專利名稱：帶超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置的電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)暫太穩(wěn)定控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)在電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定控制中的應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
超導(dǎo)蓄能技術(shù)目前主要應(yīng)用于UPS(不間斷電源)方面。由于缺乏可靠的控制方法，UPS電源一般容量較小，不能適用于電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定控制。而實(shí)際上電力系統(tǒng)發(fā)生暫態(tài)穩(wěn)定問題時(shí)往往需要瞬時(shí)注入大量有功功率，以彌補(bǔ)切除發(fā)電機(jī)后出現(xiàn)的有功供應(yīng)不足的問題，在此背景下，本發(fā)明提出了超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)的非線性魯棒控制技術(shù)，可以有效的解決以上問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種實(shí)驗(yàn)性的帶超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置的電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定控制方法。
本發(fā)明的特征在于它是在一個(gè)由電力網(wǎng)、變壓器、電流型逆變器和超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置級(jí)聯(lián)的系統(tǒng)中，通過一臺(tái)計(jì)算機(jī)采用空間矢量PWM調(diào)制方法來控制上述逆變器中雙橋并聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的逆變橋來實(shí)現(xiàn)的，依次含有以下步驟(1)、把基于電流型逆變器的超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置安裝在電力系統(tǒng)的發(fā)電側(cè)；(2)、建立電流型超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置的二階動(dòng)態(tài)模型 其中ip為有功電流，iq為無功電流，T′是控制環(huán)的時(shí)間常數(shù)，uip是等效有功控制量，uiq是等效無功控制量。
(3)、在忽視發(fā)電機(jī)動(dòng)態(tài)過程、采用恒定勵(lì)磁控制的條件下，建立下述發(fā)電機(jī)模型Δδ·=ω0Δω]]>Δω·=1M(Pm-Pe)-DMΔω]]>其中
Δδ是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子角度差，Δω是發(fā)電機(jī)角轉(zhuǎn)速差，ω0是發(fā)電機(jī)同步角速度，M是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，Pm是輸入功率，Pe是電磁功率，D是阻尼系數(shù)。
(4)、建立帶超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置的電力系統(tǒng)模型；(4.1)以超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置接入系統(tǒng)的接入點(diǎn)電壓和相位為參考量，得到Pe＝PL+PsΔVs≈-Xciq其中Pe是電磁功率，PL是輸電線上的有功功率，Ps是超導(dǎo)裝置的有功功率，ΔVs是接入點(diǎn)電壓與設(shè)定值之差，Xc是等效短路電抗。
(4.2)建立上述全系統(tǒng)的模型 其中w1和w2屬于L2空間，L2空間定義如下L2space={f:R→Rn|∫0∞fTfdt<+∞},]]>δ是轉(zhuǎn)子角度，H是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，等于M，P是有功功率，Vs是接入點(diǎn)電壓，
T是計(jì)算時(shí)間常數(shù)，等于T′。
(5)、用下述方法求解uip，uiq(5.1)設(shè)置預(yù)反饋通道，通過變量代換的方法簡(jiǎn)化全系統(tǒng)方程；(5.2)用線性H∞控制理論使線性系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)次最優(yōu)魯棒控制；(5.3)求得原非線性系統(tǒng)中uip，uiq控制規(guī)律；(6)、考慮到超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)的交流輸出濾波器的影響后，對(duì)上述uip，uiq進(jìn)行修正。
本發(fā)明將超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)用于電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的控制，以提高電力系統(tǒng)暫態(tài)頻率穩(wěn)定性和暫態(tài)電壓穩(wěn)定性，提高遠(yuǎn)距離電能傳輸能力和動(dòng)態(tài)安全性。


圖1、本發(fā)明的原理示意圖。
圖2、基于電流型逆變器的超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置的主電路拓?fù)鋱D。
圖3、本發(fā)明所述系統(tǒng)的連接關(guān)系圖。
