提高送端多直流落点系统暂态稳定性的非线性控制策略.pdf

第3 9 卷 第 1 5期 2 0 1 1 年 8 月 1日 电 力 系统 保护 与控制 P o we r S y s t e m P r o t e ct io n a n d Co n t r o l V 0 l- 3 9 No 1 5 Au g 1 ， 2 0 1 1 提高送端多直流落点系统暂态稳定性的非线性控制策略 赵 睿 ，张英敏 ，李兴源 ，贺 洋 ，陈 虎 ，李 波 ，邹 皓 ( 1 。四J I l大学电气信息学院，四川 成都 6 1 0 0 6 5 ；2 二滩水电开发有限责任公司，四川 成都 6 1 0 0 5 1 ) 摘要：为改善送端多直流落点系统暂态稳定性，提出了一种高压直流输电 ( H V D C ) 与发电机励磁协调的非线性控制策略。通 过建立送端多直流落点系统非线性微分代数方程模型，将结构保持模型下的能量函数与广义拟 H a m i1 t o n 理论结合，同时兼 顾发电机励磁与 H V D C 控制的协同作用，设计出一种 H V D C与发 电机励磁的综合控制规律。该方法从能量的角度出发，充分考 虑电力系统的强非线性特性，而且得到的控制器结构简单，易于工程实现。 仿真结果表明，该控制规律能够有效提高系统阻 尼，起到功率支援的作用，改善系统的暂态稳定性。 关键词：送端多直流落点系统；非线性微分代数系统 ( N D A S ) ；广义拟 H a m ilt o n实现；非线性控制 No n lin e a r co n t r o l s t r a t e g y f o r imp r o v in g t h e t r a n s ie n t s t a b ilit y o f s e n d in g e n d s mu lti - f e e d HVDC s y s t e m ZHAO Ru i ， ZHANG Yi n g min ， L I Xin g y u a n ， HE Y a n g ， CHEN Hu ， LI Bo ， ZOU Ha o ( 1 S ch o o l o f E l e ct r ica l E n g i n e e r i n g a n d I n f o r ma t i o n ， S i ch u a n Un iv e r s i t y , C h e n g d u 6 1 0 0 6 5 ， C h in a ； 2 E r t a n H y d r o p o we r De v e lo p me n t C o ， L t d ， C h e n g d u 6 1 0 0 5 I ， C h i n a ) Ab s t r a ct ： A n o n li n e a r co n t r o l s t r a t e g y o f co o r d in a t i n g H VD C a n d g e n e r a t o r e x ci t a t io n t o i mp r o v e t h e t r ans i e n t s t a b il i ty o f s e n d in g e n d s mu l t i- f e e d HVDC s y s t e m i s p r o p o s e d F i r s t ，t h e n o n l in e ar d iff e r e n t ia l a l g e b r a ic e q u a t i o n o f s e n d i n g e n d s mu l t i f e e d HVDC s y s t e m i s p r e s e nte d Th e n ， b a s e d o n the s t r u ct u r e p r e s e r v in g e n e r g y f u n ct i o n and g e n e r a li z e d q u a s i Ha mi l t o n t h e o r y , the i n t e g r a t e d co n t r o l s tr a t e g y wh ich c o n s i d e r s t h e co o r d i n a t i o n b e t we e n HVDC a n d i t s n e arb y g e n e r a t o r e x citat i o n co n tro l i s d e r iv e d Th e n o n li n e ar ch a r a ct e r i s t ic o f the p o we r s y s t e m is we ll p res e rve d b e ca u s e o f t h e n o n li n e ar co ntr o ll e r d e s ig n b a s e d o n e n e r g y the o ry F u r t h e r mo r e ， the co n tro l s t r a t e gy i s e a s y t o imp le me nt b e ca u s e o f the s i mp l e s t r u ct u r e T h e s i mu l a t i o n r e s u l t s s h o w that t h e s y s t e m d a mp in g a n