基于變結(jié)構(gòu)的高壓直流輸電多通道附加阻尼控制方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于變結(jié)構(gòu)的高壓直流輸電多通道附加阻尼控制方法。其特點(diǎn)在于通過(guò)具有高運(yùn)算效率和抗擾能力的TLS-ESPRIT算法辨識(shí)出次同步和低頻振蕩頻率、阻尼，以及系統(tǒng)降階模型，結(jié)合變結(jié)構(gòu)控制原理，設(shè)計(jì)含虛擬狀態(tài)變量的附加控制器，最后引入狀態(tài)觀(guān)測(cè)器，消除虛擬狀態(tài)變量，實(shí)現(xiàn)輸出反饋形式的HVDC變結(jié)構(gòu)控制器，然后采用變結(jié)構(gòu)控制理論設(shè)計(jì)多通道直流附加阻尼控制器，降低振蕩模式間的相互影響，能夠同時(shí)抑制次同步和低頻振蕩。該方法高效易行，而且變結(jié)構(gòu)控制理論對(duì)于實(shí)際電網(wǎng)的復(fù)雜多變工況具有較強(qiáng)的抗擾性，同時(shí)該控制器利用多通道結(jié)構(gòu)，解決了多控制器間的協(xié)調(diào)控制問(wèn)題，提出了一套具有很強(qiáng)操作性的實(shí)際大電網(wǎng)的控制器設(shè)計(jì)方法。
【專(zhuān)利說(shuō)明】基于變結(jié)構(gòu)的高壓直流輸電多通道附加阻尼控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于變結(jié)構(gòu)的高壓直流輸電多通道附加阻尼控制方法，屬于高壓直流輸電領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，我國(guó)已由國(guó)家電網(wǎng)和南方電網(wǎng)形成兩大交直流混合電網(wǎng):電網(wǎng)互聯(lián)在帶來(lái)顯著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益的同時(shí)，其龐大的規(guī)模和復(fù)雜的運(yùn)行特性也向電力運(yùn)行部門(mén)發(fā)出了新的挑戰(zhàn)。弱阻尼低頻振蕩問(wèn)題就是大規(guī)模電網(wǎng)互聯(lián)所面臨的典型挑戰(zhàn)之一。高壓直流(HighVoltage Direct Current,HVDC)輸電技術(shù)因其在遠(yuǎn)距離大容量輸電中體現(xiàn)出來(lái)的經(jīng)濟(jì)性和本身特有的快速響應(yīng)特性成為大區(qū)電網(wǎng)互聯(lián)中的重要技術(shù)方案。隨著我國(guó)“西電東送、北電南送”戰(zhàn)略的推進(jìn)，電力系統(tǒng)送端多直流落點(diǎn)局面已經(jīng)形成。這種特殊的系統(tǒng)基本只由若干大型電廠(chǎng)與送端換流站群聯(lián)接構(gòu)成，極有可能孤島運(yùn)行。在孤島運(yùn)行方式下，HVDC的快速控制引起次同步振蕩的風(fēng)險(xiǎn)增加，并伴隨因發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子間阻尼不足而引起的低頻振蕩。因此，對(duì)于兩種振蕩的同時(shí)抑制具有十分重要的意義。然而，實(shí)際電網(wǎng)存在的復(fù)雜拓?fù)浜投嘧児r，基于數(shù)學(xué)模型的嚴(yán)格控制理論方法(如微分幾何)難以應(yīng)用于實(shí)際工程(翁華，徐政，許烽等.基于廣域測(cè)量信息的HVDC魯棒控制器設(shè)計(jì)[M].電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013，33 (4):103-109.)。因此，利用辨識(shí)方法通過(guò)非線(xiàn)性時(shí)域仿真，直接導(dǎo)出簡(jiǎn)單、精確的系統(tǒng)低階線(xiàn)性化模型設(shè)計(jì)控制器具有廣泛的實(shí)用價(jià)值。同時(shí)抑制次同步振蕩和低頻振蕩的多通道直流附加阻尼控制器裝置已經(jīng)得到了研究(趙睿，李興源，劉天琪等.抑制次同步和低頻振蕩的多通道直流附加阻尼控制器設(shè)計(jì)[J]，電力自動(dòng)化設(shè)備，34(3):89-92)，但是，上述控制器的魯棒性和對(duì)實(shí)際電網(wǎng)的復(fù)雜多變性的適應(yīng)性問(wèn)題仍然沒(méi)有得到解決。