一种柔性合环系统的控制优化方法与流程

1.本发明涉及功率变换器技术领域，具体涉及一种柔性合环系统的控制优化方法。


背景技术：

2.随着我国电力产业的逐步升级和人民生活水平的不断提高，国家经济建设和居民用户对电能质量和供电可靠性的要求越来越高，即使短时间的停电也会给用户的生产生活带来极大不便。我国的配电网经过长期的发展建设，目前采用以“闭环设计，开环运行”为主的配电网结构。
3.为有效提高电能质量和供电的灵活可靠性，配电网需要通过合环操作来选择合适的供电路径转移负荷，实现配电网的不停电负荷转供，同时该操作还能够减少供电损失，提高用户满意度，为配电网的智能化发展奠定基础。然而合环操作也带来了一定的风险和问题，若合环点两侧存在压差和短路阻抗的不同，合环瞬间会出现较大的冲击电流，合环后还会产生环流。并且冲击电流过大会导致继电保护动作，使得停电范围进一步扩大，甚至会直接影响系统的安全稳定运行。在部分柔性合环系统的稳定性控制策略中，通过调整变压器分接头和采用无功补偿等方法控制系统潮流，但这些方法无法调节电压间的相位差，因而难以实现多电源长期稳定合环运行。此外，利用寻优可找到电压差最小的两节点，将二者作为配电网中的最优合环节点，可最大程度的保证合环的稳定，但此方法改变了环网位置和运行方式，配网结构也会发生变化。
4.现有柔性合环系统的稳定性控制策略针对系统稳定性的分析，十分依赖系统参数的准确性。系统的稳定性对于控制器参数的变化十分敏感，很容易造成系统的阻尼减小，产生振荡，使系统的稳定性降低。


技术实现要素：

5.本发明提供了一种柔性合环系统的控制优化方法，以解决现有技术中合环后产生环流冲击、电压相位差无法调节、系统参数准确性低的问题。
6.本发明提供了一种柔性合环系统的控制优化方法，包括如下步骤：
7.步骤1：分别获取柔性合环系统两交流侧电压、电流的变化量，分别计算柔性合环系统两交流侧在不同频率电压扰动下的阻抗；
8.步骤2：根据所述步骤1获取的阻抗与频率的关系型，结合传递函数，分别构建两交流侧的阻抗-频率特性曲线的函数模型，并计算函数模型的各零点对应的实际阻尼值；
9.当实际阻尼值大于标准阻尼值时，柔性合环系统处于最优控制状态，完成优化过程；
10.当实际阻尼值小于等于标准阻尼值时，重新设置参考阻尼值，执行步骤3-4；
11.步骤3：根据设置的参考阻尼值对多振荡模态控制器中的参数进行优化，使多振荡模态控制器的幅频和相频特性满足柔性合环系统运行要求；
12.其中，所述多振荡模态控制器包括数个并联的相同结构的支路，所述支路包括串
联的带通滤波器、超前滞后补偿器、比例放大器；所述支路对应柔性合环系统的一个弱阻尼振荡模态；所述多振荡模态控制器输出的电流作为柔性合环系统中电流内环的输入；
13.步骤4：采集并网点的电压、电流，根据柔性合环系统弱阻尼振荡模态的频率，通过所述步骤3优化后的多振荡模态控制器对柔性合环系统的两交流侧阻抗进行重塑，返回执行步骤1。
14.进一步地，所述标准阻尼值为根据实际情况实际需求的阻尼值；所述参考阻尼值大于等于所述标准阻尼值，当每次重新设置参考阻尼值时，重新设置参考阻尼值大于前一次设置的参考阻尼值。
15.进一步地，所述步骤1中分别计算柔性合环系统两交流侧在不同频率电压扰动下的阻抗的具体步骤如下：
16.步骤11：在柔性合环系统的交流侧分别注入不同频率的串联电压；
17.步骤12：获取柔性合环系统的交流侧在串联电压扰动下的响应电流；
18.步骤13：根据如下公式计算柔性合环系统的交流侧的阻抗：
[0019][0020]
其中，z表示柔性合环系统的某一交流侧在dq坐标系下的阻抗矩阵，z
dd
和z
qq
分别代表d轴和q轴上电压电流之比得到的dq阻抗，z
dq
和z
