CN112467778A - 一种提高多端柔性直流输电控制系统鲁棒性的方法 - Google Patents

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CN112467778A CN202011295912.8A CN202011295912A CN112467778A CN 112467778 A CN112467778 A CN 112467778A CN 202011295912 A CN202011295912 A CN 202011295912A CN 112467778 A CN112467778 A CN 112467778A
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薛磊
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Abstract

本发明公开了一种提高多端柔性直流输电控制系统鲁棒性的方法，该方法通过在控制系统中引入电压扰动观测器，来提高控制系统鲁棒性，分析扰动观测器增益取值，将电压扰动观测器输出电压作为参考信号，加入至电网受端换流站电压控制环中，提高控制系统鲁棒性。本发明提出一种在电压控制环中引入电压扰动观测器，可以有效提高多端柔性直流输电控制系统鲁棒性。

Description

一种提高多端柔性直流输电控制系统鲁棒性的方法
技术领域
本发明涉及一种提高多端柔性直流输电控制系统鲁棒性的方法，该方法是一种维持多端柔性直流输电多电平换流器母线电压稳定的方法，通过在控制系统中引入电压扰动观测器，来提高控制系统鲁棒性。
背景技术
随着可再生能源大规模并网，需要进一步提升电网远距离、大容量电能传输能力。多端柔性直流输电(Multi-Terminal HVDC,MTDC)系统作为大规模可再生能源接入交流电网的可靠技术之一，因为其供电可靠、潮流控制灵活，已经成为新能源并网、孤岛运行等领域的研究热点。模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)作为一种模块电路拓扑结构，因为其可扩展性，功率四象限运行等特点，成为MTDC系统核心装置之一。
传统电压-功率下垂控制无法维持母线电压稳定，各个MMC子模块也难以在功率分配精确和维持电压稳定之间权衡。传统下垂控制中，下垂系数为定值，不管是功率还是电压都是按照事先设计好的下垂曲线进行调节，无法实现MMC-MTDC控制系统灵活调节，控制系统鲁棒性较差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高多端柔性直流输电控制系统鲁棒性的方法，该方法通过在控制系统中引入电压扰动观测器，来提高控制系统鲁棒性，分析扰动观测器增益取值，将电压扰动观测器输出电压作为参考信号，加入至电网受端换流站电压控制环中，提高控制系统鲁棒性。
本发明采取如下技术方案来实现的：
一种提高多端柔性直流输电控制系统鲁棒性的方法，包括以下步骤：
1)建立多端柔性直流输电MMC-MTDC受端换流站GSMMC在公共接入点2即PCC2功率传输方程和交流动态方程；
2)根据步骤1)GSMMC交流动态方程，定义状态变量，得到网侧电压状态控制方程；
3)将步骤2)网侧电压状态控制方程中补偿扰动项与MMC-MTDC负荷波动建立关系式；
4)为了得到补偿扰动项扩展方程，将步骤1)GSMMC交流动态方程中网侧电流展开为时域表达式；
5)根据步骤4)GSMMC交流动态方程中网侧电流时域表达式，将步骤3)网侧电压状态控制方程中补偿扰动项扩展；
6)根据步骤5)补偿扰动项扩展表达式，建立GSMMC控制系统电压扰动观测器数学模型；
7)定义步骤6)GSMMC控制系统电压扰动观测器数学模型的观测误差，得到扰动补偿误差动态方程；
8)定义步骤7)扰动补偿误差的Lyapunov方程，根据Lyapunov稳定判据分析观测值增益；
9)将步骤8)得到的增益引入步骤6)GSMMC控制系统电压扰动观测器数学模型中，将电压扰动观测器输出电压作为参考信号，加入至GSMMC电压控制环中，提高控制系统鲁棒性。
本发明进一步的改进在于，步骤1)的具体实现方法为：建立多端柔性直流输电MMC-MTDC受端换流站GSMMC在公共接入点2即PCC2功率传输方程：
Figure BDA0002785296950000031
其中：Rf、Xf为滤波电路电阻值及感抗值；Uac为GSMMC交流侧电压；e0为网侧电压；δ为功角差；GSMMC内部参数中，满足Rf＜＜Xf，功率传输方程可简化为：
Figure BDA0002785296950000032
交流动态方程表示为：
Figure BDA0002785296950000033
