风电交直流通道互联电力系统暂态稳定线性变参数鲁棒反馈控制

1、 作者，等 文章题目风电交直流通道互联电力系统暂态稳定线性变参数鲁棒反馈控制李岩1,2，滕云1，冷欧阳2，苑舜1(1.沈阳工业大学，辽宁省沈阳市 110870；2.国网内蒙古东部电力有限公司，内蒙古自治区呼和浩特市 010020)摘要：我国三北地区大规模的风电送出，形成了一个以风电输送通道为联络线，以区域电网为单元的复杂互联系统。互联系统内的交流或直流风电通道由于大扰动发生暂态过程时，不仅影响各个区域电网和风电输送联络线自身，还对经交直流外送通道相互连接的其他区域电网存在着巨大的威胁。针对交直流系统中影响暂态稳定电磁转矩和机械转矩平衡控制问题变参数特性，结合大规模风电功率的不确定性，本文提出了

2、将直流通道功率控制与互联系统内机械功率作为控制目标的互联系统暂态稳定的线性变参数鲁棒反馈控制方法，以提高经交直流风电通道互联的系统的暂态稳定性。针对互联系统暂态过程的强非线性特性，建立了其线性变参数模型，根据暂态过程系统出现的功率差额和风电出力不确定度，将系统暂态过程设计为变参数的线性化模型。对线性变参数模型设计H鲁棒输出反馈控制器及其在线求解算法。根据线性变参数设计点和鲁棒控制器，提出互联系统暂态稳定控制策略拓扑及传递函数。应用四个等值电网经交直流联络线互联形成的互联系统进行数字仿真，结果表明，本文提出线性变参数鲁棒反馈控制模型，具有较好的响应特性和暂态稳定控制效果。关键词：互联电网；风电交

3、直流送出；暂态稳定；线性变参数；鲁棒输出反馈控制 3 0 引言收稿日期：2017-12-21。基金项目：国家重点研发计划项目(2017YFB0902100)。作者简介：李岩(1971.5)，男，博士研究生，高级工程师，主要研究方向：新能源电力系统规划、分析、运行与控制技术E-mail：sygdty随着全球能源互联网战略的快速高效实施，我国风电、光伏等可再生能源发电规模和消纳能力不断增加。西部和北方地区风电的快速发展和西电东送通道的快速建设，使西北、华北、东北和山东电网间实现了经风电功率交直流输送通道的大规模互联。在这类互联大电网中，风电送出型电网往往存在自身负荷规模和外送功率规模倒挂现象。而对

4、于风电大规模外送的弱送端区域电网，其自身或在互联系统中的其他区域电网发生严重暂态故障或过渡过程时，可能由于大系统中功率震荡导致风电通道出现大规模功率波动，进而引起送端电网稳定性问题。为经大规模的高不确定性可再生能源发电容量集中远距离输送而形成的复杂的互联大系统的可靠性和稳定性，对互联系统稳态和暂态调节控制能力都提出了很高要求，需要其具有穿越严重暂态过渡过程的能力。而以风火打捆且经多端交直流外送通道送出的送端电网的稳定问题尤为突出，需具备综合考虑暂态稳定、小扰动稳定和次同步振荡等诸多安全稳定问题的控制策略6-8。同时要能够解决交直流系统、风电与火电电源间的协调调度问题3-10。文献12和13建立

5、了基于连续时域追踪算法的不同时间尺度下大电网暂态稳定仿真方法，并在此基础上提出了基于控制成本最小化目标的线性化变参数追踪法（parameter-switching tracing，PST）的暂态稳定控制模型，将暂态稳定控制问题转化为灵敏度矩不等式求解问题，实现了大电网内多故障条件下的暂态稳定协调控制。目前，以风电经多条超、特高压交直流送出通道形成的大规模风互联系统暂态稳定控制方法相关研究较少，特别是针对互联系统中含有弱送端大功率高不确定性风电功率交换的系统中暂态稳定优化控制问题需要深入研究。本文以经多端交直流通道实现风电外送的工程实际为背景，提出了经风电多端交直流通道互联形成复杂系统线性变参数

