CN112260304B - 一种针对于背靠背换流站的三段式控制策略 - Google Patents

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Abstract

一种针对于背靠背换流站的三段式控制策略，应用于背靠背直流工程的互联大电网中，考虑到背靠背换流站在两端交流系统的空间分布和地理位置建立两区域三机组模型，对于两区域三机组模型中的背靠背直流系统进行建模，其中背靠背直流系统包括背靠背换流站建模以及直流附加控制器建模；根据受到扰动后频率响应阶段的不同属性特征将频率响应阶段划分三个不同的阶段，并针对三个阶段分别实行基于模型预测控制器的主动控制策略、基于阶梯式控制器的主动控制策略以及基于PI控制器的被动控制策略。本发明通过背靠背直流输电系统的快速可控性，非扰动区域快速地向扰动区传输直流功率，有效地拦截频率下降趋势，实现了功率缺额的再分配。

Description

一种针对于背靠背换流站的三段式控制策略
技术领域
本发明属于电网频率稳定控制领域，涉及一种针对于背靠背换流站的三段式控制策略。
背景技术
近年来电力系统能量交互愈发紧密，特高压输电工程输送快速灵活，线路损耗小，占地费用少，其作为西电东送、南北互供发展策略的最佳实现方式，大系统互联方式向直流方式转变。相比于交流互联电网，直流输电工程不存在交流输电的稳定问题，有利于远距离大规模输电；实现电力系统间的非同步联网，有利于区域间备用容量的共享；执行快速准确的频率响应控制策略，有利于扰动后非扰动区域对于扰动区域的功率支援以及对端的频率调节能力。其中，对于两侧区域电气弱连接的直流输电工程多采用背靠背直流工程，以不同频率独立非同步运行并以系统联络线的角色承担两电网间电力交换计划，通过快速控制改善所连交流电网的稳定性和可靠性。从世界范围来看，背靠背换流站在已运行和正在建设的直流工程中约占1/3。
针对直流异步互联电网而言，两端不同装机规模电网的频率响应能力相差悬殊而又各自独立运行，故障前后频率位于低位的概率上升，容易发生低频减载现象。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种针对于背靠背换流站的三段式控制策略。
本发明采用的技术方案如下：
一种针对于背靠背换流站的三段式控制策略，所述策略包括：
步骤1：建立背靠背直流互联系统的两区域三机组模型，其中将电力系统划分为两个研究系统，研究系统1为扰动发生区，研究系统2为非扰动发生区，其中研究系统1又进一步划分为子系统A和子系统B。所述扰动发生区内子系统A和子系统B通过交流联络线进行连接，背靠背换流站作为弱连接两端研究系统的HVDC联络线，背靠背换流站的一端接于交流联络线中，背靠背换流站的另一端与系统2相连，子系统A，子系统B以及系统2内均设置有相同的一组发电机组，其包括火电机组、水电机组、储能设备和燃气机组。
步骤2：对于所述两区域三机组模型中背靠背换流站进行建模，根据联络线节点功率平衡方程推导得到背靠背换流站功率传输方程：
Figure GDA0003475695770000011
Figure GDA0003475695770000012
公式(1)、(2)分别表示子系统A、子系统B经由交直流联络线传输功率状态方程，ΔPtieA为子系统A经由交直流联络线传输功率，ΔPtieB为子系统B经由交直流联络线传输功率，Δf1A为子系统A的频率偏差信号，Δf1B为子系统B的频率偏差信号，其中系统2作为馈入端向系统1支援功率ΔP2d；
公式中，
Figure GDA0003475695770000021
定义Dabs为绝对电气距离系数，其表示子系统A与子系统B的实际电气距离，定义
Figure GDA0003475695770000022
为相对电气距离系数集，
Figure GDA0003475695770000023
表示背靠背换流站与子系统A的相对电气距离，
Figure GDA0003475695770000024
表示背靠背换流站与子系统B的相对电气距离。
步骤3：建立背靠背直流系统附加控制器模型，对两侧频差信号分别通过主动控制进行优化计算，以扰动系统1A和非扰动系统2的频差分别为主动控制器1输入量与主动控制器2输入量，所述主动控制器1与主动控制器2输出量与直流功率控制器的输入端相连；所述直流功率控制器的输出端通过距离控制器与系统1的交流联络线相连且直接与系统2相连，距离控制器表示相对电气距离集对于两端系统的影响，即表示背靠背换流站在交流联络线的具体连接位置。
