低，但是由于在直流链路电容器处存储了过多的电荷而保持功率平衡。由图4b所示可知电压和电流谐波畸变率，即THD_v和THD_i，分别为3.18％和3.11％，满足国家清洁能源的标准(5％)。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (5)

1.一种基于ziegler-nichols方法的柔性直流输电控制策略，其特征在于，具体包括如下步骤：

步骤一：采用具有减少电流测量传感器的系统模型；

步骤二：系统采用电流双环控制方法；

步骤三：采用Zeigler-Nichols方法整定电流内环，电压外环的PI参数；

步骤四：设计控制器增益，对系统进行MATLAB仿真。

2.根据权利要求1所述的一种基于ziegler-nichols方法的柔性直流输电控制策略，其特征在于：步骤一中，采用具有减少电流测量传感器的系统模型：

基于背靠背柔性直流输电的18脉波电压源换流器系统，用两个传感器测量三相电流；用基尔霍夫电流定律来测量三相电流，由公式计算可得：

I_A＝-(I_B+I_C) (1)

其中I_A，I_B，I_C分别是A,B,C三相电流。

3.根据权利要求2所述的一种基于ziegler-nichols方法的柔性直流输电控制策略，其特征在于：步骤二中，背靠背18脉波换流器柔性直流输电系统采用电流双环控制方法：

电流双环控制方法如下：

柔性直流输电系统采用的电流双环控制方法；控制方案包括电压控制器、参考电流控制器、脉冲宽度调制电流发生器控制方案；

电压控制器控制方案：

电压控制器是比例积分控制器，它密切控制电压误差v_e，并产生控制信号以使电压误差最小化；如果在第k个瞬间，

是参考的直流链路电压，v_dc是实际测得的直流链路电压，则电压误差估计为，

V_e(k)＝V^* _dc(k)-V_dc(k) (2)

在第k时刻，电压控制器的输出是控制信号(I_com)，测量为，

I_con(k)＝I_con(k-1)+k_pv{V_e(k)-V_e(k-1)}+k_ivV_e(k) (3)

其中k_pv和k_iv分别是电压控制器的比例增益和积分增益；

参考电流控制器控制方案：

将控制信号与三相输入电压相乘，产生三相参考电流；三相输入电压为，

v_SA＝V_A/V_LL (4)

v_SB＝V_B/V_LL (5)

v_SC＝V_C/V_LL (6)

式中，v_LL是交流线电压，V_A、V_B、V_C分别是交流网侧三相电压，V_SA、V_SB、V_SC分别是逆变侧三相交流电压，计算为，

当V_A,V_B,V_C为三相电压时，参考电流估计为，

I^* _A＝I_con*v_SA (8)

I^* _B＝I_con*v_SB (9)

I^* _C＝I_con*v_SC (10)

将参考电流与实际测得的三相电流相减从而产生电流误差，

△i_a＝(I^* _A-I_A) (11)

△i_b＝(I^* _B-I_B) (12)

△i_c＝(I^* _C-I_C) (13)

△i_a,△i_b,△i_c分别为相电流误差；

脉冲宽度调制电流发生器控制方案：

用增益k放大电流误差，并与固定频率的载波波形m(t)进行比较；它产生多脉冲VSC的开关序列；开关序列是根据下面给出的逻辑生成的，

If k△i_a>m(t)then S_upper＝1 or S_lower＝0 (14)

If k△i_a≤m(t)then S_upper＝0 or S_lower＝1 (15)

其中“1”和“0”表示开关的“开”和“关”位置，而S_upper和S_lowerA相的上下开关；相应的逻辑被用来产生B相和C相的开关脉冲。

4.根据权利要求3所述一种基于ziegler-nichols方法的柔性直流输电控制策略，其特征在于：步骤三中，Zeigler-Nichols方法根据瞬态响应特性对控制器进行比例增益、积分增益和微分增益进行调节；调节由表1中的规则决定；它主要依赖于比例增益的整定，进而整定积分增益和微分增益，所提出的控制方案使用了简单的PI控制器；

表1 ZIEGLER和NICHOLS方法的规则

控制类型 kP Ti Td P 0.5(kcr) ∞ 0 PI 0.45(kcr) (Tcr)/12 0 PID 0.6(kcr) 0.5(Tcr) 0.125(Tcr)

其中T_cr或1/T_cr是持续振荡的时间周期或振荡频率,临界增益k_cr是系统开始持续振荡的比例增益；

比例增益的计算是根据表1中总结的规则进行的，积分增益的测量如下：

k_i＝1/T_i (16)。

5.根据权利要求4所述一种基于ziegler-nichols方法的柔性直流输电控制策略，其特征在于：步骤四中，控制器增益的设计如下：

所提出的电流调节方法有两个控制器，即电压控制器和电流控制器；在负载扰动情况下，首先用电压控制器对系统进行整定；

k_cr和T_cr分别为1.4和0.227，因此电压控制器增益计算为：

k_pv＝0.45*(k_cr)＝0.63 (17)

T_i＝(1/12)*(T_cr)＝0.01891 (18)

k_iv＝1/0.017＝52.86 (19)

引入电流控制器，同时保持上述计算所得的电压控制器增益值不变；临界增益和临界时间分别为0.54和4.42；

k_pc＝0.243 and T_i＝0.368 (20)

k_ic＝1/T_i＝2.71 (21)

采用同样的方法，在电压暂降、抽头负载故障等暂态条件下，获得了电压和电流控制器的增益；所得结果见表二；

表二ZIEGLER-NICHOLS方法获得的结果

Images