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供一種基于變結(jié)構(gòu)的高壓直流輸電多通道附加阻尼控制方法，其特點(diǎn)是基于具有高運(yùn)算效率和抗擾能力的最小二乘-旋轉(zhuǎn)不變(TLS-ESPRIT)算法辨識(shí)次同步和低頻振蕩頻率、阻尼，以及系統(tǒng)降階模型，將降解模型的傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)換為狀態(tài)方程，結(jié)合變結(jié)構(gòu)控制原理，根據(jù)系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)的根軌跡圖，與二次型性能指標(biāo)的最優(yōu)控制法結(jié)合，求得變結(jié)構(gòu)控制的切換函數(shù)，設(shè)計(jì)含虛擬狀態(tài)變量的附加控制器，最后引入狀態(tài)觀(guān)測(cè)器，消除虛擬狀態(tài)變量，實(shí)現(xiàn)輸出反饋形式的HVDC變結(jié)構(gòu)控制器，然后采用變結(jié)構(gòu)控制方法設(shè)計(jì)多通道直流附加阻尼控制器，降低振蕩模式間的相互影響，能夠同時(shí)抑制次同步和低頻振蕩；并且與傳統(tǒng)的比例-積分-微分(PID)控制器相比，本發(fā)明變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)不依賴(lài)于控制對(duì)象模型參數(shù)，具有對(duì)干擾和攝動(dòng)的不變性，能有效地解決高壓直流輸電系統(tǒng)的魯棒性問(wèn)題，且在滑動(dòng)模態(tài)上具有完全自適應(yīng)性，變結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法既能增加控制器的穩(wěn)定裕度，又對(duì)實(shí)際大電網(wǎng)的復(fù)雜多變性具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。
[0004]本發(fā)明的目的由以下技術(shù)措施實(shí)現(xiàn):
[0005]基于變結(jié)構(gòu)控制理論的高壓直流輸電多通道附加控制方法包括以下步驟:[0006]1.通過(guò)TLS-ESPRIT算法對(duì)系統(tǒng)振蕩特性進(jìn)行分析，確定需要抑制的次同步和低頻振蕩的振蕩模式；
[0007]2.通過(guò)TLS-ESPRIT算法對(duì)各通道系統(tǒng)模型進(jìn)行辨識(shí)，利用保留系統(tǒng)關(guān)鍵特性的低階模型代替復(fù)雜的高階系統(tǒng)模型；
[0008]3.根據(jù)步驟I分析的振蕩模式確定直流附加阻尼控制器中各通道濾波器的帶寬，從而抑制振蕩模式間的相互影響，避免控制器抑制次同步振蕩和低頻振蕩時(shí)，可能對(duì)某個(gè)模式提供正阻尼，而對(duì)另一模式卻提供負(fù)阻尼，甚至激發(fā)新的振蕩模式，并分別對(duì)不同的振蕩模式提供阻尼；
[0009]4.基于低階模型，結(jié)合變結(jié)構(gòu)控制原理，根據(jù)系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)的根軌跡圖，與二次型性能指標(biāo)的最優(yōu)控制法結(jié)合，求得變結(jié)構(gòu)控制的切換函數(shù)，設(shè)計(jì)含虛擬狀態(tài)變量的附加控制器，最后引入狀態(tài)觀(guān)測(cè)器，消除虛擬狀態(tài)變量，實(shí)現(xiàn)輸出反饋形式的HVDC變結(jié)構(gòu)控制器；
[0010]5.基于變結(jié)構(gòu)控制理論設(shè)計(jì)各通道控制方式及控制策略。
[0011]各通道控制器的帶通濾波環(huán)節(jié)為Butterworth濾波器，其參數(shù)根據(jù)步驟I的分析
結(jié)果整定。
[0012]本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0013]本發(fā)明的控制方法實(shí)現(xiàn)了將一種具備輸出反饋形式的變結(jié)構(gòu)控制加入到系統(tǒng)中，然后通過(guò)不同帶寬濾波的多通道方式來(lái)實(shí)現(xiàn)同一附加直流變結(jié)構(gòu)控制器抑制低頻振蕩和抑制次同步振蕩。通過(guò)將轉(zhuǎn)速信號(hào)根據(jù)TLS-ESPRIT算法對(duì)系統(tǒng)振蕩特性分析的結(jié)果劃分為低頻振蕩和次同步振蕩頻段，再對(duì)各頻段所對(duì)應(yīng)通道單獨(dú)設(shè)計(jì)其控制器、輸出限幅及濾波器參數(shù)，進(jìn)而分別為不同頻段的低頻振蕩和次同步振蕩提供合適的阻尼。該方法不僅高效易行，而且，利用變結(jié)構(gòu)控制理論結(jié)合多通道設(shè)計(jì)思路同時(shí)抑制低頻振蕩和次同步振蕩的方法在該領(lǐng)域尚屬首次。