6、模型，以及基于线性变参数模型的互联电网暂态鲁棒输出反馈控制模型和算法。仿真结果表明，基于线性变参数模型的风电多端交直流送出的互联系统暂态鲁棒反馈控制算法能够有效提高送端电网风电外送和整个互联系统的暂态稳定性。1互联系统线性变参数模型本文研究对象为经多端交直流通道实现大规模风电送出形成的互联电网暂态过程的稳定优化控制问题。在由风电送出通道形成的大规模互联系统中发生严重故障时，互联系统中的各区域电网可以通过调节水电、火电等电源的机械转矩输入，从而改变电网内的机械和电磁功率平衡特性，使其满足系统暂态稳定要求。由于互联系统的暂态稳定问题具有强非线性，在暂态过程时间尺度下，系统的线性线性化控制方法只能在

7、一定范围内有效。在互联系统中出现较大的机械和电磁功率不平衡后，总电源出力调节特性存在较强的非线性和时变特性，即该过程中，互联系统是一个变参数系统。含有大规模风电送出的互联大系统的线性变参数状态方程可表示为： （1）式中，为互联电力系统中的直流触发角、风电出力、电机转子转速和功角等控制系统的变参数，为互联电网的状态变量，为各区域电网有功、无功电源等输入变量，为互联系统内的负荷扰动，为系统中被控的有功、无功输出，为互联系统实测有功、无功输出。根据弱送端风电送出形成的互联电力系统中的实际工程情况，本文在建立系统变参数模型时满足：互联系统的时变参数及其变化率有界，满足，且 式（1）描述的变参数互联电力

8、系统状态方程的各个矩阵函数在上连续，且和满足列满秩和行满秩条件。2互联系统暂态稳定鲁棒输出反馈控制模型上节中的式（1）系统状态方程描述的互联系统的暂态过程控制可描述为：在互联系统内发生大扰动时，能够找到一个如下式所示的线性变参数控制器 （2）使得式（1）系统稳定，且同时系统的性能指标达到最小。互联系统暂态稳定的线性变参数鲁棒输出反馈最优控制器存在的充分必要条件是，存在参数依赖的对称正定阵，使得如下线性矩阵不等式成立 ：（3）式中为列满秩矩阵，且满足:通过求解式（3）的矩阵不等式，可解得，再通过求解矩阵方程解得其他控制矩阵、。而在互联系统内发生大扰动的过程中，由于电磁暂态过程时间尺度较小，为避免

9、在线求解矩阵不等式和矩阵方程，可以构造一个具有鲁棒性的暂态稳定控制器，且使暂态稳定控制器为严格正则形式，即，并在构造的暂态稳定控制器基础上，进一步构造矩阵方程的解，以求出其它控制矩阵，求解步骤为:（1） 求解式（3）矩阵不等式，解得和。（2） 设置实时变参数，得到实时参变，且满足下式：式中： 3考虑风电不确定性的暂态稳定控制策略建立互联系统线性变参数暂态控制策略，需先建立互联系统内部发生大扰动时送端电网暂态过程的线性变参数模型，本文采用雅克比线性化方法，对互联系统非线性模型在暂态过程的多个平衡点处线性化，得到一组线性化模型，用该组线性化模型近似表达互联系统的非线性特性，若平衡点的选取的密度足够

10、，该组线性化模型可以足够精确地表达互联系统非线性模型。本文将设计点参数确定为大扰动下的互联系统内总有功输入与输出之差（p.u），和系统内总风电出力的不确定度。根据电网暂态过程中机械与电磁功率平衡控制的原则，本文取为（0.04,0.06,0.08,0.1，0.12）、为（0.05,0.1,0.15,0.2,0.25），对暂态过程进行网格划分，对互联系统暂态过程模型在设计点处进行线性化，根据和的变化范围，得到个线性化模型。实际互联系统暂态过程的非线性模型可通过对线性化模型间的插值得到。系统受到大扰动时，若系统内输入的机械功率大于电磁功率，则系统频率上升，同理，在机械功率小于电磁功率时，系统频率则会

11、下降。为实现功率从不平衡到再平衡过程中系统的稳定进行，互联系统暂态控制策略的目标为在功率再平衡速度最快，振荡最小。控制策略框图如图1所示。图1 互联系统暂态稳定控制策略结构Fig.1 Structure of transient stability control strategy其中加权函数按如下参数选择，互联系统中可调节输出功率电源的控制模型为系统功率控制的两个延迟传递函数均为物理意义表示从功率控制指令发出到电源功率变化的延迟时间为80ms。根据系统功率不平衡量进行功率控制的理想模型为物理意义表示同步发电机组输出功率的理想响应。功率跟踪误差加权为其物理意义表示系统电源功率控制对频率变化跟踪

