CN116961026A - 基于负荷扰动观测的直流输电系统频率控制器及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于负荷扰动观测的直流输电系统频率控制器及控制方法，涉及柔性直流输电系统的频率控制技术领域，包括：数据采集模块用于采集直流输电系统中换流站的直流侧母线电压和换流站相邻交流电网频率；负荷扰动观测模块与数据采集模块连接，用于将换流站直流侧母线电压和换流站相邻交流电网频率输入负荷扰动观测模块中生成扰动估计值和系统状态量估计值；反馈控制补偿模块用于根据扰动估计值和系统状态量估计值生成逆变站输出有功功率的调整指令；控制模块将调整指令输入逆变站，调整逆变站的有功功率输出；采用该控制器对电网所受扰动的影响进行统一补偿，实时调整逆变站的功率输出，对相邻交流电网提供辅助频率支撑。

Description

基于负荷扰动观测的直流输电系统频率控制器及控制方法
技术领域
本发明属于柔性直流输电系统的频率控制技术领域，具体涉及基于负荷扰动观测的直流输电系统频率控制器及控制方法。
背景技术
随着风电和光伏等可再生能源的大规模开发利用，以同步机为主导的传统电力系统逐步转型为具有高比例可再生能源和电力电子设备的新型电力系统。为消纳快速增长的可再生能源，电网中出现了越来越多的大容量电力电子器件，并将形成交直流混合网络结构，特高压直流输电、柔性直流输电等技术得到广泛应用。
传统通过柔性直流输电系统进行频率辅助支撑的控制技术大多需要依赖于精确的系统模型和参数，且难以应对未知的外部扰动，因此当系统参数发生变化或模型精确度不足时，控制效果将难以达到预期；电力电子设备的高渗透率导致电网呈现“低惯量”特征，电网的频率安全稳定面临挑战。柔性直流输电系统(voltage sourceconverterbasedhighvoltage direct current system,VSC-HVDC)具有经济灵活的功率传输和调控能力。因此，可以考虑利用VSC-HVDC系统对相邻低惯量电网提供频率辅助支撑。
发明内容
针对现有技术中存在电力电子设备的高渗透率导致电网呈现“低惯量”特征的问题，本发明提供了基于负荷扰动观测的直流输电系统频率控制器及控制方法，该控制器主要由负荷扰动观测器和频率控制器组成，频率控制器利用负荷扰动观测模块的输出量，对电网所受扰动的影响进行统一补偿，实时调整逆变站的功率输出，对相邻交流电网提供辅助频率支撑，从而解决电网呈现“低惯量”特征，导致电网频率不稳定的问题。
一种基于负荷扰动观测的直流输电系统频率控制器，包括：
数据采集模块，用于采集直流输电系统中换流站的直流侧母线电压Vdc和换流站相邻的交流电网频率ωg；
负荷扰动观测模块，与所述数据采集模块连接，用于将换流站直流侧母线电压Vdc和换流站相邻交流电网频率ωg作为输入量，生成扰动估计值和系统状态量估计值/>
反馈控制补偿模块，用于根据扰动估计值和系统状态量估计值/>通过反馈补偿计算生成逆变站输出有功功率的调整指令u；
控制模块，用于将调整指令u输入逆变站，调整逆变站的有功功率输出。
进一步地，一种基于负荷扰动观测的直流输电系统频率控制器的控制方法，包括以下步骤：
采集换流站直流侧母线电压Vdc和换流站相邻交流电网频率ωg；
将换流站直流侧母线电压Vdc和换流站相邻交流电网频率ωg输入负荷扰动观测模块中，生成扰动估计值和系统状态量估计值/>
根据扰动估计值和系统状态量估计值/>通过反馈补偿计算生成逆变站输出有功功率的调整指令u；
将调整指令u输入逆变站，调整逆变站的有功功率输出。
进一步地，所述直流输电系统包括换流站和相邻交流电网。
进一步地，所述换流站的模型为：
其中，Vdc为换流站直流侧母线端的直流电压；Idc为换流站直流侧母线端的直流电流；Cdc为换流站直流侧的等效电容；P为换流站母线输出功率；Vs为直流电网的直流电压；Rdc为换流站直流侧的等效电阻。
进一步地，所述相邻交流电网的模型为：
其中，ωg为换流站相邻交流电网频率；ω0为换流站交流母线侧角频率的初值；H和D表示同步发电机的惯性常数和阻尼系数；Pg和Pl为发电机输出功率和交流电网负荷需求；ωn为额定频率，单位为rad/s；θ是PCC处交流端电压的相位角。
进一步地，还包括：所述控制器的状态空间模型为：
其中，“.”表示系统状态变量的导数，为状态向量；Δyv和Δyω是直流电压和电网频率的输出信号，即Δyv＝ΔVdc，Δyω＝Δωg；u＝ΔPref，Pref是逆变站的有功功率参考值；d＝ΔPl是系统中的负荷扰动；A、Bu、Bd、Cv和Cω分别是状态矩阵、控制输入矩阵、干扰输入矩阵、直流电压输出矩阵和电网频率输出矩阵。