其中：Lf为滤波电感值；Cf为滤波电容值；i0为网侧电流；iac为GSMMC交流侧输出电流。
本发明进一步的改进在于，步骤2)的具体实现方法为：根据步骤1)GSMMC交流动态方程，定义状态变量
Figure BDA0002785296950000034
得到网侧电压e0状态控制方程：
Figure BDA0002785296950000035
其中：w(t)为补偿扰动项；f(x)、g为：
Figure BDA0002785296950000036
本发明进一步的改进在于，步骤3)的具体实现方法为：将步骤2)网侧电压状态控制方程中补偿扰动项w(t)与MMC-MTDC负荷波动建立关系式：
Figure BDA0002785296950000037
其中：d(t)表示由于MMC-MTDC负荷波动，MMC调节引起的功率波动对电压动态响应的影响，表达式为：
Figure BDA0002785296950000038
扰动项d(t)与网侧电流i0关联，是因为GSMMC输出电压响应滞后于电流的变化，电流变化会引起电压暂态波动，d(t)是外部功率变化对GSMMC交流侧电压的固有扰动相。
本发明进一步的改进在于，步骤4)的具体实现方法为：为了得到补偿扰动项扩展方程，将步骤1)GSMMC交流动态方程中网侧电流展开为时域表达式：i0(t)＝I0sinωt；
其中：I0负载侧电流峰值；网侧电流i0(t)导数为：
Figure BDA0002785296950000039
本发明进一步的改进在于，步骤5)的具体实现方法为：根据步骤4)GSMMC交流动态方程中网侧电流时域表达式，将步骤3)网侧电压状态控制方程中补偿扰动项w(t)扩展：
Figure BDA0002785296950000041
其中：ξ(t)＝[ξ1 ξ2]T＝[I0 sinωt I0 cosωt]T；
Figure BDA0002785296950000042
本发明进一步的改进在于，步骤6)的具体实现方法为：根据步骤5)补偿扰动项扩展表达式，建立GSMMC控制系统电压扰动观测器数学模型：
Figure BDA0002785296950000043
其中：q(x)为观测函数，
Figure BDA00027852969500000415
为补偿扰动观测值；k(x)＝[k1 k2]T为观测增益；p和
Figure BDA0002785296950000044
为中间状态变量矩阵；观测函数与观测增益存在：q(x)＝k(x)e0。
本发明进一步的改进在于，步骤7)的具体实现方法为：定义步骤6)GSMMC控制系统电压扰动观测器数学模型的观测误差：
Figure BDA0002785296950000045
得到扰动补偿误差动态方程：
Figure BDA0002785296950000046
本发明进一步的改进在于，步骤8)的具体实现方法为：定义步骤7)扰动补偿误差的Lyapunov方程：
Figure BDA0002785296950000047
根据Lyapunov稳定判据分析观测值增益，当V正定，
Figure BDA0002785296950000048
负定时，系统可渐进稳定至平衡点。则有：
Figure BDA0002785296950000049
将GSMMC控制系统电压扰动观测器数学模型的观测误差扰动补偿误差动态方程代入Lyapunov稳定判据，可以得到：
Figure BDA00027852969500000410
化简后可得：
Figure BDA00027852969500000411
其中：(Ew1 2+Ew2 2)≥0，为了保持
Figure BDA00027852969500000412
负定，需要
Figure BDA00027852969500000413
恒小于0，则有：
Figure BDA00027852969500000414
观测值增益k1、k2选值考虑：观测器收敛速度和饱和效应影响，取k1＝75、k2＝58。
本发明进一步的改进在于，步骤9)的具体实现方法为：将步骤8)得到的增益：k1＝75、k2＝58引入步骤6)GSMMC控制系统电压扰动观测器数学模型中，将电压扰动观测器输出电压作为参考信号，加入至GSMMC电压控制环中，提高控制系统鲁棒性。
与现有技术相比，本发明至少具有如下有益的技术效果：
1.本发明提出一种在电压控制环中引入电压扰动观测器，可以有效提高多端柔性直流输电控制系统鲁棒性。
2.本发明构建电压扰动观测器将母线电压暂态波动作为扰动项，可以维持母线电压稳定，减少功率波动的影响。
3.本发明通过Lyapunov稳定判据，对电压扰动观测器观测值增益进行分析。
附图说明
图1为集群风电MMC-MTDC系统拓扑图；
图2为抗扰动观测器控制框图；
图3为MMC电路拓扑图；
图4为负荷波动直流电压动态仿真波形；其中图4(a)为传统控制策略，图4(b)为电压扰动观测器控制策略；
