基于并网变流器抗扰能力的类同步机附加阻尼控制方法技术

一种基于并网变流器抗扰能力的类同步机附加阻尼控制方法，属于电力系统中含并网变流器时静态稳定性分析与控制技术领域。其特征是先预判系统稳定情况，针对不稳定系统利用极点镜像配置使系统稳定，在稳定条件下选择含PSS的同步机系统的特征根为目标特征根，使含并网变流器系统阻尼特性达到类似同步机系统的效果。解决含并网变流器系统阻尼小，抗扰能力差的问题。特别在不稳定条件下对系统进行可控性判断，分离不可控状态变量，然后采用极点镜像配置。本发明专利技术的效果和益处是提出了极点配置法应用时目标特征根的选择方法。针对系统不稳定情况，提出镜像极点配置调整不稳定极点，使含并网变流器的系统能通过极点配置法增加系统阻尼，增强抗干扰性。

【技术实现步骤摘要】
基于并网变流器抗扰能力的类同步机附加阻尼控制方法
本专利技术属于电力系统中含并网变流器时静态稳定性分析与控制
涉及到电力系统的稳定性分析和自动控制领域相关理论，特别涉及到当被控对象不稳定时，附加镜像极点配置提高系统静态稳定性。
技术介绍
目前，并网变流器主要作用是完成功率的传输、保证并网稳定运行。分布式电源，如风力发电、光伏发电等装置通过变流器并网时，其与电网之间的直接耦合关系被电力电子设备隔离，达不到像同步机一样为系统的低频振荡提供相应阻尼。文献P.·昆德(美),KundurP.电力系统稳定与控制:英文本[M].中国电力出版社,2001.详细介绍了电力系统的稳定指标与控制策略，提出了一种提高系统静态稳定性的极点配置方法。但是对极点配置时的目标特征根选择并未展开研究，目标特征根并不是在左半平面离虚轴越远越好，需要根据系统总阻尼的情况和性能指标进行确定。此外，当系统出现不稳定极点时，直接进行极点配置系统仍然不稳定，单方面提高系统阻尼没有意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于并网变流器抗扰能力的类同步机附加阻尼控制方法。提出对高阶系统采用极点配置法时，需预判系统稳定情况，针对不稳定系统利用极点镜像配置使系统稳定，在稳定条件下选择含PSS的同步机系统的特征根为目标特征根。使含并网变流器系统趋近同步机的阻尼特性。解决含并网变流器系统阻尼小，抗扰能力差的问题。本专利技术的技术方案是：步骤1.根据式(1)建立含有并网变流器系统的状态空间表达式，得系统传递函数G(s)。步骤2.根据状态空间表达式系数阵的特征根或传递函数G(s)的极点，判断系统的稳定性。若系统稳定，转向步骤6。步骤3.系统不稳定时，求取系统能控性矩阵Qc(Qc＝[BAB...An-1B]，n是方程组的阶数)的秩(rank(Qc))，判定系统可控性。当rank(QC)＝n时，系统完全可控，转向步骤5；当0<rank(QC)<n时，系统不完全可控进行步骤4。步骤4.根据PBH秩判据，确定不可控的状态变量，将其分离出原系统，得到可控系统。步骤5.将可控系统中不稳定正极点镜像到S左半平面，利用状态反馈进行极点配置得到稳定的系统。步骤6.对稳定系统，采用极点配置法设计附加阻尼控制器，控制器由增益及一系列超前/滞后环节构成，基本结构如式(2)所示，传递函数H(s)作为反馈环节与原系统G(s)之间构成闭环控制。其中，KD，Tw，T1，T2，...，T2n是控制器参数。步骤7.建立含PSS控制器的同步机系统状态方程，计算系数矩阵的特征根，并以此特征根作为极点配置的目标特征根λ0。步骤8.将目标特征根λ0代入以下相位和幅值表达式：arg(H(λ0))＝180°-arg(G(λ0))(3)确定控制器H(s)参数，完成附加阻尼控制器的设计。本专利技术的效果和益处是：提出了极点配置法应用时目标特征根的选择方法。针对系统不稳定情况，提出镜像极点配置调整不稳定极点，使含并网变流器的系统能通过极点配置法增加系统阻尼，增强抗干扰性。附图说明图1是含并网变流器的双馈风机并网系统结构图。图2是基于并网变流器抗扰能力的类同步机附加阻尼控制方法流程图。图3是同步机PSS系统小扰动传递函数框图。图中M为发电机转子惯性时间常数，D为阻尼系数，T’do，TA，TR，TL是励磁调节部分的时间常数，KR，K1，K2，K3，K4，K5，K6是比例系数，T，T1a，T2a是PSS部分时间常数，Kc是PSS部分比例系数，Δω是系统频率变化量，Δδ是发电机转矩角变化量，ΔUt是电压变化量，ΔEfd是由励磁电压决定的空载电势变化量，ΔEq'是暂态电势变化量。图4(a)是含并网变流器的双馈风机并网系统稳定情况下的单位阶跃响应曲线图，图4(b)是稳定情况下含并网变流器的双馈风机并网系统附加阻尼控制器后的单位阶跃响应曲线图。图5(a)是含并网变流器的双馈风机并网系统不稳定情况下的单位阶跃响应曲线图，图5(b)是不稳定情况下含并网变流器的双馈风机并网系统附加阻尼控制器后的单位阶跃响应曲线图。具体实施方式以下结合技术方案和附图详细叙述本专利技术的具体实施方式。根据图1，双馈风机由风力机，齿轮箱，发电机和变流器组成。并网变流器分为机侧变流器和网侧变流器，网侧变流器通过变压器接入电网。根据图2所示流程，忽略风力机的输入功率变化，建立各部分的数学模型。