本发明提供一种SSSC新型非线性鲁棒控制系统,包括测量模块、信号模拟变换模块、比较模块、状态空间转换模块、中央控制模块、状态空间逆变换模块、电压源换流器闸门触发和控制模块以及SSSC模块,所述测量模块的信号输出端依次通过信号模拟变换模块、比较模块、状态空间转换模块、控制模块、状态空间逆变换模块、电压源换流器闸门触发和控制模块与SSSC模块的信号输入端连接,所述SSSC模块的信号输出端与输电系统相连。本发明提供的非线性鲁棒控制方法是一种连续控制方法,不需要利用边界函数,不仅能够充分保持和利用被控制对象SSSC的非线性物理结构特性,而且能够对SSSC实现实时控制。
1.一种SSSC新型非线性鲁棒控制系统的控制方法,所述SSSC新型非线性鲁棒控制系统包括测量模块、信号模拟变换模块、比较模块、状态空间转换模块、中央控制模块、状态空间逆变换模块、电压源换流器闸门触发和控制模块以及SSSC模块,其特征在于:所述测量模块的信号输出端依次通过信号模拟变换模块、比较模块、状态空间转换模块与中央控制模块的信号输入端连接,所述中央控制模块的信号输出端依次通过状态空间逆变换模块、电压源换流器闸门触发和控制模块与SSSC模块的信号输入端连接,所述SSSC模块输出信号调节输电系统的潮流分布;其控制方法步骤如下:(1)所述测量模块采集SSSC新型非线性鲁棒控制系统接入点处发送端母线电压V_s∠θ_s=V_sd+jV_sq和接收端母线电压V_r∠θ_r=V_rd+jV_rq,串联变压器电流I=i_d+ji_q,直流侧电容器电压V_dc,角系统的频率ω;(2)所述信号模拟变换模块首先通过滤波器将包含在所采集模拟信号中的干扰信号滤除掉,然后再利用Park变换器将滤波后的物理量从abc坐标下的变量变换到dp0坐标下的变量;(3)所述比较模块读取存储于比较模块的微处理器中的物理量:串联变压器的阻抗R_s和感抗L_s,直流环节的损耗R_dc和电容C_dc,角系统的基准频率ω_s,串联变压器接收端的期望有功功率P_r^*和期望无功功率ntent="drawing" img-format="TIF" inline="no" orientation="portrait" wi="90"/>直流环节电容器的期望电压ntent="drawing" img-format="TIF" inline="no" orientation="portrait" wi="86"/>(4)所述比较模块的微处理器计算系统的局部平衡点ntent="drawing" img-format="TIF" inline="no" orientation="portrait" wi="230"/> i d * i q * = 1 V r cosθ r sinθ r sinθ r - cosθ r - 1 P r * Q r * ]]>ntent="drawing" img-format="TIF" inline="no" orientation="portrait" wi="679"/>其中期望电压ntent="drawing" img-format="TIF" inline="no" orientation="portrait" wi="65"/>由外部直接给定;(5)所述比较模块的微处理器计算偏差信号变量:ntent="drawing" img-format="TIF" inline="no" orientation="portrait" wi="237"/>ntent="drawing" img-format="TIF" inline="no" orientation="portrait" wi="551"/>(6)所述状态空间转换模块的微处理器计算参数变量:ntent="drawing" img-format="TIF" inline="no" orientation="portrait" wi="213"/>ntent="drawing" img-format="TIF" inline="no" orientation="portrait" wi="680"/>(7)所述状态空间转换模块的微处理器构建在标幺值条件下系统的状态空间模型: x · 1 x · 2 x · 3 = - a ω 0 - ω - a 0 0 0 - b x 1 x 2 x 3 + cx 3 0 0 cx 3 - dx 1 - dx 2 u d u q + 1 0 0 1 0 0 ϵ 1 ϵ 2 ]]>ntent="drawing" img-format="TIF" inline="no" orientation="portrait" wi="700"/>其中,u_d=kcos(α+θ_s),u_q=ksin(α+θ_s),[ε₁ε₂]^T是系统外部干扰信号;(8)所述控制模块是一个微处理器,包含非线性鲁棒控制器,非线性鲁棒控制器执行非线性鲁棒控制律: u d = - 1 2 ( r 1 2 + 1 γ 2 ) ( c - d ) x 1 x 3 u q = - 1 2 ( r 2 2 + 1 γ 2 ) ( c - d ) x 2 x 3 ]]>ntent="drawing" img-format="TIF" inline="no" orientation="portrait" wi="622"/>其中,r_i>0i=1,2;ntent="drawing" img-format="TIF" inline="no" orientation="portrait" wi="302"/>(9)所述状态空间逆变换模块将非线性鲁棒控制律转换成换流器闸门触发角信号α和脉宽调制比信号k发送至换流器闸门触发和控制模块: k = u d 2 + u q 2 , ]]>ntent="drawing" img-format="TIF" inline="no" orientation="portrait" wi="285"/> α = tan - 1 ( u q u d ) - θ s , u q u d > 0 tan - 1 ( u q u d ) + π - θ s , u q u d < 0 sin - 1 ( u q k ) - θ s , u d = 0 ; ]]>ntent="drawing" img-format="TIF" inline="no" orientation="portrait" wi="686"/>(10)换流器闸门触发和控制模块先将非线性鲁棒控制律计算出来的触发角信号α转换成相应相位的触发脉冲信号,再和脉宽调制比信号k一起发送到SSSC模块,SSSC模块对电力系统的暂态稳定性和潮流实时控制。
2.如权利要求1所述的SSSC新型非线性鲁棒控制系统的控制方法,其特征在于:所述测量模块从输电系统中采集建立SSSC新型非线性鲁棒控制系统的状态空间模型所需的物理量。
3.如权利要求1所述的SSSC新型非线性鲁棒控制系统的控制方法,其特征在于:所述信号模拟变换模块将测量模块输出的物理量滤波后从abc坐标的变量变换到dp0坐标的变量。
4.如权利要求1所述的SSSC新型非线性鲁棒控制系统的控制方法,其特征在于:所述比较模块求出SSSC新型非线性鲁棒控制系统的局部平衡点及其与测量值之间的偏差信号。
5.如权利要求1所述的SSSC新型非线性鲁棒控制系统的控制方法,其特征在于:所述状态空间转换模块将比较模块输出的偏差信号建立SSSC新型非线性鲁棒控制系统的状态空间数学模型,并将模型输出信号传输到中央控制模块。
6.如权利要求1所述的SSSC新型非线性鲁棒控制系统的控制方法,其特征在于:所述中央控制模块调用控制算法得出非线性鲁棒控制律,并将其传送到状态空间逆变换模块。
7.如权利要求1或6所述的SSSC新型非线性鲁棒控制系统的控制方法,其特征在于:所述状态空间逆变换模块将非线性鲁棒控制律转换成为相应物理量输送到电压源换流器闸门触发和控制模块。
8.如权利要求1所述的SSSC新型非线性鲁棒控制系统的控制方法,其特征在于:所述电压源换流器闸门触发和控制模块先将非线性鲁棒控制律计算出的触发角信号α转化成相应的触发脉冲信号后,再和脉宽调制比信号k发送到SSSC模块。技术领域
本发明涉及柔性交流输电技术领域,具体涉及一种SSSC新型非线性鲁棒控制系统及其控制方法。
背景技术
现代电力系统是一个典型的高维、强非线性的动态大系统,以大机组、超高压、长距离、重负荷、大电网的互联和交直流联合输电为主要特点。随着各种新的电力设备的使用、可再生能源(如风电、光伏发电等)的大力开发和利用而形成越来越多的微电网并入主网,在使发电、输电更经济、高效的同时也增加了电力系统的规模、复杂性和不确定性。在这种情况下,电力系统的局部故障(如短路故障、接地故障、负荷骤降和电压崩溃等)可能会对全网产生较为严重的影响。柔性交流输电系统(Flexible AC Transmission System,FACTS)已经成为了现代电力系统的重要组成部分,它能够对电力网络参数进行连续调节,在不改变网络结构的情况下,能有效改善潮流分布情况,提高功率输送能力及暂态稳定性。静止同步串联补偿器(static series synchronous compensator,SSSC)与输电系统串联,是应用可关断晶闸管(GTO)构成的同步电压源的控制器,基本原理是向线路注入一个与其电流相位相差几乎90°的可控电压,以快速控制线路的有效阻抗,从而可控制系统中传输的有功功率,从而实现阻尼功率振荡、抑制次同步振荡、提高暂态稳定性等控制目标。