CN112366742A - 一种基于h∞混合灵敏度理论的mtdc阻尼控制器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于H∞混合灵敏度理论的MTDC阻尼控制器，此种控制器运用于多端柔性直流输电系统(Multi‑terminal VSC‑HVDC，MTDC)的直流振荡抑制，增强MTDC系统的稳定性能。本发明首先需要搭建一个四端的MTDC系统；然后基于H∞混合灵敏度理论对系统承受最大扰动或存在最大建模不确定的情况进行最优控制器设计，通过选取恰当的权重函数，保证所设计的控制器具有良好的动态性能及在不同工况下运行的鲁棒性；最后运用Matlab的工具箱进行优化问题的求解得到MTDC阻尼控制器。本发明能够在系统工作点改变的情况下正常高效运行，使系统的动态性能得到大幅的提升，相较于其他阻尼控制器，更适合在系统存在较强扰动和不确定性的情景。

Description

一种基于H∞混合灵敏度理论的MTDC阻尼控制器
技术领域
本发明涉及柔性直流输电领域，具体涉及一种基于H∞混合灵敏度理论的MTDC阻尼控制器，结合H∞混合灵敏度理论基础，用以提升MTDC的动态性能，提高系统稳定性。
背景技术
近年来，由于具有较强的灵活性、可靠性和可控性，基于电压源换流器的多端柔性直流输电(Multi-terminal VSC-HVDC，MTDC)技术发展迅速，在远距离、大规模输电，新能源消纳，非同步电网互联和弱电网供电等领域展现出巨大潜力。
直流故障的有效清除是VSC-MTDC安全稳定运行的前提，但对于直流断路器拓扑，必须串联限流电抗器来抑制故障电流，以保证故障被正常清除。对于现有的直流断路器拓扑，一般选用串联直流电抗器的方法来限制故障电流上升率，提升断路器性能。但大容量的平波电抗器与输电线路串联会增大线路电感，加剧线路与换流站动态的交互作用，降低系统的阻尼。直流阻尼的缺失极大限制了系统的正常稳定工作区域，产生直流低频振荡，降低系统的稳定性，甚至导致系统在扰动情况下的失稳。
阻尼控制器的主要功能是降低直流扰动对系统的影响，提高系统的暂态性能，增大系统的稳态运行区间；另一方面，控制器的输出量应在允许范围内尽可能的小。H∞控制是一种鲁棒最优控制理论，广泛应用于被控对象具有不确定性与有界扰动的鲁棒稳定问题。H∞控制已经在电力系统控制研究领域得到了广泛关注。混合灵敏度优化是基于H∞框架的一类控制器设计方法，该方法设计的控制器可以兼顾系统的跟踪，抗干扰，暂态性能和鲁棒性等多方面控制目标，具有很强的应用价值。
综上，阻尼控制器的设计问题可以转化为混合灵敏度框架内的多目标优化问题考虑。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种基于H∞混合灵敏度理论的MTDC阻尼控制器，用于提高系统阻尼，增强系统稳定性能。因为大容量的平波电抗器与输电线路串联会增大线路电感，加剧线路与换流站之间动态的交互作用，降低系统的阻尼。直流阻尼的缺失极大限制了系统的正常稳定工作区域，产生直流低频振荡，降低系统的稳定性，甚至导致系统在扰动情况下的失稳。本发明能够在系统工作点改变的情况下正常高效运行，具有较强的鲁棒性和灵活性。
本发明提供的一种基于H∞混合灵敏度理论的MTDC阻尼控制器，主要包括：对于广义对象P，寻找使扰动量d到被控量z之间传函矩阵Tdz(s)的H∞范数最小的镇定控制器K(s)。基于H∞框架控制器设计方法，将混合灵敏度优化问题用H∞理论表示，得到优化问题，其中S＝(1-GK)-1为系统的灵敏度函数。该优化问题可以通过Matlab的Robust Control Toolbox工具箱求解。该阻尼控制器能够有效提升系统的动态性能，增强系统稳定性，实现系统的安全、稳定运行。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种基于H∞混合灵敏度理论的MTDC阻尼控制器，主要包括以下步骤：
步骤A：搭建一个四端的柔性直流输电系统，该系统主要包括四个换流站，换流站的交流侧与强交流电网连接，直流侧通过直流电网连接起来；
步骤B：结合H∞控制和混合灵敏度理论基础，得到H∞混合灵敏度优化标准结构图；