图5为负荷波动交流侧电压有效值动态仿真波形；其中图5(a)为传统控制策略，图5(b)为电压扰动观测器控制策略。
具体实施方式
下面通过附图，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
如图1所示，典型的集群风电MMC-MTDC系统，主要由：风电机组、直流网络送端换流站、电网侧受端换流站、直流母线构成。采用MMC的直流网络送端换流站(WFMMC)数量为m，采用MMC的电网受端换流站(GSMMC)数量为n，WFMMC将风机发出电能整流至直流网络，在公共接入点1(Public Connection Point,PCC)处汇合，经直流母线将电能传输至PCC2处，n个GSMMC将从PCC2处分配的电能进行逆变处理，通过交流输电线路传输至电网。
PCC2处，GSMMC功率传输方程可表示为：
Figure BDA0002785296950000061
式(1)中：Rf、Xf为滤波电路电阻值及感抗值；Uac为GSMMC交流侧电压；e0为网侧电压；δ为功角差。GSMMC内部参数中，通常满足Rf＜＜Xf，则式(1)可简化为：
Figure BDA0002785296950000062
GSMMC交流动态方程可表示为：
Figure BDA0002785296950000063
式(3)中：Lf为滤波电感值；Cf为滤波电容值；i0为网侧电流；iac为GSMMC交流侧输出电流。
如图2所示，在MMC-MTDC系统中，因为电源点出力不确定以及负荷波动较大，导致各端MMC需要频繁调节，母线电压极易受这些因素的影响产生波动，一些电气设备对于电压波动较为敏感，当电压大范围调节时，极易造成设备脱网。本发明提出一种电压扰动观测器来抑制母线电压波动。
根据GSMMC交流动态方程，并定义状态变量
Figure BDA0002785296950000064
网侧电压e0状态控制方程可表示为：
Figure BDA0002785296950000071
式(4)中：w(t)为补偿扰动项。f(x)、g为：
Figure BDA0002785296950000072
为了将母线电压的波动有效抑制，定义补偿扰动项为：
Figure BDA0002785296950000073
式(6)中：d(t)表示由于MMC-MTDC负荷波动，MMC调节引起的功率波动对电压动态响应的影响，表达式为：
Figure BDA0002785296950000074
式(7)中：扰动项d(t)与网侧电流i0关联，是因为GSMMC输出电压响应滞后于电流的变化，电流变化会引起电压暂态波动，d(t)是外部功率变化对GSMMC交流侧电压的固有扰动相，传统PI控制无法抑制这部分扰动。为了得到补偿扰动项w(t)扩展方程，引入网侧电流时域表达式：
i0(t)＝I0sinωt (8)
式(8)中：I0负载侧电流峰值。网侧电流i0(t)导数为：
Figure BDA0002785296950000075
将补偿扰动项w(t)扩展为：
Figure BDA0002785296950000076
式(9)中：ξ(t)＝[ξ1 ξ2]T＝[I0 sinωt I0 cosωt]T；
Figure BDA0002785296950000077
电压扰动观测器数学模型为：
Figure BDA0002785296950000078
式(10)中：q(x)为观测函数，
Figure BDA0002785296950000081
为补偿扰动观测值；k(x)＝[k1 k2]T为观测增益；p和
Figure BDA0002785296950000082
为中间状态变量矩阵。
观测函数与观测增益存在以下关系：
q(x)＝k(x)e0 (11)
定义观测误差为：
Figure BDA0002785296950000083
扰动补偿误差动态方程可以表示为：
Figure BDA0002785296950000084
定义扰动补偿误差Lyapunov方程为：
Figure BDA0002785296950000085
根据Lyapunov稳定判据可知：当V正定，
Figure BDA0002785296950000086
负定时，系统可渐进稳定至平衡点。则有：
Figure BDA0002785296950000087
将Ew和式(13)带入式(15)，可以得到：
Figure BDA0002785296950000088
化简后可得：
Figure BDA0002785296950000089
式(18)中：(Ew1 2+Ew2 2)≥0，为了保持
Figure BDA00027852969500000810
负定，需要
Figure BDA00027852969500000811
恒小于0，则有：
Figure BDA00027852969500000812
