一种多台电力换流器间的协调控制方法与流程

本发明涉及一种电力换流器的控制方法。特别是涉及一种多台电力换流器间的协调控制方法。

背景技术：

交直流混合微网可充分利用交流微网和直流微网各自优势，提高分布式电源渗透率和运行效率；同时，采用交直流互补供用电模式能减少交-直流变换环节，降低多级变换的能量损失，提高电能质量和供电可靠性。交直流混合微网中交流区和直流区通常由多台并联运行的电力换流器构成，通过协调控制多台电力换流器，合理调控传输功率，可实现交直流区域之间的功率互联和相互支撑，并对维持交直流混合微网内部功率的动态平衡，改善交直流混合微网的电能质量起到至关重要的作用。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够协调分配交直流潮流断面传输功率的多台电力换流器间的协调控制方法。

本发明所采用的技术方案是：一种多台电力换流器间的协调控制方法，包括如下步骤：

1)建立一台电力换流器的数学模型，选取直流电流为干扰变量，根据所述的干扰变量将建立的一台电力换流器的数学模型转换为一台电力换流器的仿射非线性形式；

2)分别构建n台电力换流器间协调控制的n台协调控制器，每台协调控制器包括外环和内环；针对每台协调控制器外环，分别构建考虑每台电力换流器动态裕量的自适应下垂控制器，每台协调控制器外环根据对应电力换流器的动态裕量，通过所对应的自适应下垂控制器自适应地调节该台电力换流器的下垂系数，协调分配交直流潮流断面的传输功率；

3)针对每台协调控制器外环，基于一阶惯性环节分别构建每台协调控制器的电压补偿单元，保证直流母线的电压质量；

4)针对每台协调控制器内环，根据一台电力换流器的仿射非线性形式分别构建每台协调控制器内环的非线性控制器，实现输出量对干扰量的解耦，改善每台电力换流器传输功率的动态响应性能。

步骤1)中所述的一台电力换流器的数学模型为：

id为交流直轴电流；iq为交流交轴电流；ud为交流直轴电压；uq为交流交轴电压；ed为交流侧三相电压直轴分量；eq为交流侧三相电压交轴分量；udc为直流母线电压；il为直流电流；为交流直轴电流的导数；为交流交轴电流的导数；为直流母线电压的导数；r为交流侧滤波损耗等效电阻；l为交流侧滤波电感；c为直流母线电容；ω为角频率。

步骤1)中所述的将一台电力换流器的数学模型转换为一台电力换流器的仿射非线性形式为：

其中，x为x坐标下的状态变量；为x坐标下的状态变量的导数；x^t为x坐标下的状态变量的转置；u为x坐标下的控制变量；u^t为x坐标下的控制变量的转置；p为x坐标下的干扰变量；y为x坐标下的输出变量；idref为交流直轴电流参考值；iqref为交流交轴电流参考值；f(x)为与x坐标下的状态变量直接相关的向量场；g(x)为与x坐标下的控制变量直接相关的向量场；d(x)为与x坐标下的干扰变量直接相关的向量场；h(x)为与x坐标下的输出变量直接相关的向量场；h^t(x)为与x坐标下的输出变量直接相关的向量场的转置；id为交流直轴电流；iq为交流交轴电流；ud为交流直轴电压；uq为交流交轴电压；ed为交流侧三相电压直轴分量；eq为交流侧三相电压交轴分量；udc为直流母线电压；il为直流电流；r为交流侧滤波损耗等效电阻；l为交流侧滤波电感；c为直流母线电容；ω为角频率。

步骤2)所述的自适应下垂控制器的控制律为：

δp(i)＝m(i)×δudc

δudc＝udcref-udc

规定功率传输的正方向为由交流区向直流区传输；

其中，δp(i)为第i台电力换流器承担的动态功率；m(i)为第i台电力换流器的下垂系数；δudc为直流母线电压偏差量；δp(i)max为第i台电力换流器功率最大偏差量；δudcmax为直流母线电压最大偏差量；udc为直流母线电压；pre(i)为第i台电力换流器动态功率裕量；udcref为直流母线电压参考值；pn(i)为第i台电力换流器的额定功率；p(i)为第i台电力换流器的实测功率；p0(i)为第i台电力换流器的初始功率；δudcmax为直流母线电压最大偏差量；udcmax为直流母线电压上限值；udcmin为直流母线电压下限值。

