CN1560980A - 带超导储能装置的电力***暂态稳定控制方法 - Google Patents

Abstract

带超导储能装置的电力***暂态稳定控制方法属于电力***基于电流型逆变器的暂态稳定控制技术领域，其特征在于它提出了带有超导储能装置的电力***动态模型，它通过引入外部干扰得到该***的鲁棒控制模型，再应用线性化方法和线性H_∞控制理论以在虑及***内在非线性本质的基础上抑制外部干扰，它可大大提高电力***的传输极限及其安全性，增强***的暂态稳定性，减少由于故障或者其它原因导致的电力***频率失稳或电压崩溃的事故。

Description

带超导储能装置的电力***暂态稳定控制方法

技术领域

本发明属于电力***暂太稳定控制技术领域，尤其涉及超导储能***在电力***暂态稳定控制中的应用技术领域。

背景技术

超导蓄能技术目前主要应用于UPS(不间断电源)方面。由于缺乏可靠的控制方法，UPS电源一般容量较小，不能适用于电力***暂态稳定控制。而实际上电力***发生暂态稳定问题时往往需要瞬时注入大量有功功率，以弥补切除发电机后出现的有功供应不足的问题，在此背景下，本发明提出了超导储能***的非线性鲁棒控制技术，可以有效的解决以上问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种实验性的带超导储能装置的电力***暂态稳定控制方法。

                  本发明的特征在于：它是在一个由电力网、变压器、电流型逆变器和超导储能装置级联的***中，通过一台计算机采用空间矢量PWM调制方法来控制上述逆变器中双桥并联拓扑结构的逆变桥来实现的，依次含有以下步骤：

(1)、把基于电流型逆变器的超导储能装置安装在电力***的发电侧；

(2)、建立电流型超导储能装置的二阶动态模型：

其中：

    i_p为有功电流，

    i_q为无功电流，

T′是控制环的时间常数，

    u_ip是等效有功控制量，

    u_iq是等效无功控制量。

(3)、在忽视发电机动态过程、采用恒定励磁控制的条件下，建立下述发电机模型：

$\mathrm{\Δ}\stackrel{\·}{\mathrm{\δ}}={\mathrm{\ω}}_0\mathrm{\Δ\ω}$

$\mathrm{\Δ}\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}=\frac{1}{M}(P_m-P_e)-\frac{D}{M}\mathrm{\Δ\ω}$

其中：

    Δδ是发电机转子角度差，

    Δω是发电机角转速差，

    ω₀是发电机同步角速度，

    M是发电机转动惯量，

    P_m是输入功率，

    P_e是电磁功率，

    D是阻尼系数。

(4)、建立带超导储能装置的电力***模型；

(4.1)以超导储能装置接入***的接入点电压和相位为参考量，得到：

      P_e＝P_L+P_s

      ΔV_s≈-X_ci_q

其中：

    P_e是电磁功率，

    P_L是输电线上的有功功率，

    P_s是超导装置的有功功率，

    ΔV_s是接入点电压与设定值之差，

    X_c是等效短路电抗。

(4.2)建立上述全***的模型：

其中：

    w1和w2属于L2空间，L2空间定义如下： $L_{2\mathrm{space}}=\{f:R\&RightArrow;R^n|{\&Integral;}_0^{\&infin;}{f}^T\mathrm{fdt}<+\&infin;\},$

