一种基于内点法的多端直流输电系统换流站控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于内点法的多端直流输电系统换流站控制方法，首先建立单个定直流电压换流站的离散状态空间方程，然后建立具有2个定直流电压换流站的MTDC并网系统的离散状态空间方程，再电网侧MMC直流电压控制方式下的分布式子系统复合模型的离散状态空间方程，并根据该离散状态空间方程，利用线性系统理论设计状态观测器，状态观测器输出状态变量估计值，利用内点法求得最优控制序列，将最优控制序列作为控制变量输入至直流电压控制器中。本发明专利技术应用于风电并网、多端直流输电系统中，降低了多端直流系统的功率损耗，提高系统的鲁棒性。

A control method for converter station of multi terminal HVDC transmission system based on interior point method

The invention discloses a multi terminal HVDC system converter control method based on interior point method, first establish the discrete state space equation of single DC voltage converter, and a discrete state space equation with a constant DC voltage 2 converter MTDC grid system, the discrete state space equations of distributed subsystems composite model MMC DC voltage side then under the control mode of power grid, and according to the discrete state space equation, using the linear system theory design of state observer and observer output of the estimated value of the state variable, the optimal control sequence obtained by using the method, the optimal control sequence as the control input to the variable DC voltage controller. The invention is applied to wind power grid connected and multi terminal DC transmission system, which reduces the power loss of multi terminal DC system and improves the robustness of the system.

