一种提高变流器并网稳定性的控制器设计方法及系统与流程

1.本技术涉及电力系统技术领域，特别是涉及一种提高变流器并网稳定性的 控制器设计方法及系统。


背景技术：

2.近年来，随着我国新能源装机容量的逐渐递增，电网中变流器的渗透率也 在逐渐增大。高比例变流器的渗透极大的改变了现代电力系统的稳定特性与动 态特性，因此，对变流器控制结构的优化设计得到了广泛的关注。
3.目前，对变流器控制结构系统化与标准化的设计主要采用h2与h
∞
控制理论， 但这些设计方法主要针对单一的控制目标，也没有考虑到变流器并网同步的鲁 棒性问题。并且，虽然通过h2与h
∞
设计可以得到镇定的控制器，但由于目前的 方法仅针对变流器的单机并网系统，因此无法保证多机系统的稳定性。
4.针对上述的现有技术中存在的变流器的控制结构只能针对变流器的单机并 网系统，因此无法保证多机系统的稳定性的技术问题，目前尚未提出有效的解 决方案。


技术实现要素：

5.本公开的实施例提供了一种提高变流器并网稳定性的控制器设计方法，以 至少解决现有技术中存在的变流器的控制结构只能针对变流器的单机并网系统， 因此无法保证多机系统的稳定性的技术问题。
6.根据本公开实施例的一个方面，提供了一种提高变流器并网稳定性的控制 器设计方法，包括：根据预先采集的变流器系统的参数，确定变流器系统的闭 环传递函数；根据权函数矩阵以及所述闭环传递函数，确定控制器的并网变流 器模型；以及根据所述控制器的并网变流器模型对所述变流器系统的参数进行 控制，从而提高变流器控制结构的并网稳定性。
7.根据本公开实施例的另一个方面，还提供了一种提高变流器并网稳定性的 控制器设计系统，包括：确定传递函数模块，用于根据预先采集的变流器系统 的参数，确定变流器系统的闭环传递函数；确定控制器模块，用于根据权函数 矩阵以及所述闭环传递函数，确定控制器的并网变流器模型；以及提高稳定性 模块，用于根据所述控制器的并网变流器模型对所述变流器系统的参数进行控 制，从而提高变流器控制结构的并网稳定性。
8.在本发明中，利用权函数对多输入多输出变流器系统的传递函数矩阵进 行整形，即进行点乘结构的h
∞
控制问题，达到从更广义的角度设计涵盖锁 相环型变流器与组网型变流器更优同步单元结构的目的。
9.从而可以针对多个控制目标进行变流器控制结构的优化设计，并且可以通过 将变流器设备矩阵包含在优化问题的传递函数矩阵中从而提升变流器的稳定性， 因此可以保证多机系统的稳定性。
10.解决了现有技术无法系统性地获得鲁棒、稳定以及最优的并网变流器控制 结构
的问题，提出一种提高并网稳定性的变流器广义同步控制结构设计方法， 通过权函数对多输入多输出变流器系统传递函数矩阵进行整形的点乘结构的h ∞控制问题，达到从更广义的角度设计涵盖锁相环型变流器与组网型变流器更 优同步单元结构的目的。
附图说明
11.此处所说明的附图用来提供对本公开的进一步理解，构成本技术的一部分， 本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限 定。在附图中：
12.图1是用于实现根据本公开实施例所述的一种提高变流器并网稳定性的控 制器设计方法的流程示意图；
13.图2是根据本公开实施例所述的h
∞
控制器的并网变流器模型的示意图；
14.图3是根据本公开实施例所述的单机无穷大系统下变流器应用所提出h∞ 控制器在一些大扰动下时域响应波形图；
15.图4是根据本公开实施例所述的三机九节点变流器系统图；
16.图5是根据本公开实施例所述的三机九节点变流器系统下变流器应用所提 出h
∞
控制器时多机系统时域响应波形图；以及
17.图6是根据本公开实施例所述的一种提高变流器并网稳定性的控制器设计 系统的示意图。
具体实施方式
18.现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不 同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详 尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的 范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。 在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。