步骤4：当大扰动发生时，将频率响应阶段划分为第一频率下降阶段、频率到达频率最低点后直到直流联络线功率第一次恢复到额定值的第一频率恢复阶段、直流联络线功率第一次恢复到额定值后的第二频率恢复阶段；对于第一频率下降阶段，主动控制器所采用的算法为模型预测控制算法，模型预测控制算法的建模过程为：
步骤4.1：将所述两区域三机组模型中子系统A、子系统B、系统2的各发电机组模型的传递函数模型转化为状态空间模型，得到的第i个系统的状态方程为：
Figure GDA0003475695770000025
式中，xi为状态向量，ui为控制向量，wi为扰动向量，yi为输出变量，Ai为状态矩阵，Bi为控制矩阵，Ci为观测矩阵，Fi为扰动矩阵，Ci是控制目标yi的对应向量。
步骤4.2：将上述状态空间模型进行离散处理，得到离散化的线性方程组：
Figure GDA0003475695770000026
式中，Aid为离散状态矩阵，Bid为离散控制矩阵，Cid为离散观测矩阵，Fid为离散扰动矩阵，Cid是控制目标yi对应的离散向量，xi(k)为离散状态向量，yi(k+1)为离散控制目标。
步骤4.3:根据模型预测算法原理，需要根据当前时刻的状态向量xi(k)以及方程(5)在预测时域对离散控制目标yi(k+Np|k)进行预测；
Yi＝Gixi(k)+Hiui+Piwi (5)
式中，NP为预测时域，表示从k时刻开始到未来n步的预测输出yi(k+Np)逼近到期望值yr(k+Np)，Nu为控制时域，其表示每个预测时域中的控制量通过计算而改变的数目。
最后采用优化函数进行求解，采用输出的预测误差的平方和控制量加权平方的二次型优化指标来设计控制器。在控制时域内通过n元二次函数构造二次性能最优化函数求其最小值。
Figure GDA0003475695770000031
式中，Ui为当前时刻待求的控制增量，Q是影响系统输出的加权矩阵，R是影响误差效果的加权矩阵，Yr是期望输出变量，Yi是预测系统输出量。
步骤5：频率到达频率最低点后直到直流联络线功率第一次恢复到额定值的第一频率恢复阶段，使用阶梯化分阶段恒功率模型：主动控制器的输入量以频率第一下降阶段最后采样时刻tend为基准值，并采用n等分法依次改变下一时间间隔内控制量的数值。其中n表示控制时间间隔个数，Δt表示时间间隔长度，参数取值范围考虑到典型功率缺失场景下运行状态量以及频率下降以及恢复阶段总时长，通过计算得到相对应时间间隔以及时间间隔个数。
Figure GDA0003475695770000032
步骤6：直流联络线功率第一次恢复到额定值后的第二频率恢复阶段采用的主动控制器为PI控制器。
步骤7：通过matlab编程方式实现上述三阶段控制策略，当在程序中输入一定量扰动时，通过程序输出频率响应曲线并测量频率最低点，算例表明所提出控制策略能够有效提升频率最低点，避免低频减载事件的发生。
进一步的，子系统A、子系统B、系统2的机组类型相同并用集中参数表示，包括：常规机组包括火电机组、水电机组，提供常规的一二次频率调节服务，在频率稳定调节问题中占据主要地位但是调频过程缓慢，而快速反应机组即新型调频机组包括燃气机组、储能机组，提供有偿的一次频率调节服务。
进一步的，所述公式6中二次性能最优化函数的状态变量应该满足约束条件，约束条件包括火电机组、水电机组的机组爬坡约束，四类型机组的出力上下限约束，交流联络线的出力上下限约束，直流联络线的出力上下限约束和相邻时刻出力变化约束。
本发明的有益效果为：凭借直流系统具有的快速、灵活、准确的功率提升能力，通过主动控制手段对于直流系统进行优化调度，最大程度地利用直流系统的频率快速支援能力，集中、快速的控制能够有效地避免低频减载事件的发生，改善所连交流电网的稳定性和可靠性，提升并丰富大电网应对频率紧张局面的能力和手段。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施以及容量配置的技术方案，下面将对使用的附图做简单的介绍。
图1为本发明提供的一种两区域三阶段示意图；
图2为本发明提供的一种背靠背换流站附加控制器示意图；
图3为本发明提供的一种子系统A频率响应曲线；
图4为本发明提供的一种子系统B频率响应曲线；
图5为本发明提供的一种系统2频率响应曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施对本发明作进一步的说明，但是不作为本发明的限定。