进一步地，所述状态矩阵A具体形式如下：
其中，P0是功率额定值，Kp和Ki分别为比例系数和积分系数，Kv是PI控制器下垂系数，Kh是逆变站下垂系数，Kf是调速器的下垂系数，Tg和Tch分别为调速器和汽轮机的时间常数，Tc是仿真步长。
进一步地，所述将换流站直流侧母线电压Vdc和换流站相邻交流电网频率ωg输入负荷扰动观测模块中，生成扰动估计值和系统状态量估计值/>其计算公式为：
其中，与ym是基于控制器的状态空间模型扩展后的输入与输出向量；/>为扩展后的状态矩阵；/>为扩展后的控制输入矩阵；L是设计的观测器增益矩阵；Cm为量测输出矩阵；“^”表示观测值。
进一步地，通过所述反馈控制补偿模块得出最优的反馈增益矩阵对直流输电系统进行反馈增益。
进一步地，所述根据扰动估计值和系统状态量估计值/>通过反馈补偿计算生成逆变站输出有功功率的调整指令u，其计算公式为：
其中，Kx为反馈增益矩阵，Kd为扰动补偿矩阵。
本发明提供了基于负荷扰动观测的直流输电系统频率控制器及控制方法，具备以下有益效果：
1、本发明提出了一种基于负荷扰动观测的柔性直流输电系统频率控制器，该控制器主要由负荷扰动观测器和频率控制器组成；其中控制器参数设定不依赖于精确的系统模型和参数，只与等效线性系统的结构有关，因此参数设定流程较为容易。
2、本发明通过数据采集模块采集换流站直流侧母线电压和换流站交流侧电网频率；负荷扰动观测器模块中对系统的未建模动态、参数摄动以及外部扰动等因素进行综合估计；频率控制器则利用负荷扰动观测模块的输出量，对电网所受扰动的影响进行统一补偿，实时调整逆变站的功率输出，对相邻交流电网提供辅助频率支撑，提高电网频率的稳定性。
附图说明
图1为本发明实施例中一种基于负荷扰动观测的直流输电系统频率控制器的结构示意图；
图2为本发明实施例中一种基于负荷扰动观测的直流输电系统频率控制器的工作原理图；
图3为本发明实施例中一种基于负荷扰动观测的直流输电系统频率控制方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
如图1-3所示，本发明提出一种基于负荷扰动观测的直流输电系统频率控制器，包括：
数据采集模块，用于采集直流输电系统中换流站的直流侧母线电压Vdc和换流站相邻的交流电网频率ωg。
负荷扰动观测模块，与数据采集模块连接；负荷扰动观测模块用于将换流站直流侧母线电压Vdc和换流站相邻交流电网频率ωg输入负荷扰动观测模块中，生成扰动估计值和系统状态量估计值/>
反馈控制补偿模块，用于根据扰动估计值和系统状态量估计值/>通过反馈补偿计算生成逆变站输出有功功率的调整指令u。
控制模块，用于将调整指令u输入逆变站，调整逆变站的有功功率输出。
一种基于负荷扰动观测的直流输电系统频率控制器的控制方法，包括以下步骤：
采集换流站直流侧母线电压Vdc和换流站相邻交流电网频率ωg；该直流输电系统由换流站和相邻交流电网两部分组成，其中，换流站模型为：
其中，Vdc为换流站直流侧母线端的直流电压；Idc为换流站直流侧母线端的直流电流；Cdc为换流站直流侧的等效电容；P为换流站母线输出功率；Vs为直流电网的直流电压；Rdc为换流站直流侧的等效电阻。
直流输电系统的相邻交流电网模型为：
其中，ωg为换流站相邻交流电网频率；ω0为换流站交流母线侧角频率的初值；H和D表示同步发电机的惯性常数和阻尼系数；Pg和Pl为发电机输出功率和交流电网负荷需求；ωn为额定频率，单位为rad/s；θ是PCC处交流端电压的相位角。
控制器的状态空间模型为：
其中，“.”表示系统状态变量的导数，为状态向量；Δyv和Δyω是直流电压和电网频率的输出信号，即Δyv＝ΔVdc，Δyω＝Δωg；u＝ΔPref，Pref是逆变站的有功功率参考值；d＝ΔPl是系统中的负荷扰动；A、Bu、Bd、Cv和Cω分别是状态矩阵、控制输入矩阵、干扰输入矩阵、直流电压输出矩阵和电网频率输出矩阵；状态矩阵A具体形式如下：
负荷扰动观测模块与数据采集模块连接，用于观测系统的状态量，将量测的换流站直流侧母线电压Vdc和换流站相邻交流电网频率ωg输入负荷扰动观测模块中，通过负荷扰动观测模块生成扰动估计值和系统状态量估计值/>负荷扰动观测模块通过公式：
其中，与ym是基于原始系统(3)扩展后的输入与输出向量；/>为扩展后的状态矩阵；/>为扩展后的控制输入矩阵；L是设计的观测器增益矩阵；“^”表示观测值。
