CN111668867A

CN111668867A - 一种风电场经vsc-hvdc系统并网的无源滑模控制方法

Info

Publication number: CN111668867A
Application number: CN201910165061.6A
Authority: CN
Inventors: 鲁裕婷; 王一娉; 都洪基
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2019-03-05
Filing date: 2019-03-05
Publication date: 2020-09-15

Abstract

本发明公开了一种风电场经VSC‑HVDC系统并网的无源滑模控制方法，包括以步骤：建立VSC‑HVDC系统的换流器在a‑b‑c三相静止坐标系下的数学模型，通过park变换，得到d‑q同步旋转坐标系下的数学模型；建立VSC‑HVDC系统的PCHD模型；针对VSC‑HVDC系统中换流站的PCHD模型，设计VSC‑HVDC系统中换流站的无源控制器；在无源控制器的基础上增加滑模变结构控制，得到VSC‑HVDC系统的无源滑模控制器。本发明在无源控制策略的基础上加入滑模变结构控制策略，提高系统的鲁棒性，改善系统在扰动下的运行性能，使得控制器能更快速、有效地作用于VSC‑HVDC输电系统。

Description

一种风电场经VSC-HVDC系统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，特别是一种风电场经VSC-HVDC系统并网的无源滑模控制方法。

背景技术

现代化电力系统发展迅速，一方面尽可能满足全社会对电能的需求，保证社会经济的高速发展，另一方面也带来一系列挑战，如系统规划与资源配置优化问题、大电网的安全稳定运行问题、潮流控制和经济调度问题等，其中如何最大限度地提高电网输送容量、提高系统稳定性和可靠性、有效限制系统短路电流水平这几个问题已越来越突出并备受关注。现有的交流输电系统在传统机械式控制方法下难以满足潮流控制和提高输电容量的需要。20世纪70年代后，以大功率器件为基础的电力电子技术发展迅猛，并与计算机信息技术和控制理论相结合，为解决上述问题提供了一个新的方向。

柔性交流输电系统技术可以对电网进行快速、频繁、连续、灵活和精确的控制，从而与发电机的各种快速控制相匹配，大大提高了电力系统的潮流控制能力和各种动态性能，从而将传统的依赖于机械开关的“硬性”交流输电系统升级为融合大功率电力电子技术、计算机信息技术和先进控制技术的“柔性”交流输电系统。

全控型电力电子器件容量的快速提升以及成本的降低，加之大力发展风电等新能源发电所带来的并网输电技术升级的契机，VSC-HVDC(Voltage-Source Converter High-Voltage Direct Current)输电技术在我国已呈现出应用需求增加、应用容量提升的新趋势。随着风力发电容量和输送距离的不断增加，如何将发出的电能以较好的经济性和稳定性输送到电网是近些年来国内外研究的重点，将基于电压源换流器的柔性直流输电应用于风电并网系统中，具有诸多不可替代的技术和经济方面的优势。

与传统的直流输电不同，VSC-HVDC是一种以电压源型换流器(VSC)、可关断器件和脉宽调制(PWM)技术为基础的新型柔性直流输电技术。该技术采用基于脉宽调制技术的方法，能够灵活独立地控制有功功率和无功功率。换流站的整流器和逆变器具有良好的控制性能是VSC-HVDC系统安全稳定运行的保证，因此，VSC-HVDC换流器的控制成为核心问题备受关注，其控制方式分为间接电流控制和直接电流控制。其中间接电流控制具有控制结构简单、系统动态响应速度慢、对参数变化灵敏等缺点，直接电流控制应用较多。直接电流控制也具有控制器参数固定、调节能力有限、鲁棒性较差等缺点。因此，需要提出一种新的控制策略，实现柔性直流输电系统稳定的大容量长距离输电。

发明内容

本发明的目的在于提供一种风电场经VSC-HVDC系统并网的无源滑模控制方法，使柔性直流输电系统在系统出现扰动情况下提高系统的鲁棒性和抗干扰能力。

实现本发明目的的技术方案为：一种风电场经VSC-HVDC系统并网的无源滑模控制方法，包括以步骤：

步骤一、建立VSC-HVDC系统的换流器在a-b-c三相静止坐标系下的数学模型，通过park变换，得到d-q同步旋转坐标系下的数学模型；

步骤二、按照PCHD模型的标准形式，建立VSC-HVDC系统的PCHD模型，并验证基于PCHD模型的VSC-HVDC系统的无源性；

步骤三、针对VSC-HVDC系统中换流站的PCHD模型，配置希望的互联和阻尼矩阵，设计VSC-HVDC系统中换流站的无源控制器结构；

步骤四、在无源控制器的基础上增加滑模变结构控制，得到VSC-HVDC系统的无源滑模控制器。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)本发明从系统能量函数的耗散特性出发构造Lyapunov函数，符合Lyapunov稳定理论，具有明确的物理意义，充分利用这种特性可以得到理想的控制器；(2)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；(3)借用滑模控制的鲁棒性和简便性，进一步优化了无源控制器的性能，提高系统的抗干扰性，稳定机理一目了然，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是本发明风电场经VSC-HVDC并网系统的拓扑结构图。