19.除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术 人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术 语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理 想化的或过于正式的意义。
20.根据本实施例的第一个方面，提供了提高变流器控制结构的并网稳定性的 方法。图1示出了该方法的流程示意图，参考图1所示，该方法包括：
21.s102：根据预先采集的变流器系统的参数，确定变流器系统的闭环传递函 数；
22.s104：根据权函数矩阵以及所述闭环传递函数，确定控制器的并网变流器 模型；以及
23.s106：根据所述控制器的并网变流器模型对所述变流器系统的参数进行控 制，从而提高变流器控制结构的并网稳定性。
24.具体地，根据所定义的扰动输入向量w、测量输出向量z、控制输入u 和控制输出y，得出含h
∞
控制器的并网变流器小信号模式以及变流器系统的 闭环传递函数为：
25.26.其中，是系统的传递函数矩阵，h
∞
控制器为u＝ky，k选 取为静态的常数矩阵，各输入输出具体定义为：
[0027][0028]
式中为变流器电流控制环dq坐标下的参考值；ω为坐标变换环 节的频率输入；为变流器电压外环dq坐标下的参考值；v
d
、v
q
为 lcl电容电压在dq坐标下的分量；i
d
、i
q
为lcl的变流器侧电感电流在dq 坐标下的分量；i'
d
、i'
q
为lcl的网侧电感电流在dq坐标下的分量；p
e
、p
ref
为变流器输出有功功率及有功功率参考值；q
e
、q
ref
为变流器输出无功功率 及无功功率参考值；g(s)＝f
‑1(s)用于保证变流器稳定性。
[0029]
其中，f(s)的表达式为：
[0030][0031]
式中，τ是变流器网络方面所有线路相等的电阻与电感的比值，ω0是额定 的角频率值。
[0032]
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
[0033]
按照本发明方法内容完整实施的具体实施例如下：
[0034]
在matlab/simulink软件中建立如图2所示的变流器并网模型进行仿真 实验，验证提出的h
∞
控制器的动态性能。其他的系统参数如表1所示：
[0035]
表1多变流器系统参数
[0036][0037]
权函数矩阵按说明提出的控制目标设置后，并针对不确定线路电感，采用 matlab的hinfstruct函数求解建立的h
∞
控制问题后，得到的h
∞
控制器为：
[0038][0039]
图3为单机无穷大系统下变流器应用所提出h
∞
控制器在一些大扰动下的 时域响应波形图，在1秒时电网电压从1.0p.u.跌落到0.5p.u.，并在2秒时时重 新恢复到1.0p.u.。变流器在4秒时从电网中切除(此时变流器仍然连接到一个 本地负荷pload＝0.5p.u.)，并在5秒时重新连接到电网。在7秒时变流器d
‑ꢀ
轴电压的参考值从1p.u.变化到1.45p.u.。由结果可以看出，变流器在上述的扰 动下均具有良好的动态性能。
[0040]
图4为三机九节点变流器系统图。图5为三机九节点变流器系统下变流器 应用所提出h
∞
控制器时多机系统时域响应波形图。其中，三台变流器的有功功 率参考值分别在t＝1s,t＝2s和t＝3s时从0阶跃到1.0p.u.。并且，设置lg1 在t＝4s时从0.2p.u.阶跃到0.4p.u.，lg2在t＝5s时从0.2p.u.阶跃到0.3p.u.以 及lg3在t＝6s时从0.2p.u.阶跃到0.5p.u.。由结果可以看出，当应用所提出的h
∞
控制器变流器具有良好的响应特性(快速跟踪特性且无超调)，且能保证多 机系统稳定。
[0041]
从而，本实施利用权函数对多输入多输出变流器系统的传递函数矩阵进 行整形，即进行点乘结构的h
∞
控制问题，达到从更广义的角度设计涵盖锁 相环型变流器与组网型变流器更优同步单元结构的目的。
[0042]
本实施可以针对多个控制目标进行变流器控制结构的优化设计，并且可以通 过
将变流器设备矩阵包含在优化问题的传递函数矩阵中从而提升变流器的稳定性， 因此可以保证多机系统的稳定性。
[0043]
本实施解决了现有技术无法系统性地获得鲁棒、稳定以及最优的并网变流 器控制结构的问题，提出一种提高并网稳定性的变流器广义同步控制结构设计 方法，通过权函数对多输入多输出变流器系统传递函数矩阵进行整形的点乘结 构的h
∞
控制问题，达到从更广义的角度设计涵盖锁相环型变流器与组网型变流 器更优同步单元结构的目的。
[0044]
