CN105591385B - 一种统一潮流控制器新型非线性鲁棒控制*** - Google Patents
一种统一潮流控制器新型非线性鲁棒控制*** Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种统一潮流控制器新型非线性鲁棒控制***，包括测量模块、信号模拟变换模块、比较模块、状态空间转换模块、中央控制模块、状态空间逆变换模块、电压源换流器闸门触发和控制模块以及UPFC模块，所述测量模块的信号输出端依次通过信号模拟变换模块、比较模块、状态空间转换模块、中央控制模块、状态空间逆变换模块、电压源换流器闸门触发和控制模块与UPFC模块的信号输入端连接，所述UPFC模块的信号输出端与输电***相连。本发明提供的非线性鲁棒控制方法是一种连续控制方法，不需要利用边界函数，不仅能够充分保持和利用被控制对象UPFC的非线性物理结构特性，而且能够对UPFC实现实时控制。
Description
技术领域
本发明涉及一种统一潮流控制器新型非线性鲁棒控制***，具体涉及一种柔***流输电技术领域。
背景技术
现代电力***是一个典型的高维、强非线性的动态大***，以大机组、超高压、长距离、重负荷、大电网的互联和交直流联合输电为主要特点。随着各种新的电力设备的使用、可再生能源(如风电、光伏发电等)的大力开发和利用而形成越来越多的微电网并入主网，在使发电、输电更经济、高效的同时也增加了电力***的规模、复杂性和不确定性。在这种情况下，电力***的局部故障(如短路故障、接地故障、负荷骤降和电压崩溃等)可能会对全网产生较为严重的影响。柔***流输电***(Flexible AC Transmission System，FACTS)已经成为了现代电力***的重要组成部分，它能够对电力网络参数进行连续调节，在不改变网络结构的情况下，能有效改善潮流分布情况，提高功率输送能力及暂态稳定性。
迄今为止，统一潮流控制器(unified power flow controller,UPFC)被公认为功能最强大、特性最优越的新一代FACTS装置之一，综合了FACTS元件的多种灵活控制手段，它包括了电压调节、串联补偿和移相等所有能力，它可以通过对输电线路的有功功率和无功功率进行独立控制来实现为输电***提供串联和并联的无功补偿的功能，从而达到消除***振荡和提高电力***的暂态稳定性和振荡阻尼、改善电力***的潮流分布。
UPFC在输电***的安全、稳定运行的作用不仅取决于其装设地点和容量选择，更受到所选择的控制方法的影响。目前，UPFC装置所使用的线性控制方法主要有PID控制方法、直接线性化方法等。众所周知，线性化方法的基本思想是通过消除所考虑***的内部非线性特性来得到一个反馈等效的线性***，这种线性化很可能破坏了对***动态性能有用的***原有的物理结构特性。近年来，UPFC的非线性控制方法获得了广泛研究，主要有反馈线性化方法[1，2]直接Lyapunov有限时间控制方法[3]、滑膜变结构控制方法[4]、广义哈密顿函数方法[5]等，这些方法都不同程度地提高了电力***的暂态稳定性和振荡阻尼。
而UPFC***是一个非线性***，在建模时就存在建模误差，并且UPFC装置在运行的过程中经常受到外界不确定干扰的影响，因此，当***受到外界较大干扰以及运行点发生大范围波动时，(反馈)线性化控制器难以提供满意的控制效果。直接Lyapunov有限时间控制方法和滑膜变结构控制方法是不连续控制方法，不能保留UPFC***的非线性物理结构特性，容易发生“抖振”现象。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种统一潮流控制器新型非线性鲁棒控制***，该统一潮流控制器新型非线性鲁棒控制***通过测量模块的信号输出端依次通过信号模拟变换模块、比较模块、状态空间转换模块、中央控制模块、状态空间逆变换模块、电压源换流器闸门触发和控制模块与UPFC模块的信号输入端连接，UPFC模块的信号输出端与输电***相连组成UPFC的新型非线性鲁棒控制***。
本发明通过以下技术方案得以实现。
本发明提供的一种统一潮流控制器新型非线性鲁棒控制***，包括测量模块、信号模拟变换模块、比较模块、状态空间转换模块、中央控制模块、状态空间逆变换模块、电压源换流器闸门触发和控制模块以及UPFC模块，所述测量模块的信号输出端依次通过信号模拟变换模块、比较模块、状态空间转换模块与中央控制模块的信号输入端连接，所述中央控制模块的信号输出端依次通过状态空间逆变换模块、电压源换流器闸门触发和控制模块与UPFC模块的信号输入端连接，所述UPFC模块输出信号调节输电***的潮流分布。
