附加干扰观测器的upfc抖振控制方法

文档序号:9550304阅读:518来源:国知局
附加干扰观测器的upfc抖振控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及抑制统一潮流控制器干扰后抖振的控制方法,用以提高统一潮流控制 器的暂态稳定性。属于电力电子控制技术领域。
【背景技术】
[0002] 统一潮流控制器(UPFC)作为一种串、并联混合型FACTS元件能够对受控输电线上 的潮流分配和节点电压灵活进行控制,其基本组成模块静止同步补偿器(STATC0M)和静止 同步串联补偿器(SSSC)以及中间的直流电容。
[0003]UPFC的稳态控制国内外已经研究的较多,然而由于UPFC在运行时换流阀的高速 关断和导通会导致控制系统存在扰动,另外在交流系统发生故障或者扰动时导致系统的边 界条件发生变化,传统的PI控制调节时间慢而且对于扰动的跟踪性能不佳,可能导致系统 在一个周期内暂态失稳,进一步有可能引起换流阀的触发脉冲异常。这种暂态的扰动在电 网环境恶劣的情况下可能激发UPFC的系统异常甚至崩溃,如果UPFC容量选择不当甚至有 可能引起串联交流系统的振荡和失稳。而如果采用干扰观测器,对系统的扰动进行控制,在 系统状态切换时,通过既定的控制策略自动调节UPFC的控制量,减少换相失败的时间甚至 防止发生换相失败,就可以充分利用UPFC系统调节的快速性,对交流系统进行紧急功率支 援,或在故障后帮助交流系统快速恢复,减弱交流系统振荡,抑制系统扰动,保证两侧电网 安全稳定的运行。所以研究统一潮流控制器干扰和抖振的控制方法,为统一潮流控制控制 系统的工程应用提供技术支持和有利参考,具有巨大的经济价值和应用前景。
[0004]滑模变结构控制是自动控制系统的一种设计方法,适用于线性和非线性系统、连 续和离散系统、确定性和不确定性系统、集中参数与分布参数系统、集中控制与分散控制 等。这种控制方法通过控制量的切换使系统状态沿着滑模面滑动,使系统在受到参数摄动 和外干扰时具有不变性、正是这种特性使得变结构控制方法受到各国学者的重视。由于滑 模变结构控制算法简单、鲁棒性好和可靠性高,故被广泛用于运动控制中,尤其被用于可建 立精确数学模型的确定性控制系统中。
[0005]然而,滑模变结构控制的最大缺点是抖振,由于抖振的存在,会激发起系统中的高 频为建模动态,从而导致控制系统崩溃。消除抖振的常规做法是边界层控制,然而边界宽度 的界定影响了控制器的鲁棒性,边界过宽虽然消除了抖振缺削除了滑模变结构的强鲁棒性 的优点,因此,鲁棒性和控制精度能够同时最优是减弱抖振影响的最终目标。
[0006] 目前已经采用的UPFC换流器控制方法主要是基于经典PI控制理论,对系统数学 建模的要求很高,不易得到满意的控制效果,而且鲁棒性不强。

