基于自适应自抗扰比例积分的直流输电系统控制方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于自适应自抗扰比例积分的直流输电系统控制方法及系统，方法包括以下步骤：针对自抗扰比例积分控制器进行了离散化处理，获得自适应自抗扰比例积分控制器；基于自适应自抗扰比例积分控制器实现直流系统中整流侧的定电流控制以及逆变侧的定关断角控制。本发明专利技术将自适应自抗扰比例积分控制器运用在直流系统的整流侧定电流控制以及逆变侧的定关断角控制，提高系统应对大范围扰动时的动态响应速度和鲁棒性能，有效抑制高压直流输电系统中的连续换相失败。

Control method and system of HVDC system based on adaptive Adri

【技术实现步骤摘要】
基于自适应自抗扰比例积分的直流输电系统控制方法及系统
本专利技术涉及直流输电系统控制
，具体涉及一种基于自适应自抗扰比例积分的直流输电系统控制方法及系统。
技术介绍
高压直流输电以其在跨区域、大容量、异步电网互联输电领域具有突出优点而被广泛应用，对于推广我国“西电东送、南北互供、全国联网”具有重要战略意义。然而，基于半控型器件换相的晶闸管无法通过控制门级使其关断，需要依靠电网电压恢复阻断能力，因此换相失败成为遏制直流输电继续发展的关键因素，仅2017年1—9月，中国华东地区因交流故障导致直流发生换相失败20次。而随着直流传输容量的增大，由换相失败引发的短暂功率中断等问题严重威胁交流系统的安全稳定运行。换相失败与很多因素有关，例如交流母线电压、换相电抗、直流电流、换流变压器变比、超前触发角等。其中交流母线由于接地故障导致的电压跌落是引起换相失败的主要原因。一般而言，首次换相失败难以避免，而短时的换相失败在故障清除后，通常能够恢复正常换相。若故障未及时清除，直流系统在换相失败恢复过程当中极易出现连续换相失败。连续换相失败会造成直流系统闭锁、功率传输中断，从而导致交流电网潮流窜动、保护误动作。目前抑制连续换相失败的方法主要集中在预测和拓扑结构改进上，对连续换相失败分析和通过控制策略来抑制换相失败的情况较少，然而事实情况是直流控制环节在换相失败期间有充分的调节作用，相比于抑制直流输电单次换相失败，抑制连续换相失败更有利于提高系统稳定性。一种方法是通过在控制系统中添加虚拟电阻模块，在换相失败后的系统恢复阶段，通过限制直流电流快速增大，来抑制连续换相失败，且有一定的效果。然而，虚拟电阻电流限制器将谐波电流引入了控制环节，使电流指令产生较大波动，因此在不对称故障下应用时，此方法会受到一定的制约。另外一种方法是，根据故障发生后会出现换相电压的暂降以及直流电流的激增，以导致换相电压时间面积出现缺口，从而设计一种基于虚拟换相面积缺乏量的直流电流自调节方法。然而该方法需要经过虚拟换相时长Δt的积分延时，使得控制指令不能及时响应，影响其对连续换相失败的抑制。抑制换相失败的其他切入点是从低压限流环节进行分析，这种方法认为输入量直流电压的剧烈波动是造成触发角指令波动的主要原因，从而引发连续换相失败，而变化相对缓慢的交流母线电压更适合作为输入量。然而，这种方法没有认识到引发电气量波动的内在机理。上面所述的几种控制策略没能从机理上对连续换相失败问题进行改进，高压直流输电系统在受到扰动时表现出非线性、多变量强耦合特性，而传统控制框架中PI控制是典型的线性控制，因此需要重新设计控制器以提高暂态期间直流控制系统的响应能力。自抗扰控制(AutoDisturbanceRejectionControl，ADRC)是一种不依赖被控对象精确数学模型的新型控制技术，能自动检测系统受到的内外扰动，并及时补偿被控对象，即使控制对象遇到不确定性扰动或者参数发生变化时也能收到良好的控制效果，具有较强的适应性和鲁棒性，ADRC已在火电机组汽门和励磁调节中获得一些应用。对于自抗扰技术应用在高压直流输电系统方面，自抗扰控制利用扩张状态观测器提取扰动信号，并补偿到输入中，获得了良好的控制效果。但是此方法未考虑到离散系统给微分跟踪器带来的高频颤振和通信时延带来的影响，且该方法不适用于改善直流输电系统的换相失败问题，因此需要对现有自抗扰控制模块进行改进。