一种大功率缺失下背靠背直流互联系统的主动控制策略，所述策略包括：
步骤1：建立背靠背直流互联系统的两区域三机组模型，其结构图如下图1所示，其中将电力系统划分为两个研究系统，研究系统1为扰动发生区，研究系统2为非扰动发生区，研究系统1又进一步划分为子系统A和子系统B，所述扰动发生区内子系统A和子系统B通过交流联络线进行连接，背靠背换流站作为弱连接两端研究系统的HVDC联络线，背靠背换流站的一端接于交流联络线中，背靠背换流站的另一端与系统2相连，子系统A，子系统B以及系统2内均设置有相同的一组发电机组，其包括火电机组、水电机组、储能设备和燃气机组。
步骤2：对于所述两区域三机组模型中背靠背换流站进行建模，如图1所示，其中δ1A为子系统1A母线相角，δ1B为子系统1B母线相角，δ2为系统2母线相角，U1A为子系统1A母线电压、U1B为子系统1B母线电压、U1B为系统2母线电压，P1A为子系统1A机组输出功率、P1B为子系统1B机组输出功率、P2为系统2机组输出功率，X1A表示子系统A距离背靠背换流站的电气距离，X1B表示子系统B距离背靠背换流站的电气距离。根据联络线节点功率平衡方程推导得到背靠背换流站功率传输方程：
Figure GDA0003475695770000041
Figure GDA0003475695770000042
公式(1)、(2)分别表示子系统A、子系统B经由交直流联络线传输功率状态方程，ΔPtieA为子系统A经由交直流联络线传输功率，ΔPtieB为子系统B经由交直流联络线传输功率，Δf1A为子系统A的频率偏差信号，Δf1B为子系统B的频率偏差信号，其中系统2作为馈入端向系统1支援功率ΔP2d；
公式中，
Figure GDA0003475695770000051
定义Dabs为绝对电气距离系数，其表示子系统A与子系统B的实际电气距离，定义
Figure GDA0003475695770000052
为相对电气距离系数集，
Figure GDA0003475695770000053
表示背靠背换流站与子系统A的相对电气距离，
Figure GDA0003475695770000054
表示背靠背换流站与子系统B的相对电气距离。
步骤3：建立背靠背直流系统附加控制器模型，对两侧频差信号分别通过主动控制进行优化计算，如下图2所示以扰动系统1A和非扰动系统2的频差分别为主动控制器1输入量与主动控制器2输入量，所述主动控制器1与主动控制器2输出量与直流功率控制器输入端相连，所述直流功率控制器输出端通过距离控制器与系统1的交流联络线相连且直接与系统2相连，距离控制器表示相对电气距离集对于两端系统的影响，即表示背靠背换流站在交流联络线的具体连接位置。
步骤4：当大扰动发生时，将频率响应阶段划分为第一频率下降阶段、频率到达频率最低点后直到直流联络线功率第一次恢复到额定值的第一频率恢复阶段、直流联络线功率第一次恢复到额定值后的第二频率恢复阶段，对于第一频率下降阶段，主动控制器所采用的算法为模型预测控制算法，模型预测控制算法的建模过程为为：
步骤4.1：将所述两区域三机组模型中子系统A、子系统B、系统2的各发电机组模型的传递函数模型转化为状态空间模型，得到的第i个系统的状态方程为：
Figure GDA0003475695770000055
其中，xi为状态向量，ui为控制向量，wi为扰动向量，yi为输出变量，Ai为状态矩阵，Bi为控制矩阵，Ci为观测矩阵，Fi为扰动矩阵，Ci是控制目标yi的对应向量。
步骤4.2：将上述状态空间模型进行离散处理，得到离散化的线性方程组：
Figure GDA0003475695770000056
其中，Aid为离散状态矩阵，Bid为离散控制矩阵，Cid为离散观测矩阵，Fid为离散扰动矩阵，Cid是控制目标yi对应的离散向量，xi(k)为离散状态向量，yi(k+1)为离散控制目标。
步骤4.3:根据模型预测算法原理，要根据当前时刻的状态向量xi(k)以及方程(5)在预测时域对离散控制目标yi(k+Np|k)进行预测；
Yi＝Gixi(k)+Hiui+Piwi (5)
式中，NP为预测时域，表示从k时刻开始到到未来n步的预测输出yi(k+Np)逼近到期望值yr(k+Np)，Nu为控制时域，其表示每个预测时域中的控制量通过计算而改变的数目。
