一种柔性直流输电系统的变目标控制方法与流程

本发明涉及电力系统柔性直流输电技术领域，具体涉及一种柔性直流输电系统的变目标控制方法。

背景技术：

柔性直流输电的应用场合决定其需要良好的控制性能，要保证其控制系统的稳定性和快速性，在保证直流输电系统的电压和功率稳定的前提下保证潮流的调配灵活和抗干扰能力。柔性直流输电系统的控制方法一般对dq轴电流、电压量进行控制，控制可以分为内环电流控制和外环控制。内环电流控制通过调整换流器的输出电压vd、vq来对id、iq进行跟踪控制。外环控制根据系统所需要的控制模式，如定直流电压、定直流功率、定无功功率等控制方式，根据系统的实际运行状况得到的直流电压、有功功率、无功功率指令值计算得到内环电流控制的id、iq的控制参考值idref和iqref。外环控制是根据所需要的有功和无功参考值以及直流电压参考值，计算内环电流控制的参考值。柔性直流系统在正常运行时，换流器必须要有一端采用定直流电压控制，用于稳定系统的直流电压，并配合定无功功率控制；其他换流站一般采用定有功功率控制和定无功功率控制。

为了解决柔性直流输电换流站控制系统的电流动态响应缓慢、控制系统复杂、鲁棒性不强的问题，根据传统的柔性直流输电技术的双环控制，发明名称为“基于柔性直流输电系统换流站级改进型控制策略”，专利申请公告号为CN 105529731A的中国发明专利提出，在传统的控制方法中，对内环控制数学模型进行简化，用预测控制模型进行代替，无需解耦环节。郑连清等人发表的学术论文“基于三级模糊自适应PI控制的VSC-HVDC控制器设计”(郑连清,池俊锋,陆治国.基于三级模糊自适应PI控制的VSC-HVDC控制器设计[J].电力系统保护与控制,2011,39(23):117-122.)中设计了针对VSC-HVDC的模糊自适应PI控制方法，其改进了系统动稳态性能，减少了在起始阶段的超调，并在稳态时转为PI控制以避免稳态时模糊控制的抖震现象。何大清等人发表的学术论文“基于平坦系统的VSC-HVDC控制”(何大清,蔡旭.基于平坦系统的VSC-HVDC控制[J].电工技术学报,2012(12):233-239.)中利用平坦系统控制理论建立VSC-HVDC的双环控制系统，其特点是不需要精确的数学模型，系统的适应性更强，并提高控制系统的动态性能。

但是，传统的内外环控制和上述根据传统内外环控制进行改进的控制方法都没有克服快速性和超调量的矛盾，并且其PI参数难以整定，没有很好地保证控制系统的鲁棒性、稳定性、快速性。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述现有技术的不足，为解决柔性直流输电系统控制中控制复杂、难以兼顾快速性和超调性、控制系统鲁棒性不强的问题，提供了一种柔性直流输电系统的变目标控制方法。

本发明的目的可以通过如下技术方案实现：

一种柔性直流输电系统的变目标控制方法，所述方法在换流器外环控制输入目标值后添加了一个新的变目标控制环节。

进一步地，所述新的变目标控制环节的函数表达式为：

A＝U0+V*(Aref-U0)

式中A为加入变目标控制环节后的目标值，U0为控制开始前被控制量的初始值，Aref为最终目标值，T为根据系统调节极限设置的调节时间。

进一步地，所述新的变目标控制环节的输出为实数，且随时间变化，在系统的电气量偏离设定的目标值时，开始调整至目标值的时刻，变目标控制器输出值必须要有一个非零的加速度，当到达所设定的调整时间时，变目标环节的输出值的变化速度为零，保证加入的变目标环节不能影响最后系统调整所达到的值，同时由于针对柔性直流输电系统的控制器设计得到的变目标控制函数阶数为三阶，函数满足其二阶导数与三阶导数在调节时间内积分为零，保证函数取正部分与取负部分的面积相等。

进一步地，所述换流器外环控制包括定直流电压控制、定有功功率控制和定无功功率控制，其中，所述的定直流电压控制、定有功功率控制配合dq轴坐标系下的电流id内环控制，定无功功率控制配合dq轴坐标系下的电流iq内环控制。

进一步地，所述新的变目标控制环节变目标控制的开始时间为检测到系统的电压或功率偏移了目标值或者目标值进行了调整时，对双环控制的输入进行变目标控制，控制时间从此时刻进行计算；所述新的变目标控制环节变目标控制的调节时间根据柔性直流输电系统的调节极限来设置，对于针对定直流电压外环控制设计的变目标控制环节，调节时间T需大于柔性直流输电系统直流侧电容3倍的时间常数，或者根据一次设备的状况进行调整；对于针对定有功功率、定无功功率外环控制设计的变目标控制环节，调节时间T根据交流电网稳定性的要求以及输电系统潮流调配的速率设置。