所述测量模块从输电***中采集建立UPFC***的状态空间模型所需的物理量。
所述信号模拟变换模块将测量模块输出的物理量滤波后从abc坐标的变量变换到dp0坐标的变量。
所述比较模块求出UPFC***的局部平衡点及其与测量值的偏差信号。
所述状态空间转换模块将比较模块输出的偏差信号建立UPFC***的状态空间数学模型，并将模型输出信号传输到中央控制模块。
所述中央控制模块调用控制算法，得到非线性鲁棒控制律，并输送到状态空间逆变换模块。
所述状态空间逆变换模块将非线性鲁棒控制律转换成为相关物理量输送到电压源换流器闸门触发和控制模块。
所述电压源换流器闸门触发和控制模块将非线性鲁棒控制律计算出的触发角信号转化成相应的触发脉冲信号后和脉宽调制比信号发送到UPFC模块。
一种统一潮流控制器新型非线性鲁棒控制***的控制方法，包括以下步骤：
(1)所述测量模块采集***接入点处发送端母线电压Vs∠θs＝Vsd+jVsq和接收端母线电压Vr∠θr＝Vrd+jVrq，并联变压器电流I1＝id1+jiq1，串联变压器电流I2＝id2+jiq2，直流侧电容器电压Vdc，电力***的频率ω，并联变压器电流的初始值
(2)所述信号模拟变换模块首先通过滤波器将包含在所采集模拟信号中的干扰信号滤除掉，然后再利用Park变换器，将滤波后的物理量从abc坐标下的变量变换到dp0坐标下的变量；
(3)所述比较模块读取存储在比较模块的微处理器中的物理量：并联变压器的阻抗Rs1和感抗Ls1，串联变压器的阻抗Rs2和感抗Ls2，直流环节的损耗Rdc和电容Cdc，电力***的基准频率ωs，统一潮流控制器***的串联变压器部分的期望有功功率Pr *和期望无功功率直流环节电容器的期望电压发送端交流母线期望参考电压Vs *；
(4)所述比较模块的微处理器计算***的局部平衡点
其中k>0，其中由外部直接给定；
(5)所述比较模块的微处理器计算偏差信号变量：
(6)所述状态空间转换模块的微处理器计算参数变量：
(7)所述状态空间转换模块的微处理器构建在标幺值条件下***的状态空间模型：
其中，
ud1＝k1cos(α1+θs),uq1＝k1sin(α1+θs),ud2＝k2cos(α2+θs),uq2＝k2sin(α2+θs)，[ε1ε2 ε3 ε4]T是***外部干扰信号；
(8)所述中央控制模块是一个微处理器，包含非线性鲁棒控制器，执行非线性鲁棒控制律：
其中，ri＞0(i＝1,2,3,4)，
所述中央控制模块的微处理器在UPFC***发生扰动和稳定运行时进行有效计算；
(9)所述状态空间逆变换模块将非线性鲁棒控制律转换成换流器闸门触发角和脉宽调制比信号输出发送到换流器闸门触发和控制模块：
(10)所述换流器闸门触发和控制模块将非线性鲁棒控制律计算出的触发角信号a1和a2转换成相应相位的触发脉冲信号和调制比信号k1和k2后一起发送到UPFC模块，UPFC模块输出信号调节输电***的潮流分布。
本发明的有益效果在于：基于哈密顿能量函数方法，能够充分保留被控对象UPFC的非线性物理结构特性，所设计的控制器是连续控制器，不会发生“抖振”现象，有效地提高了电力***的暂态稳定性和振荡阻尼，对于基于电压源换流器的一类FACTS设备，只需要对现有中央控制模块中的参数和变量及其维数进行合理修改，即可实现非线性鲁棒控制，本发明提供的非线性鲁棒控制方法是一种连续控制方法，不需要利用边界函数，不仅能够充分保持和利用被控制对象UPFC的非线性物理结构特性，而且能够对UPFC实现实时控制。
附图说明
图1是本发明的原理框图；
图2是图1中UPFC的新型非线性鲁棒控制***图。
具体实施方式
下面进一步描述本发明的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。
如图1和图2所示的一种统一潮流控制器新型非线性鲁棒控制***，包括测量模块、信号模拟变换模块、比较模块、状态空间转换模块、中央控制模块、状态空间逆变换模块、电压源换流器闸门触发和控制模块以及UPFC模块，所述测量模块的信号输出端依次通过信号模拟变换模块、比较模块、状态空间转换模块与中央控制模块的信号输入端连接，所述中央控制模块的信号输出端依次通过状态空间逆变换模块、电压源换流器闸门触发和控制模块与UPFC模块的信号输入端连接，所述UPFC模块输出信号调节输电***的潮流分布。