qd
表示由dq 轴之间的耦合作用产生的等效阻抗。
[0021]
进一步地，所述步骤2中根据所述步骤1获取的阻抗与频率的关系型，结合传递函数，分别构建两交流侧的阻抗-频率特性曲线的函数模型，具体为：
[0022]
分别绘制阻抗矩阵行列式的实部与虚部随频率变化的曲线图，将传递函数与曲线图拟合得到阻抗矩阵行列式的表达式：
[0023]
d(s)＝det(z)＝z
ddzqq-z
dqzqd
[0024]
其中，d(s)表示阻抗矩阵z的阻抗矩阵行列式，即为函数模型，z
dd
和z
qq
分别代表d轴和q轴上电压电流之比得到的dq阻抗，z
dq
和z
qd
表示由dq轴之间的耦合作用产生的等效阻抗。
[0025]
进一步地，所述步骤3的具体步骤如下：
[0026]
步骤31：设定参数t
i1
、t
i2
、k
gi
的边界，给定t
i1
、t
i2
、k
gi
的初值，
[0027]
其中，t
i1
为超前环节的时间常数，t
i2
为滞后环节的时间常数，k
gi
为比例放大控制器的放大倍数；
[0028]
步骤32：对t
i1
、t
i2
、k
gi
进行优化，获取边界范围内的最优t
i1
、t
i2
、k
gi
。
[0029]
进一步地，所述步骤4的具体步骤如下：
[0030]
步骤41：采集柔性合环系统两交流侧馈线处的电压，作为多振荡模态控制器的输入信号u
sa
，u
sb
；
[0031]
步骤42：带通滤波器通过如下表达式提取输入信号中的振荡信号，作为相位补偿环节的输入信号：
[0032]
[0033]
式中g
bi
(s)为振荡信号；ωi为第i个带通滤波器的中心频率，等于第i个振荡模态的频率；ξ为带通滤波器的阻尼系数；s为拉普拉斯算子；
[0034]
步骤43：超前滞后补偿器对提取出的振荡信号进行相位补偿，超前滞后补偿器表达式如下，超前滞后补偿器输出信号为比例放大控制器的输入信号：
[0035][0036]
式中g
gi
(s)为相位补偿后的振荡信号；t
i1
和t
i2
分别为超前、滞后环节的时间常数；s为拉普拉斯算子。
[0037]
步骤44：比例放大控制器根据放大倍数k
gi
，对多振荡模态控制器输出的电流进行调整，返回执行步骤1。
[0038]
本发明的有益效果：
[0039]
本发明的一种柔性合环系统的控制优化方法，1.所提控制优化方法不依赖柔性合环系统具体参数，通过一个新型的多振荡模态控制器对柔性合环系统的阻尼进行调整，具有较高的可靠性与抗扰动性；2.通过参数优化设计在提高柔性互联装置稳定性的同时不影响系统的动态和稳态性能；3.所提控制优化方法能够同时改善系统在全频率段的稳定性，且实施简便。
附图说明
[0040]
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
[0041]
图1为柔性合环系统示意图；
[0042]
图2为多振荡模态控制器的结构示意图；
[0043]
图3为本发明具体实施例中带通滤波器的幅频特性曲线图；
[0044]
图4为本发明具体实施例中超前滞后补偿器的相频特性曲线图；
[0045]
图5为本发明具体实施例的流程示意图。
具体实施方式
[0046]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0047]
如图1所示，柔性合环系统包括vsc-a侧电流内环、直流电压外环及其对应的包含本发明方法的模块，vsc-b侧电流内环、功率外环及其对应的包含本发明方法的模块，其中电流内环、电压外环、功率外环与常规的vsc控制无异，本具体实施方式重点对控制优化方法进行详细说明：
[0048]
一种柔性合环系统的控制优化方法，包括如下步骤：