观测值增益k1、k2选值需要考虑：观测器收敛速度和饱和效应影响，这就需要在一定范围内尽可能取较大的值，k1＝75、k2＝58。将本发明所提电压扰动观测器输出电压作为参考信号，加入至GSMMC电压控制环中，提高控制系统鲁棒性。
如图3所示，为了验证本发明所提提高多端柔性直流输电控制系统鲁棒性方法的有效性。在Matlab/Simulink下搭建风电场四端口MMC-MTDC仿真模型。WFMMC1、WFMMC2采用功率控制；GSMMC1、GSMMC2采用下垂控制，GSMMC2为主站。换流站参数如表1所示，MMC每个桥臂由n个功率模块和桥臂电感组成，每一个相单元由上、下桥臂构成，参数如表2所示，直流母线线路参数如表3所示。
表1换流站仿真参数
Figure BDA0002785296950000091
表2MMC仿真参数
Figure BDA0002785296950000092
表3直流母线线路仿真参数
Figure BDA0002785296950000093
为了验证所提电压扰动观测器可以有效抑制MMC-MTDC系统母线电压波动，设定仿真工况：3s时刻GSMMC交流侧负荷骤升50WM，0.4s后负荷功率骤减20WM。
如图4所示，3s时刻GSMMC交流侧负荷骤升50WM，MMC-MTDC系统直流母线电压发生电压跌落，0.4s后负荷功率骤减20WM，电压上升，不管是常规控制策略还是本发明所提电压扰动观测器控制策略都可以响应直流母线电压动态变化。在图(a)中：面对交流侧负荷骤升，采用常规控制策略得到的直流母线电压存在响应延时，50ms后电压下降至307.5kV且存在超调。3.4s时刻，负荷功率骤减，电压上升过程中震荡现象明显，最终无法跟随电压目标值，无法实现电压精确控制。在图(b)中：面对同样交流侧负荷骤升，采用本发明所提电压扰动观测器控制策略得到的直流母线电压能够快速跟踪电压参考值，不存在响应滞后问题，调节偏差得到了有效控制。面对同样交流侧负荷骤减工况，电压扰动观测器控制策略不存在电压上升波动，可以迅速响应调节，具有更加快速和精确的电压调节能力。
如图5所示，GSMMC交流侧负荷骤升/骤减同样会引起交流侧电压跌落/上升。在图(a)中：面对交流侧负荷骤升工况，采用常规控制策略交流侧电压有效值无法快速跟踪电压目标值，延时33ms后下降至324.2kV。3.4s时刻，负荷功率骤减，电压上升波动明显，且伴随电压震荡现象，最终也无法跟随电压目标值，一直有0.6kV左右误差，无过电压恢复能力。在图(b)中：采用本发明所提电压扰动观测器的控制策略，不管是面对电压跌落还是上升，交流侧电压有效值都可以快速跟踪电压目标值，无周期性延迟问题且无电压震荡现象，整个控制系统鲁棒性能较强。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.一种提高多端柔性直流输电控制系统鲁棒性的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)建立多端柔性直流输电MMC-MTDC受端换流站GSMMC在公共接入点2即PCC2功率传输方程和交流动态方程；
2)根据步骤1)GSMMC交流动态方程，定义状态变量，得到网侧电压状态控制方程；
3)将步骤2)网侧电压状态控制方程中补偿扰动项与MMC-MTDC负荷波动建立关系式；
4)为了得到补偿扰动项扩展方程，将步骤1)GSMMC交流动态方程中网侧电流展开为时域表达式；
5)根据步骤4)GSMMC交流动态方程中网侧电流时域表达式，将步骤3)网侧电压状态控制方程中补偿扰动项扩展；
6)根据步骤5)补偿扰动项扩展表达式，建立GSMMC控制系统电压扰动观测器数学模型；
7)定义步骤6)GSMMC控制系统电压扰动观测器数学模型的观测误差，得到扰动补偿误差动态方程；
8)定义步骤7)扰动补偿误差的Lyapunov方程，根据Lyapunov稳定判据分析观测值增益；
9)将步骤8)得到的增益引入步骤6)GSMMC控制系统电压扰动观测器数学模型中，将电压扰动观测器输出电压作为参考信号，加入至GSMMC电压控制环中，提高控制系统鲁棒性。
2.根据权利要求1所述的一种提高多端柔性直流输电控制系统鲁棒性的方法，其特征在于，步骤1)的具体实现方法为：建立多端柔性直流输电MMC-MTDC受端换流站GSMMC在公共接入点2即PCC2功率传输方程：
Figure FDA0002785296940000011
其中：Rf、Xf为滤波电路电阻值及感抗值；Uac为GSMMC交流侧电压；e0为网侧电压；δ为功角差；GSMMC内部参数中，满足Rf＜＜Xf，功率传输方程可简化为：
Figure FDA0002785296940000021
交流动态方程表示为：
Figure FDA0002785296940000022
其中：Lf为滤波电感值；Cf为滤波电容值；i0为网侧电流；iac为GSMMC交流侧输出电流。