步骤C：根据H∞混合灵敏度优化标准结构得到标准形式描述；
步骤D：将混合灵敏度优化问题用H∞理论表示，得到优化问题；
步骤E：确定优化问题各个参数；
步骤F：通过Matlab求解阻尼控制器的优化问题；
步骤G：对于求得的控制器进行降阶处理，得到阻尼控制器的简化形式；
步骤H：使用基于H∞混合灵敏度理论的阻尼控制器的MTDC系统的直流电压和功率振荡均得到有效抑制，系统的动态性能得到大幅的提升。
其中，所述步骤A中，MTDC系统换流站VSC1和VSC2均采用下垂控制和定无功功率控制，换流站VSC3和VSC4采用定有功功率控制和定无功功率控制，所有直流线路都采用4个π型电路进行等效，且两端均安装了100mH的直流电抗器。
所述步骤B中，H∞控制是鲁棒控制理论的重要工具之一，它的基本思路是：对系统承受最大扰动或存在最大建模不确定下的情况进行最优控制器设计，并且保证系统的鲁棒性。混合灵敏度优化是基于H∞框架的一类控制器设计方法。
所述步骤C中，系统的H∞混合灵敏度标准形式描述为
Figure BDA0002752099470000021
所述步骤D中，混合灵敏度优化问题为
Figure BDA0002752099470000022
所述步骤E中，被控对象模型G(s)应选择为输入信号到测量信号的传递函数，G(s)可以由推导的小信号模型得到；权重函数W1(s)设计成低通滤波器以对输出信号中的低频干扰量进行抑制；权重函数W2(s)设计成高通滤波器；扰动对象Gd(s)可选择为其他换流站的控制信号到Vdc,2的传递函数。
所述步骤G中，使用Matlab求解得到鲁棒控制器阶数仍然较高。为提高所设计控制器的实用性，使用平衡截断方法将其化简为6阶简化形式
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明中的输电系统采用了四端MTDC系统，MTDC的直流电压控制以主从控制和下垂控制为主，下垂控制灵活性强，不需通信；
2、本发明中的阻尼控制器基于H∞控制理论，能够对系统承受最大扰动或存在最大建模不确定下的情况进行最优控制器设计，并且保证系统的鲁棒性；
3、本发明中的阻尼控制器将混合灵敏度优化问题用H∞理论表示，该方法设计的控制器可以兼顾系统的跟踪，抗干扰，暂态性能和鲁棒性等多方面控制目标，具有很强的应用价值。
4、本发明中基于H∞混合灵敏度的阻尼控制器，能够在系统工作点改变的情况下正常高效运行，具有较强的鲁棒性和灵活性。
5、整体看来，本发明对抑制MTDC系统直流振荡，提高系统稳定性具有显著效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1是本发明实例应用中基于H∞混合灵敏度理论的MTDC阻尼控制器的流程图；
图2是本发明实例应用中四端MTDC系统结构图；
图3是本发明实例应用中MTDC系统换流站主电路及控制器模型图；
图4是本发明实例应用中标准H∞控制系统结构图；
图5是本发明实例应用中混合灵敏度优化标准结构图；
图6是本发明实例应用中权重函数频域响应图；
图7是本发明实例应用中鲁棒控制器化简前后对比图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方案对本发明作进一步详细说明，此处公开的具体结构和功能细节仅出于描述示范实施例的目的。
图1提供了一种基于H∞混合灵敏度理论的MTDC阻尼控制器的流程图，具体的实施步骤如下：
步骤A：首先需要搭建一个四端的柔性直流输电系统，该系统主要包括四个换流站，换流站的交流侧与强交流电网连接，直流侧通过直流电网连接起来。
步骤B：在步骤A的基础上，结合H∞控制和混合灵敏度理论基础，得到H∞混合灵敏度优化标准结构图。
步骤C：在步骤B的基础上，根据H∞混合灵敏度优化标准结构得到标准形式描述。
步骤D：在步骤C的基础上，将混合灵敏度优化问题用H∞理论表示，得到优化问题。
步骤E：在步骤D的基础上，确定优化问题各个参数。
步骤F：在步骤E的基础上，通过Matlab求解阻尼控制器的优化问题
步骤G：在步骤F的基础上，对于求得的控制器进行降阶处理，得到阻尼控制器的简化形式