机械传动轴系模型如下：其中，ωw，ωg分别是风力机和双馈发电机(DFIG)的角速度；Hw，Hg分别是风力机和DFIG的惯性时间常数；θb是轴系扭转角；kgh是轴系刚度系数，Dw，Dhg分别是两个等效质量块自身阻尼系数；Tw，Tg是机械转矩和电磁转矩。发电机电磁转矩的微分方程如下：式中np是发电机极对数。根据双馈风机电压及磁链方程，建立电压磁链微分方程组：式中ls，lr和lm是定、转子自感和互感；Rs，Rr是定、转子电阻；ω1和ω10是同步转速和同步转速的初值；和是变流器控制回路的输出量。并网变流器采用双闭环控制方式，外环通过采集双馈风机的发电功率与参考功率比较形成功率闭环；内环是由转子和定子电流经过相应计算形成的电流闭环。双闭环控制策略，由四个控制回路实现，分别是：有功回路电流环，无功回路电流环，有功功率环，无功功率环。四个控制回路对应四个PI控制器为：根据式(7)、(8)，得到如下的状态方程：其中，分别为中间变量。联立式(4)，(6)，(9)，(10)得到系统的11阶状态方程，状态变量为Δωw，Δωg，Δθb，Δψds，Δψqs，Δidr，Δiqr，Δx1，Δx2，Δx3，Δx4。由李雅普洛夫第一定律知，若系数阵的特征根都有负实部，则系统是稳定系统。带入双馈风电机组系统参数：Rr＝0.005，Rs＝0.0071，lm＝2.9，ls＝3.071，lr＝3.056，Hw＝4.54，Hg＝0.5，ks＝0.3，Dw＝2，Dhg＝1，Dg＝1，np＝2。磁链d轴定向后各初值为：uds0＝0，uqs0＝1，ψds0＝1，uqs0＝0，ω10＝1。并网变流器参数：①KQ＝0.001，KQI＝0.5，KP＝0.001，KPI＝0.5，cP＝0.003，cPI＝-0.003，cQ＝0.003，cQI＝-0.003，系统稳定；②KQ＝0.1，KQI＝0.5，KP＝0.1，KPI＝0.5，cP＝0.3，cPI＝0.3，cQ＝0.3，cQI＝0.3，系统不稳定。求得特征根如表1所示。表1两种情况下含并网变流器双馈风机系统特征根不稳定情况下，系统能控性矩阵的秩rank(QC)＝10<11，说明系统不完全可控，含一个不可控状态变量。根据PBH秩判据，将特征根λi依次代入rank([λiI-AB])，其中rank([λ9I-AB])＝10，说明λ9为不可控点。选择非奇异变换矩阵P，式(1)变换为以下表达式：xc，分别表示可控的状态变量和不可控的状态变量。将式(11)、(12)展开，分别得到xc对应的可控系统与对应的不可控系统，将得到的可控系统利用状态反馈进行镜像配置极点，获得稳定子系统。由于阻尼控制器单一超前滞后环节相位最大补偿量为60°，两级补偿最高达到120°，满足双馈风机系统的补偿条件，阻尼控制器选择如下形式：根据图3建立含PSS的同步机系统空间表达式，系数阵A0的表本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于并网变流器抗扰能力的类同步机附加阻尼控制方法，是预判系统稳定情况后，针对不稳定系统利用极点镜像配置使系统稳定，在稳定条件下选择含PSS的同步机系统的特征根为目标特征根的极点配置方法，其特征步骤如下：步骤1.建立含有并网变流器系统的状态空间表达式，得系统传递函数G(s)；步骤2.根据状态空间表达式系数阵的特征根或是传递函数G(s)的极点，判断系统的稳定性，若系统稳定，转向步骤6；步骤3.系统不稳定时，根据系统能控性矩阵的秩判定系统可控性，系统能控性矩阵的秩为满秩时，系统完全可控，转向步骤5，系统不完全可控进行步骤4；步骤4.根据PBH秩判据，确定不可控的状态变量，将其分离出原系统，得到可控系统；步骤5.将可控系统中不稳定正极点镜像到S平面左侧，利用状态反馈进行极点配置得到稳定的系统；步骤6.对稳定系统，采用极点配置法设计附加阻尼控制器，控制器由增益及一系列超前/滞后环节构成，其传递函数H(s)作为反馈环节与原系统G(s)之间构成闭环控制；步骤7.建立含PSS控制器的同步机系统状态方程，计算系数矩阵的特征根，并以此特征根作为极点配置的目标特征根λ0；步骤8.将目标特征根λ0代入控制器H(s)的相位和幅值表达式中确定控制器参数，完成附加阻尼控制器的设计。...

【技术特征摘要】
1.一种基于并网变流器抗扰能力的类同步机附加阻尼控制方法，是预判系统稳定情况后，针对不稳定系统利用极点镜像配置使系统稳定，在稳定条件下选择含PSS的同步机系统的特征根为目标特征根的极点配置方法，其特征步骤如下：步骤1.建立含有并网变流器系统的状态空间表达式，得系统传递函数G(s)；步骤2.根据状态空间表达式系数阵的特征根或是传递函数G(s)的极点，判断系统的稳定性，若系统稳定，转向步骤6；步骤3.系统不稳定时，根据系统能控性矩阵的秩判定系统可控性，系统能控性矩阵的秩为满秩时，系统完全可控，转向步骤5，系统不完全可控进行步骤4；步骤4....

【专利技术属性】
技术研发人员：章艳，杨春华，孙辉，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21