一種高壓直流輸電系統(tǒng)的非線(xiàn)性分散控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種高壓直流輸電系統(tǒng)的非線(xiàn)性分散控制方法，屬于高壓直流輸電領(lǐng) 域。
【背景技術(shù)】
[0002] 能源分布和負(fù)荷分布的極度不平衡是我國(guó)面臨的一個(gè)嚴(yán)峻問(wèn)題，為了解決能源和 負(fù)荷分布極不平衡的狀況，我國(guó)制定了"西電東送、南北互供、全國(guó)聯(lián)網(wǎng)"的電網(wǎng)建設(shè)方針。 高壓直流（high voltage direct current, HVDC)輸電系統(tǒng)在遠(yuǎn)距離大容量輸電、區(qū)域聯(lián) 網(wǎng)、海底輸電、異步互聯(lián)等多個(gè)方面相比交流輸電在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上的有較大的優(yōu)勢(shì)，因此高 壓直流輸電系統(tǒng)成為現(xiàn)代電力系統(tǒng)不可或缺的組成部分。高壓直流輸電系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用有 助于解決我國(guó)的電力資源和電力負(fù)荷分布不平衡的問(wèn)題。
[0003] 高壓直流輸電的控制系統(tǒng)決定了直流系統(tǒng)的整流器和逆變器的動(dòng)態(tài)性能，協(xié)調(diào)整 個(gè)直流系統(tǒng)，具有快速的控制調(diào)節(jié)，是直流系統(tǒng)起著至關(guān)重要作用的"大腦"?？刂菩阅軆?yōu)秀 的直流控制系統(tǒng)不僅能保證換流站一次主設(shè)備安全運(yùn)行及電功率傳輸?shù)慕?jīng)濟(jì)性和可靠性， 而且其自身所具有的調(diào)節(jié)快速性和靈活性能提高交直流混合運(yùn)行系統(tǒng)的運(yùn)行性能。因此， 研究高壓直流輸電系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)新型控制器，對(duì)提高直流系統(tǒng)的控制性能和運(yùn)行 穩(wěn)定性具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種適用于高壓直流輸電系統(tǒng)的非線(xiàn)性分散控制方法。其特 點(diǎn)在于在逆變側(cè)采用定無(wú)功電流控制代替?zhèn)鹘y(tǒng)的定電壓和定熄弧角控制；采用結(jié)構(gòu)化模型 的理論分別建立整流側(cè)和逆變側(cè)的結(jié)構(gòu)化模型；基于逆系統(tǒng)方法和遞歸算法求解系統(tǒng)的可 逆性和α階右逆系統(tǒng)，將求得的逆系統(tǒng)串聯(lián)到原系統(tǒng)之前，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)原系統(tǒng)的線(xiàn)性化和 解耦；結(jié)合自適應(yīng)模糊PID控制理論，設(shè)計(jì)PID參數(shù)修正量和誤差、誤差變化率之間的模糊 規(guī)則，得到控制性能滿(mǎn)意的閉環(huán)控制器；繼而實(shí)現(xiàn)采用本地信號(hào)的高壓直流輸電系統(tǒng)的非 線(xiàn)性分散控制；并與兩側(cè)采用PI控制器的傳統(tǒng)控制方式和兩側(cè)都為PI控制器且逆變側(cè)為 定無(wú)功電流控制的方法相比，本發(fā)明在系統(tǒng)控制響應(yīng)特性和暫態(tài)穩(wěn)定性方面都有較明顯的 提尚。
[0005] 本發(fā)明的目的通過(guò)以下技術(shù)措施實(shí)現(xiàn)：
[0006] (1)在高壓直流輸電系統(tǒng)的逆變側(cè)，采用定無(wú)功電流的控制方法替換傳統(tǒng)的定電 壓和定熄弧角控制方法。
[0007] (2)根據(jù)結(jié)構(gòu)化模型理論，將高壓直流輸電系統(tǒng)的兩側(cè)各當(dāng)成一個(gè)子系統(tǒng)，而將直 流線(xiàn)路作為是輸電線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的一部分，繼而建立整流側(cè)和逆變側(cè)的結(jié)構(gòu)化模型。
[0008] (3)根據(jù)步驟2建立的結(jié)構(gòu)化模型，采用逆系統(tǒng)方法和遞歸算法推導(dǎo)整流側(cè)和逆 變側(cè)系統(tǒng)的可逆性及α階右逆系統(tǒng)。