12、误差的惩罚，系统中最大功角差越大时惩罚越高。控制代价加权为物理意义表示系统电源输出功率变化不超过15%，功率调节速率不超过5%/s。量测噪声加权函数为表示对互联系统中无功和有功的功率不平衡量和进行测量时的噪声方差。因互联系统在不同的功率不平衡量下的暂态过程不同，为使系统的暂态稳定控制策略尽可能快速抑制系统暂态振荡过程，互联系统设计点的选取如表1所示，此时系统运行方式为额定负荷工况。表1 变参数模型参数点选取Tab.1 Parameter of variable parameter model参数数值功率差额0.040.060.081.01.2风电功率不确定性0.050.10.150.200.2

13、5以图1的暂态稳定控制策略，对表1中系统功率差额及风电出力不确定度的设计点，进行第2节建立的暂态稳定控制器求解方法，固定，基函数选取为得到由41个线性矩阵不等式组成的矩阵不等式组，求解330个决策变量，得到为0.017，闭环最大极点幅值为200，得到8阶线性变参数鲁棒控制器。4 仿真及结果分析以图2所示的互联系统为例，应用本文建立的暂态稳定控制器对系统暂态全过程进行仿真。图2中G1、G2、G3和G4分别为四个区域电网的等值参数，G1为风电送出端电网，分别通过一条直流输电线路和两条交流输电线路与其他三个电网相连。G1电网的等值负荷为1000MW，G2、G3和G4三个区域电网的等值负荷均为2000

14、MW。G1的电源功率为2500MW，其中风电为1500MW，G2、G3和G4三个区域电网的电源功率分别为1600MW、1300MW和1600MW。则在额定的稳定运行状态下，L0、L1和L4分别输送的风电功率为：400MW、700MW和400MW。图2 互联系统结构Fig.2 Structure of interconnected power system4.1 暂态稳定控制策略响应特性仿真分析针对图2互联系统，系统功率差额平衡控制指令及功率响应如图3所示。为验证控制策略的鲁棒性，在系统经历大扰动时加入未建模动态过程，即在系统中风电出力参数加入25%左右的不确定性，系统功率平衡控制响应如图4 所

15、示。从图 4可以看出，在上述不确定性条件下，在整个暂态过程中，由于风电不确定性导致互联系统内的功率缺额在某一水平下突然发生跳变，互联系统内总的功率控制响应能较好地跟踪参考指令，调节时间不超过 2s，超调不超过10%，系统具有很好的鲁棒性和跟踪性能。图 3 互联系统功率控制指令与响应Fig.2 Response of power control图 4 考虑风电不确定性的功率控制响应Fig.4 Response of power control in uncertainty of wind power output4.1 互联系统暂态稳定控制性能仿真分析设系统初始状态为正常运行，分别对系统在0.5

16、s时刻交流联络线L4上f点发生三相短路故障，0.65s时刻故障切除的暂态过程稳定控制情况进行仿真。假设故障过程中系统出现的功率差额为8%。应用本文建立的暂态稳定鲁棒输出反馈控制条件下，互联系统直流功率和输入机械功率的变化趋势如图5、图6所示。由图4可知，鲁棒输出反馈控制方法通过对直流线路功率和同步机出力的快速控制，大幅提高了互联系统的暂态稳定性。暂态过程中，G1和G3两区域电网间联络线退出运行，直流联络线单独运行。此时，区域电网G1向G3输送的风电功率要向直流线路和其他交流线路转移，以保证互联系统内的功率平衡。如果直流线路所输送的功率不能快速稳定的增加，将引起风电送端电网G1内发电机功角和频率

17、的大幅提高，严重情况下将出现大规模弃风甚至切机等紧急状态。而互联电网内各区域电网暂态稳定控制动作不协调，则有可能进一步恶化系统频率，最终导致系统崩溃18。分析图5可知，该本文建立的基于线性变参数的鲁棒输出反馈控制模型，充分利用了直流风电输送通道的短时过载能力，有效地抑制了互联系统中功率差额变化。图 4暂态过程中直流通道功率控制Fig.4 HVDC power control effect in transient process图6 暂态过程中机械功率功率控制Fig.6 Mechanical power control effect in transient process5结论本文针对由多个