[0014]采用基于辨識(shí)方法的一種輸出反饋形式的變結(jié)構(gòu)控制，具有良好的抗擾性，并將轉(zhuǎn)速信號(hào)根據(jù)系統(tǒng)次同步和低頻振蕩特性分析的結(jié)果劃分為次同步頻段和低頻頻段，各頻段所對(duì)應(yīng)的通道均可單獨(dú)設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)控制器、輸出限幅及濾波器參數(shù)，進(jìn)而分別為不同頻段的低頻和次同步振蕩提供合適的阻尼。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1為系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
[0016]圖2為多通道直流附加變結(jié)構(gòu)控制器結(jié)構(gòu)。
[0017]圖3為第I種擾動(dòng)下1.5Hz以下低頻振蕩部分投入多通道直流附加變結(jié)構(gòu)控制器前后的轉(zhuǎn)子角速度圖。
[0018]圖4a為第I種擾動(dòng)下13.4Hz次同步振蕩部分投入多通道直流附加變結(jié)構(gòu)控制器前的轉(zhuǎn)子角速度圖。
[0019]圖4b為第I種擾動(dòng)下13.4Hz次同步振蕩部分投入多通道直流附加變結(jié)構(gòu)控制器后的轉(zhuǎn)子角速度圖。
[0020]圖5a為第I種擾動(dòng)下24.5Hz次同步振蕩部分投入多通道直流附加變結(jié)構(gòu)控制器前的轉(zhuǎn)子角速度圖。[0021]圖5b為第I種擾動(dòng)下24.5Hz次同步振蕩部分投入多通道直流附加變結(jié)構(gòu)控制器后的轉(zhuǎn)子角速度圖。
[0022]圖6為第2種擾動(dòng)下1.5Hz以下低頻振蕩部分投入多通道直流附加變結(jié)構(gòu)控制器前后的轉(zhuǎn)子角速度圖。
[0023]圖7a為第2種擾動(dòng)下13.4Hz次同步振蕩部分投入多通道直流附加變結(jié)構(gòu)控制器前的轉(zhuǎn)子角速度圖。
[0024]圖7b為第2種擾動(dòng)下13.4Hz次同步振蕩部分投入多通道直流附加變結(jié)構(gòu)控制器后的轉(zhuǎn)子角速度圖。
[0025]圖8a為第2種擾動(dòng)下24.5Hz次同步振蕩部分投入多通道直流附加變結(jié)構(gòu)控制器前的轉(zhuǎn)子角速度圖。
[0026]圖Sb為第2種擾動(dòng)下24.5Hz次同步振蕩部分投入多通道直流附加變結(jié)構(gòu)控制器后的轉(zhuǎn)子角速度圖。
[0027]圖9為傳統(tǒng)PID控制器結(jié)構(gòu)。
[0028]圖1Oa為第I種擾動(dòng)下投入多通道直流附加變結(jié)構(gòu)控制器前的I號(hào)機(jī)轉(zhuǎn)子角速度圖。
[0029]圖1Ob為第I種擾動(dòng)下投入傳統(tǒng)PID控制器后的I號(hào)機(jī)轉(zhuǎn)子角速度圖。
[0030]圖1Oc為第I種擾動(dòng)下投入多通道直流附加變結(jié)構(gòu)控制器后的I號(hào)機(jī)轉(zhuǎn)子角速度圖。
[0031]圖1la為第2種擾動(dòng)下投入多通道直流附加變結(jié)構(gòu)控制器前的I號(hào)機(jī)轉(zhuǎn)子角速度圖。
[0032]圖1lb為第2種擾動(dòng)下投入傳統(tǒng)PID控制器后的I號(hào)機(jī)轉(zhuǎn)子角速度圖。
[0033]圖1lc為第2種擾動(dòng)下投入多通道直流附加變結(jié)構(gòu)控制器后的I號(hào)機(jī)轉(zhuǎn)子角速度圖。
【具體實(shí)施方式】
[0034]下面通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行具體的描述，有必要在此指出的是本實(shí)施例只用于對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說(shuō)明，不能理解為對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，該領(lǐng)域的技術(shù)熟練人員可以根據(jù)上述發(fā)明的內(nèi)容做出一些非本質(zhì)的改進(jìn)和調(diào)整。
