一种基于两区域电力系统振荡的逆变器控制系统及方法

1.本发明属于电网稳定以及振荡抑制技术领域，涉及一种基于两区域电力系统振荡的逆变器控制系统及方法。


背景技术：

2.近年来，为了增加能源供应、优化能源结构和降低环境污染，越来越多的风能、太阳能等可再生能源被应用于电力系统。可再生能源的利用是智能电网建设的一个非常重要的方向。然而，可再生能源大量接入电网导致电力系统惯性降低、阻尼变弱，系统中的振荡稳定问题越发突出。
3.为了解决这类问题，使用电力电子设备的灵活调控能力为电网提供辅助支撑成为一种解决方案，如虚拟同步发电机可以为电力系统提供惯性支撑，但是虚拟同步机控制会不可避免的给系统引入振荡，从而恶化系统的阻尼，导致系统的不稳定风险大大升高。


技术实现要素：

4.为了解决上述技术问题，本发明提供了提出一种基于虚拟同步控制系统的拓展状态观测器(eso)来估计电网中的交流变量和功率扰动，以解决两区域系统中低频振荡和功率支撑不足的问题。
5.为此，本发明的目的是提供一种基于两区域电力系统振荡的逆变器控制系统，包括：
6.数据采集模块，用于采集换流站直流侧母线的电压v、换流站直流侧母线的电流i，以及换流站交流侧母线的输出功率pv与角频率
7.振荡扰动观测器模块，与所述数据采集模块连接，所述振荡扰动观测器模块用于观测两区域电力系统的状态量，所述振荡扰动观测器模块将输入的电压v和电流i通过eso算法生成拓展状态矩阵，估计扰动估计值和系统状态量估计值
8.振荡阻尼控制器模块，用于将所述扰动补偿和系统状态量估计值通过反馈补偿算法生成系统的补偿量u，利用补偿量u对两区域电力系统的状态矩阵进行补偿增益，生成输出分量y2；
9.虚拟同步机控制器模块，用于将所述输出功率pv与角频率通过虚拟同步算法生成换流站交流侧母线的电压相角信号和调制比信号，并与输出分量y2发送至换流站生成合适的pwm信号，通过所述pwm信号控制反馈阻尼。
10.优选的，所述两区域电力系统包括换流站和两区域交流系统。
11.优选的，所述换流站模型为：
[0012][0013]
式中，v为换流站直流侧母线端的直流电压，v0为电压初值；i为换流站直流侧母线端的直流电流；c为换流站直流侧的等效电容；l为换流站直流侧的等效电感；pv为换流站母线输出功率；r为换流站直流侧的等效电阻；p
ref
为换流站的输出参考功率；dv为虚拟同步机控制的阻尼比系数；ω0为换流站交流母线侧角频率的初值；ωv为换流站交流母线侧角频率的瞬时值；hv为虚拟惯性时间常数，其中v为1或2；为换流站直流侧电压的差值，为换流站直流侧电流的差值。
[0014]
优选的，所述两区域交流系统模型为：
[0015][0016]
式中，两区域母线侧的角频率为其中i为1或2；两区域母线侧的电压相位角为δi，其中i为1或2；d1、d2为两区域系统的阻尼比系数；δ
1v
和δ
2v
为两区域电力系统和换流站交流侧母线处的相位差；δωv为换流站交流侧母线的角频率偏差；δωi为两区域系统母线侧的角频率偏差。
[0017]
优选的，所述两区域电力系统模型的具体表达式为：
[0018][0019]
式中，x为两区域电力系统的状态分量，与分别为两区域电力系统的状态向量和输出向量；u为反馈补偿量；a为两区域电力系统的状态矩阵；b1为两区域电力系统的输入矩阵；b2、b3为两区域电力系统的干扰输入矩阵；c为两区域电力系统的输出矩阵；p
l1
与p
l2
为两区域电网的电网负荷变化。
[0020]
优选的，所述状态矩阵a具体为：
[0021][0022]
所述振荡扰动观测器模块由下述表达式生成：
[0023][0024]
其中，p
v0
表示换流站交流侧母线的输出功率的初值；t
1v
和t
2v
为两区域系统的时间常数；r为换流站直流侧的等效电阻；生成该系统拓展后的状态分量与输出分量分别为与与与为该系统拓展后的状态向量与输出状态向量；为系统增广后的状态矩阵；为系统增广后的输入矩阵；ke为系统增广后的干扰输入矩阵；为观测器所收集的部分状态分量的输入矩阵，y2为观测器输出分量。
[0025]
优选的，将所述扰动补偿和系统状态量估计值通过反馈补偿算法生成系统的补偿量u，其中公式表达式为：