其主要特点为:1不需要交流电容器或电抗器,即可在输电线路中产生或吸收无功功率;2可在容性和感性范围内,产生与线路电流大小无关的、连续可控的同步补偿电压,对输电线路的潮流进行控制;3对由于其他原因引起的次同步谐振(subsynchrounous resonance,SSR)及其他振荡现象具有固有的抗干扰能力;4在换流器直流侧接入储能元件后,可对输电线路进行有功功率的补偿,从而补偿电阻性压降;5SSSC能比可控串联补偿装置(TCSC)更快速或瞬时地响应控制命令,可有效抑制SSR等;6在输电系统功角较小时,SSSC比TCSC改变系统的功角特性能力更强,具有更强的调节输电线路潮流的能力;7SSSC的单位容量造价要比TCSC高。SSSC的控制目标是在维持换流器直流母线电压稳定的同时,向输电线路注入一个与线路电流相差近似为90°的可控电压,使其呈现电感、电容特性,快速控制线路的等效阻抗,从而调节线路输送的有功和无功功率等,最终实现阻尼功率振荡、提高暂态稳定性等控制目标。SSSC在输电系统的安全、稳定运行的作用不仅取决于其装设地点和容量选择,更受到所选择的控制方法的影响。目前,SSSC装置所使用的线性控制方法主要有PID控制方法、直接线性化方法、线性自适应控制方法、线性鲁棒控制方法、反馈线性化方法等。众所周知,(反馈)线性化方法的基本思想是通过消除所考虑系统的内部非线性特性来得到一个反馈等效的线性系统,这种线性化很可能破坏了对系统动态性能有用的系统原有的物理结构特性。近年来,SSSC的非线性控制方法获得了广泛研究,主要有基于混合神经模糊勒让德的自适应控制、直接Lyapunov有限时间控制方法、广义哈密顿函数方法等,这些方法都不同程度地提高了电力系统的暂态稳定性和功率振荡阻尼。而SSSC系统是一个非线性系统,在建模时就存在建模误差,并且SSSC装置在运行的过程中经常受到外界不确定干扰的影响,因此,当系统受到外界较大干扰以及运行点发生大范围波动时,(反馈)线性化控制器难以提供满意的控制效果。模糊控制方法主要有以下缺点:1.模糊控制的设计尚缺乏系统性,这对复杂系统的控制是难以奏效的。难以建立一套系统的模糊控制理论,以解决模糊控制的机理、稳定性分析、系统化设计方法等一系列问题;2.如何获得模糊规则及隶属函数即系统的设计办法,完全凭经验进行;3.信息简单的模糊处理将导致系统的控制精度降低和动态品质变差。若要提高精度就必然增加量化级数,导致规则搜索范围扩大,降低决策速度,甚至不能进行实时控制;4.如何保证模糊控制系统的稳定性即如何解决模糊控制中关于稳定性和鲁棒性问题还有待解决。而神经网络控制方法只考虑SVG的外部控制,内部控制还是PI控制。广义哈密顿函数方法虽然是一种连续控制方法,但是对广义项需要用边界函数来界定,而边界函数又难以确定。直接Lyapunov有限时间控制方法是不连续控制方法,不能保留SSSC系统的非线性物理结构特性,容易发生“抖振”现象。
发明内容
为解决上述技术问题,本发明提供了一种SSSC新型非线性鲁棒控制系统,该SSSC新型非线性鲁棒控制系统通过基于哈密顿能量函数方法,能够充分保留被控对象SSSC的非线性物理结构特性,且所设计的控制器是连续控制器,不会发生“抖振”现象,有效地提高了电力系统的暂态稳定性和功率振荡阻尼。本发明通过以下技术方案得以实现。本发明提供的一种SSSC新型非线性鲁棒控制系统,包括测量模块、信号模拟变换模块、比较模块、状态空间转换模块、中央控制模块、状态空间逆变换模块、电压源换流器闸门触发和控制模块以及SSSC模块,所述测量模块的信号输出端依次通过信号模拟变换模块、比较模块、状态空间转换模块与中央控制模块的信号输入端连接,所述中央控制模块的信号输出端依次通过状态空间逆变换模块、电压源换流器闸门触发和控制模块与SSSC模块的信号输入端连接,所述SSSC模块输出信号调节输电系统的潮流分布。所述测量模块从输电系统中采集建立SSSC新型非线性鲁棒控制系统的状态空间模型所需的物理量。所述信号模拟变换模块将测量模块输出的物理量滤波后从abc坐标的变量变换到dp0坐标的变量。所述比较模块求出SSSC新型非线性鲁棒控制系统的局部平衡点及其与测量值之间的偏差信号。所述状态空间转换模块将比较模块输出的偏差信号建立SSSC新型非线性鲁棒控制系统的状态空间数学模型,并将模型输出信号传输到中央控制模块。所述中央控制模块调用控制算法得出非线性鲁棒控制律,并将其传送到状态空间逆变换模块。