技术实现思路
本专利技术为了克服现有技术中的不足，提出一种基于自适应自抗扰比例积分的直流输电系统控制方法及系统，将自适应自抗扰比例积分控制器运用在直流系统的整流侧定电流控制以及逆变侧的定关断角控制，提高系统应对大范围扰动时的动态响应速度和鲁棒性能，有效抑制高压直流输电系统中的连续换相失败。为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种基于自适应自抗扰比例积分的直流输电系统控制方法，其特征是，包括以下步骤：针对自抗扰比例积分控制器进行了离散化处理，获得自适应自抗扰比例积分控制器；基于自适应自抗扰比例积分控制器实现直流系统中整流侧的定电流控制以及逆变侧的定关断角控制。进一步的，所述针对自抗扰比例积分控制器进行了离散化处理，获得自适应自抗扰比例积分控制器包括：自抗扰比例积分控制器由三个重要部分组成：跟踪微分器TD、扩张状态观测器ESO和非线性状态误差反馈结构NLSEF，v(t)为输入信号，TD跟踪并柔化输入信号，得到其各阶广义微分信号v1(t)...vn(t)，z(t)为扩张状态观测器输出信号，其包含n+1个输出信号z1(t),...,zn+1(t)，e(t)为误差信号，对应的各阶误差信号为e1(t),...,en(t)，u(t)为控制信号，w(t)为扰动信号，y(t)为输出信号；针对自抗扰比例积分控制器进行了离散化处理；自适应自抗扰比例积分控制器SAADR-PI的具体算法可表示为：(1)根据离散化需求，设v(k)是k采样时刻对应的输入信号，引入fhan函数并对原有自抗扰比例积分控制器中的微分器TD进行离散化处理，v(k)经过微分器TD便可以获得二阶系统下的各阶微分信号：其中，v1(k)是k采样时刻TD获得的1阶微分信号，是可微的光滑信号，v2(k)＝dv1(k)/dt，v2(k)是k采样时刻TD获得的2阶微分信号，v1(k+1)是k+1采样时刻TD获得的1阶微分信号，h为积分步长，h0为输入信号被噪声污染时决定滤波效果的参数，fhan函数中的实际参数r为输入的调节参数；fhan(v1,v2,r,h)函数为：其中v1和v2表示fhan函数的两个形式参数，对应在公式1中，是将v1(k)-v(k)和v2(k)作为实际参数传给fhan函数调用；fhan函数中的形式参数r和h为调节参数；fhan函数中的d、d0、y、a以及a0仅作为中间变量参与函数内部的一些运算，无具体的实际意义；(2)以k采样时刻的输入量u(k)和k采样时刻的输出量y(k)进行观测，系统状态和扩张状态(总扰动)可表示为：其中，z1(k)，z2(k)表示k采样时刻ESO对应于y(k)和一阶y1(k)的系统状态观测值，z1(k)跟踪y(k)，z2(k)跟踪一阶y1(k)，z3(k)表示k采样时刻ESO的扩张状态观测值，是扩张状态观测器针对对象的不确定因素以及外扰动信息而跟踪作用的结果；e(k)表示k采样时刻一阶系统状态观测值z1(k)和输出y(k)之间的误差；α01，α02，β01，β02，β03，δ0为k时刻被fal函数调用的实际调节参数，b0为不确定函数b的估计值；式中用到的fal函数是一种特殊的非线性结构，fal函数表达式如下：式中，e、α、δ表示fal函数的三个形式参数，形式参数e表示传入函数的误差信号，形式参数α为影响跟踪效果有关的常数，形式参数δ为影响滤波效果的常数；(3)状态误差反馈控制律其中，e1(k)、e2(k)是k时刻安排的过渡过程v1(k)、v2(k)和系统本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于自适应自抗扰比例积分的直流输电系统控制方法，其特征是，包括以下步骤：/n针对自抗扰比例积分控制器进行了离散化处理，获得自适应自抗扰比例积分控制器；/n基于自适应自抗扰比例积分控制器实现直流系统中整流侧的定电流控制以及逆变侧的定关断角控制。/n