本发明具体实施例中的四端MTDC系统结构图如图2所示。MTDC系统含有四个换流站，其中，换流站VSC1和VSC2均采用下垂控制和定无功功率控制，换流站VSC3和VSC4采用定有功功率控制和定无功功率控制，换流站的交流侧均与强交流电网连接。所有直流线路都采用4个π型电路进行等效，且两端均安装了100mH的直流电抗器。
如图3所示，提供了本发明实例应用中MTDC系统换流站主电路及控制器模型图。VSC的交流侧电流的控制一般使用基于d-q同步坐标系的矢量控制方法，内环控制器包含了反馈和前馈环节，引入反馈和PI控制结构对Ps和Qs分别进行控制，即VSC控制外环。
MTDC的直流电压控制以主从控制和下垂控制为主。下垂控制具有灵活性强，不需通信等优点，广泛应用于新能源并网等场合。
本发明使用下垂控制作为直流电压控制策略进行建模，
Figure BDA0002752099470000031
和Ps m为下垂控制器电压和功率参考量，Kdrp为下垂系数，下垂控制器的代数表达式为
Figure BDA0002752099470000032
有功外环参考Ps *由下垂控制器给出，当Kdrp＝0，
Figure BDA0002752099470000037
换流站运行在定有功控制模式，当Kdrp≠0，换流站运行在下垂控制模式。
如图4所示，提供了实例应用中标准H∞控制系统结构图。P表示广义对象，包括所研究系统的物理动态，与目标性能相关的权函数等；K为反馈控制器；d为系统的扰动输入，包括干扰信号、测量噪声、参考信号等；z为需要调节到零的系统被控量，y是供反馈控制器使用的系统输出量，u为控制器输出的控制指令。各变量之间的传递函数为
Figure BDA0002752099470000033
H∞控制的根本目标是：对于广义对象P，寻找使扰动量d到被控量z之间传函矩阵Tdz(s)的H∞范数最小的镇定控制器K(s)，即求解下述优化问题
Figure BDA0002752099470000034
如图5所示，提供了实例应用中混合灵敏度优化标准结构图。图4中的系统可以写成标准形式描述
Figure BDA0002752099470000035
将混合灵敏度优化问题用H∞理论表示，得到如下优化问题
Figure BDA0002752099470000036
其中，S＝(1-GK)-1为系统的灵敏度函数。该优化问题可以通过Matlab的RobustControl Toolbox工具箱求解
其中，被控对象模型G(s)应选择为输入信号到测量信号的传递函数，假设输入信号选择VSC2的下垂系数功率参考量，输出信号选择VSC2的直流电压Vdc,2，则G(s)可以由MTDC系统的小信号模型得到。扰动对象Gd(s)可选择为其他换流站的控制信号(如VSC3有功参考量
Figure BDA0002752099470000043
)到Vdc,2的传递函数。
如图6所示，提供了实例应用中权重函数频域响应图，为使所设计的控制器具有良好的动态性能及在不同工况下运行的鲁棒性，必须恰当选取权重函数。
图6(a)表示的是本发明所使用的W1(s)频域响应图。W1(s)应设计成低通滤波器以对输出信号中的低频干扰量进行抑制。由于算例中振荡模态的振荡频率在50rad/s至300rad/s之间，因此W1(s)的该频率范围应具有较大增益。其表达式为
Figure BDA0002752099470000041
图6(b)表示的是本发明所使用的W2(s)频域响应图。W2(s)的设计目标是优化控制器K(s)的输出量u，限制控制量u在合理的区间内，防止控制器发生饱和。一般来说W2(s)常设计成高通滤波器，在高频时有较大增益，以保证控制器不受高频干扰影响；另外，鲁棒控制器的输入信号选择为下垂控制器的功率参考量，当其改变时，系统的潮流会发生变化。为抑制控制器对系统潮流的影响，稳态时控制器输出量应为零。降低控制器的稳态输出可以通过增大W2(s)的直流增益来实现，因此W2(s)应具有较高的直流增益和高频增益，其表达式为
Figure BDA0002752099470000042
使用Matlab求解得到鲁棒控制器阶数仍然较高。
图7所示为本发明实例应用中鲁棒控制器化简前后对比图。为提高所设计控制器的实用性，使用平衡截断方法将其化简为6阶简化形式，化简前后的频域响应对比如图7。图中6阶约简模型和18阶未约简模型的幅频特性基本一致，证明约简方法具有降低控制器阶数，简化计算的功能。