所述状态空间逆变换模块将非线性鲁棒控制律转换成为相应物理量输送到电压源换流器闸门触发和控制模块。所述电压源换流器闸门触发和控制模块将非线性鲁棒控制律计算出的触发角信号转化成相应的触发脉冲信号后和脉宽调制比信号发送到SSSC模块。一种SSSC新型非线性鲁棒控制系统的控制方法,包括以下步骤:(1)所述测量模块采集SSSC新型非线性鲁棒控制系统接入点处发送端母线电压V_s∠θ_s=V_sd+jV_sq和接收端母线电压V_r∠θ_r=V_rd+jV_rq,串联变压器电流I=i_d+ji_q,直流侧电容器电压V_dc,角系统的频率ω;(2)所述信号模拟变换模块首先通过滤波器将包含在所采集模拟信号中的干扰信号滤除掉,然后再利用Park变换器将滤波后的物理量从abc坐标下的变量变换到dp0坐标下的变量;(3)所述比较模块读取微处理器中存储的物理量:串联变压器的阻抗R_s和感抗L_s,直流环节的损耗R_dc和电容C_dc,角系统的基准频率ω_s,串联变压器接收端的期望有功功率ntent="drawing" img-format="TIF" inline="no" orientation="portrait" wi="64"/>和期望无功功率ntent="drawing" img-format="TIF" inline="no" orientation="portrait" wi="92"/>直流环节电容器的期望电压ntent="drawing" img-format="TIF" inline="no" orientation="portrait" wi="91"/>(4)所述比较模块的微处理器计算系统的局部平衡点ntent="drawing" img-format="TIF" inline="no" orientation="portrait" wi="243"/> ntent="drawing" img-format="TIF" inline="no" orientation="portrait" wi="691"/> 其中期望电压ntent="drawing" img-format="TIF" inline="no" orientation="portrait" wi="66"/>由外部直接给定;(5)所述比较模块的微处理器计算偏差信号变量:ntent="drawing" img-format="TIF" inline="yes" left="129" orientation="portrait" top="128" wi="21"/>ntent="drawing" img-format="TIF" inline="no" orientation="portrait" wi="568"/>(6)所述状态空间转换模块的微处理器计算参数变量:ntent="drawing" img-format="TIF" inline="yes" left="138" orientation="portrait" top="145" wi="20"/>ntent="drawing" img-format="TIF" inline="no" orientation="portrait" wi="699"/>(7)所述状态空间转换模块的微处理器构建在标幺值条件下系统的状态空间模型: ntent="drawing" img-format="TIF" inline="no" orientation="portrait" wi="700"/> 其中,u_d=kcos(α+θ_s),u_q=ksin(α+θ_s),[ε₁ ε₂]^T是系统外部干扰信号;(8)所述控制模块是一个微处理器,包含非线性鲁棒控制器,非线性鲁棒控制器执行非线性鲁棒控制律: ntent="drawing" img-format="TIF" inline="no" orientation="portrait" wi="635"/> 其中,r_i>0(i=1,2),ntent="drawing" img-format="TIF" inline="no" orientation="portrait" wi="319"/>(9)所述状态空间逆变换模块将非线性鲁棒控制律转换成换流器闸门触发角信号α和脉宽调制比信号k发送至换流器闸门触发和控制模块: ntent="drawing" img-format="TIF" inline="no" orientation="portrait" wi="299"/> ntent="drawing" img-format="TIF" inline="no" orientation="portrait" wi="699"/> (10)换流器闸门触发和控制模块先将非线性鲁棒控制律计算出来的触发角信号α转换成相应相位的触发脉冲信号,再和脉宽调制比信号k一起发送到SSSC模块,SSSC模块对电力系统的暂态稳定性和潮流实时控制。