附加干擾觀測器的upfc抖振控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及抑制統(tǒng)一潮流控制器干擾后抖振的控制方法，用以提高統(tǒng)一潮流控制 器的暫態(tài)穩(wěn)定性。屬于電力電子控制技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 統(tǒng)一潮流控制器（UPFC)作為一種串、并聯(lián)混合型FACTS元件能夠?qū)κ芸剌旊娋€上 的潮流分配和節(jié)點(diǎn)電壓靈活進(jìn)行控制，其基本組成模塊靜止同步補(bǔ)償器（STATC0M)和靜止 同步串聯(lián)補(bǔ)償器（SSSC)以及中間的直流電容。
[0003]UPFC的穩(wěn)態(tài)控制國內(nèi)外已經(jīng)研究的較多，然而由于UPFC在運(yùn)行時(shí)換流閥的高速 關(guān)斷和導(dǎo)通會導(dǎo)致控制系統(tǒng)存在擾動，另外在交流系統(tǒng)發(fā)生故障或者擾動時(shí)導(dǎo)致系統(tǒng)的邊 界條件發(fā)生變化，傳統(tǒng)的PI控制調(diào)節(jié)時(shí)間慢而且對于擾動的跟蹤性能不佳，可能導(dǎo)致系統(tǒng) 在一個(gè)周期內(nèi)暫態(tài)失穩(wěn)，進(jìn)一步有可能引起換流閥的觸發(fā)脈沖異常。這種暫態(tài)的擾動在電 網(wǎng)環(huán)境惡劣的情況下可能激發(fā)UPFC的系統(tǒng)異常甚至崩潰，如果UPFC容量選擇不當(dāng)甚至有 可能引起串聯(lián)交流系統(tǒng)的振蕩和失穩(wěn)。而如果采用干擾觀測器，對系統(tǒng)的擾動進(jìn)行控制，在 系統(tǒng)狀態(tài)切換時(shí)，通過既定的控制策略自動調(diào)節(jié)UPFC的控制量，減少換相失敗的時(shí)間甚至 防止發(fā)生換相失敗，就可以充分利用UPFC系統(tǒng)調(diào)節(jié)的快速性，對交流系統(tǒng)進(jìn)行緊急功率支 援，或在故障后幫助交流系統(tǒng)快速恢復(fù)，減弱交流系統(tǒng)振蕩，抑制系統(tǒng)擾動，保證兩側(cè)電網(wǎng) 安全穩(wěn)定的運(yùn)行。所以研究統(tǒng)一潮流控制器干擾和抖振的控制方法，為統(tǒng)一潮流控制控制 系統(tǒng)的工程應(yīng)用提供技術(shù)支持和有利參考，具有巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和應(yīng)用前景。
[0004]滑模變結(jié)構(gòu)控制是自動控制系統(tǒng)的一種設(shè)計(jì)方法，適用于線性和非線性系統(tǒng)、連 續(xù)和離散系統(tǒng)、確定性和不確定性系統(tǒng)、集中參數(shù)與分布參數(shù)系統(tǒng)、集中控制與分散控制 等。這種控制方法通過控制量的切換使系統(tǒng)狀態(tài)沿著滑模面滑動，使系統(tǒng)在受到參數(shù)攝動 和外干擾時(shí)具有不變性、正是這種特性使得變結(jié)構(gòu)控制方法受到各國學(xué)者的重視。由于滑 模變結(jié)構(gòu)控制算法簡單、魯棒性好和可靠性高，故被廣泛用于運(yùn)動控制中，尤其被用于可建 立精確數(shù)學(xué)模型的確定性控制系統(tǒng)中。
[0005]然而，滑模變結(jié)構(gòu)控制的最大缺點(diǎn)是抖振，由于抖振的存在，會激發(fā)起系統(tǒng)中的高 頻為建模動態(tài)，從而導(dǎo)致控制系統(tǒng)崩潰。消除抖振的常規(guī)做法是邊界層控制，然而邊界寬度 的界定影響了控制器的魯棒性，邊界過寬雖然消除了抖振缺削除了滑模變結(jié)構(gòu)的強(qiáng)魯棒性 的優(yōu)點(diǎn)，因此，魯棒性和控制精度能夠同時(shí)最優(yōu)是減弱抖振影響的最終目標(biāo)。
[0006] 目前已經(jīng)采用的UPFC換流器控制方法主要是基于經(jīng)典PI控制理論，對系統(tǒng)數(shù)學(xué) 建模的要求很高，不易得到滿意的控制效果，而且魯棒性不強(qiáng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種附加干擾觀測器的UPFC抖振控制方法，能夠快速有效地控制受控輸電線路的有功、無功功率，提高系統(tǒng)在受到 擾動后的穩(wěn)定性。
[0008] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種附加干擾觀測器的UPFC抖振控制方法，其 特征是，包括以下步驟：
[0009] (1)建立統(tǒng)一潮流控制器UPFC并聯(lián)側(cè)和串聯(lián)側(cè)系統(tǒng)在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的二階 耦合系統(tǒng)狀態(tài)方程，并選擇狀態(tài)方程的對應(yīng)的電網(wǎng)模型參數(shù)；