【技术实现步骤摘要】
一种基于内点法的多端直流输电系统换流站控制方法
本专利技术涉及一种基于内点法的多端直流输电系统换流站控制方法，属于电力电子控制

技术介绍
现有多端柔性直流输电系统的控制系统，主要有两类控制方法：一是采用主从控制(即由单个换流站控制直流网络的直流电压)，当控制直流电压的换流站故障退出运行时，系统无法正常运行；二是采用下垂控制，由一个或多个换流站控制直流侧电压，可以防止单个换流站退出运行导致系统崩溃，但是容易造成直流电压偏移，系统的效率降低。现有技术中引入集中控制器，求解多端柔性直流输电系统的最优潮流，然后设定各定直流电压换流站的下垂系数来提高效率，但集中控制器故障时对系统的稳定运行有较大的影响。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种基于内点法的多端直流输电系统换流站控制方法，在电网交流系统发生短时故障的情况下可减少直流电压的波动、降低交直流功率转化的波动，提高系统的鲁棒性。为解决上述技术问题，本专利技术提供一种基于内点法的多端直流输电系统换流站控制方法，包括以下步骤：1)建立单个定直流电压换流站的离散状态空间方程；2)基于步骤1)建立的单个定直流电压换流站离散状态空间方程，建立具有2个定直流电压换流站的MTDC并网系统的离散状态空间方程；3)建立具有2个定直流电压换流站的海上风电场MMC-MTDC并网系统中，电网侧MMC直流电压控制方式下的分布式子系统复合模型的离散状态空间方程，并根据该离散状态空间方程，利用线性系统理论设计状态观测器，状态观测器输出状态变量估计值；4)对于任意定直流电压换流站，从恒交流电压换流站获取注入直流系统的功率大小，组成注入功率序列，同时利用状态观测器输出的状态变量估计值，求得最优控制序列；对于风电场侧换流站，以直流系统整体损耗最小为目标，采用内点法求解最优控制序列；将最优控制序列作为控制变量输入至直流电压控制器中；5)各恒交流电压换流站、定直流电压换流站采样交流侧三相电压、电流，直流侧电压、电流，并通过低带宽通信输入到步骤3中建立的状态观测器重构系统状态，控制律为状态反馈增益矩阵G'，从而实现对系统第k时刻的控制变量的修正；6)每隔采样间隔Ts重复步骤3)。前述的步骤1)建立单个定直流电压换流站的离散状态空间方程具体过程如下：1-1)对于单个定直流电压换流站，直流电压采取外直流电压闭环PI控制，传递函数由外直流电压闭环PI调节器和内电流环控制组成，传递函数G1V(s)为：其中，Gc(s)为d轴电流的传递函数，Kpc、Kic分别为内电流环PI控制器比例、积分系数，Kpv和Kiv为直流电压控制器比例、积分系数，L'为定直流电压换流站出口滤波器及变压器总电抗；因此，单个定直流电压换流站有如下状态空间方程表达式：其中，x1，x2，x3为状态变量，x3＝isd，e＝vdc_ref-vdc，R'为定直流电压换流站出口滤波器及变压器总电阻，isd是内电流环d轴分量，vdc_ref为下垂特性，vdc为定直流电压换流站直流侧电压；1-2)对于MMC直流电压控制系统，系统稳态情况下vdc＝vdc_ref，构造如下vdc的线性微分方程：其中，idc是直流侧电流，Us为交流网络电压幅值，Ceq为定直流电压换流站桥臂等效电容，令3Us/2Ceqvdc_ref＝kisd，同时取x4＝vdc，u＝vdc_ref，得到MMC直流电压控制系统的状态空间方程：其中，x＝[x1x2x3x4]T为状态变量；1-3)对直流电压控制的换流站存在运行特性：idc＝kdr(vdc_ref-v0)(5)其中，kdr为定直流电压换流站直流电压-直流电流下垂系数，v0是电压下垂控制的基准值；在此基础上，基于直流电压控制的MMC直流电压控制系统的状态空间方程为：1-4)令w＝v0，得打计及直流电压-直流电流下垂的单个定直流电压换流站的离散状态空间方程：其中，x(1),x(2)…x(k)…x(N)为x的离散序列，x(k)为k时刻定直流电压换流站状态变量，u(1),u(2)…u(k)…u(N)为u的离散序列，u(k)＝vdc_ref，w(1),w(2)…w(k)…w(N)为w的离散序列，y(1),y(2)…y(k)…y(N)为y的离散序列，y(k)为k时刻定直流电压换流站直流侧电压，N为采样点数，u(k)为控制变量，w(k)为可测量量，Ts为采样周期，CV＝[0001]。前述的步骤2)中具有2个定直流电压换流站的MTDC并网系统的离散状态空间方程为：其中，xi(k)为第i个定直流电压换流站状态变量，ui(k)为第i个定直流电压换流站k时刻控制变量，wi(k)为第i个定直流电压换流站k时刻可测量量，yi(k)为第i个定直流电压换流站k时刻定直流电压换流站直流侧电压，Ci＝[0001]，Ceq，i为第i个定直流电压换流站桥臂等效电容，ng表示定直流电压换流站的个数，Ts为采样周期，Kpv，i为第i个定直流电压换流站直流电压控制器的比例系数，Kiv，i为第i个定直流电压换流站直流电压控制器的积分系数，Kpc，i为第i个定直流电压换流站内电流环PI控制器比例系数，Kic，i为第i个定直流电压换流站内电流环PI控制器积分系数，Us为交流网络电压幅值，Ri为第i个定直流电压换流站出口滤波器及变压器总电阻，Li为第i个定直流电压换流站出口滤波器及变压器总电抗，kisd，i为与第i个定直流电压换流站主电路相关的参数。前述的步骤3)的分布式子系统复合模型的离散状态空间方程为：其中，G1，G2分别为2个定直流电压换流站的导纳矩阵，Ew1,Ew2分别为2个恒交流电压换流站的直流电压序列。前述的对于任意定直流电压换流站，最优控制序列为：Eg(k+1)＝[Eg1(k+1),Eg2(k+1)]T其中，Eg1,Eg2分别为2个定直流电压换流站的直流电压序列。前述的对于风电场侧换流站，最优控制序列求解过程为：利用内点法求解以下非线性优化问题：minJ＝ET(k+1)GE(k+1)其中，J表示系统整体损耗，E(k+1)为风场、电网两端换流站直流母线节点电压向量的离散量，I(k+1)为风场、电网两端换流站直流母线节点电流向量的离散量，Iw＝[Iw1,Iw2]T，Iw1,Iw2分别为2个恒交流电压换流站的直流电流序列，G为导纳矩阵，为状态变量估计值，Ei和Ii分别为第i个换流站的电压和电流，Emin，i和Emax，i为第i个换流站的电压的最小值和最大值，Imin，i和Imax，i为第i个换流站的电流的最小值和最大值，Eg(k+1)＝[Eg1(k+1),Eg2(k+1)]T，求得最优控制序列Eg1(k+1)，Eg2(k+1)。前述的采样间隔为1ms。与现有技术对比，本专利技术具有以下优点：(1)、本专利技术充分降低了多端直流系统的功率损耗；(2)、本专利技术在电网交流系统发生短时故障的情况下可减少直流电压的波动、降低交直流功率转化的波动，提高系统的鲁棒性。附图说明图1为本专利技术定直流电压换流站的控制方法流程图；图2为外直流电压闭环PI控制系统框图；图3为实施例中海上风电多端直流并网系统结构示意图；图4为本专利技术状态观测器结构图；图5为风电场有功输出波形图；图5(a)为风电场1的有功输出，图5(b)为风电场2的有功输出；图6为实施例中风电场侧换流站的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于内点法的多端直流输电系统换流站控制方法，其特征在于，包括以下步骤：1)建立单个定直流电压换流站的离散状态空间方程；2)基于步骤1)建立的单个定直流电压换流站离散状态空间方程，建立具有2个定直流电压换流站的MTDC并网系统的离散状态空间方程；3)建立具有2个定直流电压换流站的海上风电场MMC‑MTDC并网系统中，电网侧MMC直流电压控制方式下的分布式子系统复合模型的离散状态空间方程，并根据该离散状态空间方程，利用线性系统理论设计状态观测器，状态观测器输出状态变量估计值；4)对于任意定直流电压换流站，从恒交流电压换流站获取注入直流系统的功率大小，组成注入功率序列，同时利用状态观测器输出的状态变量估计值，求得最优控制序列；对于风电场侧换流站，以直流系统整体损耗最小为目标，采用内点法求解最优控制序列；将最优控制序列作为控制变量输入至直流电压控制器中；5)各恒交流电压换流站、定直流电压换流站采样交流侧三相电压、电流，直流侧电压、电流，并通过低带宽通信输入到步骤3中建立的状态观测器重构系统状态，控制律为状态反馈增益矩阵G'，从而实现对系统第k时刻的控制变量