[0026][0027]
式中，对于n阶状态矩阵，为n阶状态矩阵拓展一阶后的状态分量，k
x
为两区域电力系统的状态反馈控制增益系数；kd为两区域电力系统的扰动补偿增益系数。
[0028]
优选的，一种基于两区域电力系统振荡的逆变器控制系统的反馈阻尼控制方法，包括如下步骤：
[0029]
数据采集模块采集换流站直流侧的直流电压v和直流侧母线的电流i，以及换流站母线侧的角频率；
[0030]
虚拟同步模块接收所述换流站直流侧母线的直流电压和直流电流，通过虚拟同步算法生成换流站母线的电压相角信号与合适的调制比信号；
[0031]
振荡扰动观测器模块接收所述换流站直流母线侧的直流电压与直流电流以及虚拟同步机控制器模块的相角信号，通过eso算法生成拓展状态矩阵，估计交流电网中的振荡扰动补偿和系统状态量估计值
[0032]
振荡阻尼控制器接收所述振荡扰动观测器模块发生成的扰动补偿和系统状态量估计值通过反馈补偿算法生成系统补偿量u；
[0033]
振荡扰动观测器模块接收所述系统补偿量u，对两区域电力系统的状态矩阵进行
补偿增益，生成输出分量y2；
[0034]
换流站接收振荡阻尼观测器模块的输出分量y2以及电压相角信号与合适的调制比信号，生成合适的pwm信号，控制反馈阻尼。
[0035]
优选的，所述的相角信号由两区域系统的母线端与换流站母线侧的相角信号差表示；
[0036]
所述的拓展状态矩阵的状态量分别由换流站与两区域系统各状态分量组成，各个状态分量分别由振荡扰动观测器模块通过虚拟同步算法得出。
[0037]
优选的，所述的振荡阻尼控制器模块通过线性最优控制率以得出最优的状态反馈控制系数与扰动补偿增益系数对系统进行反馈增益，从而增加拓展状态观测器模块的观测精度与速度。
[0038]
与现有技术相比较，本发明具有以下优势：
[0039]
1、本发明的自适应虚拟同步控制系统中，采用了虚拟同步机控制，通过控制算法模拟同步发电机的惯性特性，使直流换流站具备自动频率响应能力，在系统频率突变时直流电网内的换流站将自动调整的功率分配，向频率发生剧烈波动的交流电网提供快速功率支援，提高系统的频率稳定性。虚拟同步机控制模块保证了换流站在参与调频过程中直流电压的稳定性，同时使虚拟同步机控制器具备分布式控制效果，无需通信系统即可完成多个换流站的协调控制。
[0040]
2、本发明的振荡扰动观测器模块中，通过给原系统状态矩阵升阶估测两区域系统的状态量，生成升阶的系统状态矩阵，从而判断系统的振荡情况，根据状态矩阵的特征向量进一步进行计算，最终判断系统的振荡类型，拓展状态观测器设计简单，能够有效观测系统实时状态。
[0041]
3、本发明的振荡扰动观测器模块中，采用反馈控制改进观测器模块的精度与速度，在得到状态矩阵后通过线性最优控制率确定系统的反馈增益系数与扰动补偿系数，从而增加系统的观测精度。
附图说明
[0042]
为了更清楚地说明本发明实施例及其设计方案，下面对本实施例中所需的附图作简单地介绍。下面描述的附图仅是本发明的部分实施例，对本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
[0043]
图1为本发明一种两区域虚拟同步控制系统振荡观测与阻尼的逆变器控制模块的控制结构示意图；
[0044]
图2为本发明一种基于两区域电力系统振荡的逆变器控制系统的工作原理图；
[0045]
图3为本发明应用于两区域电力系统振荡观测与阻尼的逆变器控制系统的方法的工作流程图。
具体实施方式
[0046]
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案并能予以实施，下面结合附图与具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0047]
需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0048]
如图1、图2所示，一种基于两区域电力系统振荡的逆变器控制系统，该直流输电系统包括换流站，该虚拟同步机控制器包括以下模块：
[0049]