当直流发生故障，监测到直流故障消失后，对恢复过程进行变目标控制，使系统快速恢复到目标值，实现柔性直流系统快速恢复供电。

在直流电压或有功功率、无功功率目标值突变时，对调节过程进行变目标控制，使系统的直流电压或有功功率、无功功率能快速无超调地达到目标值。

进一步地，与所述新的变目标控制环节相配合的外环控制PI环节比例系数设置为导致柔性直流输电系统振荡的临界值Kpmax，比例系数Ki选择0.01，最后能够根据系统的要求进行微调。

进一步地，所述方法适用于所有的柔性直流输电工程，不仅能够用于传统的两电平、三电平的VSC-HVDC，还能够用于模块化多电平MMC-HVDC，且不仅适用于两端的柔性直流输电系统，也能够用于多端柔性直流输电系统的控制。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

本发明所述方法实现了柔性直流输电系统换流器控制目标值的快速且无超调跟踪调节，并且使得换流器双环控制的PI环节参数更容易整定，增强了控制系统的鲁棒性；通过添加的新的变目标控制环节，将输入的目标值分成若干个小目标，使系统逐步渐次达到最终的控制目标，并通过内外环控制的PI环节参数的配合，使系统快速无超调地达到所设定的目标值。

附图说明

图1为柔性直流输电系统外环控制策略控制框图。

图2为柔性直流输电系统电流内环控制策略控制框图。

图3为柔性直流输电系统电流内环控制策略简化控制框图。

图4为柔性直流输电系统的变目标控制策略示意图。

图5为三端柔性直流输电系统拓扑结构图。

图6为模块化多电平换流器拓扑结构图。

图7(a)为三端柔性直流输电系统故障后恢复过程加入变目标控制方法的双环控制策略与经典双环控制策略换流站1直流侧有功功率对比图，图7(b)为三端柔性直流输电系统故障后恢复过程加入变目标控制方法的双环控制策略与经典双环控制策略换流站2直流侧有功功率对比图，图7(c)为三端柔性直流输电系统故障后恢复过程加入变目标控制方法的双环控制策略与经典双环控制策略换流站3直流侧有功功率对比图，图7(d)为三端柔性直流输电系统故障后恢复过程加入变目标控制方法的双环控制策略与经典双环控制策略系统的直流电压对比图。

图8(a)为加入变目标控制环节后三端柔性直流输电系统在相同的目标不同的PI参数下系统的直流电压示意图，图8(b)为加入变目标控制环节后三端柔性直流输电系统在相同的目标不同的PI参数下换流站1直流侧有功功率示意图，图8(c)为加入变目标控制环节后三端柔性直流输电系统在相同的目标不同的PI参数下换流站2直流侧有功功率示意图，图8(d)为加入变目标控制环节后三端柔性直流输电系统在相同的目标不同的PI参数下换流站3直流侧有功功率示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例：

图1为柔性直流输电换流站的控制策略的外环控制的结构，有功类外环控制包括定有功功率控制和定直流电压控制，无功类控制为定无功功率控制。如图1所示，有功类外环控制计算的是id的参考值，无功类外环控制计算的是iq的参考值，并且有功类和无功类的外环控制每个换流站的控制需要选择一种才能实现控制。

图2为内环电流控制的控制框图。当内环电流控制采用PI控制使id、iq跟踪参考值时，可以得到内环控制器输入量的关系式：

vd＝ud+ωL0iq-[kpd(idref-id)+kid∫(idref-id)dt] (1)

vq＝uq-ωL0id-[kpq(iqref-iq)+kiq∫(iqref-iq)dt] (2)

其中下标为ref的为指令参考值，式前两项为内环控制的前馈补偿量，前一项为电网电压干扰信号的补偿，后一项为dq轴电流分量耦合的补偿量，第三项为PI控制环节的负反馈调节。Kp表示是PI环节的比例环节的系数，Ki表示的是积分环节的系数。

由于式(1)、式(2)的前两项前馈补偿量在内环控制内都可以被抵消，所以综合内环电流控制和VSC数学模型，可以得出化简后的内环电流控制，如图3。

为了解决传统双环控制快速性与超调量的矛盾，在换流器外环控制输入目标值后添加了一个新的变目标控制环节，对输入的目标值分成无限多个小的目标值，使系统逐步达到最终的目标，即图4所示，图中虚线框内为变目标控制环节，值随时间变化。在系统的所能达到的极限内合理设置此环节的参数，可以既满足系统快速性，也没有超调量，并且保证控制系统的鲁棒性和适应性。

变目标控制就是在被控量开始和最终目标状态之间，根据系统的承受能力，初始值与目标值的差值分割成无限多个小目标，分段达到最终的目标值，实现最终的达到目标值时无超调的设计工作。

此环节的设计原则：1)新的变目标控制环节的输出为实数，且随时间变化，在系统的电气量偏离设定的目标值时，开始调整至目标值的时刻，变目标控制器输出值必须要有一个非零的加速度。2)当到达所设定的调整时间时，变目标环节输出值的变化速度为零，保证加入的变目标环节不能影响最后系统调整所达到的值。3)由于简化后的VSC-HVDC系统为三阶系统，所以所设计的比例环节表达式的二阶导数与三阶导数在整个区间内积分为零，即保证取正部分的面积与取负部分的面积相等。