[0035]實(shí)施例
[0036]如圖1所示，基于變結(jié)構(gòu)控制理論的高壓直流輸電多通道附加控制方法設(shè)計(jì)的控制器包括次同步振蕩的抑制通道(I )和低頻振蕩的抑制通道(II );次同步振蕩的抑制通道(I )是由合理整定的帶通濾波器環(huán)節(jié)1、2……n，(III)、變結(jié)構(gòu)控制方法設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)1、2……n，(IV )和限幅環(huán)節(jié)1、2……n，( V )串聯(lián)而成，以實(shí)現(xiàn)抑制次同步振蕩的功能；低頻振蕩的抑制通道(II )是由合理整定的帶通濾波器環(huán)節(jié)L(III)、變結(jié)構(gòu)控制方法設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)L( IV )和限幅環(huán)節(jié)L( V )串聯(lián)而成，以實(shí)現(xiàn)抑制低頻振蕩的功能。
[0037]一、帶通濾波器環(huán)節(jié)
[0038]通過(guò)TLS-ESPRIT算法對(duì)系統(tǒng)振蕩特性進(jìn)行分析，確定需要抑制的次同步和低頻振蕩的振蕩模式，再確定直流附加阻尼控制器中各通道濾波器的帶寬，從而抑制振蕩模式間的相互影響，避免控制器抑制次同步振蕩和低頻振蕩時(shí)，可能對(duì)某個(gè)模式提供正阻尼，而對(duì)另一模式卻提供負(fù)阻尼，甚至激發(fā)新的振蕩模式，并分別對(duì)不同的振蕩模式提供阻尼。控制器的帶通濾波環(huán)節(jié)為Butterworth濾波器。
[0039]二、變結(jié)構(gòu)控制方法設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)
[0040]考慮普通的控制系統(tǒng):
【權(quán)利要求】
1.一種基于變結(jié)構(gòu)的高壓直流輸電多通道附加阻尼控制方法，其特征在于該方法包括以下步驟: 1)通過(guò)TLS-ESPRIT技術(shù)對(duì)系統(tǒng)振蕩特性進(jìn)行分析，確定需要抑制的次同步和低頻振蕩的振蕩模式； 2)通過(guò)TLS-ESPRIT算法對(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行辨識(shí)，利用保留系統(tǒng)關(guān)鍵特性的低階模型代替復(fù)雜的高階系統(tǒng)模型； 3)根據(jù)步驟I)分析的振蕩模式確定直流附加阻尼控制器中各通道濾波器的帶寬，從而抑制振蕩模式間的相互影響，避免控制器抑制次同步振蕩和低頻振蕩時(shí)，對(duì)某個(gè)模式提供正阻尼，而對(duì)另一模式卻提供負(fù)阻尼，甚至激發(fā)新的振蕩模式，并分別對(duì)不同的振蕩模式提供阻尼； 4)基于低階模型，結(jié)合變結(jié)構(gòu)控制原理，根據(jù)系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)的根軌跡圖，與二次型性能指標(biāo)的最優(yōu)控制法結(jié)合，求得變結(jié)構(gòu)控制的切換函數(shù)，設(shè)計(jì)含虛擬狀態(tài)變量的附加控制器，最后引入狀態(tài)觀(guān)測(cè)器，消除虛擬狀態(tài)變量，實(shí)現(xiàn)輸出反饋形式的HVDC變結(jié)構(gòu)控制器； 5)基于變結(jié)構(gòu)控制理論設(shè)計(jì)出各通道控制器，抑制各振蕩模式。
2.如權(quán)利要求1所述基于變結(jié)構(gòu)的高壓直流輸電多通道附加阻尼控制方法，其特征在于各通道控制器的帶通濾波環(huán)節(jié)為Butterworth濾波器，其參數(shù)根據(jù)步驟I的分析結(jié)果整定。
【文檔編號(hào)】H02J3/24GK104022524SQ201410305124
【公開(kāi)日】2014年9月3日 申請(qǐng)日期:2014年6月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月30日
【發(fā)明者】劉天琪, 付偉, 李興源, 李保宏, 趙睿, 郭小江, 孫玉嬌, 張英敏, 郭強(qiáng), 張玉紅 申請(qǐng)人:四川大學(xué), 國(guó)家電網(wǎng)公司, 國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司, 中國(guó)電力科學(xué)研究院