本发明的有益效果在于:基于哈密顿能量函数方法,能够充分保留被控对象SSSC的非线性物理结构特性,所设计的控制器是连续控制器,不会发生“抖振”现象,有效地提高了电力系统的暂态稳定性和功率振荡阻尼,对于基于电压源换流器的一类FACTS设备,只需要对现有控制模块中的参数和变量及其维数进行合理修改,即可实现非线性鲁棒控制,本发明提供的非线性鲁棒控制方法是一种连续控制方法,不需要利用边界函数,不仅能够充分保持和利用被控制对象SSSC的非线性物理结构特性,而且能够对SSSC实现实时控制。
附图说明
图1是本发明的原理框图;图2是图1中SSSC新型非线性鲁棒控制系统的原理图。
具体实施方式
下面进一步描述本发明的技术方案,但要求保护的范围并不局限于所述。如图1和图2所示的一种SSSC新型非线性鲁棒控制系统,包括测量模块、信号模拟变换模块、比较模块、状态空间转换模块、中央控制模块、状态空间逆变换模块、电压源换流器闸门触发和控制模块以及SSSC模块,所述测量模块的信号输出端依次通过信号模拟变换模块、比较模块、状态空间转换模块与中央控制模块的信号输入端连接,所述中央控制模块的信号输出端依次通过状态空间逆变换模块、电压源换流器闸门触发和控制模块与SSSC模块的信号输入端连接,所述SSSC模块输出信号调节输电系统的潮流分布。SSSC模块也就是静止同步串联补偿器模块。所述测量模块从输电系统中采集建立SSSC新型非线性鲁棒控制系统的状态空间模型所需的物理量。电压传感器、锁相环、测频器,用于从SSSC装置的接入点处提取SSSC新型非线性鲁棒控制系统发送端交流母线电压V_s∠θ_s=V_sd+jV_sq和接收端母线电压V_r∠θ_r=V_rd+jV_rq,串联变压器电流I=i_d+ji_q,直流侧电容器电压V_dc,角系统的频率ω。所述信号模拟变换模块将测量模块输出的物理量滤波后从abc坐标的变量变换到dp0坐标的变量。所述比较模块求出SSSC新型非线性鲁棒控制系统的局部平衡点及其与测量值之间的偏差信号。所述状态空间转换模块将比较模块输出的偏差信号建立SSSC新型非线性鲁棒控制系统的状态空间数学模型,并将模型输出信号传输到中央控制模块。所述中央控制模块调用控制算法得出非线性鲁棒控制律,并将其传送到状态空间逆变换模块。所述状态空间逆变换模块将非线性鲁棒控制律转换成为相应物理量输送到电压源换流器闸门触发和控制模块。状态空间逆变换模块将非线性鲁棒控制律转换物理量—(k,α)发送到电压源换流器闸门触发和控制模块。所述电压源换流器闸门触发和控制模块将非线性鲁棒控制律计算出的触发角信号转化成相应的触发脉冲信号后和脉宽调制比信号发送到SSSC模块。电压源换流器闸门触发和控制模块将α转化成相应相位的触发脉冲信号后和脉宽调制比信号k一起发送到SSSC模块,实现SSSC装置对电力系统的潮流控制。一种SSSC新型非线性鲁棒控制系统的控制方法,包括以下步骤:(1)所述测量模块采集SSSC新型非线性鲁棒控制系统接入点处发送端母线电压V_s∠θ_s=V_sd+jV_sq和接收端母线电压V_r∠θ_r=V_rd+jV_rq,串联变压器电流I=i_d+ji_q,直流侧电容器电压V_dc,角系统的频率ω;(2)所述信号模拟变换模块首先通过滤波器将包含在所采集模拟信号中的干扰信号滤除掉,然后再利用Park变换器将滤波后的物理量从abc坐标下的变量变换到dp0坐标下的变量;(3)所述比较模块读取微处理器中存储的物理量:串联变压器的阻抗R_s和感抗L_s,直流环节的损耗R_dc和电容C_dc,角系统的基准频率ω_s,串联变压器接收端的期望有功功率ntent="drawing" img-format="TIF" inline="no" orientation="portrait" wi="59"/>和期望无功功率ntent="drawing" img-format="TIF" inline="no" orientation="portrait" wi="99"/>直流环节电容器的期望电压ntent="drawing" img-format="TIF" inline="no" orientation="portrait" wi="91"/>(4)所述比较模块的微处理器计算系统的局部平衡点ntent="drawing" img-format="TIF" inline="no" orientation="portrait" wi="235"/> ntent="drawing" img-format="TIF" inline="no" orientation="portrait" wi="691"/> 