基于多級線性最優(yōu)理論的多頻段高壓直流輸電附加阻尼控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于多級線性最優(yōu)理論的多頻段高壓直流輸電附加阻尼控制方 法，屬于高壓直流輸電領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，我國已由國家電網(wǎng)和南方電網(wǎng)形成兩大交直流混合電網(wǎng)：電網(wǎng)互聯(lián)在帶來 顯著經(jīng)濟和社會效益的同時，其龐大的規(guī)模和復雜的運行特性也向電力運行部門發(fā)出了新 的挑戰(zhàn)。弱阻尼低頻振蕩問題就是大規(guī)模電網(wǎng)互聯(lián)所面臨的典型挑戰(zhàn)之一。高壓直流（High VoltageDirectCurrent，HVDC)輸電技術(shù)因其在遠距離大容量輸電中體現(xiàn)出來的經(jīng)濟性 和本身特有的快速響應(yīng)特性成為大區(qū)電網(wǎng)互聯(lián)中的重要技術(shù)方案。隨著我國"西電東送、北 電南送"戰(zhàn)略的推進，電力系統(tǒng)送端多直流落點局面已經(jīng)形成。這種特殊的系統(tǒng)基本只由若 干大型電廠與送端換流站群聯(lián)接構(gòu)成，極有可能孤島運行。在孤島運行方式下，HVDC的快 速控制引起次同步振蕩的風險增加，并伴隨因發(fā)電機轉(zhuǎn)子間阻尼不足而引起的低頻振蕩。 因此，對于兩種振蕩的同時抑制具有十分重要的意義。然而，實際電網(wǎng)存在的復雜拓撲和多 變工況，基于數(shù)學模型的嚴格控制理論方法（如微分幾何）難以應(yīng)用于實際工程（翁華，徐 政，許烽等.基于廣域測量信息的HVDC魯棒控制器設(shè)計[M].電機工程學報，2013, 33(4): 103-109.)。因此，利用辨識方法通過非線性時域仿真，直接導出簡單、精確的系統(tǒng)低階線性 化模型設(shè)計控制器具有廣泛的實用價值。同時抑制次同步振蕩和低頻振蕩的多通道直流附 加阻尼控制器裝置已經(jīng)得到了研宄（趙睿，李興源，劉天琪等.抑制次同步和低頻振蕩的多 通道直流附加阻尼控制器設(shè)計[J]，電力自動化設(shè)備，34(3) :89-92)，但是，上述控制器的 魯棒性和對實際電網(wǎng)的復雜多變性的適應(yīng)性問題仍然沒有得到解決。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供一種基于多級線性最優(yōu)理論 Multi-StageLQR(LinearQuadraticRegulator)的多頻段高壓直流輸電附加阻尼控制方 法，其特點是基于具有高運算效率和抗擾能力的最小二乘-旋轉(zhuǎn)不變（TLS-ESPRIT)算法辨 識次同步和低頻振蕩頻率、阻尼，以及系統(tǒng)降階模型，將降解模型的傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)換為狀態(tài)方 程，結(jié)合基于多級線性最優(yōu)理論，根據(jù)系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)的根軌跡圖，求得基于多級線性最 優(yōu)理論的切換函數(shù)，設(shè)計含虛擬狀態(tài)變量的附加控制器，最后引入狀態(tài)觀測器，消除虛擬狀 態(tài)變量，實現(xiàn)輸出反饋形式的HVDC附加控制器，然后采用多級線性最優(yōu)理論控制方法設(shè)計 多頻段直流附加阻尼控制器，降低振蕩模式間的相互影響，能夠同時抑制次同步和低頻振 蕩；并且與傳統(tǒng)的比例-積分-微分（PID)控制器相比，本發(fā)明多級線性最優(yōu)控制系統(tǒng)不依 賴于控制對象模型參數(shù)，具有對干擾和攝動的不變性，能有效地解決高壓直流輸電系統(tǒng)的 魯棒性問題，該方法既能增加控制器的穩(wěn)定裕度，又對實際大電網(wǎng)的復雜多變性具有較強 的適應(yīng)性。