数据采集模块，用于采集换流站直流侧母线电压v、换流站直流侧母线电流i，以及换流站交流侧母线输出功率pv与角频率
[0050]
振荡扰动观测器模块，用于观测两区域系统的状态量，并将生成的直流电压v和直流电流i输入振荡扰动观测器模块中，通过eso算法估算交流电网中的振荡扰动，生成拓展状态矩阵，估计扰动补偿和输入分量
[0051]
振荡阻尼控制器模块，用于根据振荡扰动观测器模块生成的扰动补偿和输入分量通过反馈补偿计算生成系统的补偿量u，利用补偿量u对两区域电力系统的状态矩阵进行补偿增益，生成输出分量y2。
[0052]
虚拟同步机控制器模块，用于将输出功率pv与角频率通过虚拟同步算法生成换流站交流侧母线的电压相角信号和调制比信号，并与输出分量y2发送至换流站生成合适的pwm信号，控制反馈阻尼。
[0053]
系统由换流站和两区域交流系统两个部分组成，其中，换流站模型为：
[0054][0055]
式中，v为换流站直流侧母线端的直流电压，v0为电压初值；i为换流站直流侧母线端的直流电流；c为换流站直流侧的等效电容；l为换流站直流侧的等效电感；pv为换流站母线输出功率；r为换流站直流侧的等效电阻；p
ref
为换流站的输出参考功率；dv为虚拟同步机控制的阻尼比系数；ω0为换流站交流母线侧角频率的初值；ωv为换流站交流母线侧角频率的瞬时值；hv为虚拟惯性时间常数，其中v为1或2；为换流站直流侧电压的差值，为换流站直流侧电流的差值。
[0056]
系统的两区域交流系统模型为：
[0057]
[0058]
式中，两区域母线侧的角频率为其中i为1或2；两区域母线侧的电压相位角为δi，其中i为1或2；d1、d2为两区域系统的阻尼比系数；δ
1v
和δ
2v
为两区域系统和换流站交流侧母线处的相位差；δωv为换流站交流侧母线的角频率偏差；δωi为两区域系统母线侧的角频率偏差。
[0059]
进一步的，两区域系统和换流站模型为：
[0060][0061]
式中，x为两区域电力系统的状态分量，与分别为两区域电力系统的状态向量和输出向量；u为反馈补偿量；a为该系统的状态矩阵；b1为系统的输入矩阵；b2、b3为系统的干扰输入矩阵；c为系统的输出矩阵；p
l1
与p
l2
为两区域电网的电网负荷变化。状态矩阵a具体为：
[0062][0063]
拓展振荡扰动观测器模块通过公式：
[0064][0065]
式中，p
v0
表示换流站交流侧母线的输出功率的初值；t
1v
和t
2v
为两区域系统的时间常数；r为换流站直流侧的等效电阻；生成该系统拓展后的状态分量与输出分量分别为与与与为该系统拓展后的状态向量与输出状态向量；公式(5)中的为系统增广后的状态矩阵；公式(3)中的为系统增广后的输入矩阵；公式(5)中的ke为系统增广后的干扰输入矩阵；公式(5)中的为观测器所收集的部分状态分量的输入矩阵。公式(5)中的为观测器输出分量y2。
[0066]
进一步的，振荡阻尼控制器模块通过公式：
[0067][0068]
生成该系统的反馈补偿量u，对于n阶状态矩阵，为n阶状态矩阵拓展一阶后的状态分量；公式(6)中的k
x
为系统的状态反馈控制增益系数；公式(6)中的kd为系统的扰动补偿增益系数。
[0069]
如图3所示，一种如上应用于两区域电力系统振荡的逆变器控制方法包括以下步
骤：
[0070]
步骤一：数据采集模块采集换流站直流侧的直流电压和直流电流以及换流站交流侧母线的输出功率与角频率。
[0071]
步骤二：虚拟同步机控制模块接收所述换流站直流侧母线的直流电压和直流电流，通过虚拟同步算法生成换流站交流侧母线的电压相角信号，向换流站生成合适的调制比信号。
[0072]
步骤三：振荡扰动观测器模块接收所述换流站直流母线侧的直流电压与直流电流以及虚拟同步机控制器模块的相角信号，通过eso算法(拓展状态观测器算法)生成拓展状态矩阵，估算交流电网中的振荡扰动；生成扰动补偿和系统状态量估计值(输入分量)
[0073]
步骤四：振荡阻尼控制器接收所述振荡扰动观测器模块发生成的扰动补偿和系统状态量估计值(输入分量)通过反馈补偿算法生成系统补偿量u。
[0074]
步骤五：振荡扰动观测器模块接收所述系统补偿量u，对两区域电力系统的状态矩阵进行补偿增益，生成输出分量y2。