圖4、超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置控制器結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)主電路及PWM調(diào)制方式●直流端采用超導(dǎo)儲(chǔ)能線圈，真空杜瓦，超導(dǎo)線圈如果采用低溫超導(dǎo)材料，可以使用液氦進(jìn)行冷卻，如果采用高溫超導(dǎo)材料可以采用空冷；●變流器一般采用電流型AC/DC變流器；●為減少諧波可以采用雙橋并聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；●通過變壓器與系統(tǒng)并聯(lián)聯(lián)結(jié)；●變流橋采用空間PWM調(diào)制。
整個(gè)系統(tǒng)及其與系統(tǒng)的聯(lián)結(jié)可以用附圖3表示。
主控芯片采用TI公司的TSM32DSP浮點(diǎn)DSP專用芯片，STD總線設(shè)置，采用結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方法，控制器結(jié)構(gòu)如附圖4。
本發(fā)明提出了新的基于電流型變流器的SMES的動(dòng)態(tài)模型，在綜合分析電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的基礎(chǔ)上，得到了帶有SMES裝置的電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型，通過外部干擾的引入得到了該系統(tǒng)的魯棒控制模型，精確線性化方法和線性H∞控制理論被應(yīng)用于SMES的非線性魯棒控制器的設(shè)計(jì)，用于考慮了系統(tǒng)內(nèi)在的非線性本質(zhì)以及對(duì)外部干擾的抑制，該技術(shù)可以大大提高電力系統(tǒng)的傳輸極限及其安全性，增強(qiáng)系統(tǒng)的暫態(tài)頻率穩(wěn)定性和暫態(tài)電壓穩(wěn)定性，減少由于故障或者其它原因造成電力系統(tǒng)頻率失穩(wěn)或者電壓崩潰的事故。
本技術(shù)將基于電流型逆變器的超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置安裝于電力系統(tǒng)的發(fā)電側(cè)，通過合理控制超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)瞬時(shí)吸收或者發(fā)出有功功率、無功功率從而達(dá)到增強(qiáng)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的作用，其基本示意圖如附圖1所示。
基于電流型逆變器的超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如附圖2所示。
系統(tǒng)的標(biāo)幺制模型可以寫成以下的形式 這里，ip，iq分別是有功無功電流；Vs是交流側(cè)電壓；Rd是超導(dǎo)線圈及引線電阻；Ld是超導(dǎo)線圈電抗。
一般情況下，調(diào)制比M和觸發(fā)角α可以分別由一階慣性環(huán)節(jié)表示 T是控制環(huán)的時(shí)間常數(shù)，uM和uα是M和α的控制輸入，通過代數(shù)和微分運(yùn)算可得 這里，T′＝TLd/(Ld+TRd)。在以下的部分，為簡(jiǎn)單起見，直接用T代替T′，這樣得到了電流型超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)的等效二階動(dòng)態(tài)模型，有功和無功電流的控制輸入變?yōu)閡ip和uiq。
不考慮發(fā)電機(jī)調(diào)速器動(dòng)態(tài)，勵(lì)磁器采用恒定勵(lì)磁控制，此時(shí)發(fā)電機(jī)可以用經(jīng)典2階動(dòng)態(tài)模型表示Δδ·=ω0Δω]]>Δω·=1M(Pm-Pe)-DMΔω]]>系統(tǒng)采用圖1所示一個(gè)帶超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置的電力系統(tǒng)。選取超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置接入系統(tǒng)的接入點(diǎn)電壓相位作為參考相位，按照如圖2的參考方向可得系統(tǒng)的電氣關(guān)系如下Pe＝PL+PsΔVs≈-Xciq這里Xc是系統(tǒng)在SMES接入點(diǎn)的短路電抗。為了保證SMES接入點(diǎn)電壓的穩(wěn)態(tài)精度，選取一個(gè)附加的反饋信號(hào)z=∫0tΔVsdτ]]>聯(lián)立上述方程，最后可得到全系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型
任何實(shí)際運(yùn)行的系統(tǒng)，都會(huì)受到不確定的外部干擾的影響，這里只引入對(duì)于有功功率的擾動(dòng)w1和對(duì)電壓的擾動(dòng)w2，于是有 模型輸出選取為y＝C[Δδ Δω ΔP ΔVsz]。這里w1和w2屬于L2空間。L2空間定義如下L2space={f:R→Rn{∫0∞fTfdt<+∞}.]]>非線性魯棒控制設(shè)計(jì)步驟第一步反饋線性化設(shè)計(jì)設(shè)置預(yù)反饋通道為 再設(shè)置變量代換 系統(tǒng)方程可以化為 第二步線性Hoo設(shè)計(jì)利用線性H∞控制理論來解決此線性系統(tǒng)的次最優(yōu)魯棒控制問題，即對(duì)于給定的正數(shù)λ，選取合適的正定對(duì)稱陣P*使下述黎卡得方程成立ATP+PA+1λ2PB2B2TP-PB1B1TP+CTC=0]]>
且A+1λ2B2B2TP*-B1B1TP*]]>為穩(wěn)定矩陣，則有v*=-B1TP*x=-K*x]]>展開得到 這里，pij是正定對(duì)稱陣P*第i行第j列的元素。