步骤3)所述电压补偿单元的数学模型为：

其中，g(s)为定义的一阶惯性环节输出与输入的比值；s为拉普拉斯算子；kδu为电压增益；t为一阶惯性时间常数；

直流母线电压参考值udcref与直流母线电压udc的差值通过电压补偿单元后，到直流母线电压补偿量δu'dc。

步骤4)包括：

(1)选取坐标变换为：

(2)将一台电力换流器的仿射非线性形式转换为一台电力换流器的布氏标准型如下：

其中：φ(x)为x坐标下的局部微分同胚；z为z坐标下的状态变量；z1为z坐标下的第一个状态变量；z2为z坐标下的第二个状态变量；为z坐标下的状态变量的导数；h1(x)为x坐标下的第一个输出变量；h2(x)为x坐标下的第二个输出变量；η(x)为x坐标下的增维状态变量；η为z坐标下的增维状态变量；为z坐标下的增维状态变量的导数；v为z坐标下的预控变量；a为与z坐标下的状态变量直接相关的系数矩阵；b为与z坐标下的预控变量直接相关的系数矩阵；q为与z坐标下的增维状态变量直接相关的系数矩阵；s为与x坐标下的干扰变量直接相关的系数矩阵；

(3)给出每台非线性控制器的非线性控制律uk为：

uk＝e^-1(x)[v-a(x)]

通过求李导数，得到：

通过求二次型性能指标的线性最优控制问题，得到：

v＝-m^-1b^tpz

p是通过二次型性能指标的线性最优控制问题的黎卡提方程得到，所述黎卡提方程为：

a^tp+pa-pbm^-1b^tp+q＝0

其中：a(x)为x坐标下的关于状态变量的李导数向量场；e(x)为x坐标下的关于输出变量的李导数向量场；e^-1(x)为x坐标下的关于输出变量的李导数向量场的逆；m^-1为x坐标下的控制变量的权矩阵的逆；q为x坐标下的状态变量的权矩阵；a^t为与z坐标下的状态变量直接相关的系数矩阵的转置；b^t为与z坐标下的预控变量直接相关的系数矩阵的转置；p为z坐标下的黎卡提方程的解向量；id为交流直轴电流；iq为交流交轴电流；ed为交流侧三相电压直轴分量；eq为交流侧三相电压交轴分量；r为交流侧滤波损耗等效电阻；l为交流侧滤波电感；ω为角频率。

本发明的一种多台电力换流器间的协调控制方法，具有如下效果：

(1)本发明所述方法能够在出现功率扰动时，根据各台电力换流器的动态裕量自适应地调节该台电力换流器的下垂系数，协调分配交直流潮流断面的传输功率；

(2)本发明所述方法能够维持直流母线电压稳定，并通过构建的含电压补偿单元的协调控制器，保证直流母线的电压质量；

(3)本发明所述方法能够实现输出量对干扰量的解耦，改善每台电力换流器传输功率的动态响应性能。

附图说明

图1是一台电力换流器拓扑图；

图2是各台协调控制器的外环控制框图；

图3是交直流混合微网拓扑结构

图4是三台电力换流器的传输功率变化曲线；

图5是一台电力换流器的电流变化曲线；

图6是一台电力换流器交流直轴电流参考值与交流直轴电流差值的变化曲线；

图7是无电压补偿单元情况下的直流母线电压变化曲线；

图8是含电压补偿单元与不含电压补偿单元情况下直流母线电压变化曲线。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的一种多台电力换流器间的协调控制方法做出详细说明

本发明的一种多台电力换流器间的协调控制方法，包括如下步骤：

1)如图1所示，建立一台电力换流器的数学模型，选取直流电流为干扰变量，根据所述的干扰变量将建立的一台电力换流器的数学模型转换为一台电力换流器的仿射非线性形式；其中，

