专利名称：带超导储能装置的电力系统暂态稳定控制方法
技术领域：
本发明属于电力系统暂太稳定控制技术领域，尤其涉及超导储能系统在电力系统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，不能适用于电力系统暂态稳定控制。而实际上电力系统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系统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系统暂态稳定控制方法。
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系统中，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系统的发电侧；(2)、建立电流型超导储能装置的二阶动态模型 其中ip为有功电流，iq为无功电流，T′是控制环的时间常数，uip是等效有功控制量，uiq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Δδ·=ω0Δω]]>Δω·=1M(Pm-Pe)-DMΔω]]>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，Pm是输入功率，Pe是电磁功率，D是阻尼系数。
(4)、建立带超导储能装置的电力系统模型；(4.1)以超导储能装置接入系统的接入点电压和相位为参考量，得到Pe＝PL+PsΔVs≈-Xciq其中Pe是电磁功率，PL是输电线上的有功功率，Ps是超导装置的有功功率，ΔVs是接入点电压与设定值之差，Xc是等效短路电抗。
(4.2)建立上述全系统的模型 其中w1和w2属于L2空间，L2空间定义如下L2space={f:R→Rn|∫0∞fTfdt<+∞},]]>δ是转子角度，H是发电机转动惯量，等于M，P是有功功率，Vs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uip，uiq(5.1)设置预反馈通道，通过变量代换的方法简化全系统方程；(5.2)用线性H∞控制理论使线性系统实现次最优鲁棒控制；(5.3)求得原非线性系统中uip，uiq控制规律；(6)、考虑到超导储能系统的交流输出滤波器的影响后，对上述uip，uiq进行修正。
本发明将超导储能系统用于电力系统暂态稳定性的控制，以提高电力系统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。
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、本发明所述系统的连接关系图。
图4、超导储能装置控制器结构图。
具体实施例方式超导储能系统主电路及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；●通过变压器与系统并联联结；●变流桥采用空间PWM调制。
整个系统及其与系统的联结可以用附图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，在综合分析电力系统动态特性的基础上，得到了带有SMES装置的电力系统动态模型，通过外部干扰的引入得到了该系统的鲁棒控制模型，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，用于考虑了系统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系统的传输极限及其安全性，增强系统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系统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系统的发电侧，通过合理控制超导储能系统瞬时吸收或者发出有功功率、无功功率从而达到增强系统暂态稳定性的作用，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系统的结构示意图如附图2所示。
系统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′＝TLd/(Ld+TRd)。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系统的等效二阶动态模型，有功和无功电流的控制输入变为uip和uiq。
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Δδ·=ω0Δω]]>Δω·=1M(Pm-Pe)-DMΔω]]>系统采用图1所示一个带超导储能装置的电力系统。选取超导储能装置接入系统的接入点电压相位作为参考相位，按照如图2的参考方向可得系统的电气关系如下Pe＝PL+PsΔVs≈-Xciq这里Xc是系统在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=∫0tΔVsdτ]]>联立上述方程，最后可得到全系统的数学模型
任何实际运行的系统，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 ΔVsz]。这里w1和w2属于L2空间。L2空间定义如下L2space={f:R→Rn{∫0∞fTfdt<+∞}.]]>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 系统方程可以化为 第二步线性Hoo设计利用线性H∞控制理论来解决此线性系统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ATP+PA+1λ2PB2B2TP-PB1B1TP+CTC=0]]>
且A+1λ2B2B2TP*-B1B1TP*]]>为稳定矩阵，则有v*=-B1TP*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系统控制规律将线性化系统的H∞控制规律代回到第一步中的预制反馈并施以逆变换，可得原非线性系统的控制规律 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系统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系统发出无功，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，kpΔId+kl∫0tΔIddτ+knip]]>为加入的内环稳流环节，kp和kl分别为比例和积分系数，kn是为调节内环作用强度的系数。
权利要求
1.带超导储能装置的电力系统暂态稳定控制方法，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系统中，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系统的发电侧；(2)、建立电流型超导储能装置的二阶动态模型 其中ip为有功电流，iq为无功电流，T′是控制环的时间常数，uip是等效有功控制量，uiq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Δδ·=ω0Δω]]>Δω·=1M(Pm-Pe)-DMΔω]]>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，Pm是输入功率，Pe是电磁功率，D是阻尼系数。(4)、建立带超导储能装置的电力系统模型；(4.1)以超导储能装置接入系统的接入点电压和相位为参考量，得到Pe＝PL+PsΔVs≈-Xciq其中Pe是电磁功率，PL是输电线上的有功功率，Ps是超导装置的有功功率，ΔVs是接入点电压与设定值之差，Xc是等效短路电抗。(4.2)建立上述全系统的模型 其中w1和w2属于L2空间，L2空间定义如下L2space={f:R→Rn|∫0∞fTfdt<+∞},]]>δ是转子角度，H是发电机转动惯量，等于M，P是有功功率，Vs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uip，uiq(5.1)设置预反馈通道，通过变量代换的方法简化全系统方程；(5.2)用线性H∞控制理论使线性系统实现次最优鲁棒控制；(5.3)求得原非线性系统中uip，uiq控制规律；(6)、考虑到超导储能系统的交流输出滤波器的影响后，对上述uip，uiq进行修正。
全文摘要
带超导储能装置的电力系统暂态稳定控制方法属于电力系统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系统动态模型，它通过引入外部干扰得到该系统的鲁棒控制模型，再应用线性化方法和线性H
文档编号H02J3/28GK1560980SQ200410004470
公开日2005年1月5日 申请日期2004年2月27日 优先权日2003年10月31日
发明者卢强, 梅生伟, 刘锋, 强 卢 申请人:清华大学