变目标控制的开始时间是检测到系统的电压或功率偏移了目标值或者目标值进行了调整，在控制系统需要进行调节时，就对双环控制的输入进行变目标值控制，控制时间从此时刻进行计算。设计的调节时间根据设备的状况和实际值与目标值的差值，根据经验值在变目标控制环节设置对应的值。

根据上述原则设计了新增的变目标环节的函数，其函数表达式为：

A＝U0+V*(Aref-U0)

式中A为加入变目标控制环节后的目标值，U0为控制开始前被控制量的初始值，Aref为最终目标值，T为根据系统调节极限设置的调节时间。

其中，所述的变目标控制环节的调节时间T根据柔性直流输电系统调节极限来设置。对于针对定直流电压外环控制设计的变目标控制环节，调节时间T需大于柔性直流输电系统直流侧电容3倍的时间常数，或者系统控制要求进行调整。针对定有功功率、定无功功率外环控制设计的变目标控制环节，调节时间T根据交流电网稳定性的要求以及输电系统潮流调配的速率设置。

其中PI环节参数的配合，变目标控制方法需要外环控制的PI环节参数配合，与变目标控制相配合的外环控制PI环节比例系数设置为导致柔性直流输电系统振荡的临界值Kpmax比较合适，而比例系数Ki一般选择0.01，最后根据系统的要求进行微调。

下面通过仿真验证柔性直流输电系统的变目标控制方法的有效性。

在PSCAD/EMTDC仿真平台上，根据Cigre标准测试模型改造的三端柔性直流输电模型进行仿真验证，图5是用于仿真测试本发明所设计控制方法有效性的三端柔性直流输电系统结构，图6为图5中换流站的拓扑结构，换流站采用模块化多电平换流器构成。各换流站参数设定值如表1：

表1

仿真一：三端柔性直流输电系统采用主从控制，换流站1作为主控制站，采用定直流电压控制和定无功功率控制。换流站2、3作为从控制站，采用定直流侧有功功率控制和定无功功率控制。换流站2作为备用主控站，当换流站1故障停运时，上层控制系统自动把主控站释放给换流站2，换流站2控制方式变为定直流电压控制和定无功功率控制。

图7为三端柔性直流输电系统故障后恢复过程加入变目标控制方法的双环控制策略与经典双环控制策略的控制效果对比。其中TDPI曲线是加入变目标控制方法的双环控制策略的控制曲线，PI曲线是采用经典双环控制策略曲线。设置系统运行的5.05秒时发生交流侧三相短路故障，持续0.1秒，在故障后0.05秒时，交流断路器启动，切除短路故障，换流站1实行紧急停运操作，并且上层控制器使换流站2的控制切换到定直流电压控制。在换流站2的定直流电压控制加入安排的过渡过程的比例环节。其中安排过渡过程参数的PI参数整定为K1＝2000,T1＝0.01，内环控制PI环节参数整定为K2＝1，T2＝0.01。经典的外环控制PI环节参数整定为K1＝20，T1＝0.01，内环控制PI环节参数整定为K2＝1，T2＝0.01。变目标控制的调节时间T＝0.1s。

在切除短路故障后，为了稳定直流电压，换流站2需要满足换流站3原来输送的有功功率，经典的PI环节构成的双环控制和加入变目标控制的双环控制都能使系统经过一定的时间达到故障后的稳态。但从图7的仿真结果可以看出，在采用变目标控制方法下，在快速性和超调量之间不存在矛盾，系统的调节能力达到最大而不饱和，没有导致超调。图7(a)为换流站1直流侧有功功率。图7(b)为换流站2直流侧有功功率，图7(c)为换流站3直流侧有功功率。可见设置变目标控制后换流站2有功功率上升的时间比经典的双环控制控制的缩短33.3％，而调节时间缩短换流站3的有功功率上升时间也缩短33.7％，但超调量几乎没有。图7(d)为系统的直流电压，采用经典的PI环节的内外环控制的电压超调量为3.8％，而设置变目标控制后的内外环控制的电压超调量几乎为0。

仿真二：在三端柔性直流输电系统模拟有功功率阶跃指令提升1pu，观察各换流站的有功功率变化情况和直流电压的阶跃响应特性。在5.1秒时，换流站2有功功率收到阶跃指令，提升1pu。换流站2采用定有功功率控制策略，并加入了变目标控制方法。设置不同的内外环控制系统的PI环节参数，观察相同目标下不同的控制参数的控制效果，验证控制系统的鲁棒性。仿真曲线与控制参数对应表2：

表2

图8为加入变目标控制环节后三端柔性直流输电系统在相同的目标不同的PI参数下的控制效果。图8(a)为系统的直流电压。图8(b)为换流站1直流侧有功功率。图8(c)为换流站2直流侧有功功率。图8(d)为换流站3直流侧有功功率。可知加入变目标控制后的柔性直流输电系统双环控制，在改变双环控制比例环节参数下，比较好地按照安排好的目标值依次达到，由此说明加入变目标控制后可以有效降低系统对控制参数的敏感性，增强控制系统的鲁棒性。

以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明专利构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。