[0049]
步骤1：分别获取柔性合环系统两交流侧电压、电流的变化量，分别计算柔性合环系统两交流侧在不同频率电压扰动下的阻抗；
[0050]
具体步骤如下：
[0051]
步骤11：在柔性合环系统的交流侧分别注入不同频率的串联电压；
[0052]
步骤12：获取柔性合环系统的交流侧在串联电压扰动下的响应电流；
[0053]
步骤13：根据如下公式计算柔性合环系统的交流侧的阻抗：
[0054][0055]
其中，z表示柔性合环系统的某一交流侧在dq坐标系下的阻抗矩阵，z
dd
和z
qq
分别代表d轴和q轴上电压电流之比得到的dq阻抗，z
dq
和z
qd
表示由dq 轴之间的耦合作用产生的等效阻抗。
[0056]
步骤2：根据步骤1获取的阻抗与频率的关系型，结合传递函数，分别构建两交流侧的阻抗-频率特性曲线的函数模型，并计算函数模型的各零点对应的实际阻尼值；
[0057]
具体方法为：
[0058]
分别绘制阻抗矩阵行列式的实部与虚部随频率变化的曲线图，将传递函数与曲线图拟合得到阻抗矩阵行列式的表达式：
[0059]
d(s)＝det(z)＝z
ddzqq-z
dqzqd
[0060]
其中，d(s)表示阻抗矩阵z的阻抗矩阵行列式，即为函数模型，z
dd
和z
qq
分别代表d轴和q轴上电压电流之比得到的dq阻抗，z
dq
和z
qd
表示由dq轴之间的耦合作用产生的等效阻抗；
[0061]
当实际阻尼值大于标准阻尼值时，柔性合环系统处于最优控制状态，完成优化过程；
[0062]
当实际阻尼值小于等于标准阻尼值时，重新设置参考阻尼值，执行步骤3-4；
[0063]
步骤3：根据设置的参考阻尼值对多振荡模态控制器中的参数进行优化，使多振荡模态控制器的幅频和相频特性满足柔性合环系统运行要求；
[0064]
其中，多振荡模态控制器包括数个并联的相同结构的支路，支路包括串联的带通滤波器、超前滞后补偿器、比例放大器；支路对应柔性合环系统的一个弱阻尼振荡模态；多振荡模态控制器输出的电流作为柔性合环系统中电流内环的输入；
[0065]
具体步骤如下：
[0066]
步骤31：设定参数t
i1
、t
i2
、k
gi
的边界，给定t
i1
、t
i2
、k
gi
的初值，
[0067]
其中，t
i1
为超前环节的时间常数，t
i2
为滞后环节的时间常数，k
gi
为比例放大控制器的放大倍数；
[0068]
步骤32：对t
i1
、t
i2
、k
gi
进行优化，获取边界范围内的最优t
i1
、t
i2
、k
gi
。
[0069]
步骤4：采集并网点的电压、电流，根据柔性合环系统弱阻尼振荡模态的频率，通过步骤3优化后的多振荡模态控制器对柔性合环系统的两交流侧阻抗进行重塑，返回执行步骤1；
[0070]
具体步骤如下：
[0071]
步骤41：采集柔性合环系统两交流侧馈线处的电压，作为多振荡模态控制器的输入信号u
sa
，u
sb
；
[0072]
步骤42：带通滤波器通过如下表达式提取输入信号中的振荡信号，作为相位补偿环节的输入信号：
[0073][0074]
式中g
bi
(s)为振荡信号；ωi为第i个带通滤波器的中心频率，等于第i个振荡模态的频率；ξ为带通滤波器的阻尼系数；s为拉普拉斯算子；
[0075]
步骤43：超前滞后补偿器对提取出的振荡信号进行相位补偿，超前滞后补偿器表达式如下，超前滞后补偿器输出信号为比例放大控制器的输入信号：
[0076][0077]
式中g
gi
(s)为相位补偿后的振荡信号；t
i1
和t
i2
分别为超前、滞后环节的时间常数；s为拉普拉斯算子。
[0078]
步骤44：比例放大控制器根据放大倍数k
gi
，对多振荡模态控制器输出的电压、电流进行调整，返回执行步骤1。