图3是本发明风场侧电压源换流器的电路结构图。

图4是本发明基于PCHD模型的无源滑模控制原理图。

具体实施方式

一种风电场经VSC-HVDC系统并网的无源滑模控制方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤一、建立VSC-HVDC系统风场侧换流站在a-b-c三相静止坐标系下的数学模型，通过park变换，得到的d-q同步旋转坐标系下的数学模型；

步骤二、按照PCHD模型的标准形式，建立VSC-HVDC系统风场侧换流站的PCHD模型，并验证基于PCHD模型的VSC-HVDC系统的无源性；

步骤三、针对VSC-HVDC系统风场侧换流站的PCHD模型，配置希望的互联和阻尼矩阵，设计换流站的无源控制算法；

步骤四、为进一步提高VSC-HVDC系统的魯棒性，结合滑模控制的设计方法，设计一种无源滑模控制方法，在上述PCHD模型的基础上加入滑模控制，设计VSC-HVDC系统两侧换流站的无源滑模控制方法。

进一步，步骤一中，以风场侧换流站为例，电网侧换流站结构及设计方法与风场侧换流站相同，根据VSC-HVDC系统的拓扑结构和电压源换流器的电路结构，建立VSC-HVDC系统风场侧换流站在abc三相静止同步坐标系下的数学模型，通过park变换，推导出在dq旋转坐标系下的数学模型，并得出在dq坐标系下的有功功率和无功功率的表达式，当d轴定位在公共连接点PCC处电压相量上时，对i_d和i_q进行独立控制，进而实现有功功率和无功功率的解耦控制。

如图2所示，风场侧输电线路与变压器的等效电阻和电感分别为R₁和L₁，电网侧输电线路与变压器的等效电阻和电感分别为R₂和L₂，u_s1、u_s2和i_s1、i_s2分别为系统两端交流系统的母线三相基波电压和三相基波电流，u_c1、u_c2分别为风场侧换流站VSC1和电网侧换流站VSC2的三相基波电压，C₁、C₂分别为直流侧电容，R_dc为直流输电线路的等效电阻；U_dc1、U_dc2分别为VSC1和电VSC2的直流侧电压，i_d1、i_d2分别为VSC1和VSC2的直流侧流出、流入的电流；i_dc为直流输电线路电流；P₁、Q₁分别为风场侧VSC1的有功功率和无功功率；P₂、Q₂分别为电网侧VSC2的有功功率和无功功率。

VSC-HVDC系统风场侧换流站abc三相静止坐标系下的数学模型为：

式(1)中

s_i表示开关函数，如图3所示，

u_s1a、u_s1b、u_s1c分别表示风场侧交流母线电压u_s1的三相电压值，i_s1a、i_s1b、i_s1c分别表示风场侧电流i_s1的三相电流值，u_c1a、u_c1b、u_c1c分别表示风场侧换流站VSC1电压u_c1的三相电压值。

由Park矢量变换矩阵及其逆变换矩阵将换流器三相静止坐标系下的数学模型(式(1))变换得到dq同步旋转坐标系下的数学模型为：

式(2)中i_s1d、i_s1q分别为VSC-HVDC系统在dq坐标系下注入到换流站的交流线路电流，u_s1d、u_s1q分别为系统交流侧在dq坐标系下的电压，s_d、s_q分别为开关函数的dq轴分量，R_DC1为电网侧换流站和直流侧的等效电阻，如图3所示，w为系统的角频率。

在dq同步旋转坐标系下的有功功率P₁和无功功率Q₁可表示为：

在三相电网电压平衡条件下，若取风电场侧电压矢量

的方向选取d轴方向，则有u_s1d＝u_s1，u_s1q＝0，u_s1为风电场侧母线电压空间矢量的模值。在忽略线路电阻和换流器损耗的情况下，有：

将式(4)代入式(2)得：

进一步，步骤二中，将VSC-HVDC系统风场侧换流站在dq旋转坐标系下的数学模型转换为PCHD模型的标准形式，求出系统能量函数。由系统能量函数得出PCHD系统存储能量变化率，进而验证PCHD系统模型是否为严格无源系统。