最后采用优化函数进行求解，采用输出的预测误差的平方和控制量加权平方的二次型优化指标来设计控制器。在控制时域内通过n元二次函数构造二次性能最优化函数求其最小值。
Figure GDA0003475695770000061
式中，Ui为当前时刻待求的控制增量，Q是影响系统输出的加权矩阵，R是影响误差效果的加权矩阵，Yr是期望输出变量，Yi是预测系统输出量。
步骤5：频率到达频率最低点后直到直流联络线功率第一次恢复到额定值的第一频率恢复阶段使用阶梯化分阶段恒功率模型：主动控制器的输入量以频率第一下降阶段最后采样时刻tend为基准值，并采用n等分法依次改变下一时间间隔内控制量的数值。其中n表示控制时间间隔个数，Δt表示时间间隔长度，参数取值范围考虑到典型功率缺失场景下运行状态量以及频率下降以及恢复阶段总时长，通过计算得到相对应时间间隔以及时间间隔个数。
Figure GDA0003475695770000062
步骤6：直流联络线功率第一次恢复到额定值后的第二频率恢复阶段采用的主动控制器为PI控制器。
步骤7：通过matlab编程方式实现上述三阶段控制策略，当在程序中输入一定量扰动时，通过程序输出频率响应曲线并测量频率最低点，算例表明所提出控制策略能够有效提升频率最低点，避免低频减载事件的发生。
具体实施例中取区域1子系统A、子系统B与区域2系统容量比为1:3:3，系统内四种发电机组火电机组、水电机组、燃气机组、储能机组的装机容量比为8:8:1:1，仿真系统发生扰动时间为5s，扰动量标幺值大小为0.12p.u，通过主被动控制方式的对比说明本方法的优越性，其中被动控制方式下其控制器在频率动态响应的不同阶段均为PI控制器。其仿真结果如图3、4、5所示，各系统内发电机组以及直流线路快速动作并进行频率响应。如图3所示，被动控制方式下，扰动区域1A的频率最低值为49.74Hz，主动控制方式下，扰动区区域频率最低值为49.57Hz，频率最低值提升量为39.5％；两种控制方式下最低值时延相同为：1.1s。如图4所示为子系统B频率响应变化曲线，相比于被控控制方式，主动控制方式下非扰动区域1B主动控制方式下频率有反向增加的现象。如图5所示为系统2频率响应变化曲线，主被动控制方式下，扰动区域2的频率最低值为49.86Hz、49.9Hz，频率最低值变化量为28.5％；主被动控制方式下最低值时延分别为6.1s、7.3s。作为扰动区域A的频率最低点得到提升，说明本发明方法的有效性。
本领域技术人员应该理解，本领域技术人员在结合现有技术以及上述方案可以实现所述方法，在此不做赘述。
以上对本发明的较佳方法进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定的实施方法，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方法做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效方法，这并不影响本发明的实质内容。因此，凡是未脱离本发明技术方法的内容，依据本发明的技术实质对以上方法所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方法保护的范围。

Claims (3)

1.一种针对于背靠背换流站的三段式控制策略，其特征在于，所述策略包括：
步骤1：建立背靠背直流互联系统的两区域三机组模型，将电力系统划分为两个研究系统，研究系统1为扰动发生区，研究系统2为非扰动发生区，其中研究系统1又进一步划分为子系统A和子系统B；所述扰动发生区内子系统A和子系统B通过交流联络线进行连接，背靠背换流站作为弱连接两端研究系统的HVDC联络线，背靠背换流站的一端接于交流联络线中，背靠背换流站的另一端与系统2相连，子系统A，子系统B以及系统2内均设置有相同的一组发电机组，其包括火电机组、水电机组、储能设备和燃气机组；
步骤2：对于所述两区域三机组模型中背靠背换流站进行建模，根据联络线节点功率平衡方程推导得到背靠背换流站功率传输方程：
Figure FDA0003475695760000011
Figure FDA0003475695760000012
公式(1)、(2)分别表示子系统A、子系统B经由交直流联络线传输功率状态方程，ΔPtieA为子系统A经由交直流联络线传输功率，ΔPtieB为子系统B经由交直流联络线传输功率，Δf1A为子系统A的频率偏差信号，Δf1B为子系统B的频率偏差信号，其中系统2作为馈入端向系统1支援功率ΔP2d；