    δ是转子角度，

    H是发电机转动惯量，等于M，

    P是有功功率，

    V_s是接入点电压，

    T是计算时间常数，等于T′。

(5)、用下述方法求解u_ip，u_iq：

(5.1)设置预反馈通道，通过变量代换的方法简化全***方程；

(5.2)用线性H_∞控制理论使线性***实现次最优鲁棒控制；

(5.3)求得原非线性***中u_ip，u_iq控制规律；

(6)、考虑到超导储能***的交流输出滤波器的影响后，对上述u_ip，u_iq进行修正。

本发明将超导储能***用于电力***暂态稳定性的控制，以提高电力***暂态频率稳定性和暂态电压稳定性，提高远距离电能传输能力和动态安全性。

附图说明

图1、本发明的原理示意图。

图2、基于电流型逆变器的超导储能装置的主电路拓扑图。

图3、本发明所述***的连接关系图。

图4、超导储能装置控制器结构图。

具体实施方式：

超导储能***主电路及PWM调制方式：

●直流端采用超导储能线圈，真空杜瓦，超导线圈如果采用低温超导材料，可以使用液氦进行冷却，如果采用高温超导材料可以采用空冷；

●变流器一般采用电流型AC/DC变流器；

●为减少谐波可以采用双桥并联拓扑结构；

●通过变压器与***并联联结；

●变流桥采用空间PWM调制。

整个***及其与***的联结可以用附图3表示。

主控芯片采用TI公司的TSM32DSP浮点DSP专用芯片，STD总线设置，采用结构化设计方法，控制器结构如附图4。

本发明提出了新的基于电流型变流器的SMES的动态模型，在综合分析电力***动态特性的基础上，得到了带有SMES装置的电力***动态模型，通过外部干扰的引入得到了该***的鲁棒控制模型，精确线性化方法和线性H_∞控制理论被应用于SMES的非线性鲁棒控制器的设计，用于考虑了***内在的非线性本质以及对外部干扰的抑制，该技术可以大大提高电力***的传输极限及其安全性，增强***的暂态频率稳定性和暂态电压稳定性，减少由于故障或者其它原因造成电力***频率失稳或者电压崩溃的事故。

本技术将基于电流型逆变器的超导储能装置安装于电力***的发电侧，通过合理控制超导储能***瞬时吸收或者发出有功功率、无功功率从而达到增强***暂态稳定性的作用，其基本示意图如附图1所示。

基于电流型逆变器的超导储能***的结构示意图如附图2所示。

***的标幺制模型可以写成以下的形式：

这里，ip，iq分别是有功无功电流；Vs是交流侧电压；Rd是超导线圈及引线电阻；Ld是超导线圈电抗。

一般情况下，调制比M和触发角α可以分别由一阶惯性环节表示：

T是控制环的时间常数，uM和uα是M和α的控制输入，通过代数和微分运算可得：

这里，T′＝TL_d/(L_d+TR_d)。在以下的部分，为简单起见，直接用T代替T′，这样得到了电流型超导储能***的等效二阶动态模型，有功和无功电流的控制输入变为u_ip和u_iq。

不考虑发电机调速器动态，励磁器采用恒定励磁控制，此时发电机可以用经典2阶动态模型表示：

$\mathrm{\&Delta;}\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&delta;}}={\mathrm{\&omega;}}_0\mathrm{\&Delta;\&omega;}$

$\mathrm{\&Delta;}\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&omega;}}=\frac{1}{M}(P_m-P_e)-\frac{D}{M}\mathrm{\&Delta;\&omega;}$

***采用图1所示一个带超导储能装置的电力***。选取超导储能装置接入***的接入点电压相位作为参考相位，按照如图2的参考方向可得***的电气关系如下：

P_e＝P_L+P_s

ΔV_s≈-X_ci_q

这里Xc是***在SMES接入点的短路电抗。为了保证SMES接入点电压的稳态精度，选取一个附加的反馈信号：

$z={\&Integral;}_0^t\mathrm{\&Delta;}{V}_s\mathrm{d\&tau;}$

联立上述方程，最后可得到全***的数学模型：

任何实际运行的***，都会受到不确定的外部干扰的影响，这里只引入对于有功功率的扰动w1和对电压的扰动w2，于是有：

模型输出选取为：y＝C[Δδ Δω ΔP ΔV_s z]。这里w1和w2属于L2空间。L2空间定义如下： $L_{2\mathrm{space}}=\{f:R\&RightArrow;R^n\{{\&Integral;}_0^{\&infin;}{f}^T\mathrm{fdt}<+\&infin;\}.$

非线性鲁棒控制设计步骤：

第一步：反馈线性化设计

设置预反馈通道为：

再设置变量代换：

***方程可以化为：

第二步：线性Hoo设计

利用线性H∞控制理论来解决此线性***的次最优鲁棒控制问题，即对于给定的正数λ，选取合适的正定对称阵P^*使下述黎卡得方程成立

$A^{T}P+\mathrm{PA}+\frac{1}{{\mathrm{\&lambda;}}^2}P{B}_2{B}_2^{T}P-{\mathrm{PB}}_1{B}_1^{T}P+C^{T}C=0$