[0009] (4)將根據(jù)步驟3得到的右逆系統(tǒng)串聯(lián)在原系統(tǒng)之前，同時(shí)附加積分器實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài) 過(guò)程，得到偽線(xiàn)性復(fù)合系統(tǒng)。所得到的復(fù)合系統(tǒng)將呈現(xiàn)出積分特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)原系統(tǒng)的線(xiàn)性化 和解耦。
[0010] (5)然后結(jié)合自適應(yīng)模糊PID控制理論設(shè)計(jì)閉環(huán)控制器，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整PID參數(shù)以 適應(yīng)不同誤差和誤差變化率情況下修改PID參數(shù)的需要，滿(mǎn)足所需的性能指標(biāo)。
[0011] (6)將設(shè)計(jì)的自適應(yīng)模糊PID控制器加入已經(jīng)線(xiàn)性化和解耦的復(fù)合系統(tǒng)中，即構(gòu) 成完整的非線(xiàn)性分散控制器。
[0012] 本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：
[0013] 本發(fā)明的控制方法基于結(jié)構(gòu)化模型，分別將整流側(cè)和逆變側(cè)作為子系統(tǒng)設(shè)計(jì)控制 器，從而使控制信號(hào)基于本地信號(hào)，避免了控制信號(hào)遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)的通信不可靠和延遲問(wèn) 題。采用逆系統(tǒng)方法實(shí)現(xiàn)對(duì)原系統(tǒng)的線(xiàn)性化和解耦，優(yōu)化控制效果。通過(guò)自適應(yīng)模糊PID 控制方法實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)的自整定，得到滿(mǎn)意的控制性能。該方法不僅有效易行，而且利用自 適應(yīng)模糊PID控制理論結(jié)合定無(wú)功電流、結(jié)構(gòu)化模型和逆系統(tǒng)方法設(shè)計(jì)高壓直流輸電系統(tǒng) 的控制器在該領(lǐng)域尚屬首次。
[0014] 采用非線(xiàn)性分散控制器可以提高系統(tǒng)的控制響應(yīng)特性，可以較好地抑制直流電壓 和直流電流的振蕩，較明顯地改善整流側(cè)和逆變側(cè)的交流電壓波動(dòng)，使系統(tǒng)更快地從交流 故障或者直流故障中恢復(fù)，提高了交直流混聯(lián)系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。
【附圖說(shuō)明】
[0015] 圖1為整流側(cè)和逆變側(cè)非線(xiàn)性分散控制器結(jié)構(gòu)圖。
[0016] 圖2為高壓直流輸電系統(tǒng)與交直流電網(wǎng)之間的關(guān)系圖。
[0017] 圖3為偽線(xiàn)性復(fù)合系統(tǒng)示意圖。
[0018] 圖4為自適應(yīng)模糊PID控制器結(jié)構(gòu)圖。
[0019] 圖5為交直流混聯(lián)的仿真系統(tǒng)模型圖。
[0020] 圖6為電流階躍變化0. 2pu時(shí)直流電流的仿真波形圖。
[0021 ] 圖7為電流階躍變化0. 2pu時(shí)直流電壓的仿真波形圖。
[0022] 圖8為電壓階躍變化0. 2pu時(shí)直流電壓的仿真波形圖。
[0023] 圖9為電壓階躍變化0. 2pu時(shí)直流電流的仿真波形圖。
[0024] 圖10為直流線(xiàn)短路故障時(shí)整流側(cè)換流母線(xiàn)電壓的仿真波形圖。
[0025] 圖11為直流線(xiàn)短路故障時(shí)逆變側(cè)換流母線(xiàn)電壓的仿真波形圖。
[0026] 圖12為直流線(xiàn)短路故障時(shí)直流電壓的仿真波形圖。
[0027] 圖13為直流線(xiàn)短路故障時(shí)直流電流的仿真波形圖。
[0028] 圖14為逆變側(cè)換流母線(xiàn)發(fā)生三相短路故障時(shí)整流側(cè)換流母線(xiàn)電壓的仿真波形 圖。
[0029] 圖15為逆變側(cè)換流母線(xiàn)發(fā)生三相短路故障時(shí)逆變側(cè)換流母線(xiàn)電壓的仿真波形 圖。