其中期望电压ntent="drawing" img-format="TIF" inline="no" orientation="portrait" wi="67"/>由外部直接给定;(5)所述比较模块的微处理器计算偏差信号变量:ntent="drawing" img-format="TIF" inline="yes" left="129" orientation="portrait" top="209" wi="21"/>ntent="drawing" img-format="TIF" inline="no" orientation="portrait" wi="568"/>(6)所述状态空间转换模块的微处理器计算参数变量:ntent="drawing" img-format="TIF" inline="yes" left="138" orientation="portrait" top="226" wi="20"/>ntent="drawing" img-format="TIF" inline="no" orientation="portrait" wi="699"/>(7)所述状态空间转换模块的微处理器构建在标幺值条件下系统的状态空间模型: ntent="drawing" img-format="TIF" inline="no" orientation="portrait" wi="700"/> 其中,u_d=kcos(α+θ_s),u_q=ksin(α+θ_s),[ε₁ ε₂]^T是系统外部干扰信号;(8)所述控制模块是一个微处理器,包含非线性鲁棒控制器,非线性鲁棒控制器执行非线性鲁棒控制律: ntent="drawing" img-format="TIF" inline="no" orientation="portrait" wi="635"/> 其中,r_i>0(i=1,2),ntent="drawing" img-format="TIF" inline="no" orientation="portrait" wi="319"/>(9)所述状态空间逆变换模块将非线性鲁棒控制律转换成换流器闸门触发角信号α和脉宽调制比信号k发送至换流器闸门触发和控制模块: ntent="drawing" img-format="TIF" inline="no" orientation="portrait" wi="297"/> ntent="drawing" img-format="TIF" inline="no" orientation="portrait" wi="699"/> (10)换流器闸门触发和控制模块先将非线性鲁棒控制律计算出来的触发角信号α转换成相应相位的触发脉冲信号,再和脉宽调制比信号k一起发送到SSSC模块,SSSC模块对电力系统的暂态稳定性和潮流实时控制。其中,θ_s、θ_r分别是静止同步串联补偿器(SSSC)新型非线性鲁棒控制系统的发送端和接收端的电压相角;V_sd、V_sq分别是静止同步串联补偿器(SSSC)新型非线性鲁棒控制系统的发送端电压幅值V_s在dq坐标系中d轴和q轴的电压分量;j是虚数单位、V_rd、V_rq分别是静止同步串联补偿器(SSSC)新型非线性鲁棒控制系统的接收端电压幅值V_r在dq坐标系中d轴和q轴的电压分量;i_d、i_q分别是静止同步串联补偿器(SSSC)新型非线性鲁棒控制系统的线路电流I在dq坐标系中d轴和q轴的电流分量;ntent="drawing" img-format="TIF" inline="no" orientation="portrait" wi="125"/>分别是i_d、i_q的稳态值,x₁、x₂、x₃是状态变量;a、b、c、d是数学代号,没有具体的物理含义;V_dc是SSSC模块直流侧电容器电压;[u_d u_q]是控制输入向量;r_i、γ、γ^*是正常数;ε₁、ε₂是系统外部的干扰信号。本发明基于哈密顿能量函数方法,能够充分保留被控对象SSSC的非线性物理结构特性,所设计的控制器是连续控制器,不会发生“抖振”现象,有效地提高了电力系统的暂态稳定性和功率振荡阻尼,对于基于电压源换流器的一类FACTS设备,只需要对现有控制模块中的参数和变量及其维数进行合理修改,即可实现非线性鲁棒控制,本发明提供的非线性鲁棒控制方法是一种连续控制方法,不需要利用边界函数,不仅能够充分保持和利用被控制对象SSSC的非线性物理结构特性,而且能够对SSSC实现实时控制。