【技术特征摘要】
1.一种基于内点法的多端直流输电系统换流站控制方法，其特征在于，包括以下步骤：1)建立单个定直流电压换流站的离散状态空间方程；2)基于步骤1)建立的单个定直流电压换流站离散状态空间方程，建立具有2个定直流电压换流站的MTDC并网系统的离散状态空间方程；3)建立具有2个定直流电压换流站的海上风电场MMC-MTDC并网系统中，电网侧MMC直流电压控制方式下的分布式子系统复合模型的离散状态空间方程，并根据该离散状态空间方程，利用线性系统理论设计状态观测器，状态观测器输出状态变量估计值；4)对于任意定直流电压换流站，从恒交流电压换流站获取注入直流系统的功率大小，组成注入功率序列，同时利用状态观测器输出的状态变量估计值，求得最优控制序列；对于风电场侧换流站，以直流系统整体损耗最小为目标，采用内点法求解最优控制序列；将最优控制序列作为控制变量输入至直流电压控制器中；5)各恒交流电压换流站、定直流电压换流站采样交流侧三相电压、电流，直流侧电压、电流，并通过低带宽通信输入到步骤3中建立的状态观测器重构系统状态，控制律为状态反馈增益矩阵G'，从而实现对系统第k时刻的控制变量的修正；6)每隔采样间隔Ts重复步骤3)。2.根据权利要求1所述的一种基于内点法的多端直流输电系统换流站控制方法，其特征在于，所述步骤1)建立单个定直流电压换流站的离散状态空间方程具体过程如下：1-1)对于单个定直流电压换流站，直流电压采取外直流电压闭环PI控制，传递函数由外直流电压闭环PI调节器和内电流环控制组成，传递函数G1V(s)为：其中，Gc(s)为d轴电流的传递函数，Kpc、Kic分别为内电流环PI控制器比例、积分系数，Kpv和Kiv为直流电压控制器比例、积分系数，L'为定直流电压换流站出口滤波器及变压器总电抗；因此，单个定直流电压换流站有如下状态空间方程表达式：其中，x1，x2，x3为状态变量，x3＝isd，e＝vdc_ref-vdc，R'为定直流电压换流站出口滤波器及变压器总电阻，isd是内电流环d轴分量，vdc_ref为下垂特性，vdc为定直流电压换流站直流侧电压；1-2)对于MMC直流电压控制系统，系统稳态情况下vdc＝vdc_ref，构造如下vdc的线性微分方程：1其中，idc是直流侧电流，Us为交流网络电压幅值，Ceq为定直流电压换流站桥臂等效电容，令3Us/2Ceqvdc_ref＝kisd，同时取x4＝vdc，u＝vdc_ref，得到MMC直流电压控制系统的状态空间方程：其中，x＝[x1x2x3x4]T为状态变量；1-3)对直流电压控制的换流站存在运行特性：idc＝kdr(vdc_ref-v0)(5)其中，kdr为定直流电压换流站直流电压-直流电流下垂系数，v0是电压下垂控制的基准值；在此基础上，基于直流电压控制的MMC直流电压控制系统的状态空间方程为：1-4)令w＝v0，得打计及直流电压-直流电流下垂的单个定直流电压换流站的离散状态空间方程：

【专利技术属性】
技术研发人员：孙国强，郑玉平，王晓红，
申请(专利权)人：南京南瑞集团公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32