所述测量模块从输电***中采集建立UPFC***的状态空间模型所需的物理量。电压传感器、锁相环、测频器，用于从UPFC装置的接入点处提取UPFC发送端交流母线电压Vs∠θs＝Vsd+jVsq和接收端母线电压Vr∠θr＝Vrd+jVrq，并联变压器电流I1＝id1+jiq1，串联变压器电流I2＝id2+jiq2，直流侧电容器电压Vdc，电力***的频率ω，并联变压器电流的初始值
所述信号模拟变换模块将测量模块输出的物理量滤波后从abc坐标的变量变换到dp0坐标的变量。
所述比较模块求出UPFC***的局部平衡点及其与测量值的偏差信号。
所述状态空间转换模块将比较模块输出的偏差信号建立UPFC***的状态空间数学模型，并将模型输出信号传输到中央控制模块。
所述中央控制模块调用控制算法，得到非线性鲁棒控制律，并输送到状态空间逆变换模块。
所述状态空间逆变换模块将非线性鲁棒控制律转换成为相关物理量输送到电压源换流器闸门触发和控制模块。状态空间逆变换模块将非线性鲁棒控制律转换物理量—(k1,α1)、(k2,α2)发送到电压源换流器闸门触发和控制模块。
所述电压源换流器闸门触发和控制模块将非线性鲁棒控制律计算出的触发角信号转化成相应的触发脉冲信号后和脉宽调制比信号发送到UPFC模块。电压源换流器闸门触发和控制模块将α1、α2转化成相应相位的触发脉冲信号后和脉宽调制比信号k1、k2一起发送到UPFC模块，实现UPFC装置对电力***的潮流控制。
一种统一潮流控制器新型非线性鲁棒控制***的控制方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)所述测量模块采集***接入点处发送端母线电压Vs∠θs＝Vsd+jVsq和接收端母线电压Vr∠θr＝Vrd+jVrq，并联变压器电流I1＝id1+jiq1，串联变压器电流I2＝id2+jiq2，直流侧电容器电压Vdc，电力***的频率ω，并联变压器电流的初始值
(2)所述信号模拟变换模块首先通过滤波器将包含在所采集模拟信号中的干扰信号滤除掉，然后再利用Park变换器，将滤波后的物理量从abc坐标下的变量变换到dp0坐标下的变量；
(3)所述比较模块读取存储在比较模块的微处理器中的物理量：并联变压器的阻抗Rs1和感抗Ls1，串联变压器的阻抗Rs2和感抗Ls2，直流环节的损耗Rdc和电容Cdc，电力***的基准频率ωs，统一潮流控制器***的串联变压器部分的期望有功功率Pr *和期望无功功率直流环节电容器的期望电压发送端交流母线期望参考电压Vs *；
(4)所述比较模块的微处理器计算***的局部平衡点
其中k>0，其中由外部直接给定；
(5)所述比较模块的微处理器计算偏差信号变量：
(6)所述状态空间转换模块的微处理器计算参数变量：
(7)所述状态空间转换模块的微处理器构建在标幺值条件下***的状态空间模型：
其中，
ud1＝k1cos(α1+θs),uq1＝k1sin(α1+θs),ud2＝k2cos(α2+θs),uq2＝k2sin(α2+θs)，[ε1ε2 ε3 ε4]T是***外部干扰信号；
(8)所述中央控制模块是一个微处理器，包含非线性鲁棒控制器，执行非线性鲁棒控制律：
其中，ri＞0(i＝1,2,3,4)，
所述中央控制模块的微处理器在UPFC***发生扰动和稳定运行时进行有效计算；
(9)所述状态空间逆变换模块将非线性鲁棒控制律转换成换流器闸门触发角和脉宽调制比信号输出发送到换流器闸门触发和控制模块：
(10)所述换流器闸门触发和控制模块将非线性鲁棒控制律计算出的触发角信号a1和a2转换成相应相位的触发脉冲信号和调制比信号k1和k2后一起发送到UPFC模块，UPFC模块输出信号调节输电***的潮流分布。
换流器闸门触发和控制模块将非线性鲁棒控制律计算出的触发角信号a1和a2转换成相应相位的触发脉冲信号后和调制比信号k1和k2一起发送到UPFC模块，完成UPFC的实时控制，提高电力***的暂态稳定性和振荡阻尼。
基于哈密顿能量函数方法，能够充分保留被控对象UPFC的非线性物理结构特性，所设计的控制器是连续控制器，不会发生“抖振”现象，有效地提高了电力***的暂态稳定性和振荡阻尼，对于基于电压源换流器的一类FACTS设备，只需要对现有中央控制模块中的参数和变量及其维数进行合理修改，即可实现非线性鲁棒控制，本发明提供的非线性鲁棒控制方法是一种连续控制方法，不需要利用边界函数，不仅能够充分保持和利用被控制对象UPFC的非线性物理结构特性，而且能够对UPFC实现实时控制。