18、区域电网组成，含有多条交直流大规模风电输送通道的互联电力系统的强非线性暂态过程的鲁棒优化控制问题，提出了一种基于暂态过程多参数点线性化模型，并在线求解其H最优鲁棒控制器算法的暂态稳定控制方法。1）根据互联系统暂态过程的非线性特性，提出互联系统变参数线性化状态方程及其约束条件；2）针对互联系统线性化变参数状态方程，设计系统暂态稳定控制的H最优控制器模型，并基于鲁棒输出反馈控制算法建立了最优暂态控制器模型及其求解算法。3）考虑互联系统暂态过程中系统元件控制参数及风电功率不确定性，对系统暂态过程中不同功率差额和风电不确定性，各设计了5个参数变化点，根据变参数点组合建立系统线性变参数模型的暂态控制策略

19、。4）以四个区域等值电网组成的互联系统为例，对互联系统内包含多条交直流风电通道和弱送端电网情况下的交流风电通道三相短路暂态过程中的功率控制进行了仿真分析，结果表明本文提出的互联系统暂态稳定控制算法具有较好的暂态过程抑制效果。参 考 文 献1 向月,刘俊勇,魏震波,等. 可再生能源接入下新型可中断负荷发展研究J. 电力系统保护与控制, 2012,40(5): 148-155.2 胡雪峰,王璐,龚春英,等. 可再生能源并网发电馈网电流中的谐波分析及其抑制策略J. 中国电机工程学报,2010, 30(增刊1): 167-170.3 郭小江,马世英,申洪,等.大规模风电直流外送方案与系统稳定控制策略J

20、. 电力系统自动化, 2012,36(15): 107-115.4 汪宁渤, 丁坤, 陟晶, 等. 风电火电打捆联合外送是解决风电市场瓶颈的有效途径 J. 电力技术, 2010,19(13): 1-4.5 黄学良, 刘志仁, 祝瑞金, 等. 大容量变速恒频风电机组接入对电网运行的影响分析J. 电工技术学报,2010, 25(4): 142-149.6 薛志英,周明,李庚银. 大规模风电接入电力系统备用决策评述J. 电力系统保护与控制, 2013, 41(4):148-155.7 郭小江, 郭强, 马世英, 等. 直流孤岛送电系统的系统接入技术要求研究 J. 中国电机工程学报 , 2012,32

21、(34): 42-49.8 孙士云, 束洪春, 于继来.单相重合时序对特高压交直流并联系统暂稳影响的机理分析J. 电工技术学报,2009, 24(10): 106-113.9 林卫星, 文劲宇, 程时杰,等. 一种将风电场和常规电厂捆绑并网的三端直流输电系统J. 中国电机工程学报, 2012, 32(28): 16-26. 7 李岩，等 考虑风电功率波动的多端交直流互联电网无功动态多目标鲁棒进化优化模型Transient stability linear parameter varying robust feedback control for interconnected power sys

22、tem by wind power AC / DC channelLI Yan1，2， TENG Yun1，LENG Ouyang2， YUAN Shun1(1. Shenyang University of Technology， Shenyang 110870， China; 2. State Grid East Inner Mongolia Electric Power Company， Huhhot 010020，China)Abstract: Large-scale wind power transmission in the Three North regions of our c

23、ountry was sent out, forming a complicated interconnection system taking the wind power transmission channel as the connecting line and the regional power grid as the unit. Due to the transient process of large disturbance, the AC or DC wind power transmission channel in the interconnected system no

24、t only affects the power grids and wind power transmission connecting lines in each area, but also poses a tremendous threat to other regional power grids interconnected via AC and DC outgoing channels. In view of the variable parameters that affect the transient stability of electromagnetic torque

25、and mechanical torque balance in AC / DC systems, combined with the uncertainty of large-scale wind power, this paper proposes to control the power of DC channels and the mechanical power in the interconnected system , A robust feedback control method based on transient stability of interconnected systems with variable parameters is proposed to improve the transient stability of the system interconnected by AC and DC wind power channels. Aiming at the strong nonlinearity of the transient process of interconnected systems, a linear variable parameter m