可选地，根据预先采集的变流器系统的参数，确定变流器系统的闭环传递 函数，包括：根据预先采集的变流器系统的参数，确定扰动输入向量、测量输 出向量、控制输入量以及控制输出量；以及根据所述扰动输入向量、所述测量 输出向量、所述控制输入量以及所述控制输出量，确定变流器系统的闭环传递 函数。
[0045]
可选地，根据预先采集的变流器系统的参数，确定扰动输入向量、测量输 出向量、控制输入量以及控制输出量，包括：确定变流器电流控制环旋转坐标 下的参考值、旋转坐标变换环节的频率输入值、变流器电压外环旋转坐标下的 参考值、lcl滤波器的电容电压在旋转坐标下的分量、lcl滤波器的变流器侧 电感电流在旋转坐标下的分量、lcl滤波器的网侧电感电流在旋转坐标下的分 量、变流器输出有功功率及有功功率参考值、变流器输出无功功率及无功功率 参考值以及变流器稳定性保持矩阵。
[0046]
可选地，根据预先采集的变流器系统的参数，确定扰动输入向量、测量输 出向量、控制输入量以及控制输出量，还包括：根据所述变流器电流控制环旋 转坐标下的参考值以及所述旋转坐标变换环节的频率输入值，确定所述控制输 入量；根据所述变流器电压外环旋转坐标下的参考值、所述lcl滤波器的电容 电压在旋转坐标下的分量、所述lcl滤波器的变流器侧电感电流在旋转坐标下 的分量、lcl滤波器的网侧电感电流在旋转坐标下的分量、变流器输出有功功 率及有功功率参考值、变流器输出无功功率及无功功率参考值，确定所述控制 输出量；以及根据所述lcl滤波器的电容电压在旋转坐标下的分量、所述变流 器输出有功功率、所述变流器输出无功功率以及所述变流器稳定性保持矩阵， 确定所述测量输出向量。
[0047]
可选地，确定所述变流器稳定性保持矩阵，包括：确定变流器网络方面所 有线路相等的电阻与电感的比值以及额定的角频率值；以及根据所述变流器网 络方面所有线路相等的电阻与电感的比值以及所述额定的角频率值，确定所述 变流器稳定性保持矩阵。
[0048]
可选地，根据所述控制器的并网变流器模型对所述变流器系统的参数进行 控制，从而提高变流器控制结构的并网稳定性，包括：在所述控制器的并网变 流器模型的输入输出信号具有跟踪特性的情况下，确定所述权函数的逆具有互 补灵敏度函数特性；在所述控制器的并网变流器模型的输入输出信号具有扰动 抑制性的情况下，确定所述权函数的逆具有灵敏度函数特性；以及根据所述互 补灵敏度函数特性或者灵敏度函数特性，对所述闭环传递函数进行变形，获得 控制器的并网变流器模型。
[0049]
可选地，根据所述控制器的并网变流器模型对所述变流器系统的参数进行 控制，从而提高变流器控制结构的并网稳定性，包括：所述变流器的参数包括： 相位输出、输入相位、有功功率控制、电压与电压、根据所述控制器的并网变 流器模型对所述变流器的并网进行同步；根据所述控制器的并网变流器模型对 所述变流器的有功功率进行控制；根据所述控制器的并网变流器模型对电压进 行定向控制以及幅值控制；以及提高变流器控制结
构的并网稳定性。
[0050]
可选地，根据所述扰动输入向量、所述测量输出向量、所述控制输入量以 及所述控制输出量，确定变流器系统的闭环传递函数，包括：根据以下表达式 确定变流器系统的闭环传递函数：
[0051][0052]
其中，w为所述扰动输入向量，z为所述测量输出向量，y为所述控制输出 量，u为所述控制输入量，s为，s为拉普拉斯算子，k为静态的常数矩阵，p(k)(s) 是所述变流器系统的闭环传递函数，i是单位矩阵。
[0053]
可选地，根据权函数矩阵以及所述闭环传递函数，确定控制器的并网变流 器模型，包括：
[0054]
根据以下表达式确定控制器的并网变流器模型：
[0055][0056]
°
表示矩阵的点乘，w(s)为权函数矩阵，p(k)(s)是变流器系统闭环传递函数。
[0057]
通过点乘结构可以求出期望性能的h
∞
控制器使p
ij
(k)(s)逼近ω
ij
(s)从而实 现对多输入多输出变流器系统传递函数的整形。
[0058]
相应权函数根据h
∞
控制器需要实现的控制目标利用灵敏度函数与互补灵 敏度函数频域响应特性设置，并通过调整带宽满足所需性能；若控制目标输出 输入信号为跟踪特性则相应权函数的逆应具有互补灵敏度函数特性，若控制目 标输出输入信号为扰动抑制特性则相应权函数的逆应具有灵敏度函数特性。
[0059]
假设变流器是运行于功率控制模式，则h
∞
控制器需要实现的控制目标为： 并网同步(其相位输出与输入相位扰动呈扰动抑制特性)、有功功率控制(其 有功功率跟踪误差输出与输入有功扰动呈扰动抑制特性，其有功功率输出与输 入有功扰动呈跟踪特性)、电压定向控制与电压幅值控制(其dq轴电压跟踪误 差输出与输入电压扰动呈扰动抑制特性，其有dq轴电压输出与输入有功扰动呈 跟踪特性)以及系统稳定(所选输出输入信号对应传递函数矩阵包含设备特性 矩阵，其幅值特性需要压低)。