[0004] 本發(fā)明的目的由以下技術(shù)措施實現(xiàn)：
[0005] 基于多級線性最優(yōu)理論的高壓直流輸電多頻段附加控制方法包括以下步驟：
[0006] 1.通過TLS-ESPRIT算法對系統(tǒng)振蕩特性進行分析，確定需要抑制的次同步和低 頻振蕩的振蕩模式；
[0007] 2.通過TLS-ESPRIT算法對各頻段系統(tǒng)模型進行辨識，利用保留系統(tǒng)關(guān)鍵特性的 低階模型代替復雜的高階系統(tǒng)模型；
[0008] 3.根據(jù)步驟1分析的振蕩模式確定直流附加阻尼控制器中各頻段濾波器的帶寬， 從而抑制振蕩模式間的相互影響，避免控制器抑制次同步振蕩和低頻振蕩時，可能對某個 模式提供正阻尼，而對另一模式卻提供負阻尼，甚至激發(fā)新的振蕩模式，并分別對不同的振 蕩模式提供阻尼；
[0009] 4.基于低階模型，結(jié)合基于多級線性最優(yōu)理論，根據(jù)系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)的根軌跡 圖，求得基于多級線性最優(yōu)理論的切換函數(shù)，設(shè)計含虛擬狀態(tài)變量的附加控制器，最后引入 狀態(tài)觀測器，消除虛擬狀態(tài)變量，實現(xiàn)輸出反饋形式的HVDC附加控制器；
[0010] 5.基于多級線性最優(yōu)理論設(shè)計各頻段控制方式及控制策略。
[0011] 各頻段控制器的帶通濾波環(huán)節(jié)為Butterworth濾波器，其參數(shù)根據(jù)步驟1的分析 結(jié)果整定。
[0012] 本發(fā)明具有如下優(yōu)點：
[0013] 本發(fā)明的控制方法實現(xiàn)了將一種具備輸出反饋形式的多級線性最優(yōu)理論控制加 入到系統(tǒng)中，然后通過不同帶寬濾波的多頻段方式來實現(xiàn)同一附加直流多級線性最優(yōu)控制 器抑制低頻振蕩和抑制次同步振蕩。通過將轉(zhuǎn)速信號根據(jù)TLS-ESPRIT算法對系統(tǒng)振蕩特 性分析的結(jié)果劃分為低頻振蕩和次同步振蕩頻段，再對各頻段所對應(yīng)頻段單獨設(shè)計其控制 器、輸出限幅及濾波器參數(shù)，進而分別為不同頻段的低頻振蕩和次同步振蕩提供合適的阻 尼。該方法不僅高效易行，而且，利用多級線性最優(yōu)控制理論結(jié)合多頻段設(shè)計思路同時抑制 低頻振蕩和次同步振蕩的方法在該領(lǐng)域尚屬首次。
[0014] 采用基于辨識方法的一種輸出反饋形式的多級線性最優(yōu)控制，具有良好的抗擾 性，并將轉(zhuǎn)速信號根據(jù)系統(tǒng)次同步和低頻振蕩特性分析的結(jié)果劃分為次同步頻段和低頻頻 段，各頻段所對應(yīng)的頻段均可單獨設(shè)計調(diào)節(jié)控制器、輸出限幅及濾波器參數(shù)，進而分別為不 同頻段的低頻和次同步振蕩提供合適的阻尼。
【附圖說明】
[0015] 圖1為多頻段直流附加多級線性最優(yōu)控制器結(jié)構(gòu)
[0016] 圖2為系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)
[0017] 圖3為第1種擾動下1. 5Hz以下低頻振蕩部分投入多頻段直流附加多級線性最優(yōu) 控制器前后的轉(zhuǎn)子角速度圖。
[0018] 圖4a為第1種擾動下13. 4Hz次同步振蕩部分無附加控制的轉(zhuǎn)子角速度圖。
[0019] 圖4b為第1種擾動下13. 4Hz次同步振蕩部分投入多頻段直流附加多級線性最優(yōu) 控制器后的轉(zhuǎn)子角速度圖。