【技术特征摘要】
1.基于自适应自抗扰比例积分的直流输电系统控制方法，其特征是，包括以下步骤：
针对自抗扰比例积分控制器进行了离散化处理，获得自适应自抗扰比例积分控制器；
基于自适应自抗扰比例积分控制器实现直流系统中整流侧的定电流控制以及逆变侧的定关断角控制。


2.根据权利要求1所述的基于自适应自抗扰比例积分的直流输电系统控制方法，其特征是，所述针对自抗扰比例积分控制器进行了离散化处理，获得自适应自抗扰比例积分控制器包括：
自抗扰比例积分控制器由三个重要部分组成：跟踪微分器TD、扩张状态观测器ESO和非线性状态误差反馈结构NLSEF，v(t)为输入信号，TD跟踪并柔化输入信号，得到其各阶广义微分信号v1(t)...vn(t)，z(t)为扩张状态观测器输出信号，其包含n+1个输出信号z1(t),...,zn+1(t)，e(t)为误差信号，对应的各阶误差信号为e1(t),...,en(t)，u(t)为控制信号，w(t)为扰动信号，y(t)为输出信号；
针对自抗扰比例积分控制器进行了离散化处理；
自适应自抗扰比例积分控制器SAADR-PI的具体算法可表示为：
(1)根据离散化需求，设v(k)是k采样时刻对应的输入信号，引入fhan函数并对原有自抗扰比例积分控制器中的微分器TD进行离散化处理，v(k)经过微分器TD便可以获得二阶系统下的各阶微分信号：



其中，v1(k)是k采样时刻TD获得的1阶微分信号，是可微的光滑信号，v2(k)＝dv1(k)/dt，v2(k)是k采样时刻TD获得的2阶微分信号，v1(k+1)是k+1采样时刻TD获得的1阶微分信号，h为积分步长，h0为输入信号被噪声污染时决定滤波效果的参数，fhan函数中的实际参数r为输入的调节参数；
fhan(v1,v2,r,h)函数为：






其中v1和v2表示fhan函数的两个形式参数，对应在公式1中，是将v1(k)-v(k)和v2(k)作为实际参数传给fhan函数调用；fhan函数中的形式参数r和h为调节参数；fhan函数中的d、d0、y、a以及a0仅作为中间变量参与函数内部的一些运算，无具体的实际意义；
(2)以k采样时刻的输入量u(k)和k采样时刻的输出量y(k)进行观测，系统状态和扩张状态(总扰动)可表示为：



其中，z1(k)，z2(k)表示k采样时刻ESO对应于y(k)和一阶y1(k)的系统状态观测值，z1(k)跟踪y(k)，z2(k)跟踪一阶y1(k)，z3(k)表示k采样时刻ESO的扩张状态观测值，是扩张状态观测器针对对象的不确定因素以及外扰动信息而跟踪作用的结果；e(k)表示k采样时刻一阶系统状态观测值z1(k)和输出y(k)之间的误差；α01，α02，β01，β02，β03，δ0为k时刻被fal函数调用的实际调节参数，b0为不确定函数b的估计值；
式中用到的fal函数是一种特殊的非线性结构，fal函数表达式如下：



式中，e、α、δ表示fal函数的三个形式参数，形式参数e表示传入函数的误差信号，形式参数α为影响跟踪效果有关的常数，形式参数δ为影响滤波效果的常数；
(3)状态误差反馈控制律



其中，e1(k)、e2(k)是k时刻安排的过渡过程v1(k)、v2(k)和系统输出估计z1(k)、z2(k)之间的一阶误差和二阶误差，u(k)为k时刻的控制信号，通过合理选择非线性实际参数α1、α2、δ以及实际参数kP、kD实现对“积分串联型”对象的非线性控...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴通华，郑玉平，王小红，戴魏，李新东，刘其朴，孙国强，赵志强，侯小凡，
申请(专利权)人：国电南瑞科技股份有限公司，国电南瑞南京控制系统有限公司，国家电网有限公司，国网重庆市电力公司，南瑞集团有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32