所述的一台电力换流器的数学模型为：

id为交流直轴电流；iq为交流交轴电流；ud为交流直轴电压；uq为交流交轴电压；ed为交流侧三相电压直轴分量；eq为交流侧三相电压交轴分量；udc为直流母线电压；il为直流电流；为交流直轴电流的导数；为交流交轴电流的导数；为直流母线电压的导数；r为交流侧滤波损耗等效电阻；l为交流侧滤波电感；c为直流母线电容；ω为角频率。

图1中，ea为交流侧a相电压；eb为交流侧b相电压；ec为交流侧c相电压；ia为交流侧a相电流；ib为交流侧b相电流；ic为交流侧c相电流；e为直流微网等效电压；q1为电力换流器的1号开关；q2为电力换流器的2号开关；q3为电力换流器的3号开关；q4为电力换流器的4号开关；q5为电力换流器的5号开关；q6为电力换流器的6号开关。

所述的将一台电力换流器的数学模型转换为一台电力换流器的仿射非线性形式为：

其中，x为x坐标下的状态变量；为x坐标下的状态变量的导数；x^t为x坐标下的状态变量的转置；u为x坐标下的控制变量；u^t为x坐标下的控制变量的转置；p为x坐标下的干扰变量；y为x坐标下的输出变量；idref为交流直轴电流参考值；iqref为交流交轴电流参考值；f(x)为与x坐标下的状态变量直接相关的向量场；g(x)为与x坐标下的控制变量直接相关的向量场；d(x)为与x坐标下的干扰变量直接相关的向量场；h(x)为与x坐标下的输出变量直接相关的向量场；h^t(x)为与x坐标下的输出变量直接相关的向量场的转置；id为交流直轴电流；iq为交流交轴电流；ud为交流直轴电压；uq为交流交轴电压；ed为交流侧三相电压直轴分量；eq为交流侧三相电压交轴分量；udc为直流母线电压；il为直流电流；r为交流侧滤波损耗等效电阻；l为交流侧滤波电感；c为直流母线电容；ω为角频率。

2)分别构建n台电力换流器间协调控制的n台协调控制器，每台协调控制器包括外环和内环；针对每台协调控制器外环，分别构建考虑每台电力换流器动态裕量的自适应下垂控制器，每台协调控制器外环根据对应电力换流器的动态裕量，通过所对应的自适应下垂控制器自适应的调节该台电力换流器的下垂系数，协调分配交直流潮流断面的传输功率；

所述的自适应下垂控制器的控制律为：

δp(i)＝m(i)×δudc

δudc＝udcref-udc

规定功率传输的正方向为由交流区向直流区传输；

其中，δp(i)为第i台电力换流器承担的动态功率；m(i)为第i台电力换流器的下垂系数；δudc为直流母线电压偏差量；δp(i)max为第i台电力换流器功率最大偏差量；δudcmax为直流母线电压最大偏差量；udc为直流母线电压；pre(i)为第i台电力换流器动态功率裕量；udcref为直流母线电压参考值；pn(i)为第i台电力换流器的额定功率；p(i)为第i台电力换流器的实测功率；p0(i)为第i台电力换流器的初始功率；δudcmax为直流母线电压最大偏差量；udcmax为直流母线电压上限值；udcmin为直流母线电压下限值。

3)针对每台协调控制器外环，基于一阶惯性环节分别构建每台协调控制器的电压补偿单元，保证直流母线的电压质量；所述电压补偿单元的数学模型为：

其中，g(s)为定义的一阶惯性环节输出与输入的比值；s为拉普拉斯算子；kδu为电压增益；t为一阶惯性时间常数；

直流母线电压参考值udcref与直流母线电压udc的差值通过电压补偿单元后，到直流母线电压补偿量δu'dc。

各台协调控制器的外环控制框图如图2所示，图中，pref(i)为第i台电力换流器功率参考值；idref(i)为第i台电力换流器的交流直轴电流参考值。

4)针对每台协调控制器内环，根据一台电力换流器的仿射非线性形式分别构建每台协调控制器内环的非线性控制器，实现输出量对干扰量的解耦，改善每台电力换流器传输功率的动态响应性能。包括：