且 $A+\frac{1}{{\mathrm{\&lambda;}}^2}{B}_2{B}_2^T{P}^{*}-B_1{B}_1^T{P}^{*}$ 为稳定矩阵，则有：

$v^{*}=-B_1^T{P}^{*}x=-K^{*}x$

展开得到：

这里，pij是正定对称阵P^*第i行第j列的元素。

第三步：求解原非线性***控制规律

将线性化***的H∞控制规律代回到第一步中的预制反馈并施以逆变换，可得原非线性***的控制规律：

该式显式地给出了SMES的非线性鲁棒控制规律

第四步：工程实用化改进

一般在超导储能***的交流输出上都需要有滤波器，滤波电阻会造成一定的损耗，而电流源型变流器所必须滤波电容本身会向***发出无功，这跟进行控制器设计中的假设是不相符合的，可以采用比较简单实用的方法进行修正。对于有功电流控制环来说，需要再加入内环稳流环节来补偿滤波电阻以及开关等原因造成的损耗，一般来说加入直流电流偏差反馈的PI环节即可。当然，为了避免与有功电流控制产生冲突，内环作用要尽量减弱，在动态过程中与原有的控制作用在时间上解耦。对于无功电流控制环来说，支撑电容所发出的无功可以直接在控制环中补偿。最终的实用控制规律为：

其中， $k_p\mathrm{\&Delta;}{I}_d+k_l{\&Integral;}_0^t\mathrm{\&Delta;}{I}_d\mathrm{d\&tau;}+k_n{i}_p$ 为加入的内环稳流环节，k_p和k_l分别为比例和积分系数，k_n是为调节内环作用强度的系数。

Claims (1)

1、带超导储能装置的电力***暂态稳定控制方法，其特征在于：它是在一个由电力网、变压器、电流型逆变器和超导储能装置级联的***中，通过一台计算机采用空间矢量PWM调制方法来控制上述逆变器中双桥并联拓扑结构的逆变桥来实现的，依次含有以下步骤：

(1)、把基于电流型逆变器的超导储能装置安装在电力***的发电侧；

(2)、建立电流型超导储能装置的二阶动态模型：

其中：

    i_p为有功电流，

    i_q为无功电流，

    T′是控制环的时间常数，

    u_ip是等效有功控制量，

    u_iq是等效无功控制量。

(3)、在忽视发电机动态过程、采用恒定励磁控制的条件下，建立下述发电机模型：

$\mathrm{\&Delta;}\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&delta;}}={\mathrm{\&omega;}}_0\mathrm{\&Delta;\&omega;}$

$\mathrm{\&Delta;}\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&omega;}}=\frac{1}{M}(P_m-P_e)-\frac{D}{M}\mathrm{\&Delta;\&omega;}$

其中：

 Δδ是发电机转子角度差，

 Δω是发电机角转速差，

 ω₀是发电机同步角速度，

 M是发电机转动惯量，

 P_m是输入功率，

 P_e是电磁功率，

 D是阻尼系数。

(4)、建立带超导储能装置的电力***模型；

(4.1)以超导储能装置接入***的接入点电压和相位为参考量，得到：

         P_e＝P_L+P_s

         ΔV_s≈-X_ci_q

其中：

    P_e是电磁功率，

    P_L是输电线上的有功功率，

    P_s是超导装置的有功功率，

    ΔV_s是接入点电压与设定值之差，

    X_c是等效短路电抗。

(4.2)建立上述全***的模型：

其中：

w1和w2属于L2空间，L2空间定义如下： $L_{2\mathrm{space}}=\{f:R\&RightArrow;R^n|{\&Integral;}_0^{\&infin;}{f}^T\mathrm{fdt}<+\&infin;\},$

δ是转子角度，

H是发电机转动惯量，等于M，

P是有功功率，

V_s是接入点电压，

T是计算时间常数，等于T′。

(5)、用下述方法求解u_ip，u_iq：

(5.1)设置预反馈通道，通过变量代换的方法简化全***方程；

(5.2)用线性H_∞控制理论使线性***实现次最优鲁棒控制；

(5.3)求得原非线性***中u_ip，u_iq控制规律；

(6)、考虑到超导储能***的交流输出滤波器的影响后，对上述u_ip，u_iq进行修正。

Images