[0075]
步骤六：换流站接收振荡阻尼观测器模块的输出分量y2以及电压相角信号与合适的调制比信号，生成合适的pwm信号，控制反馈阻尼。
[0076]
步骤三的相角信号δ
1v
、δ
2v
由两区域系统的母线端与换流站母线侧的相角信号差表示。
[0077]
步骤三的拓展状态矩阵的状态量分别由换流站与两区域系统各状态分量组成，各个状态分量分别由振荡扰动观测器模块通过虚拟同步算法得出。
[0078]
状态分量通过公式：
[0079][0080]
公式(5)中的δv为换流站直流侧母线的直流电压偏差，公式(7)中的δi为换流站直流侧母线的直流电流偏差，公式(7)中的δωv为换流站交流侧母线的角频率偏差，公式(7)中的δωi为两区域系统母线侧的角频率偏差，公式(7)中的δδ
iv
为两区域交流系统母线与换流站交流侧母线电压相角的偏差。
[0081]
步骤四的振荡阻尼控制器模块通过线性最优控制率以得出最优的状态反馈控制系数与扰动补偿增益系数对系统进行反馈增益，即设计最小化性能指标：
[0082][0083]
求解出使性能指标j最小的最佳反馈增益矩阵k。
[0084]
最佳反馈增益矩阵k计算方法为：
[0085]
k＝t-1
(t*)-1
b*p＝-r-1
b*px
ꢀꢀ
(9)
[0086]
公式(9)中，p为需要计算的变量，计算方法为：
[0087]
a*p+pa-pbr-1
b*p+q＝0
ꢀꢀ
(10)
[0088]
在公式(10)中，通过riccati公式得出矩阵p，可求出最佳反馈增益矩阵k，从而得出系统的最佳反馈增益。
[0089]
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动与变型而不脱离本发明的精神与范围。这样，倘若本发明的这些修改与变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动与变型在内。
[0090]
以上所述实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换，均属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种基于两区域电力系统振荡的逆变器控制系统，其特征在于，包括：数据采集模块，用于采集换流站直流侧母线的电压v与电流i，以及换流站交流侧母线的输出功率p
v
与角频率振荡扰动观测器模块，与所述数据采集模块连接，所述振荡扰动观测器模块用于观测两区域电力系统的状态量，所述振荡扰动观测器模块将输入的电压v和电流i通过eso算法生成状态矩阵，估计扰动估计值和系统状态量估计值振荡阻尼控制器模块，用于将所述扰动补偿和系统状态量估计值通过反馈补偿算法生成系统的补偿量u，利用补偿量u对两区域电力系统的状态矩阵进行补偿增益，生成输出分量y2；虚拟同步机控制器模块，用于将所述输出功率p
v
与角频率通过虚拟同步算法生成换流站交流侧母线的电压相角信号和调制比信号，并与输出分量y2发送至换流站生成合适的pwm信号，通过所述pwm信号控制反馈阻尼。2.如权利要求1所述的一种基于两区域电力系统振荡的逆变器控制系统，其特征在于，所述两区域电力系统包括换流站和两区域交流系统。3.如权利要求2所述的一种基于两区域电力系统振荡的逆变器控制系统，其特征在于，所述换流站模型为：式中，v为换流站直流侧母线端的直流电压，v0为电压初值；i为换流站直流侧母线端的直流电流；c为换流站直流侧的等效电容；l为换流站直流侧的等效电感；p
v
为换流站母线输出功率；r为换流站直流侧的等效电阻；p
ref
为换流站的输出参考功率；d
v
为虚拟同步机控制的阻尼比系数；ω0为换流站交流母线侧角频率的初值；ω
v
为换流站交流母线侧角频率的瞬时值；h
v
为虚拟惯性时间常数，其中v为1或2；为换流站直流侧电压的差值，为换流站直流侧电流的差值。4.如权利要求3所述的一种基于两区域电力系统振荡的逆变器控制系统，其特征在于，所述两区域交流系统模型为：
式中，两区域母线侧的角频率为其中i为1或2；两区域母线侧的电压相位角为δ
i
，其中i为1或2；d1、d2为两区域系统的阻尼比系数；δ