d t h e v o l t a g e s tab il i t y are i mp r o v e d d u e t o t h e u s e o f t h e n o n li n e ar co n t r o l s tra t e gy T h is wo r k is s u p p o r t e d b y Na t i o n a l Na t ura l S ci e n ce F o u n d a t i o n o f C h i n a ( N o 5 1 0 3 7 0 0 3 ) Ke y wo r d s ： s e n d i n g e n d s mu l t i - f e e d HV DC s y s t e m； n o n li n e ar d iff e r e nti a l a l g e b r a ic s y s t e m( ND AS ) ； g e n e r a li z e d q u a s i Ham ilt o n ia n r e a liz atio n ； n o n lin e ar co n t r o l 中图分类号： T M7 1 2 文献标识码：A 文章编号： 1 6 7 4 3 4 1 5 ( 2 0 1 1 ) 1 5 - 0 0 0 7 0 6 0 引言 四川 电网处于全 国互联电网的末端 ，是 “ 西 电 东送 ”中部通道 的送端系统 。根据规划，到 2 0 1 2 年 ，向家坝一 上海、锦屏一 苏南直流工程将建成投 运 ；到 2 0 2 0年 ，溪洛渡一株洲、溪洛渡一浙西等特 高压直流工程也将建成。从此，四川电网将成为典 型的送端多直流落点系统。因此 ，研究送端多直流 落点系统的协调控制策略， 充分利用 H VD C的快速 基金项 目：国家 自然科学基金项 目 ( 5 1 0 3 7 0 0 3 ) ；四川省科 技厅基础应用计划 ( 2 0 1 0 j y 0 0 1 8 ) 恢复能力 以提高系统暂态稳定性和阻尼系统振荡对 电网安全运行具有重大意义【 J J 。 近年来 ，混合交直流系统非线性控制策略的研 究多建立于线性化模型基础之上， 利用特征值分析、 频域分析和线性最优控制理论等方法进行控制器设 计【 4 J 。文献 5 】 对多馈入直流输电系统的调制控制器 进行了研究 ，采用近似线性化模型。这种思路尽管 能够抵消或补偿部分系统某一运行点附近的非线性 特性，但在其偏离运行点之后的行为却得不到合理 描述【 6 J 。文献 7 】 将整个交直流混合 电力系统建模为 一 个级联系统，通过直流子系统的调制作用增加交 流系统 阻尼 以提高系统暂态稳定性 ，却并未考虑 8 电力系统保护与控制 HV DC附近发 电机励磁控制的协 同作用。 本文基于微分代数方程广义 Ha mil t o n 理论 的 推广 ，在只研究送端系统的情况下，将送端直流输 送的有功功率等效为整流侧交流节点的正的有功功 率负荷，直流消耗的无功视为就地平衡，在建立送 端多直流落点系统微分代数方程模型的基础上，给 出了 HV DC与发电机励磁的协调控制策略。 1 送端多直流落点系统的动态模型 考 虑具有励磁控制 的多台发 电机经无损输 电 网络与负荷及多条送端直流线路连接而成的电力系 统 【 8 】 。该 系 统共 有 F +m+1 个 交 流 节 点 ，其 中 1 ， ， n表示发电机节点，n +1 表示平衡节点， +2 ， ， n+， +1表 示 负 荷 节 点 ， F +Z +2 ， ， n+， +h+1 表示送 端直流线路 ， 与换流变压器一 次侧 相连 的节 点 ( ， +h=m ) 。节 点导纳矩 阵为 】 厂 = J ： J ( 忽略 转 移电 导) ， 岛为 连接节 点j 和节点 ， 的电纳。 每个发电机端点通过无损线路( 忽 略定子阻抗 )与其内节点相连 。第 ( =1 ， ， ) 台发电机的内电压向量用E 表示，节点f ( f =n+2 ， ， n +m+1 ) 的电压 向量用 表 示，所有 的相位角均相对平衡节点 ( + + = 1 ZO) 而言。 负荷节点的有功和无功功率分别用尸 d 和 ( 表示，即考虑恒定有功负载和依赖于电压 的无功负载。 在系统需考虑交直流协调控制的情况下 ，发 电 机采用三阶模型，发 电机励磁 电压 作为动态系 统输入变量 ，同时不计调速器作用 ，即输入机械功 率P m 恒定。根据直流系统的快速响应特性，直流 线路等效为一阶惯性环节【9 】 。故送端多直流落点系 统的动态方程为 = 一 鲁 ( 一 鲁 ( l ， ： 一 箪十 一(x , - x )V ,c o s(4 - 0 3 + I l = + + 式中： p一 s i n 2 ( 4一 ) 】 ( x 一 X q i) s i n ( 4一 o 3 ， ， = = 一叶- - - - - - - - - 一： 为发电机转子 q轴与同步参考轴之间的夹角 ； 为发电机角速度； 为同步转速； 为发电机 q 轴暂态电势； 为发电机机械功率 ； 为阻尼系 数； 为惯性常数；X d 和 为发电机直轴和交轴 同 步 电 抗 ； 为 发 电 机 直 轴 暂 态 电 抗 ( 0( 6 ) = 2- k H ： lr ， ( + ， 一 。+ f+ ， ) + -：I = - V ； H R V H W x H G G V H0 ， O ， 一 ， + 一 丰 + L 1 0 电力 系统保护 与控制 一 Xd S i = 一 ( 一 ) 。 co s ( _ 0 s ) 日， 包含 由于直 流 的动 态产 生 的暂态 能量 函 数，它在稳定点达到最小值零 ，且H， 0。