基于模型预测的多端柔性直流输电系统换流站控制方法 |
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申请号 | CN201710579900.X | 申请日 | 2017-07-17 | 公开(公告)号 | CN107425736A | 公开(公告)日 | 2017-12-01 |
申请人 | 南京南瑞集团公司; | 发明人 | 孙国强; 郑玉平; 王晓红; | ||||
摘要 | 本 发明 公开了一种基于模型预测的多端柔性直流输电系统换流站控制方法,包括定功率换流站控制以及定直流 电压 换流站控制,首先建立相应换流站的离散 状态空间 方程,利用无约束预测控制方法,得到最优控制序列,然后根据离散状态空间方程建立闭环状态观测器,根据闭环状态观测器输出的状态变量估计值以及最优控制序列公式求得最优控制序列,取该序列的第一个值作为下一时刻的控制量,利用传统定功率双闭环 控制器 跟踪 该控制量,并产生触发脉冲控制换流站各个IGBT。本发明的控制方法在 风 电场 风速发生阶跃变化时可以提高系统响应速度、减小系统动态过程中不同电气量的幅值 波动 、同时进一步提高了系统稳态性能。 | ||||||
权利要求 | 1.基于模型预测的多端柔性直流输电系统换流站控制方法,其特征在于,包括对定功率换流站进行控制以及对定直流电压换流站进行控制, |
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说明书全文 | 基于模型预测的多端柔性直流输电系统换流站控制方法技术领域背景技术[0002] 得益于电力电子技术的发展,基于电压源换流器(Voltage Source Converter,VSC)的多端柔性直流输电系统(Muiti Terminal Direct Current Transmission,MTDC)得到了越来越多的应用,尤其在远距离输电以及大规模海上风电场并网上。 [0003] 现有的多端柔直输电系统中,一般由定功率换流站和定直流电压换流站组成。定功率换流站中,一般采用定功率双闭环控制器;定直流电压换流站一般采用具有下垂特性的定直流电压双闭环控制器。双闭环控制器中的PI控制器性能受其控制参数的影响较大,而且目前还没有成熟的PI参数调节方法,一般采用离线仿真的方法进行参数整定,但无法对现场的所有工况进行模拟。 发明内容[0004] 本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷,提供一种基于模型预测的多端柔性直流输电系统换流站控制方法,通过对现有的定功率双闭环控制器以及定直流双闭环控制建立离散状态空间方程来预测系统输入输出之间的关系,实时预测不同工况下,下一控制周期输入不同控制量的情况下,换流站的工作状态。 [0005] 为解决上述技术问题,本发明提供一种基于模型预测的多端柔性直流输电系统换流站控制方法,包括对定功率换流站进行控制以及对定直流电压换流站进行控制,[0006] 所述对定功率换流站进行控制包括以下步骤: [0007] 1-1)建立定功率换流站的离散状态空间方程; [0008] 1-2)设预测值zp(k)为:zp(k)=yp(k)-up0, [0009] 其中,yP(k)为k时刻交流网络注入换流站的有功功率,up0为上层控制策略给定的有功功率参考值的初始值; [0010] 取优化控制的目标函数Jp(u,k)为: [0011] 其中,zp(k+j|k)为往后j个采样周期的预测值序列,N为采样点数; [0012] 利用无约束预测控制方法,得到最优控制序列; [0013] 1-3)根据所述步骤1)建立的离散状态空间方程,利用线性系统理论建立闭环状态观测器,闭环状态观测器输出状态变量的估计值; [0015] 1-5)根据闭环状态观测器输出的状态变量估计值,利用所述步骤1-2)的最优控制序列公式求得最优控制序列,取该序列的第一个值作为下一时刻的控制量; [0016] 