1v
和δ
2v
为两区域电力系统和换流站交流侧母线处的相位差；δω
v
为换流站交流侧母线的角频率偏差；δω
i
为两区域系统母线侧的角频率偏差。5.如权利要求4所述的一种基于两区域电力系统振荡的逆变器控制系统，其特征在于，所述两区域电力系统模型的具体表达式为：式中，x为两区域电力系统的状态分量，与分别为两区域电力系统的状态向量和输出向量；u为反馈补偿量；a为两区域电力系统的状态矩阵；b1为两区域电力系统的输入矩阵；b2、b3为两区域电力系统的干扰输入矩阵；c为两区域电力系统的输出矩阵；p
l1
与p
l2
为两区域电网的电网负荷变化。6.如权利要求5所述的一种基于两区域电力系统振荡的逆变器控制系统，其特征在于，所述状态矩阵a具体为：所述振荡扰动观测器模块由下述表达式生成：
其中，p
v0
表示换流站交流侧母线的输出功率的初值；t
1v
和t
2v
为两区域系统的时间常数；r为换流站直流侧的等效电阻；生成该系统拓展后的状态分量与输出分量分别为与与与为该系统拓展后的状态向量与输出状态向量；为系统增广后的状态矩阵；为系统增广后的输入矩阵；k
e
为系统增广后的干扰输入矩阵；为观测器所收集的部分状态分量的输入矩阵，y2为观测器输出分量。7.如权利要求1所述的一种基于两区域电力系统振荡的逆变器控制系统，其特征在于，将所述扰动补偿和系统状态量估计值通过反馈补偿算法生成系统的补偿量u，其中公式表达式为：式中，对于n阶状态矩阵，为n阶状态矩阵拓展一阶后的状态分量，k
x
为两区域电力系统的状态反馈控制增益系数；k
d
为两区域电力系统的扰动补偿增益系数。8.一种根据权利要求1所述的一种基于两区域电力系统振荡的逆变器控制系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：数据采集模块采集换流站直流侧母线的电压v和直流侧母线的电流i，以及换流站交流侧母线的输出功率与角频率；虚拟同步模块接收所述换流站直流侧母线的直流电压和直流电流，通过虚拟同步算法生成换流站交流侧母线的电压相角信号与合适的调制比信号；振荡扰动观测器模块接收所述换流站直流母线侧的直流电压与直流电流以及虚拟同步机控制器模块的相角信号，通过eso算法生成拓展状态矩阵，估计扰动补偿和系统状态量估计值振荡阻尼控制器接收所述振荡扰动观测器模块发生成的扰动补偿和系统状态量估计值通过反馈补偿算法生成系统补偿量u；振荡扰动观测器模块接收所述系统补偿量u，对两区域电力系统的状态矩阵进行补偿增益，生成输出分量y2；换流站接收振荡阻尼观测器模块的输出分量y2以及电压相角信号与合适的调制比信号，生成合适的pwm信号，控制反馈阻尼。9.如权利要求8所述的一种基于两区域电力系统振荡的逆变器控制方法，其特征在于，所述的相角信号由两区域系统的母线端与换流站母线侧的相角信号差表示；所述的拓展状态矩阵的状态量分别由换流站与两区域系统各状态分量组成，各个状态分量分别由振荡扰动观测器模块通过虚拟同步算法得出。10.如权利要求8所述的一种基于两区域电力系统振荡的逆变器控制方法，其特征在于，所述的振荡阻尼控制器模块通过线性最优控制率以得出最优的状态反馈控制系数与扰动补偿增益系数对系统进行反馈增益，从而增加拓展状态观测器模块的观测精度与速度。

技术总结
本发明提供了一种基于两区域电力系统振荡的逆变器控制系统及方法，涉及电网稳定以及振荡抑制技术领域，包括：数据采集模块采集换流站直流侧电压、电流及换流站交流侧母线的输出功率；振荡扰动观测器模块通过ESO算法生成扰动估计值和系统状态量估计值虚拟同步机控制器模块用于将通过虚拟同步算法生成电压相角信号和调制比信号，发送至换流站生成PWM信号；振荡阻尼控制器模块用于将扰动补偿和系统状态量估计值通过反馈补偿计算生成系统的补偿量u。本发明采用反馈控制改进观测器模块的精度与速度，在得到状态矩阵后通过线性最优控制率确定系统的反馈增益系数与扰动补偿系数，从而增加系统的观测精度。从而增加系统的观测精度。从而增加系统的观测精度。


技术研发人员：王炜宇 张一平 曹一家
受保护的技术使用者：长沙理工大学
技术研发日：2023.04.27
技术公布日：2023/9/11