HI 为 系统中不含直流动态时的暂态能量 函数 ，平衡点处 的能量在其稳定邻域内取得严格极小值 钔。 通过预反馈控制 ( 8 ) ，可将送端多直流落点系 统非线性微分方程 ( 1 )和代数方程 ( 2 )写为 f =( 一 R ) V H( x ， ) + I H= A ( x ， y ) G V H ( x ， Y ) I g ( x ， J ， ) =0 I h ( x ， J ， ) ： 0 式 中 ： = E x ： ， ， T ， P H T ， = ， 乓 J， = T V T T ， J = d i a g J 一 ， ， 0 ， f = 0 0 M i M i 0 R = d i a g R , 一 ， 墨 ， v D c 一 ， K H v D c ， RI f 0 0 f xd i 0 0 O O 0 G ： d i a g G 1 ， ， 6 1 ， E h 】 ，G 1f = o 0 1 T ， = V 一 ， Y n ， 一 ， V D c lfH = 一 p嘶 pd ( 一 ) 一 c。 s ( 一 ) + X d i g q i s X d f f ( f X d f ) ( j ：1 ， ， ) 0 ： ， ， 。 】 ， V = 【 ， ， 1 H = 0 ( n + ， 1 N 0 ( n + ) 1 ，N= 1 ， ， 】 T P H ， H =2 k H 2 ， 七 H 1 ， ( + 1 + ， + ， 一 + l+ ， + ， ) + k n z ， ( P H ， 一p s， ) ， _ ( 2 ， 一 + l + l + r 0 2 小， + ， ) + ( 2 k H 。， z ， 一 1 ) ( 一 ) A( x ， ) = 0 ( + ， ) H 0 ( + ， ) 0 Al 0 ( H + ， + ) 0 ( + ， + ) 4= d i a g 4 一 ， 4 】 ，4 ， ： 。 根据式 ( 6 ) ， 针对送端多直流落点系统， 可以 得到直流与励磁控制规律分别为 VHVDc ， =一 2 K k H 2 ， 1， ( + l + ， + ， 一 l + ，+ ， ) + 卜 =一 l 一 c 。s 一 + 糟 Xdi ) l 。 l f f( ，一 l 此控制规律与网络参数无关，所以对于不同的 负荷水平、网络拓扑、故障地点及扰动类型具有鲁 棒性 。 4 仿真分析 采用 图 1所示系统对 以上控制规律 的有效性进 0 盟 0 0 O 0 赵 睿，等 提高送端多直流落点系统暂态稳定性的非线性控制策略 行验证，参数详见文献 1 5 】 ，直流线路采用 C I G R E 标准测试系 统模型 】 ，整流侧连接到 四机交流系 统 ，逆变侧直接落入无穷大系统。基于能量 的控制 规律参数设置如下： 。 = =O 1 5， =8 5， 1=一0 1， l 2=2 9， 2=一1 3， K =2。 G G 图 1测试系统网络结构图 F ig 1 Ne t wo r k o f t e s t s y s t e m 数字仿真考察了两种瞬时故障： 1 0 s 时，系 统 1 2号节点交流母线附近发生三相接地短路 ，0 2 s 后故障切除； 2 O s 时， 系统 1 0号节点甩负荷 ， 0 2 s 后恢复。测试系统分别采用如下两种控制方式： 励磁系统 P S S控制 ， HV DC恒定I 控制； 基于 能量的发电机励磁与 H V DC的协调控制 。 选取无穷 大系统为平衡节点，与直流输电系统 电气距离较近 的发 电机 G 2和 G 4为观测机组 ， 在不 同控制策略下 的发电机功角、机端 电压和直流线路 1 传输功率 的 响应 曲线如图 2所示。 ( a ) 不 同控制方式下发电机功角曲线 ( 故障 1 ) ， C o ) 不同控制方式下发电机 G 2 端压曲线 ( 故障 1 ) ( c) 不 同控制方式下发电机功角曲线 ( 故障 2 ) s ( d ) 不 同控制方式下直流线路 1 的功率 曲线( 故障2 ) 图2仿真结果比较 F ig 2 Co mp a r is o n o f s imu la t io n r e s u lt s 从图 2可知，无论是在甩负荷还是三相短路故 障， 基于能量的控制策略不仅能提供后续摆 的阻尼， 而且对首摆有利，明显提高系统功角稳定性。通过 图 2( d )可知，在系统发生故障 2 时，控制方式 通过直流传输功率在系统正摆阶段的提升和回摆阶 段 的回降，起到了功率支援的作用 。在三相短路接 地 的情况下，基于能量的控制策略改善 了发 电机机 端 电压特性，使其迅速地回到平衡点。 5 结论 本文提 出的协调控制策略针对送端多直流落点 系统，该系统在故障时会产生大量的功率过剩或者 缺额 。该控制策略不需将系统线性化 ，且计及发电 机 q轴 电抗和励磁控制的作用，考虑 了负荷无功电 压特性， 将送端直流系统的传输功率计入储能函数， 保留了系统的非线性特性，反映了送端多直流落点 系统的暂态过程。仿真结果表明，该方法能较好地 提高系统 的暂态稳定性。 参考文献 1 杨 波， 刘天琪， 李兴源， 等基于最优变目标的 H VD C 与 S V C 非线性综合协调控N rJ j 继电器，2 0 0 6 ，3 4 ( 1 7 ) ：2 9 3 3 Y ANG Bo，LI U Ti a n - q i，L I Xin g - y u a n ，e t a 1 Co mp le x n o n li n e a r co n t r o l o