[0060]
所述控制目标相应权函数设置为：
[0061][0062]
(s)权函数矩阵其他元素设置为0。
[0063]
将设置的权函数矩阵与变流器系统闭环传递函数矩阵带入h
∞
控制优化问 题后，
即可得出期望的h
∞
控制器，达到从更广义的角度设计涵盖锁相环型变流 器与组网型变流器更优同步单元结构的目的。
[0064]
从而，本实施例利用权函数对多输入多输出变流器系统的传递函数矩阵 进行整形，即进行点乘结构的h
∞
控制问题，达到从更广义的角度设计涵盖 锁相环型变流器与组网型变流器更优同步单元结构的目的。
[0065]
本实施例可以针对多个控制目标进行变流器控制结构的优化设计，并且可以 通过将变流器设备矩阵包含在优化问题的传递函数矩阵中从而提升变流器的稳定 性，因此可以保证多机系统的稳定性。
[0066]
本实施例解决了现有技术无法系统性地获得鲁棒、稳定以及最优的并网变 流器控制结构的问题，提出一种提高并网稳定性的变流器广义同步控制结构设 计方法，通过权函数对多输入多输出变流器系统传递函数矩阵进行整形的点乘 结构的h
∞
控制问题，达到从更广义的角度设计涵盖锁相环型变流器与组网型变 流器更优同步单元结构的目的。
[0067]
根据实施例的另外一个方面，还一种提高变流器并网稳定性的控制器设计 系统600。参考图6所示，该系统600包括：确定传递函数模块610，用于根据 预先采集的变流器系统的参数，确定变流器系统的闭环传递函数；确定并网变 流器模块620，用于根据权函数矩阵以及所述闭环传递函数，确定控制器的并 网变流器模型；以及
[0068]
提高稳定性模块630，用于根据所述控制器的并网变流器模型对所述变流 器系统的参数进行控制，从而提高变流器控制结构的并网稳定性。
[0069]
可选地，确定传递函数模块610，包括：确定量子模块，用于根据预先采 集的变流器系统的参数，确定扰动输入向量、测量输出向量、控制输入量以及 控制输出量；以及确定函数子模块，用于根据所述扰动输入向量、所述测量输 出向量、所述控制输入量以及所述控制输出量，确定变流器系统的闭环传递函 数。
[0070]
可选地，确定量子模块，包括：确定参考值单元，用于确定变流器电流控 制环旋转坐标下的参考值、旋转坐标变换环节的频率输入值、变流器电压外环 旋转坐标下的参考值、lcl滤波器的电容电压在旋转坐标下的分量、lcl滤波 器的变流器侧电感电流在旋转坐标下的分量、lcl滤波器的网侧电感电流在旋 转坐标下的分量、变流器输出有功功率及有功功率参考值、变流器输出无功功 率及无功功率参考值以及变流器稳定性保持矩阵。
[0071]
可选地，确定量子模块，还包括：确定控制输入量单元，用于根据所述变 流器电流控制环旋转坐标下的参考值以及所述旋转坐标变换环节的频率输入值， 确定所述控制输入量；确定控制输出量单元，用于根据所述变流器电压外环旋 转坐标下的参考值、所述lcl滤波器的电容电压在旋转坐标下的分量、所述 lcl滤波器的变流器侧电感电流在旋转坐标下的分量、lcl滤波器的网侧电感 电流在旋转坐标下的分量、变流器输出有功功率及有功功率参考值、变流器输 出无功功率及无功功率参考值，确定所述控制输出量；以及确定测量输出向量 单元，用于根据所述lcl滤波器的电容电压在旋转坐标下的分量、所述变流器 输出有功功率、所述变流器输出无功功率以及所述变流器稳定性保持矩阵，确 定所述测量输出向量。
[0072]
可选地，确定参考值单元，包括：确定角频率值子单元，用于确定变流器 网络方面所有线路相等的电阻与电感的比值以及额定的角频率值；以及确定稳 定性保持矩阵子单元，用于根据所述变流器网络方面所有线路相等的电阻与电 感的比值以及所述额定的角
频率值，确定所述变流器稳定性保持矩阵。
[0073]
可选地，提高稳定性模块630，包括：确定互补灵敏度子模块，在所述控 制器的并网变流器模型的输入输出信号具有跟踪特性的情况下，确定所述权函 数的逆具有互补灵敏度函数特性；确定灵敏度子模块，在所述控制器的并网变 流器模型的输入输出信号具有扰动抑制性的情况下，确定所述权函数的逆具有 灵敏度函数特性；以及获得并网变流器模型子模块，用于根据所述互补灵敏度 函数特性或者灵敏度函数特性，对所述闭环传递函数进行变形，获得控制器的 并网变流器模型。
[0074]
可选地，提高稳定性模块630，包括：并网同步子模块，用于根据所述控 制器的并网变流器模型对所述变流器的并网进行同步；有功功率控制子模块， 用于根据所述控制器的并网变流器模型对所述变流器的有功功率进行控制；电 压控制子模块，用于根据所述控制器的并网变流器模型对电压进行定向控制以 及幅值控制；以及提高稳定性子模块，用于提高变流器控制结构的并网稳定性。