第三步求解原非線性系統(tǒng)控制規(guī)律將線性化系統(tǒng)的H∞控制規(guī)律代回到第一步中的預(yù)制反饋并施以逆變換，可得原非線性系統(tǒng)的控制規(guī)律 該式顯式地給出了SMES的非線性魯棒控制規(guī)律第四步工程實(shí)用化改進(jìn)一般在超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)的交流輸出上都需要有濾波器，濾波電阻會(huì)造成一定的損耗，而電流源型變流器所必須濾波電容本身會(huì)向系統(tǒng)發(fā)出無功，這跟進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)中的假設(shè)是不相符合的，可以采用比較簡(jiǎn)單實(shí)用的方法進(jìn)行修正。對(duì)于有功電流控制環(huán)來說，需要再加入內(nèi)環(huán)穩(wěn)流環(huán)節(jié)來補(bǔ)償濾波電阻以及開關(guān)等原因造成的損耗，一般來說加入直流電流偏差反饋的PI環(huán)節(jié)即可。當(dāng)然，為了避免與有功電流控制產(chǎn)生沖突，內(nèi)環(huán)作用要盡量減弱，在動(dòng)態(tài)過程中與原有的控制作用在時(shí)間上解耦。對(duì)于無功電流控制環(huán)來說，支撐電容所發(fā)出的無功可以直接在控制環(huán)中補(bǔ)償。最終的實(shí)用控制規(guī)律為 其中，kpΔId+kl∫0tΔIddτ+knip]]>為加入的內(nèi)環(huán)穩(wěn)流環(huán)節(jié)，kp和kl分別為比例和積分系數(shù)，kn是為調(diào)節(jié)內(nèi)環(huán)作用強(qiáng)度的系數(shù)。
權(quán)利要求
1.帶超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置的電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定控制方法，其特征在于它是在一個(gè)由電力網(wǎng)、變壓器、電流型逆變器和超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置級(jí)聯(lián)的系統(tǒng)中，通過一臺(tái)計(jì)算機(jī)采用空間矢量PWM調(diào)制方法來控制上述逆變器中雙橋并聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的逆變橋來實(shí)現(xiàn)的，依次含有以下步驟(1)、把基于電流型逆變器的超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置安裝在電力系統(tǒng)的發(fā)電側(cè)；(2)、建立電流型超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置的二階動(dòng)態(tài)模型 其中ip為有功電流，iq為無功電流，T′是控制環(huán)的時(shí)間常數(shù)，uip是等效有功控制量，uiq是等效無功控制量。(3)、在忽視發(fā)電機(jī)動(dòng)態(tài)過程、采用恒定勵(lì)磁控制的條件下，建立下述發(fā)電機(jī)模型Δδ·=ω0Δω]]>Δω·=1M(Pm-Pe)-DMΔω]]>其中Δδ是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子角度差，Δω是發(fā)電機(jī)角轉(zhuǎn)速差，ω0是發(fā)電機(jī)同步角速度，M是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，Pm是輸入功率，Pe是電磁功率，D是阻尼系數(shù)。(4)、建立帶超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置的電力系統(tǒng)模型；(4.1)以超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置接入系統(tǒng)的接入點(diǎn)電壓和相位為參考量，得到Pe＝PL+PsΔVs≈-Xciq其中Pe是電磁功率，PL是輸電線上的有功功率，Ps是超導(dǎo)裝置的有功功率，ΔVs是接入點(diǎn)電壓與設(shè)定值之差，Xc是等效短路電抗。(4.2)建立上述全系統(tǒng)的模型 其中w1和w2屬于L2空間，L2空間定義如下L2space={f:R→Rn|∫0∞fTfdt<+∞},]]>δ是轉(zhuǎn)子角度，H是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，等于M，P是有功功率，Vs是接入點(diǎn)電壓，T是計(jì)算時(shí)間常數(shù)，等于T′。(5)、用下述方法求解uip，uiq(5.1)設(shè)置預(yù)反饋通道，通過變量代換的方法簡(jiǎn)化全系統(tǒng)方程；(5.2)用線性H∞控制理論使線性系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)次最優(yōu)魯棒控制；(5.3)求得原非線性系統(tǒng)中uip，uiq控制規(guī)律；(6)、考慮到超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)的交流輸出濾波器的影響后，對(duì)上述uip，uiq進(jìn)行修正。
全文摘要
帶超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置的電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定控制方法屬于電力系統(tǒng)基于電流型逆變器的暫態(tài)穩(wěn)定控制技術(shù)領(lǐng)域，其特征在于它提出了帶有超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置的電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型，它通過引入外部干擾得到該系統(tǒng)的魯棒控制模型，再應(yīng)用線性化方法和線性H
文檔編號(hào)H02J3/28GK1560980SQ200410004470
公開日2005年1月5日 申請(qǐng)日期2004年2月27日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月31日
發(fā)明者盧強(qiáng), 梅生偉, 劉鋒, 強(qiáng) 盧 申請(qǐng)人:清華大學(xué)