[0079]
其中，标准阻尼值为根据实际情况实际需求的阻尼值；参考阻尼值大于等于标准阻尼值，当每次重新设置参考阻尼值时，重新设置参考阻尼值大于前一次设置的参考阻尼值。
[0080]
实际举例来说：
[0081]
首先考虑计算柔性合环系统在不同电压扰动频率下阻抗的方法，以柔性合环系统的vsc-a侧为例，稳态时测量vsc-a交流侧的三相电压、电流，通过 clark变换与park变换预先获得稳态时在dq旋转坐标系下柔性合环系统的 vsc-a交流侧额定状态下的电压v
d0
、v
q0
与电流i
d0
、i
q0
，下面主要在dq旋转坐标系下进行测量与分析。在柔性合环系统稳定运行的情况下，在vsc-a交流侧注入某一频率的串联电压扰动δvd，此时令δvq＝0，利用测量装置得到一组该频率下电压扰动的响应电流数据i
d1
与i
q1
，将其与稳定值i
d0
、i
q0
作差得到电流变化量δi
d1
与δi
q1
；再注入同一频率的电压扰动δvq，此时令δvd＝0，利用测量装置得到一组该频率下电压扰动的得到一组响应电流数据i
d2
与i
q2
，将其与稳定值i
d0
、 i
q0
作差得到电流变化量δi
d2
与δi
q2
。例如，交流馈线电压为10kv时，扰动电压的大小设定为500v，改变扰动电压的频率，电压扰动的频率设定以0.1hz为间隔，从1hz到500hz进行连续测量，测量响应电流的数据，得到一组对应的扰动电压频率和响应电流的数据，vsc-a交流侧的测量数据结果部分列在下表1 中，表1为vsc-a侧的部分测量数据结果：
[0082]
扰动频率fr/hz电流δi
d1max
/a电流δi
q1max
/a电流δi
d2max
/a电流δi
q2max
/a500.2144.78
×
10-5
0.0753.63550.1904.22
×
10-5
0.0643.39600.1744.00
×
10-5
0.0533.15650.1593.80
×
10-5
0.0442.94700.1493.63
×
10-5
0.0362.74750.1393.41
×
10-5
0.0302.56800.1303.24
×
10-5
0.0252.40850.1223.10
×
10-5
0.0212.25900.1152.97
×
10-5
0.0172.13
950.1092.87
×
10-5
0.0142.001000.1032.83
×
10-5
0.0121.90
[0083]
表1
[0084]
以此数据为基础，根据式(1)可以计算得到柔性合环系统中vsc-a交流侧的阻抗za：
[0085][0086]
式中za表示vsc-a交流侧的阻抗矩阵，z
dd-a
、z
qq-a
、z
dq-a
、z
qd-a
分别表示za在dq同步旋转坐标系下的4个元素。
[0087]
根据表1的vsc-a侧的部分测量数据，可计算得到za的部分结果，如表2 所示，表2为vsc-a侧的部分测量阻抗结果：
[0088][0089][0090]
表2
[0091]
可得到柔性合环系统vsc-b交流侧阻抗矩阵zb。
[0092]
根据式(2)，根据所得za和zb计算vsc-a和vsc-b的阻抗模型行列式：
[0093][0094]
根据不同电压扰动频率下所得阻抗模型行列式d1(s)和d2(s)，分别绘制其实部与虚部随频率变化的曲线图，进而根据此曲线图上的数据点，利用函数拟合方法对数据点进行拟合，得到d1(s)和d2(s)的表达式。利用阻抗模型行列式的表达式计算其零点的分布，并分析各零点对应的振荡模态的阻尼与频率。
[0095]
此时，虽然是依照标准阻尼进设置，但由于柔性合环系统的实际情况，实际阻尼可