[0075]
可选地，确定传递函数模块610，包括：确定传递函数表达式子模块，用 于根据以下表达式确定变流器系统的闭环传递函数：
[0076][0077]
其中，w为所述扰动输入向量，z为所述测量输出向量，y为所述控制输出量，u为所述控制输入量，s为拉普拉斯算子，k为静态的常数矩阵，p(k)(s)是所述变流器系统的闭环传递函数，i是单位矩阵。p(k)(s)是所述变流器系统的闭环传递函数。
[0078]
可选地，确定并网变流器模块620，包括： 确定并网变流器表达式子模块，根据以下表达式确定控制器的并网变流器模型：
[0079][0080]
°
表示矩阵的点乘，w(s)为权函数矩阵，p(k)(s)是变流器系统闭环传递函数。
[0081]
本发明的实施例的一种提高变流器并网稳定性的控制器设计系统600与本 发明的另一个实施例的一种提高变流器并网稳定性的控制器设计方法相对应， 在此不再赘述。
[0082]
本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计 算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结 合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包 含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、 cd
‑
rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本技术实施例中 的方案可以采用各种计算机语言实现，例如，面向对象的程序设计语言java和 直译式脚本语言javascript等。
[0083]
本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产 品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和 /或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/ 或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入 式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算 机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生
用于实现在流程图一个 流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0084]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备 以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的 指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流 程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0085]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使 得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理， 从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程 或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0086]
尽管已描述了本技术的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基 本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要 求意欲解释为包括优选实施例以及落入本技术范围的所有变更和修改。
[0087]
显然，本领域的技术人员可以对本技术进行各种改动和变型而不脱离本申 请的精神和范围。这样，倘若本技术的这些修改和变型属于本技术权利要求及 其等同技术的范围之内，则本技术也意图包含这些改动和变型在内。