【发明内容】

[0007]本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷,提供一种附加干扰观测器的UPFC抖振控制方法,能够快速有效地控制受控输电线路的有功、无功功率,提高系统在受到 扰动后的稳定性。
[0008] 为解决上述技术问题,本发明提供一种附加干扰观测器的UPFC抖振控制方法,其 特征是,包括以下步骤:
[0009] (1)建立统一潮流控制器UPFC并联侧和串联侧系统在两相旋转坐标系下的二阶 耦合系统状态方程,并选择状态方程的对应的电网模型参数;
[0010] (2)对并联侧和串联侧系统进行前馈解耦,化简串联侧、并联侧二阶耦合系统状态 方程为单输入单输出的一阶通用系统状态方程,在系统存在扰动的情况下,建立包含扰动 状态变量的二阶通用扰动系统状态方程;
[0011] (3)引入新的干扰估计状态变量,设计并联侧和串联侧系统二阶干扰观测器,通过 极点配置增益,结合二阶通用扰动系统建立含干扰观测器的4阶通用扰动估计系统状态方 程;
[0012] (4)根据滑模变结构控制方法,选择一阶线性滑模变结构切换函数,设计含干扰观 测器的4阶通用扰动估计系统滑模变结构控制器;
[0013] (5)对4阶通用扰动估计系统滑模变结构控制器进行Lyapunov稳定性分析,根据 稳定性要求确定滑模变结构控制器参数。
[0014] 将在传统的UPFC滑模变结构控制中附加干扰观测器,通过前馈解耦化简系统,弓丨 入二阶干扰观测器建立4阶扰动估计系统,通过极点配置优化干扰观测器增益参数,采用 一阶线性滑模变结构控制方法对4阶扰动估计系统进行控制,同时采用Lyapunov稳定性分 析方法整定滑模变结构控制器参数,在并联侧和串联侧换流器中采用该控制方法,能够降 低动态响应过程中切换项的增益,从而降低抖振,具有相应速度快、鲁棒性强的优点,同时 结构简单、易于实现。
[0015] 本发明所达到的有益效果:
[0016] 本发明根据国内尚未有滑模变结构控制的实际工程的情况,并结合滑模变结构控 制鲁棒性强和收敛速度快的优势,提出基于滑模变结构控制的UPFC换流器控制方法,同时 考虑了系统由于开关函数抖振产生的扰动,设计了干扰观测器,从而降低了UPFC动态响应 中的抖振。通过与不含干扰观测器的控制方法比较,表明该方法能够快速有效地控制受 控输电线路的有功、无功功率,提高系统在受到扰动后的稳定性,从而保证电网安全稳定运 行。
[0017] 本发明的方法建立了并联侧和串联侧耦合系统的耦合状态空间,通过前馈解耦简 化了系统,引入反映系统扰动和控制切换造成抖振的二阶干扰观测器,结合解耦简化系统 建立计及扰动的4阶状态估计空间,采用滑模变结构控制的方法,设计一阶线性滑模变结 构控制器对4阶状态估计系统进行控制,可以实现状态变量的独立控制,实现系统潮流控 制的功能;另外,在动态特性上面,滑模变结构控制具有极强的鲁棒性,能够提高系统暂态 稳定性,具有较强的系统阻尼特性和快速的误差扰动平息特性,对UPFC接入的电力系统的 安全稳定运行具有重要的现实意义。本专利提出了附件干扰观测器对干扰估计的滑模变结 构控制的UPFC稳定控制方法,该方法利用现代控制理论的原理将统一潮流控制器系统数 学模型转化为状态空间,设计了结构简单、易于实现和运行可靠的滑模变结构控制器。该方 法能够实现功率的解耦控制,在系统扰动和控制切换时依然可以为系统提供很大的阻尼, 快速抑制系统振荡,维持系统状态变量在目标值,同时具有很好的适应性和鲁棒性。本成果 弥补了国内在这一领域的空白,也为统一潮流控制器稳定控制系统的改进提供了必要的技 术支持和有利参考。
【附图说明】
[0018] 图1并联侧等值电路;
[0019] 图2串联侧等值电路;
[0020] 图3并联侧控制原理框图;
[0021 ] 图4串联侧控制原理框图;
[0022] 图5两机双线含UPFC输电系统拓扑结构;
[0023] 图6附加干扰观测器前误差状态响应;
[0024] 图7附加干扰观测器前控制器输出;
[0025] 图8附加干扰观测器后误差状态响应;
[0026] 图9附加干扰观测器后控制器输出。
【具体实施方式】
[0027] 下面结合附图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。
[0028] 本发明的原理具体叙述如下:
[0029] (1)技术方案的第一部分:以滑模变结构控制为基础的干扰观测器需要在解耦的 系统状态空间中进行控制,利用坐标变换分别建立两相旋转坐标系下并联侧和串联侧系统 状态方稈:
[0030]
[0031]
[0032] 其中:iEd、iEq、iBq、iBd是状态变量,uld、ulq、u2d、u2q是控制器输入。
[0033]LjPRE表示UPFC并联变压器以及所连接电抗的等效电感和电阻,iEd和iEq分别 为UPFC并联侧输出电流坐标分量,usd和usq分别为电网送端母线电压,uld和ulq为UPFC并 联变流器的输出电压,ω是角速度。
[0034]LjP1^分别表示UPFC串联变压器所连接电抗的等效电感和电阻,iBd和iBq分别 表示线路及UPFC串联侧流过的电流坐标分量,u2d和u2q为UPFC串联变流器的输出电压,uBd 和uBq分别为串联换流器的交流侧输出电压。
[0035] 并联侧和串联侧等值电路图如图1和图2所示。
[0036] (2)技术方案的第二部分:状态空间是二阶的,为了简化控制将c〇LEiEq+usd 和-c〇LEiEd+usq分别作为输入的前馈补偿,则iEd和iEq是解耦的,⑴可以转化为两个一阶 状态方程,设x;!=iEd,x2=iEq,4= (c〇LEiEq+usd-uld)/LE,u2= (-c〇LEiEd+usq-ulq)/LE考虑 并联换流器系统存在扰动f,则(1)可以转化成含扰动的并联侧系统状态空间方程:
[0037]
[0038]同并联侧的分析,可以建立含扰动的串联侧系统状态空间方程:
[0039]
[0040]其中:x3=iBd,x4=iBq,u3= (c〇LBiBq+uBd+u2d)/LB,u4= (_c〇LBiBd+uBq+u2q)/LB考虑 串联换流器系统存在扰动f。
[0041] 考虑并联侧和串联侧系统(3) (4)具有高度的相似性和形式的一致性,可以将4个 状态方程用一个状态方程表示,设计4个状态方程通用的干扰观测器。将(3) (4)通用表示 为
[0042]
[0043]设X的参考值;为常数,定义误差及其导数,
[0044] χ(=χ~Λ
[0045] ·
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