[0020] 圖5a為第1種擾動下24. 5Hz次同步振蕩部分無附加控制的轉(zhuǎn)子角速度圖。
[0021] 圖5b為第1種擾動下24. 5Hz次同步振蕩部分投入多頻段直流附加多級線性最優(yōu) 控制器后的轉(zhuǎn)子角速度圖。
[0022] 圖6為第2種擾動下1. 5Hz以下低頻振蕩部分投入多頻段直流附加多級線性最優(yōu) 控制器前后的轉(zhuǎn)子角速度圖。
[0023] 圖7a為第2種擾動下13. 4Hz次同步振蕩部分無附加控制的轉(zhuǎn)子角速度圖。
[0024] 圖7b為第2種擾動下13. 4Hz次同步振蕩部分投入多頻段直流附加多級線性最優(yōu) 控制器后的轉(zhuǎn)子角速度圖。
[0025] 圖8a為第2種擾動下24. 5Hz次同步振蕩部分無附加控制的轉(zhuǎn)子角速度圖。
[0026] 圖8b為第2種擾動下24. 5Hz次同步振蕩部分投入多頻段直流附加多級線性最優(yōu) 控制器后的轉(zhuǎn)子角速度圖。
[0027] 圖9為傳統(tǒng)PID控制器結(jié)構(gòu)。
[0028] 圖10a為第1種擾動下無附加控制的1號機轉(zhuǎn)子角速度圖。
[0029] 圖10b為第1種擾動下投入傳統(tǒng)PID控制器后的1號機轉(zhuǎn)子角速度圖。
[0030] 圖l〇c為第1種擾動下投入多頻段直流附加多級線性最優(yōu)控制器后的1號機轉(zhuǎn)子 角速度圖。
[0031] 圖11a為第2種擾動下無附加控制的1號機轉(zhuǎn)子角速度圖。
[0032] 圖lib為第2種擾動下投入傳統(tǒng)PID控制器后的1號機轉(zhuǎn)子角速度圖。
[0033] 圖11c為第2種擾動下投入多頻段直流附加多級線性最優(yōu)控制器后的1號機轉(zhuǎn)子 角速度圖。
【具體實施方式】
[0034] 下面通過實施例對本發(fā)明進行具體的描述，有必要在此指出的是本實施例只用于 對本發(fā)明進行進一步說明，不能理解為對本發(fā)明保護范圍的限制，該領(lǐng)域的技術(shù)熟練人員 可以根據(jù)上述發(fā)明的內(nèi)容做出一些非本質(zhì)的改進和調(diào)整。
[0035]實施例
[0036] 如圖1所示，基于多級線性最優(yōu)控制理論的高壓直流輸電多頻段附加控制方法設(shè) 計的控制器包括次同步振蕩的抑制頻段（I)和低頻振蕩的抑制頻段（II);次同步振蕩 的抑制頻段（I)是由合理整定的帶通濾波器環(huán)節(jié)1、2……n，（III)、多級線性最優(yōu)控制方 法設(shè)計環(huán)節(jié)1、2……n，（IV)和限幅環(huán)節(jié)1、2……n，（V)串聯(lián)而成，以實現(xiàn)抑制次同步振 蕩的功能；低頻振蕩的抑制頻段（II)是由合理整定的帶通濾波器環(huán)節(jié)L(III)、多級線性 最優(yōu)控制方法設(shè)計環(huán)節(jié)L(IV)和限幅環(huán)節(jié)L(V)串聯(lián)而成，以實現(xiàn)抑制低頻振蕩的功能。
[0037] 一、帶通濾波器環(huán)節(jié)
[0038] 通過TLS-ESPRIT算法對系統(tǒng)振蕩特性進行分析，確定需要抑制的次同步和低頻 振蕩的振蕩模式，再確定直流附加阻尼控制器中各頻段濾波器的帶寬，從而抑制振蕩模式 間的相互影響，避免控制器抑制次同步振蕩和低頻振蕩時，可能對某個模式提供正阻尼，而 對另一模式卻提供負阻尼，甚至激發(fā)新的振蕩模式，并分別對不同的振蕩模式提供阻尼?？?制器的帶通濾波環(huán)節(jié)為Butterworth濾波器。
[0039] 二、多級線性最優(yōu)控制理論設(shè)計環(huán)節(jié)
[0040] 1.線性最優(yōu)控制理論
[0041] 考慮如下系統(tǒng)
[0042] k=Ax+Bu (1)
[0043] 其中，x為維狀態(tài)向量，u為