[0010] (2)對并聯(lián)側(cè)和串聯(lián)側(cè)系統(tǒng)進(jìn)行前饋解耦，化簡串聯(lián)側(cè)、并聯(lián)側(cè)二階耦合系統(tǒng)狀態(tài) 方程為單輸入單輸出的一階通用系統(tǒng)狀態(tài)方程，在系統(tǒng)存在擾動的情況下，建立包含擾動 狀態(tài)變量的二階通用擾動系統(tǒng)狀態(tài)方程；
[0011] (3)引入新的干擾估計(jì)狀態(tài)變量，設(shè)計(jì)并聯(lián)側(cè)和串聯(lián)側(cè)系統(tǒng)二階干擾觀測器，通過 極點(diǎn)配置增益，結(jié)合二階通用擾動系統(tǒng)建立含干擾觀測器的4階通用擾動估計(jì)系統(tǒng)狀態(tài)方 程；
[0012] (4)根據(jù)滑模變結(jié)構(gòu)控制方法，選擇一階線性滑模變結(jié)構(gòu)切換函數(shù)，設(shè)計(jì)含干擾觀 測器的4階通用擾動估計(jì)系統(tǒng)滑模變結(jié)構(gòu)控制器；
[0013] (5)對4階通用擾動估計(jì)系統(tǒng)滑模變結(jié)構(gòu)控制器進(jìn)行Lyapunov穩(wěn)定性分析，根據(jù) 穩(wěn)定性要求確定滑模變結(jié)構(gòu)控制器參數(shù)。
[0014] 將在傳統(tǒng)的UPFC滑模變結(jié)構(gòu)控制中附加干擾觀測器，通過前饋解耦化簡系統(tǒng)，弓丨 入二階干擾觀測器建立4階擾動估計(jì)系統(tǒng)，通過極點(diǎn)配置優(yōu)化干擾觀測器增益參數(shù)，采用 一階線性滑模變結(jié)構(gòu)控制方法對4階擾動估計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，同時(shí)采用Lyapunov穩(wěn)定性分 析方法整定滑模變結(jié)構(gòu)控制器參數(shù)，在并聯(lián)側(cè)和串聯(lián)側(cè)換流器中采用該控制方法，能夠降 低動態(tài)響應(yīng)過程中切換項(xiàng)的增益，從而降低抖振，具有相應(yīng)速度快、魯棒性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí) 結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)。
[0015] 本發(fā)明所達(dá)到的有益效果：
[0016] 本發(fā)明根據(jù)國內(nèi)尚未有滑模變結(jié)構(gòu)控制的實(shí)際工程的情況，并結(jié)合滑模變結(jié)構(gòu)控 制魯棒性強(qiáng)和收斂速度快的優(yōu)勢，提出基于滑模變結(jié)構(gòu)控制的UPFC換流器控制方法，同時(shí) 考慮了系統(tǒng)由于開關(guān)函數(shù)抖振產(chǎn)生的擾動，設(shè)計(jì)了干擾觀測器，從而降低了UPFC動態(tài)響應(yīng) 中的抖振。通過與不含干擾觀測器的控制方法比較，表明該方法能夠快速有效地控制受 控輸電線路的有功、無功功率，提高系統(tǒng)在受到擾動后的穩(wěn)定性，從而保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn) 行。
[0017] 本發(fā)明的方法建立了并聯(lián)側(cè)和串聯(lián)側(cè)耦合系統(tǒng)的耦合狀態(tài)空間，通過前饋解耦簡 化了系統(tǒng)，引入反映系統(tǒng)擾動和控制切換造成抖振的二階干擾觀測器，結(jié)合解耦簡化系統(tǒng) 建立計(jì)及擾動的4階狀態(tài)估計(jì)空間，采用滑模變結(jié)構(gòu)控制的方法，設(shè)計(jì)一階線性滑模變結(jié) 構(gòu)控制器對4階狀態(tài)估計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，可以實(shí)現(xiàn)狀態(tài)變量的獨(dú)立控制，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)潮流控 制的功能；另外，在動態(tài)特性上面，滑模變結(jié)構(gòu)控制具有極強(qiáng)的魯棒性，能夠提高系統(tǒng)暫態(tài) 穩(wěn)定性，具有較強(qiáng)的系統(tǒng)阻尼特性和快速的誤差擾動平息特性，對UPFC接入的電力系統(tǒng)的 安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本專利提出了附件干擾觀測器對干擾估計(jì)的滑模變結(jié) 構(gòu)控制的UPFC穩(wěn)定控制方法，該方法利用現(xiàn)代控制理論的原理將統(tǒng)一潮流控制器系統(tǒng)數(shù) 學(xué)模型轉(zhuǎn)化為狀態(tài)空間，設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)和運(yùn)行可靠的滑模變結(jié)構(gòu)控制器。