公式中，
Figure FDA0003475695760000013
定义Dabs为绝对电气距离系数，其表示子系统A与子系统B的实际电气距离，定义
Figure FDA0003475695760000014
为相对电气距离系数集，
Figure FDA0003475695760000015
表示背靠背换流站与子系统A的相对电气距离，
Figure FDA0003475695760000016
表示背靠背换流站与子系统B的相对电气距离；
步骤3：建立背靠背直流系统附加控制器模型，对两侧频差信号分别通过主动控制进行优化计算，以扰动系统1A和非扰动系统2的频差分别为主动控制器1输入量与主动控制器2输入量，所述主动控制器1与主动控制器2输出量与直流功率控制器的输入端相连；所述直流功率控制器的输出端通过距离控制器与系统1的交流联络线相连且直接与系统2相连，距离控制器表示相对电气距离集对于两端系统的影响，表示背靠背换流站在交流联络线的具体连接位置；
步骤4：当大扰动发生时，将频率响应阶段划分为第一频率下降阶段、频率到达频率最低点后直到直流联络线功率第一次恢复到额定值的第一频率恢复阶段、直流联络线功率第一次恢复到额定值后的第二频率恢复阶段；对于第一频率下降阶段，主动控制器所采用的算法为模型预测控制算法，模型预测控制算法的建模过程为：
步骤4.1：将所述两区域三机组模型中子系统A、子系统B、系统2的各发电机组模型的传递函数模型转化为状态空间模型，得到的第i个系统的状态方程为：
Figure FDA0003475695760000021
式中，xi为状态向量，ui为控制向量，wi为扰动向量，yi为输出变量，Ai为状态矩阵，Bi为控制矩阵，Ci为观测矩阵，Fi为扰动矩阵；
步骤4.2：将上述状态空间模型进行离散处理，得到离散化的线性方程组：
Figure FDA0003475695760000022
式中，Aid为离散状态矩阵，Bid为离散控制矩阵，Cid为离散观测矩阵，Fid为离散扰动矩阵，xi(k)为离散状态向量，yi(k+1)为离散控制目标；
步骤4.3:根据模型预测算法原理，需要根据当前时刻的状态向量xi(k)以及方程(5)在预测时域对离散控制目标yi(k+Np|k)进行预测；
Yi＝Gixi(k)+Hiui+Piwi (5)
式中，NP为预测时域，表示从k时刻开始到未来n步的预测输出yi(k+Np)逼近到期望值yr(k+Np)，Nu为控制时域，其表示每个预测时域中的控制量通过计算而改变的数目；
最后采用优化函数进行求解，采用输出的预测误差的平方和控制量加权平方的二次型优化指标来设计控制器；在控制时域内通过n元二次函数构造二次性能最优化函数求其最小值；
Figure FDA0003475695760000023
式中，Ui为当前时刻待求的控制增量，Q是影响系统输出的加权矩阵，R是影响误差效果的加权矩阵，Yr是期望输出变量，Yi是预测系统输出量；
步骤5：频率到达频率最低点后直到直流联络线功率第一次恢复到额定值的第一频率恢复阶段，使用阶梯化分阶段恒功率模型：主动控制器的输入量以频率第一下降阶段最后采样时刻tend为基准值，并采用n等分法依次改变下一时间间隔内控制量的数值；其中n表示控制时间间隔个数，Δt表示时间间隔长度，参数取值范围考虑到典型功率缺失场景下运行状态量以及频率下降以及恢复阶段总时长，通过计算得到相对应时间间隔以及时间间隔个数；
Figure FDA0003475695760000031
步骤6：直流联络线功率第一次恢复到额定值后的第二频率恢复阶段采用的主动控制器为PI控制器。
2.根据权利要求1所述的一种针对于背靠背换流站的三段式控制策略，其特征在于，所述的子系统A、子系统B、系统2的机组类型相同并用集中参数表示：常规机组包括火电机组、水电机组，提供常规的一二次频率调节服务，在频率稳定调节问题中占据主要地位，调频过程慢；而快速反应机组即新型调频机组包括燃气机组、储能机组，提供有偿的一次频率调节服务。
3.根据权利要求1所述的一种针对于背靠背换流站的三段式控制策略，其特征在于，所述的所述公式(6)中二次性能最优化函数的状态变量应该满足约束条件，约束条件包括火电机组、水电机组的机组爬坡约束，四类型机组的出力上下限约束，交流联络线的出力上下限约束，直流联络线的出力上下限约束和相邻时刻出力变化约束。
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