(1)选取坐标变换为：

(2)将一台电力换流器的仿射非线性形式转换为一台电力换流器的布氏标准型如下：

其中：φ(x)为x坐标下的局部微分同胚；z为z坐标下的状态变量；z1为z坐标下的第一个状态变量；z2为z坐标下的第二个状态变量；为z坐标下的状态变量的导数；h1(x)为x坐标下的第一个输出变量；h2(x)为x坐标下的第二个输出变量；η(x)为x坐标下的增维状态变量；η为z坐标下的增维状态变量；为z坐标下的增维状态变量的导数；v为z坐标下的预控变量；a为与z坐标下的状态变量直接相关的系数矩阵；b为与z坐标下的预控变量直接相关的系数矩阵；q为与z坐标下的增维状态变量直接相关的系数矩阵；s为与x坐标下的干扰变量直接相关的系数矩阵；

(3)给出每台非线性控制器的非线性控制律uk为：

uk＝e^-1(x)[v-a(x)]

通过求李导数，得到：

通过求二次型性能指标的线性最优控制问题，得到：

v＝-m^-1b^tpz

p是通过二次型性能指标的线性最优控制问题的黎卡提方程得到，所述黎卡提方程为：

a^tp+pa-pbm^-1b^tp+q＝0

其中：a(x)为x坐标下的关于状态变量的李导数向量场；e(x)为x坐标下的关于输出变量的李导数向量场；e^-1(x)为x坐标下的关于输出变量的李导数向量场的逆；m^-1为x坐标下的控制变量的权矩阵的逆；q为x坐标下的状态变量的权矩阵；a^t为与z坐标下的状态变量直接相关的系数矩阵的转置；b^t为与z坐标下的预控变量直接相关的系数矩阵的转置；p为z坐标下的黎卡提方程的解向量；id为交流直轴电流；iq为交流交轴电流；ed为交流侧三相电压直轴分量；eq为交流侧三相电压交轴分量；r为交流侧滤波损耗等效电阻；l为交流侧滤波电感；ω为角频率。

下面给出实例：

参照图3搭建仿真模型，交直流潮流断面中有3台电力换流器并联运行。其中交流电网电压为10kv，直流母线额定电压为560v，变压器变比为10kv/380v，电力换流器额定容量为250kva，交流侧滤波损耗等效电阻为0.5mω，交流侧滤波电感为160uh，直流负荷为450kw。

1)0.6秒之前，系统稳态运行，直流负荷为450kw。0.6秒时，直流侧投入负荷200kw；0.7秒时，直流侧切除负荷200kw；0.8秒时，直流侧切除负荷250kw；0.9秒时，直流侧投入负荷250kw。

由图4可得，当在初始运行工况的基础上投入负荷(0.6秒)或切除负荷(0.8秒)时，三台电力换流器按照自身动态功率裕量分配传输功率，承担的功率差额逐渐减少；当在直流侧总负荷大于初始运行工况时切除负荷(0.7秒)，或在直流侧总负荷小于初始运行工况时投入负荷(0.9秒)，三台电力换流器将按照自身动态功率裕量分配传输功率，承担的传输功率差额逐渐增加。仿真结果验证了设计的协调控制器外环的功能。各台电力换流器能协调分配交直流潮流断面的传输功率。

2)0.6秒之前，系统稳态运行，直流负荷为450kw。0.6秒时，直流侧投入200kw负荷。

由图5可以看出，当直流侧投入负荷时，引起交流直轴电流参考值idref变化，交流直轴电流id能快速地跟踪上交流直轴电流参考值idref的变化，且在暂态过程中，各台电力换流器传输功率振荡小，调节时间短，体现出良好的动态响应特性。

由图6可以看出，交流直轴电流参考值idref与交流直轴电流id的差值idref-id在直流负荷发生阶跃扰动时不发生变化，实现了输出对干扰的解耦。

由图7可以看出，当直流侧投入负荷时，多台电力换流器间的协调控制方法能够维持直流母线电压稳定，并使得直流母线电压动态调节时间短，无振荡，动态响应性能好。

3)1秒之前，系统稳态运行，直流负荷为450kw。1秒时，直流侧投入200kw负荷；2秒时，直流侧切除350kw负荷；3秒时，直流侧切除150kw负荷；

由图8可以看出，当直流侧负荷发生阶跃扰动时，不含电压补偿单元，直流母线电压偏差量较大；含电压补偿单元，直流母线电压偏差量减小。