[0030] 圖16為逆變側(cè)換流母線(xiàn)發(fā)生三相短路故障時(shí)直流電壓的仿真波形圖。
[0031] 圖17為逆變側(cè)換流母線(xiàn)發(fā)生三相短路故障時(shí)直流電流的仿真波形圖。
【具體實(shí)施方式】
[0032] 下面通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行具體的描述，有必要在此說(shuō)明的是本實(shí)施例只用于 對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的說(shuō)明，不能理解為對(duì)本發(fā)明保護(hù)方位的限制，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。
[0033] 實(shí)施例：
[0034] 如圖1所示，高壓直流輸電非線(xiàn)性分散控制方法設(shè)計(jì)的控制器包括整流側(cè)控制器 和逆變側(cè)控制器；整流側(cè)控制器包括自適應(yīng)模糊PID控制器（I )和α階右逆系統(tǒng)（II )， 以實(shí)現(xiàn)整流側(cè)控制功能；逆變側(cè)控制器包括自適應(yīng)模糊PID控制器（I )、α階右逆系統(tǒng) (II )和無(wú)功電流Iq計(jì)算模塊（III )，以實(shí)現(xiàn)逆變側(cè)控制功能。
[0035] 1、α階右逆系統(tǒng)
[0036] 首先建立整流側(cè)和逆變側(cè)的結(jié)構(gòu)化模型。高壓直流系統(tǒng)的整流側(cè)和逆變側(cè)地域跨 度一般較大?？紤]非線(xiàn)性的分散控制，因此將整流側(cè)和逆變側(cè)各作為一個(gè)子系統(tǒng)，而直流輸 電網(wǎng)作為網(wǎng)絡(luò)的一部分考慮。整流側(cè)和逆變側(cè)子系統(tǒng)與交流電網(wǎng)和直流電網(wǎng)之間的關(guān)系如 圖2所示。
[0037] 可以得到整流側(cè)結(jié)構(gòu)化模型的狀態(tài)方程為
[0039] 式中：下標(biāo)r代表整流側(cè)交/直流變量；X為換相阻抗；
對(duì)于12脈動(dòng) 閥組，B = 2 ;α為觸發(fā)延遲角；Ta為換流閥慣性時(shí)間常數(shù)，其取值由換流閥的觸發(fā)間隔 決定；Ka為信號(hào)增益；α。為正常運(yùn)行時(shí)的觸發(fā)角；Ur為輸入變量。根據(jù)結(jié)構(gòu)化模型的 相關(guān)理論，在這里選擇微分變量Xr= (I a )τ;代數(shù)變量
關(guān)聯(lián)輸入變量
[0040] 整流側(cè)代數(shù)方程筆.(A, U,.)
[0042] 在整流側(cè)，仍然采用定電流控制?？傻玫秸鱾?cè)控制輸出
[0043] yr= I dr-Ids (3)
[0044] 其中，Ids為直流電流整定值。
[0045] 綜上，式（1)、（2)和（3) -起構(gòu)成了整流側(cè)的結(jié)構(gòu)化模型。
[0046] 同樣可得逆變側(cè)結(jié)構(gòu)化模型的狀態(tài)方程為
[0048] 根據(jù)結(jié)構(gòu)化模型相關(guān)理論，選擇微分變量Xi= (I di, β )T;代數(shù)變量
關(guān)聯(lián)輸入變量
[0049] 可得逆變側(cè)代數(shù)方程筆(? 5 )
[0051] 在逆變側(cè)，為使控制策略能夠改善交流系統(tǒng)的電壓，采用定無(wú)功電流控制代替?zhèn)?統(tǒng)的定熄弧角和定電壓控制。定義無(wú)功電流為逆變站吸收的無(wú)功功率1與交流母線(xiàn)電壓 Ual的比值，即
[0053] 逆變側(cè)采用定無(wú)功電流控制時(shí)，控制輸出為
[0055] 綜上，式（4)、（5)和（7) -起構(gòu)成了逆變側(cè)的結(jié)構(gòu)化模型。
[0056] 采用遞歸算法推導(dǎo)整流側(cè)和逆變側(cè)系統(tǒng)的可逆性并得到其對(duì)應(yīng)的α階積分右逆 系統(tǒng)。
[0057] 根據(jù)相關(guān)理論可知U。上
存在。引入一個(gè)算子，定義為
[0059] 上式表示函數(shù)
在代數(shù)約束方程
下對(duì)變 元ξ的偏導(dǎo)，其中ξ為X，U，__泛_中的某一個(gè)變量。遞推算法的第k(k = 1，· · ·）步步驟 如下所示。
[0060] 第k(k = 1，· · ·）步：設(shè)已遞推到第k步，得到一系列整數(shù)γ。，...，yk 2，yk i， 且Jt1為Akl的正則