該方 法能夠?qū)崿F(xiàn)功率的解耦控制，在系統(tǒng)擾動和控制切換時(shí)依然可以為系統(tǒng)提供很大的阻尼， 快速抑制系統(tǒng)振蕩，維持系統(tǒng)狀態(tài)變量在目標(biāo)值，同時(shí)具有很好的適應(yīng)性和魯棒性。本成果 彌補(bǔ)了國內(nèi)在這一領(lǐng)域的空白，也為統(tǒng)一潮流控制器穩(wěn)定控制系統(tǒng)的改進(jìn)提供了必要的技 術(shù)支持和有利參考。
【附圖說明】
[0018] 圖1并聯(lián)側(cè)等值電路；
[0019] 圖2串聯(lián)側(cè)等值電路；
[0020] 圖3并聯(lián)側(cè)控制原理框圖；
[0021 ] 圖4串聯(lián)側(cè)控制原理框圖；
[0022] 圖5兩機(jī)雙線含UPFC輸電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；
[0023] 圖6附加干擾觀測器前誤差狀態(tài)響應(yīng)；
[0024] 圖7附加干擾觀測器前控制器輸出；
[0025] 圖8附加干擾觀測器后誤差狀態(tài)響應(yīng)；
[0026] 圖9附加干擾觀測器后控制器輸出。
【具體實(shí)施方式】
[0027] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。以下實(shí)施例僅用于更加清楚地說明本發(fā)明 的技術(shù)方案，而不能以此來限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0028] 本發(fā)明的原理具體敘述如下：
[0029] (1)技術(shù)方案的第一部分：以滑模變結(jié)構(gòu)控制為基礎(chǔ)的干擾觀測器需要在解耦的 系統(tǒng)狀態(tài)空間中進(jìn)行控制，利用坐標(biāo)變換分別建立兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下并聯(lián)側(cè)和串聯(lián)側(cè)系統(tǒng) 狀態(tài)方稈：
[0030]
[0031]
[0032] 其中：iEd、iEq、iBq、iBd是狀態(tài)變量，uld、ulq、u2d、u2q是控制器輸入。
[0033]LjPRE表示UPFC并聯(lián)變壓器以及所連接電抗的等效電感和電阻，iEd和iEq分別 為UPFC并聯(lián)側(cè)輸出電流坐標(biāo)分量，usd和usq分別為電網(wǎng)送端母線電壓，uld和ulq為UPFC并 聯(lián)變流器的輸出電壓，ω是角速度。
[0034]LjP1^分別表示UPFC串聯(lián)變壓器所連接電抗的等效電感和電阻，iBd和iBq分別 表示線路及UPFC串聯(lián)側(cè)流過的電流坐標(biāo)分量，u2d和u2q為UPFC串聯(lián)變流器的輸出電壓，uBd 和uBq分別為串聯(lián)換流器的交流側(cè)輸出電壓。
[0035] 并聯(lián)側(cè)和串聯(lián)側(cè)等值電路圖如圖1和圖2所示。
[0036] (2)技術(shù)方案的第二部分：狀態(tài)空間是二階的，為了簡化控制將c〇LEiEq+usd 和-c〇LEiEd+usq分別作為輸入的前饋補(bǔ)償，則iEd和iEq是解耦的，⑴可以轉(zhuǎn)化為兩個(gè)一階 狀態(tài)方程，設(shè)x；!=iEd，x2=iEq，4= (c〇LEiEq+usd-uld)/LE，u2= (-c〇LEiEd+usq-ulq)/LE考慮 并聯(lián)換流器系統(tǒng)存在擾動f，則（1)可以轉(zhuǎn)化成含擾動的并聯(lián)側(cè)系統(tǒng)狀態(tài)空間方程：
[0037]
[0038]同并聯(lián)側(cè)的分析，可以建立含擾動的串聯(lián)側(cè)系統(tǒng)狀態(tài)空間方程：
[0039]
[0040]其中：x3=iBd，x4=iBq，u3= (c〇LBiBq+uBd+u2d)/LB，u4= (_c〇LBiBd+uBq+u2q)/LB考慮 串聯(lián)換流器系統(tǒng)存在擾動f。
[0041] 考慮并聯(lián)側(cè)和串聯(lián)側(cè)系統(tǒng)（3) (4)具有高度的相似性和形式的一致性，可以將4個(gè) 狀態(tài)方程用一個(gè)狀態(tài)方程表示，設(shè)計(jì)4個(gè)狀態(tài)方程通用的干擾觀測器。將（3) (4)通用表示 為
[0042]
[0043]設(shè)X的參考值；為常數(shù)，定義誤差及其導(dǎo)數(shù)，
[0044] χ(=χ~Λ
[0045] ·