根据负荷扰动观测模块生成的扰动估计值和系统状态量估计值/>通过反馈补偿计算生成逆变站输出有功功率的调整指令u；通过反馈控制器模块得出最优的反馈增益矩阵对系统进行反馈增益，从而优化负荷扰动观测模块的观测精度与速度。
将反馈控制器模块生成的调整指令u输入逆变站，调整逆变站的有功功率输出。反馈控制器模块通过公式(5)生成逆变站输出有功功率的调整指令u，公式(5)为：
其中，Kx为反馈增益矩阵，Kd为扰动补偿矩阵。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于负荷扰动观测的直流输电系统频率控制器，其特征在于，所述控制器包括：
数据采集模块，用于采集直流输电系统中换流站的直流侧母线电压Vdc和换流站相邻的交流电网频率ωg；
负荷扰动观测模块，与所述数据采集模块连接，用于将换流站直流侧母线电压Vdc和换流站相邻交流电网频率ωg作为输入量，生成扰动估计值和系统状态量估计值/>
反馈控制补偿模块，用于根据扰动估计值和系统状态量估计值/>通过反馈补偿计算生成逆变站输出有功功率的调整指令u；
控制模块，用于将调整指令u输入逆变站，调整逆变站的有功功率输出。
2.一种基于权利要求1所述的基于负荷扰动观测的直流输电系统频率控制器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
采集换流站直流侧母线电压Vdc和换流站相邻交流电网频率ωg；
将换流站直流侧母线电压Vdc和换流站相邻交流电网频率ωg输入负荷扰动观测模块中，生成扰动估计值和系统状态量估计值/>
根据扰动估计值和系统状态量估计值/>通过反馈补偿计算生成逆变站输出有功功率的调整指令u；
将调整指令u输入逆变站，调整逆变站的有功功率输出。
3.根据权利要求2所述的一种基于负荷扰动观测的直流输电系统频率控制器的控制方法，其特征在于，所述直流输电系统包括换流站和相邻交流电网。
4.根据权利要求3所述的一种基于负荷扰动观测的直流输电系统频率控制器的控制方法，其特征在于，所述换流站的模型为：
其中，Vdc为换流站直流侧母线端的直流电压；Idc为换流站直流侧母线端的直流电流；Cdc为换流站直流侧的等效电容；P为换流站母线输出功率；Vs为直流电网的直流电压；Rdc为换流站直流侧的等效电阻。
5.根据权利要求3所述的一种基于负荷扰动观测的直流输电系统频率控制器的控制方法，其特征在于，所述相邻交流电网的模型为：
其中，ωg为换流站相邻交流电网频率；ω0为换流站交流母线侧角频率的初值；H和D表示同步发电机的惯性常数和阻尼系数；Pg和Pl为发电机输出功率和交流电网负荷需求；ωn为额定频率，单位为rad/s；θ是PCC处交流端电压的相位角。
6.根据权利要求5所述的一种基于负荷扰动观测的直流输电系统频率控制器的控制方法，其特征在于，还包括：所述控制器的状态空间模型为：
其中，“.”表示系统状态变量的导数，为状态向量；Δyv和Δyω是直流电压和电网频率的输出信号，即Δyv＝ΔVdc，Δyω＝Δωg；u＝ΔPref，Pref是逆变站的有功功率参考值；d＝ΔPl是系统中的负荷扰动；A、Bu、Bd、Cv和Cω分别是状态矩阵、控制输入矩阵、干扰输入矩阵、直流电压输出矩阵和电网频率输出矩阵。
7.根据权利要求6所述的一种基于负荷扰动观测的直流输电系统频率控制器的控制方法，其特征在于，所述状态矩阵A具体形式如下：
其中，P0是功率额定值，Kp和Ki分别为比例系数和积分系数，Kv是PI控制器下垂系数，Kh是逆变站下垂系数，Kf是调速器的下垂系数，Tg和Tch分别为调速器和汽轮机的时间常数，Tc是仿真步长。
8.根据权利要求7所述的一种基于负荷扰动观测的直流输电系统频率控制器的控制方法，其特征在于，所述将换流站直流侧母线电压Vdc和换流站相邻交流电网频率ωg输入负荷扰动观测模块中，生成扰动估计值和系统状态量估计值/>其计算公式为：
其中，与ym是基于控制器的状态空间模型扩展后的输入与输出向量；/>为扩展后的状态矩阵；/>为扩展后的控制输入矩阵；L是设计的观测器增益矩阵；Cm为量测输出矩阵；“^”表示观测值。
9.根据权利要求5所述的一种基于负荷扰动观测的直流输电系统频率控制器的控制方法，其特征在于，通过所述反馈控制补偿模块得出最优的反馈增益矩阵。
10.根据权利要求8所述的一种基于负荷扰动观测的直流输电系统频率控制器的控制方法，其特征在于，所述根据扰动估计值和系统状态量估计值/>通过反馈补偿计算生成逆变站输出有功功率的调整指令u，其计算公式为：
其中，Kx为反馈增益矩阵，Kd为扰动补偿矩阵。
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