Claims (8)
1.一种统一潮流控制器新型非线性鲁棒控制***的控制方法，所述控制***包括测量模块、信号模拟变换模块、比较模块、状态空间转换模块、中央控制模块、状态空间逆变换模块、电压源换流器闸门触发和控制模块以及UPFC模块，其特征在于：所述测量模块的信号输出端依次通过信号模拟变换模块、比较模块、状态空间转换模块与中央控制模块的信号输入端连接，所述中央控制模块的信号输出端依次通过状态空间逆变换模块、电压源换流器闸门触发和控制模块与UPFC模块的信号输入端连接，所述UPFC模块输出信号调节输电***的潮流分布；其具体控制方法步骤如下：
(1)所述测量模块采集***接入点处发送端母线电压Vs∠θs＝Vsd+jVsq和接收端母线电压Vr∠θr＝Vrd+jVrq，并联变压器电流I1＝id1+jiq1，串联变压器电流I2＝id2+jiq2，直流侧电容器电压Vdc，电力***的角频率ω，并联变压器电流的初始值
(2)所述信号模拟变换模块首先通过滤波器将包含在所采集模拟信号中的干扰信号滤除掉，然后再利用Park变换器，将滤波后的物理量从abc坐标下的变量变换到dp0坐标下的变量；
(3)所述比较模块读取存储在比较模块的微处理器中的物理量：并联变压器的阻抗Rs1和感抗Ls1，串联变压器的阻抗Rs2和感抗Ls2，直流环节的损耗Rdc和电容Cdc，电力***的基准角频率ωs，统一潮流控制器***的串联变压器部分的期望有功功率和期望无功功率直流环节电容器的期望电压发送端交流母线期望参考电压
(4)所述比较模块的微处理器计算***的局部平衡点
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其中，
ud1＝k1cos(α1+θs),uq1＝k1sin(α1+θs),ud2＝k2cos(α2+θs),uq2＝k2sin(α2+θs)，
[ε1 ε2 ε3 ε4]T是***外部干扰信号；
(8)所述中央控制模块是一个微处理器，包含非线性鲁棒控制器，执行非线性鲁棒控制律：
<mfenced open = "{" close = "">
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其中，ri＞0 i＝l,2,3,4，
所述中央控制模块的微处理器在UPFC***发生扰动和稳定运行时进行有效计算；
(9)所述状态空间逆变换模块将非线性鲁棒控制律转换成换流器闸门触发角和脉宽调制比信号输出发送到换流器闸门触发和控制模块：
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(10)所述换流器闸门触发和控制模块将非线性鲁棒控制律计算出的触发角信号a1和a2转换成相应相位的触发脉冲信号和调制比信号k1和k2后一起发送到UPFC模块，UPFC模块输出信号调节输电***的潮流分布。
2.如权利要求1所述的统一潮流控制器新型非线性鲁棒控制***的控制方法，其特征在于：所述测量模块从输电***中采集建立UPFC***的状态空间模型所需的物理量。
3.如权利要求1所述的统一潮流控制器新型非线性鲁棒控制***的控制方法，其特征在于：所述信号模拟变换模块将测量模块输出的物理量滤波后从abc坐标的变量变换到dp0坐标的变量。
4.如权利要求1所述的统一潮流控制器新型非线性鲁棒控制***的控制方法，其特征在于：所述比较模块求出UPFC***的局部平衡点及其与测量值的偏差信号。
5.如权利要求1所述的统一潮流控制器新型非线性鲁棒控制***的控制方法，其特征在于：所述状态空间转换模块将比较模块输出的偏差信号建立UPFC***的状态空间数学模型，并将模型输出信号传输到中央控制模块。
6.如权利要求1所述的统一潮流控制器新型非线性鲁棒控制***的控制方法，其特征在于：所述中央控制模块调用控制算法，得到非线性鲁棒控制律，并输送到状态空间逆变换模块。
7.如权利要求1或6所述的统一潮流控制器新型非线性鲁棒控制***的控制方法，其特征在于：所述状态空间逆变换模块将非线性鲁棒控制律转换成为相关物理量输送到电压源换流器闸门触发和控制模块。
8.如权利要求1所述的统一潮流控制器新型非线性鲁棒控制***的控制方法，其特征在于：所述电压源换流器闸门触发和控制模块将非线性鲁棒控制律计算出的触发角信号转化成相应的触发脉冲信号后和脉宽调制比信号发送到UPFC模块。
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