PCHD模型的标准形式为：

式中，x为状态变量，x∈Rⁿ；J(x)、G(x)为系统内联结构矩阵，其中J(x)是反对称矩阵；R(x)为半对称正定的系统阻尼矩阵；H(x)为系统能量函数，即哈密顿函数；u、y分别为系统的输入和输出端口变量。

下面推导出换流器的PCHD模型，取状态变量为

式(5)中

系统的哈密顿能量函数为

将式(5)改写为如式(6)所示的PCHD标准形式，可得

由式(8)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。

进一步，步骤三中，根据无源控制原理，通过选取期望稳态平衡点，配置闭环系统的互联矩阵和阻尼矩阵，构造闭环存储函数，改变系统原来的能量函数，从而使闭环系统达到标准形式，实现系统的无源控制器设计。

为实现对无功功率、有功功率参考值的跟踪，采用互联与阻尼配置的方法，来达到理想的平衡点，设计PCHD模型下的控制算法。

选取期望稳态平衡点，即系统平衡状态。系统期望平衡状态为：

系统的状态误差为：

配置闭环系统的互联矩阵J_d(x)和阻尼矩阵R_d(x)。对给定的J(x)，R(x)，H(x)，G(x)和系统期望的平衡点x₀∈R_n，需要找到函数J_a(x)，R_a(x)和一个向量函数K(x)，满足：

J_d(x)＝J(x)+J_a(x) (13)

R_d(x)＝R(x)+R_a(x) (14)

H_d(x)＝H(x)+H_a(x) (15)

其中，设置注入阻尼矩阵为

设置互联矩阵J_d(x)＝0。

由式(16)可以验证，系统满足可积性条件、平衡配置条件和Lyapunov稳定性条件。由上述条件可以推出系统的无源控制律为：

且可证明在平衡点x＝x₀处，有

由(19)式可知，x₀是系统的渐进稳定平衡点。

进一步，步骤四中，在设计的无源控制器基础上加入滑模变结构控制，通过选取适当的滑模面得到滑模控制律，从而得到新的无源滑模控制器，提高风电场经VSC-HVDC并网系统的鲁棒性和抗干扰性能。

为了更加提高系统的鲁棒性，在上述PCHD无源控制器的基础上加上滑模变结构控制，借助其良好的鲁棒性和设计的简便性，改善系统在一些扰动因素下的运行性能。

选取滑模面为：

根据指数控制律的公式：

则

即

式(23)中，k₁、k₂和ρ₁、ρ₂表示滑模控制参数，sgn(x)表示符号函数，v₁、v₂表示滑模变结构的控制律。

由式(23)可以推出以下表达式：

将式(24)代到式(18)可以得到无源滑模控制下的控制函数为：

式(25)即为风场侧换流站的无源滑模控制器的控制函数，系统的控制策略如图4所示。

Claims

1.一种风电场经VSC-HVDC系统并网的无源滑模控制方法，其特征在于，包括以步骤：

步骤一、建立VSC-HVDC系统换流器在a-b-c三相静止坐标系下的数学模型，通过park变换，得到d-q同步旋转坐标系下的数学模型；

步骤三、针对VSC-HVDC系统中换流站的PCHD模型，配置互联和阻尼矩阵，设计VSC-HVDC系统中换流站的无源控制器；

2.根据权利要求1所述的风电场经VSC-HVDC系统并网的无源滑模控制方法，其特征在于，步骤一中，建立VSC-HVDC系统换流器在三相静止坐标系下的数学模型，导出旋转坐标系下的数学模型，进而推导出有功功率和无功功率的解耦控制表达式。

3.根据权利要求1所述的风电场经VSC-HVDC系统并网的无源滑模控制方法，其特征在于，步骤二中，将换流器的数学模型转换为PCHD模型的标准形式，求取系统的哈密顿能量函数，由系统能量的变化率来验证换流器的PCHD模型是否为无源系统。

4.根据权利要求1所述的风电场经VSC-HVDC系统并网的无源滑模控制方法，其特征在于，步骤三中，由期望稳定平衡点，通过配置互联矩阵，加入新的阻尼矩阵以改变系统原来的能量函数，使系统渐近稳定在期望稳定平衡点处。