1-6)利用传统定功率双闭环控制器跟踪步骤1-5)中获得的控制变量,并产生触发脉冲控制换流站各个IGBT; [0017] 1-7)每隔一个采样周期Ts返回步骤1-3); [0018] 所述对定直流电压换流站进行控制包括以下步骤: [0019] 1-a)建立定直流电压换流站的离散状态空间方程; [0020] 1-b)设预测值zV(k)为:zV(k)=yV(k)-uV0, [0021] 其中,uV0为上层直流电压、直流电流下垂控制策略给定的直流电压参考值的初始值, [0022] 取优化控制的目标函数JV(u,k)为: [0023] [0024] 其中,zV(k+j|k)为往后j个采样周期的预测值序列; [0026] 1-c)根据所述步骤1-a)建立的离散状态空间方程,利用线性系统理论建立闭环状态观测器,闭环状态观测器输出状态变量估计值; [0027] 1-d)采样定直流电压换流站交流侧三相电压、电流,直流侧电压、电流; [0028] 1-e)把直流侧电流输入到下垂控制策略中,求得直流电压参考值; [0029] 1-f)将步骤1-e)中求得的直流电压参考值,采样获得的直流侧电流值以及闭环状态观测器输出的状态变量估计值输入到步骤1-b)的最优控制序列表达式,求得最优控制序列,取该序列的第一个值作为下一时刻的控制量; [0030] 1-g)利用传统定功率双闭环控制器跟踪步骤1-f)中获得的控制变量,并产生触发脉冲控制换流站各个IGBT; [0031] 1-h)采样定直流电压换流站交流侧三相电压、电流,直流侧电压、电流,计算获得各状态变量真实值,输入至步骤1-c)建立的闭环状态观测器,如下所示: [0032] [0033] 重构系统状态变量,控制律为偏差反馈增益矩阵G,从而实现对系统控制变量u的修正; [0034] 式中,为状态变量的估计值,为直流侧电压的估计值; [0035] 1-i)每隔一个采样周期Ts返回步骤1-c)。 [0036] 前述的步骤1-1)建立定功率换流站的离散状态空间方程,具体过程如下: [0037] 1-1-1)定义状态变量x1,x2,x3为: [0038] [0039] 其中,u=Pref为上层有功指令参考值; [0040] 1-1-2)构建简化的有功功率控制系统状态方程: [0041] [0042] 其中, y为注入换流站的有功功率; [0043] 1-1-3)建立定功率控制模式下的换流站离散状态空间方程: [0044] [0045] 其中,xP(1),xP(2)…xP(k)…xP(N)为x的离散序列,xP(k)为k时刻定功率换流站状态变量,uP(1),uP(2)…uP(k)…uP(N)为u的离散序列,uP(k)=Pref(k),uP(k)为k时刻的上层有功指令参考值,yP(1),yP(2)…yP(k)…yP(N)为y的离散序列,yP(k)为k时刻交流网络注入换流站的有功功率,N为采样点数, [0046] [0047] [0048] [0049] R为定功率换流站出口滤波器及变压器总电阻,L为定功率换流站出口滤波器及变压器总电抗,Kpc为内电流环PI控制器比例增益,Kic为内电流环PI控制器积分增益,Us为交流网络电压幅值,Kpp为有功功率外环的比例系数,Kip为有功功率外环的积分系数,Ts为采样周期,AP为与定功率换流站硬件参数相关的矩阵,BP为与定功率换流站控制参数相关的矩阵。 [0050] 前述的步骤1-a)建立定直流电压换流站的离散状态空间方程,具体过程如下: [0051] 1-a-1)定义状态变量x1,x2,x3,x4为: [0052] x3=isd,x4=vdc [0053] 其中,e=vdc_ref-vdc; [0054] 1-a-2)系统稳态情况下有:vdc=vdc_ref,构造vdc的线性微分方程如下: [0055] [0056] 令3Us/2Ceqvdc_ref=kisd,取u=vdc_ref,可得MMC直流电压控制系统状态方程: [0057] [0058] 其中, [0059] 1-a-3)对直流电压控制的换流站存在运行特性: [0060] idc=kdr(vdc_ref-v0) (9)因此MMC直流电压控制系统状态方程改写为: [0061] [0062] 1-a-4)令w=v0,得到计及直流电压-直流电流下垂的定直流电压换流站离散状态空间方程: [0063] [0064] 其中,xV(1),xV(2)…xV(k)…xV(N)为x的离散序列,xV(k)为k时刻定直流电压换流站状态变量,uV(1),uV(2)…uV(k)…uV(N)为u的离散序列,uV(k)=vdc_ref,wV(1),wV(2)…wV(k)…wV(N)为w的离散序列,yV(1),yV(2)…yV(k)…yV(N)为y的离散序列,yV(k)为k时刻定直流电压换流站直流侧电压,N为采样点数,uV(k)为控制变量,wV(k)为可测量量,AV为与定直流电压换流站硬件参数相关的矩阵,BVw、BVu为与定直流电压换流站控制参数相关的矩阵,Kpv为直流电压外环的比例系数,Kiv为直流电压外环的积分系数,Kpc为内电流环PI控制器比例增益,Kic为内电流环PI控制器积分增益,Us为交流网络电压幅值,Kpp为有功功率外环的比例系数,Kip为有功功率外环的积分系数,Ts为采样周期,R'为定直流电压换流站出口滤波器及变压器总电阻,L'为定直流电压换流站出口滤波器及变压器总电抗,Ceq为定直流电压换流站桥臂等效电容,kdr为定直流电压换流站直流电压-直流电流下垂系数,vdc_ref为下垂特性,vdc为换流站直流侧电压,isd是内电流环d轴分量,idc是直流电流,v0是电压下垂控制的基准值。 [0065] 前述的采样周期Ts取1ms。 [0066] 前述的步骤1-2)的最优控制序列为: [0067] [0068] 其中, [0069] [0070] 中上标N是指第N采样时刻的Ap矩阵的值, 中上标N-1是指第N-1采样时刻的Ap矩阵的值。 [0071] 前述的步骤1-b)的最优控制序列为: [0072] [0073] 其中, [0074] [0075] [0076] 中上标N是指第N采样时刻的AV矩阵的值, 中上标N-1是指第N-1采样时刻的AV矩阵的值, 中上标N-1是指第N-1采样时刻的AV矩阵的值。 [0077] 与现有技术对比,本发明具有以下优点: [0078] 1、本发明的控制方法在风电场风速发生阶跃变化时可以提高系统响应速度、减小系统动态过程中不同电气量的幅值波动、同时进一步提高了系统稳态性能。 [0080] 图1为本发明定功率换流站控制方法流程图; [0081] 图2为本发明定直流电压换流站控制方法流程图; [0082] 图3为本发明定功率换流站控制的闭环状态观测器结构图; [0083] 图4为本发明定直流电压换流站控制的闭环状态观测器结构图; [0084] 图5为实施例中定功率风电多端直流并网系统结构示意图; [0085] 图6为实施例中注入定功率换流站有功功率仿真波形图,图6(a)为注入换流站1有功功率仿真波形图,图6(b)为注入换流站2有功功率仿真波形图; [0086] 图7为实施例中定功率换流站直流侧直流电压仿真波形图,图7(a)为换流站1直流侧直流电压仿真波形图,图7(b)为换流站2直流侧直流电压仿真波形图; [0087] 图8为实施例中定直流电压换流站注入电网有功功率仿真波形图,图8(a)为换流站3注入电网有功功率仿真波形图,图8(b)为换流站4注入电网有功功率仿真波形图; [0088] 图9为实施例中定直流电压换流站直流侧直流电压仿真波形图,图9(a)为换流站3直流侧直流电压仿真波形图,图9(b)为换流站4直流侧直流电压仿真波形图。 具体实施方式[0089] 下面对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案,而不能以此来限制本发明的保护范围。 [0090] 本发明的基于模型预测控制的多端柔性直流输电系统换流站控制方法包括定功率换流站控制方法以及定直流电压控制方法两部分。 [0091] 如图1所示,定功率换流站控制方法,包括以下步骤: [0092] 步骤1:定义状态变量x1,x2,x3为: [0093] [0094] 其中,u=Pref为上层有功指令参考值; [0095] 构成简化的有功功率控制系统状态方程: [0096] [0097] 其中, y为注入换流站的有功功率。 [0098] 建立定功率控制模式下的换流站离散状态空间方程: [0099] [0100] 其中,xP(1),xP(2)…xP(k)…xP(N)为x的离散序列,xP(k)为k时刻定功率换流站状态变量,uP(1),uP(2)…uP(k)…uP(N)为u的离散序列,uP(k)=Pref(k),uP(k)为k时刻的上层有功指令参考值,yP(1),yP(2)…yP(k)…yP(N)为y的离散序列,yP(k)为k时刻交流网络注入换流站的有功功率,N为采样点数, CP=[0 0 1], [0101] [0102] [0103] R为定功率换流站出口滤波器及变压器总电阻,L为定功率换流站出口滤波器及变压器总电抗,Kpc为内电流环PI控制器比例增益,Kic为内电流环PI控制器积分增益,Us为交流网络电压幅值,可认为是常数,Kpp为有功功率外环的比例系数,Kip为有功功率外环的积分系数,Ts为采样周期,AP为与换流站硬件参数相关的矩阵,BP为与换流站控制参数相关的矩阵。 [0104] 步骤2:设预测值zp(k)=yp(k)-up0,up0为上层控制策略给定的有功功率参考值的初始值, [0105] 取优化控制的目标函数为: [0106] [0107] 其中,zp(k+j|k)为往后j个采样周期的预测值序列。 [0108] 利用无约束预测控制方法,可以得到最优控制序列: [0109] [0110] 其中, [0111] [0112] 其中,中上标N是指第N采样时刻的Ap矩阵的值, 中上标N-1是指第N-1采样时刻的Ap矩阵的值。 [0113] 步骤3:根据步骤1所建立的离散状态空间方程,利用线性系统理论建立闭环状态观测器,闭环状态观测器如图3所示,闭环状态观测器输出状态变量的估计值[0114] 为了减小闭环状态观测器计算量,特定闭环状态观测器偏差反馈增益矩阵G的设定在系统正常稳定运行时Us=1pu时。式(9)为能观标准型,此时系统矩阵为: [0115] [0116] 从而有系统特征值s1=-1.2972,s2,3=-1.2068±6.0987i,原系统特征多项式为: [0117] fo(s)=s3+3.7108s2+41.7817s+50.1381 [0118] 通常选择闭环状态观测器的期望极点,应使闭环状态观测器的响应速度至少比状态反馈闭环系统快2~5倍,为此闭环状态观测器系统期望矩阵为s1=-9,s2,3=-3.5±1.22i,从而闭环状态观测器的期望特征多项式为: [0119] p*(s)=(s+10)(s+3.5-1.22i)(s+3.5+1.22i) [0120] 从而: [0121] [0122] 步骤4:采样定功率换流站交流侧三相电压、电流,直流侧电压、电流,计算获得系统注入到定功率换流站中的有功功率Ps,连同输入到换流站功率控制器的控制量up一同输入到闭环状态观测器。换流站功率控制器来自上层有功功率指令,up是离散化后的控制变量,在此处uP(k)=Pref(k)。换流站功率控制器是指图1中内电流环控制器、d轴控制器、q轴控制器组成的内外环功率控制器。 [0123] 步骤5:根据闭环状态观测器输出的状态变量估计值,利用步骤2最优控制序列公式求得最优控制序列,取该序列的第一个值作为下一时刻的控制量。 [0124] 步骤6:利用传统定功率双闭环控制器跟踪步骤5中获得的控制量,并产生触发脉冲控制换流站各个IGBT。 [0125] 步骤7:每隔一个采样周期Ts返回步骤3,本实施例中,Ts取1ms。 [0126] 定直流电压换流站控制方法如图2所示,具体步骤如下: [0127] 步骤1:定义状态变量x1,x2,x3,x4为: [0128] x3=isd,x4=vdc, [0129] 对于MMC直流电压控制系统,考虑到e=vdc_ref-vdc,系统稳态情况下vdc=vdc_ref,可近似构造如下vdc的线性微分方程: [0130] [0131] 不妨令3Us/2Ceqvdc_ref=kisd,isd是内电流环d轴分量,idc是直流电流,同时取x4=vdc,u=vdc_ref,可得MMC直流电压控制系统状态方程: [0132] [0133] 其中,x=[x1 x2 x3 x4]T。 [0134] 对于多端柔性直流输电系统而言,忽略输电线路的小时间常数的动态响应是可行的,同时各换流站单元直流电压和电流间存在相互关系,为此有较多学者研究了下垂特性,其稳态时电流和电压的存在关系: [0135] [0136] 是直流电流-直流电压下垂系数,idc是直流侧电流,v0是电压下垂控制的基准值。 [0137] 倘若 对直流电压控制的换流站运行特性: [0138] idc=kdr(vdc_ref-v0) (9) [0139] 因此此处将基于直流电压控制的MMC系统状态方程改写为: [0140] [0141] 令w=v0,取较小离散时间间隔时Ts,可得计及直流电压-直流电流下垂的定直流电压换流站离散状态空间方程: [0142] [0143] 其中,xV(1),xV(2)…xV(k)…xV(N)为x的离散序列,xV(k)为k时刻定直流电压换流站状态变量,uV(1),uV(2)…uV(k)…uV(N)为u的离散序列,uV(k)=vdc_ref,[0144] wV(1),wV(2)…wV(k)…wV(N)为w的离散序列,yV(1),yV(2)…yV(k)…yV(N)为y的离散序列,yV(k)为k时刻定直流电压换流站直流侧电压,N为采样点数,uV(k)为控制变量,wV(k)为可测量量,AV为与换流站硬件参数相关的矩阵,BVw、BVu为与换流站控制参数相关的矩阵, [0145] [0146] Kpv为直流电压外环的比例系数,Kiv为直流电压外环的积分系数,Kpc为内电流环PI控制器比例增益,Kic为内电流环PI控制器积分增益,Us为交流网络电压幅值,可认为是常数,Ts为采样周期,R'为定直流电压换流站出口滤波器及变压器总电阻,L'为定直流电压换流站出口滤波器及变压器总电抗,Ceq为定直流电压换流站桥臂等效电容,kdr为定直流电压换流站直流电压-直流电流下垂系数,vdc_ref为下垂特性,vdc为换流站直流侧电压。 [0147] 步骤2:设预测值zV(k)=yV(k)-uV0,uV0为上层直流电压、直流电流下垂控制策略给定的直流电压参考值的初始值, [0148] 取优化控制的目标函数为: [0149] [0150] 其中,zV(k+j|k)为往后j个采样周期的预测值序列。 [0151] 利用无约束预测控制方法,可以得到最优控制序列表达式: [0152] [0153] 其中, [0154] [0155] [0156] 中上标N是指第N采样时刻的AV矩阵的值, 中上标N-1是指第N-1采样时刻的AV矩阵的值, 中上标N-1是指第N-1采样时刻的AV矩阵的值。 [0157] 步骤3:根据步骤1所建立的离散状态空间方程,利用线性系统理论建立闭环状态观测器,闭环状态观测器如图4所示,闭环状态观测器输出状态变量估计值。 [0158] 同样为了减小闭环状态观测器计算量,特定闭环状态观测器偏差反馈增益矩阵G的设定在系统正常稳定运行时Us=1pu时。针对系统状态方程式,其状态完全能观测系统(证明略),但显然不为能观测量标准型,为此需进一步推导和计算观测器偏差反馈增益矩阵G=[g1,g2,g3,g4]T。∑o(A'=A-GC,B,C)闭环状态观测器的特征多项式: [0159] fo(s)=det[sI-A'] [0160] =s4+(a1+g4+1)s3+[a1+a2+a1g4+kisd(b1+g3)]s2 [0161] +[a2+a2g4+kisd(b2+g2)]s+kisd(b3+g1) [0162] 根据原系统矩阵A的特征值,选取相应合适的闭环状态观测器的期望特征值 求取对应的期望特征多项式: [0163] [0164] 从而有观测其偏差反馈增益矩阵为: [0165] [0166] 省略具体计算过程,再此只给出计算结果: [0167] G=[12472.4 1967.92 311.28 14.492]T。 [0168] 步骤4:采样定直流电压换流站交流侧三相电压、电流,直流侧电压、电流。 [0169] 步骤5:把直流侧电流输入到下垂控制策略中,求得直流电压参考值。 [0170] 步骤6:将步骤5中求得的直流电压参考值,采样获得的直流侧电流值以及闭环状态观测器输出的状态变量估计值输入到步骤2的最优控制序列表达式,求得最优控制序列,取该序列的第一个值作为下一时刻的控制量。 [0171] 步骤7:利用传统定功率双闭环控制器跟踪步骤6中获得的控制量,并产生触发脉冲控制换流站各个IGBT。 [0172] 步骤8:采样定直流电压换流站交流侧三相电压、电流,直流侧电压、电流,计算获得各状态变量真实值,输入至步骤3建立的闭环状态观测器,如下所示: [0173] [0174] 重构系统状态,控制律为偏差反馈增益矩阵G,从而实现对系统控制变量u的修正。 [0175] 式中,为状态变量的估计值,为直流侧电压的估计值。 [0176] 步骤9:每隔一个采样周期Ts返回步骤3。 [0177] 实施例 [0178] 如图5所示的海上风电四端直流并网系统,为了仿真测试模型的简便和计算量简化,图中所示的每个风电场的外特性由连接于海上风电场交流母线的单个风电机组的仿真模型拟合,经换流变压器连接于VSC换流站,进而作为海底多端直流输电网络的风场侧节点;同时,对于海底电缆的布线形式,两个海上风电场节点分别经海底电缆Cable 1和Cable 2输送功率,同时以直流母线Cable 5输送至陆上交流电网侧的直流母线,分别以Cable 3和Cable 4与陆上交流电网的VSC连接,落点于交流电网AC 1和AC2。 [0179] t=5s时换流站1和换流站2的有功功率整定值从193MW分别下降至120MW和155MW;t=15s时换流站1有功功率整定值恢复至193MW,换流站2有功功率整定值不变。 [0180] 由图6~9可以看出,海上风电场换流站-MTDC并网系统下垂控制方式下,本发明提出和设计的换流站基于下垂控制的模型预测控制策略较原换流站基本控制方法具有如下效果特点: [0181] 图6(a)给出了换流站1在t=5s时有功功率整定值从193MW下降至120MW;在t=15s时整定值恢复至193MW下,传统的下垂控制策略(实线)与本文基于模型预测控制的下垂控制(虚线)在功率指令改变时的动态表现,可以看出本发明方法抑制了原换流站基本控制系统实施作用下风电场输出有功功率超调量,同时提高了风场侧换流站有功功率控制系统稳态性能。 [0182] 图6(b)给出了换流站2在t=5s时有功功率整定值从193MW下降至155MW并且不恢复下,传统的下垂控制策略与本文基于模型预测控制的下垂控制在功率指令改变时的动态表现,同样可以看出本发明方法抑制了原换流站基本控制系统实施作用下风电场输出有功功率超调量,同时提高了风场侧换流站有功功率控制系统稳态性能。 [0183] 图7(a)和图7(b)分别给出了上述功率指令变化的情况下,换流站1和2的直流传输线电压变化情况,可以看出本发明方法提高了海上风场侧直流输电线路母线电压的稳态特性,减小了稳态下的直流电压波动,缩短了输送功率变化下直流电压过渡过程。 [0184] 图8(a)和图8(b)示出了陆上电网侧两座换流站在海上风场侧功率指令发生变化后的有功功率注入响应曲线,可以看出功率缺额在分摊到两个换流站之后,本发明方法能迅速稳定,加快了MTDC并网控制系统对风电场有功功率的吸收速率,维持系统的功率平衡。 [0185] 图9(a)和图9(b)示出了陆上电网侧两座换流站的直流电压响应曲线,可以看出本发明方法下换流站3和4的直流电压波动减小,缩短了输送功率变化下直流电压过渡过程,利于提高MTDC直流电压稳定性。 [0186] 以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明技术原理的前提下,还可以做出若干改进和变形,这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。 |