3.根据权利要求2所述的一种提高多端柔性直流输电控制系统鲁棒性的方法，其特征在于，步骤2)的具体实现方法为：根据步骤1)GSMMC交流动态方程，定义状态变量
Figure FDA0002785296940000023
得到网侧电压e0状态控制方程：
Figure FDA0002785296940000024
其中：w(t)为补偿扰动项；f(x)、g为：
Figure FDA0002785296940000025
4.根据权利要求3所述的一种提高多端柔性直流输电控制系统鲁棒性的方法，其特征在于，步骤3)的具体实现方法为：将步骤2)网侧电压状态控制方程中补偿扰动项w(t)与MMC-MTDC负荷波动建立关系式：
Figure FDA0002785296940000026
其中：d(t)表示由于MMC-MTDC负荷波动，MMC调节引起的功率波动对电压动态响应的影响，表达式为：
Figure FDA0002785296940000027
扰动项d(t)与网侧电流i0关联，是因为GSMMC输出电压响应滞后于电流的变化，电流变化会引起电压暂态波动，d(t)是外部功率变化对GSMMC交流侧电压的固有扰动相。
5.根据权利要求4所述的一种提高多端柔性直流输电控制系统鲁棒性的方法，其特征在于，步骤4)的具体实现方法为：为了得到补偿扰动项扩展方程，将步骤1)GSMMC交流动态方程中网侧电流展开为时域表达式：i0(t)＝I0sinωt；
其中：I0负载侧电流峰值；网侧电流i0(t)导数为：
Figure FDA0002785296940000028
6.根据权利要求5所述的一种提高多端柔性直流输电控制系统鲁棒性的方法，其特征在于，步骤5)的具体实现方法为：根据步骤4)GSMMC交流动态方程中网侧电流时域表达式，将步骤3)网侧电压状态控制方程中补偿扰动项w(t)扩展：
Figure FDA0002785296940000031
其中：ξ(t)＝[ξ1ξ2]T＝[I0sinωt I0cosωt]T；
Figure FDA0002785296940000032
7.根据权利要求6所述的一种提高多端柔性直流输电控制系统鲁棒性的方法，其特征在于，步骤6)的具体实现方法为：根据步骤5)补偿扰动项扩展表达式，建立GSMMC控制系统电压扰动观测器数学模型：
Figure FDA0002785296940000033
其中：q(x)为观测函数，
Figure FDA0002785296940000034
为补偿扰动观测值；k(x)＝[k1 k2]T为观测增益；p和
Figure FDA0002785296940000035
为中间状态变量矩阵；观测函数与观测增益存在：q(x)＝k(x)e0。
8.根据权利要求7所述的一种提高多端柔性直流输电控制系统鲁棒性的方法，其特征在于，步骤7)的具体实现方法为：定义步骤6)GSMMC控制系统电压扰动观测器数学模型的观测误差：
Figure FDA0002785296940000036
得到扰动补偿误差动态方程：
Figure FDA0002785296940000037
9.根据权利要求8所述的一种提高多端柔性直流输电控制系统鲁棒性的方法，其特征在于，步骤8)的具体实现方法为：定义步骤7)扰动补偿误差的Lyapunov方程：
Figure FDA0002785296940000038
根据Lyapunov稳定判据分析观测值增益，当V正定，
Figure FDA0002785296940000039
负定时，系统可渐进稳定至平衡点。则有：
Figure FDA00027852969400000310
将GSMMC控制系统电压扰动观测器数学模型的观测误差扰动补偿误差动态方程代入Lyapunov稳定判据，可以得到：
Figure FDA00027852969400000311
化简后可得：
Figure FDA00027852969400000312
其中：(Ew1 2+Ew2 2)≥0，为了保持
Figure FDA00027852969400000313
负定，需要
Figure FDA0002785296940000041
恒小于0，则有：
Figure FDA0002785296940000042
观测值增益k1、k2选值考虑：观测器收敛速度和饱和效应影响，取k1＝75、k2＝58。
10.根据权利要求9所述的一种提高多端柔性直流输电控制系统鲁棒性的方法，其特征在于，步骤9)的具体实现方法为：将步骤8)得到的增益：k1＝75、k2＝58引入步骤6)GSMMC控制系统电压扰动观测器数学模型中，将电压扰动观测器输出电压作为参考信号，加入至GSMMC电压控制环中，提高控制系统鲁棒性。
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