能会小于标准阻尼，就需要重新设定阻尼，对阻尼进行重塑；
[0096]
本发明在控制系统中增加了一个如图2所示的，多振荡模态控制器，用其输出的电流对阻尼进行进一步调整。在调整之前，会根据设置的参考阻尼对多振荡模态控制器的各个参数进行调整，通过调整后的多振荡模态控制器对阻尼进行调整。多振荡模态控制器包括数个并联的相同结构的支路，支路包括串联的带通滤波器(用于振荡信号获取)、超前滞后补偿器(用于相位补偿)、比例放大器；支路对应柔性合环系统的一个弱阻尼振荡模态；多振荡模态控制器输出的电流作为柔性合环系统中电流内环的输入。
[0097]
根据参考阻尼，通过比例放大控制器进一步调节所述多振荡模态控制器提供的阻尼。将各支路的输出信号叠加后产生稳定控制器总的输出信号，分别注入到电流内环控制环节中。
[0098]
根据参考阻尼，采用软件matlab的优化工具箱设计优化多振荡模态控制器的参数，以使多振荡模态控制器整体的幅频和相频特性满足要求，幅频要求是对所需提取的频率信号幅值放大，而对其余频率的信号衰减；相频是需要留有一定的相位裕度，对于不同的控制需求不一样，当想要控制速度快的时，相位裕度小，当想要稳定性强的，相位裕度会小一些，优化参数包括t
i1
、t
i2
和 k
gi
，设计流程如图5所示。具体步骤如下：第一步先设定参数t
i1
、t
i2
和k
gi
的边界，此处t
i1
、t
i2
和k
gi
的边界分别设为[0，0.1]、[0，0.1]和[0，10]，根据设定的幅频和相频的优化目标计算参数t
i1
、t
i2
、k
gi
的初值；第二步利用matlab 优化工具箱对t
i1
、t
i2
、k
gi
的初值进行优化，获得t
i1
、t
i2
、k
gi
的最优值；第三步根据前述设计所得两侧稳定控制器的参数，重新分析和评估柔性互联装置交流侧阻抗以及两侧的稳定性特征，并且需要再次校验稳定性是否达到要求，若不满足要求，则重新设定各参数的边界，以获得新的参数最优值；第四步根据所得两侧稳定控制器参数，分析和评估柔性互联装置直流侧电压波动、电压/功率闭环控制的稳态和动态性能，若不满足要求，调整各振荡模态的阻尼标准，并重新进行控制器参数优化设计，直至控制器参数满足所需要求。
[0099]
对多振荡模态控制器参数优化完成后，就可以通过多振荡模态控制器对阻尼进行调整，具体过程为：采集柔性合环系统交流两侧的电压，作为多振荡模态稳定控制器的输入信号u
sa
，u
sb
，然后采用如式(3)所示的带通滤波器提取输入电压中的振荡信号，其输出信号为相位补偿环节的输入信号。
[0100][0101]
式中，ωi为第i个带通滤波器的中心频率，等于第i个振荡模态的频率；ωi为该带通滤波器的阻尼系数。例如当前述计算所得的弱阻尼振荡模态频率为 200hz时，ωi取1256.6rad/s，而ωi则可取0.707，此时带通滤波器的幅频特性曲线如图3所示。
[0102]
采用超前滞后补偿器对提取出的振荡信号进行相位补偿，其输出信号为比例放大环节的输入信号：
[0103][0104]
式中，t
i1
和t
i2
分别为超前环节和滞后环节的时间常数。例如此处t
i1
可取 0.001，而t
i2
则可取0.0005，此时超前滞后补偿器的相频特性曲线如图4所示。
[0105]
调整完成后，在返回一开始的步骤，再次获取实际阻尼，因为在优化多振荡模态控制器是设置的参考阻尼也只是一种参考值，柔性合环系统的阻尼被调整后的实际阻尼未必与参考阻尼相同，可能还是小于标准阻尼，此时需要调整参考阻尼再次对多振荡模态控制器进行优化，直至实际阻尼大于标准阻尼。
[0106]
虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。