上述实施例仅为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下的所作的改变、修饰、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包括在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于H∞混合灵敏度理论的MTDC阻尼控制器，所述阻尼控制器是安装在MTDC系统中，系统中含有四个换流站，换流站的交流侧均连接强交流电网，直流侧通过直流电缆互相连接形成直流电网。为了抑制故障电流的上升率，直流线路的两端均安装了直流电抗器。
其特征在于，所述方法包括：设计一种基于H∞混合灵敏度理论的MTDC阻尼控制器运用的H∞控制策略是对系统承受最大扰动或存在最大建模不确定下的情况进行最优控制器设计，并且能够保证系统的鲁棒性。H∞控制的根本目标是：对于广义对象P，寻找使扰动量d到被控量z之间传函矩阵Tdz(s)的H∞范数最小的镇定控制器K(s)。混合灵敏度优化是基于H∞框架的一类控制器设计方法，该方法设计的控制器可以兼顾系统的跟踪，抗干扰，暂态性能和鲁棒性等多方面控制目标，具有很强的应用价值。将混合灵敏度优化问题用H∞理论表示，得到优化问题。为了有效提升系统的动态性能，增强系统稳定性，该方法包括以下步骤：
步骤A：搭建一个四端的柔性直流输电系统，该系统主要包括四个换流站，换流站的交流侧与强交流电网连接，直流侧通过直流电网连接起来；
步骤B：结合H∞控制和混合灵敏度理论基础，得到H∞混合灵敏度优化标准结构图；
步骤C：根据H∞混合灵敏度优化标准结构得到标准形式描述；
步骤D：将混合灵敏度优化问题用H∞理论表示，得到优化问题；
步骤E：确定优化问题各个参数；
步骤F：通过Matlab求解阻尼控制器的优化问题；
步骤G：对于求得的控制器进行降阶处理，得到阻尼控制器的简化形式；
步骤H：使用基于H∞混合灵敏度理论的阻尼控制器的MTDC系统的直流电压和功率振荡均得到有效抑制，系统的动态性能得到大幅的提升。
2.根据权利要求1所述的一种基于H∞混合灵敏度理论的MTDC阻尼控制器，其特征在于，所述步骤A中，MTDC系统换流站VSC1和VSC2均采用下垂控制和定无功功率控制，换流站VSC3和VSC4采用定有功功率控制和定无功功率控制，所有直流线路都采用4个π型电路进行等效，且两端均安装了100mH的直流电抗器。
3.根据权利要求1所述的一种基于H∞混合灵敏度理论的MTDC阻尼控制器，其特征在于，所述步骤B中，H∞控制是鲁棒控制理论的重要工具之一，它的基本思路是：对系统承受最大扰动或存在最大建模不确定下的情况进行最优控制器设计，并且保证系统的鲁棒性。混合灵敏度优化是基于H∞框架的一类控制器设计方法。
4.根据权利要求1所述的一种基于H∞混合灵敏度理论的MTDC阻尼控制器，其特征在于，所述步骤C中，系统的H∞混合灵敏度标准形式描述为
Figure FDA0002752099460000011
。
5.根据权利要求1所述的一种基于H∞混合灵敏度理论的MTDC阻尼控制器，其特征在于，所述步骤D中，混合灵敏度优化问题为
Figure FDA0002752099460000012
。
6.根据权利要求1所述的一种基于H∞混合灵敏度理论的MTDC阻尼控制器，其特征在于，所述步骤E中，被控对象模型G(s)应选择为输入信号到测量信号的传递函数，G(s)可以由推导的小信号模型得到；权重函数W1(s)设计成低通滤波器以对输出信号中的低频干扰量进行抑制；权重函数W2(s)设计成高通滤波器；扰动对象Gd(s)可选择为其他换流站的控制信号到Vdc,2的传递函数。
7.根据权利要求1所述的一种基于H∞混合灵敏度理论的MTDC阻尼控制器，其特征在于，所述步骤G中，使用Matlab求解得到鲁棒控制器阶数仍然较高。为提高所设计控制器的实用性，使用平衡截断方法将其化简为6阶简化形式。
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