[发明专利]一种柔性直流输电系统站间H∞

权利要求书

1.一种柔性直流输电系统站间H_∞解耦控制器，其特征在于，基于柔性直流输电系统全局小信号数学模型进行换流站间H_∞解耦，所述柔性直流输电系统全局小信号数学模型描述一个两端柔性直流输电系统,两端柔性直流输电系统主电路包括一个由VSC换流器组成的整流站、以及一个由VSC换流器组成的逆变站；电网1连接整流站，整流站采用定有功功率、定无功功率控制，电网2侧连接逆变站，逆变站采用定直流电压、定无功功率控制；在VSC整流站和逆变站直流侧均设置稳压电容C以稳定直流电压，在VSC整流站和逆变站交流侧均设置低通滤波器以滤除高频谐波；VSC整流站和逆变站交流侧均联接电抗器及变压器，最后接交流系统；系统实现有功功率由电网1流向电网2；

柔性直流输电系统状态空间方程的形式如式(1)；

其中状态变量x＝[Δi_sd1Δi_sq1Δu_sd1Δu_sq1Δu_cd1Δu_cq1Δu_d1Δi_dΔu_d2Δi_sd2Δi_sq2Δu_sd2Δu_sq2Δu_cd2Δu_cq2]^T；Δi_sd1、Δi_sq1分别为整流器交流电流d、q轴分量的小信号扰动量；Δu_sd1、Δu_sq1分别为整流站交流母线电压d、q轴分量的小信号扰动量；Δu_cd1、Δu_cq1分别为整流器交流出口电压d、q轴分量的小信号扰动量；Δu_d1、Δu_d2分别为整流器、逆变器直流侧电压的小信号扰动量；Δi_d为直流线路电流的小信号扰动量；Δi_sd2、Δi_sq2分别为逆变器交流电流d轴、q轴分量的小信号扰动量；Δu_sd2、Δu_sq2分别为逆变站交流母线电压d、q轴分量的小信号扰动量；Δu_cd2、Δu_cq2分别为逆变器交流出口电压d、q轴分量的小信号扰动量；

输入变量u＝[Δu_d1＇ Δu_q1＇ Δu_d2＇ Δu_q2＇]^T；其中Δu_d1＇、Δu_q1＇分别为整流站交流侧电压前馈解耦量的d、q轴分量的小信号扰动量，Δu_d2＇、Δu_q2＇分别为逆变站交流侧电压前馈解耦量的d、q轴分量的小信号扰动量；

系统矩阵A为15×15方阵，输入矩阵B为15×4矩阵；其中输入变量如式(2)所示；

其中L₁为整流站换流变压器和联结电抗器的等效电感；L₂为逆变站换流变压器和联结电抗器的等效电感；ω₀为dq轴旋转角频率；

包括以下步骤：

步骤1、根据柔性直流输电系统状态空间方程，构建控制对象输入与输出变量之间的传递函数矩阵；

整流站控制目标为交流侧有功功率P₁和无功功率Q₁，逆变站控制目标为直流侧直流电压u_d2和交流侧无功功率Q₂；输出变量设为y＝[ΔP₁ΔQ₁Δu_d2ΔQ₂]^T，其中ΔP₁、ΔQ₁分别为整流站交流侧有功功率P₁和无功功率Q₁的小信号扰动量，Δu_d2、ΔQ₂分别为逆变站直流侧直流电压u_d2和交流侧无功功率Q₂的小信号扰动量；

柔性直流输电系统的控制对象G(s)为4×4阶传递函数矩阵，如式(3)：

其中G_ij(i＝1,2,3,4,j＝1,2,3,4)为输入变量到输出变量的传递函数；

步骤2、根据S/T/KS混合灵敏度H_∞鲁棒控制原理，设置性能权函数参数；

S/T/KS混合灵敏度H_∞算法，要给出体现控制性能的参数体现鲁棒稳定性和对测量噪声是否敏感的参数和处罚过大输入的参数的峰值界，这些要求综合为式(4)；

其中，K是H_∞控制器，定义z＝Nω，控制目标是由ω到z的H_∞范数最小；其中ω为参考指令r或者外部扰动d，z为加权输入z₁＝W_uu、加权输出z₂＝W_Ty以及加权控制误差z₃＝W_p(y-r)；W_u为加性不确定权函数、W_T为乘性不确定权函数、W_p为性能权函数；各权函数按式(5)、(6)进行设置，M_s和M_t为稳定性边界，ω_b和ω_t为期望的闭环带宽，A_s和A_t为最大稳态误差；

本系统中设置性能权函数W_p的稳定性边界M_s＝1.9，穿越频率ω_b＝400rad/s，误差值A_s＝1/10000；乘性不确定权函数W_T的稳定性边界M_t＝1，穿越频率ω_t＝800rad/s，误差值A_t＝1/1000；

步骤3、利用MATLAB混合灵敏度函数计算柔性直流输电系统站间H_∞解耦控制器K(s)，MATLAB指令如下：

K＝mixsyn(G,W_p,1,W_T)

该指令中G为式(3)所得控制对象线性化传递函数矩阵G(s)，W_p、W_T分别如式(5)、(6)所示，K(s)为计算所得的H_∞控制器，阶数为23阶；

步骤4、采用基于互质因子模型的均衡截项法将控制器降阶到合适阶数；首先依据MATLAB指令hankelmr(K)得到控制器K的hankel奇异值，分析选择合适的控制器保留阶数为8阶；然后利用MATLAB均衡截项指令

K_d＝ncfmr(K,8)

该指令中K为步骤3得到的全阶控制器，K_d为约简后的8阶控制器；

步骤5、根据主导极点法对控制器重新配置零极点；首先删去s域上到坐标原点距离比其余零极点到原点距离远一个数量级以上的极点，然后将距离虚轴较远的偶极子对消掉，进一步降低控制器K_d阶数到3或4阶；

最终得到站间H_∞解耦控制器K_H∞(s)输入输出关系如式(7)所示

站间H_∞解耦控制器要实现换流站站间解耦，每端换流站除本站的两个被控量P₁、整流站被控量Q₁或者u_d2、逆变站被控量Q₂外，还需通过站间通讯方式引入另一端换流站被控量作为反馈变量，配合计算所得子控制器，实现两个换流站各被控变量之间的解耦；

其中，整流站H_∞解耦控制器包含8个子控制器，P₁、Q₁、u_d2、Q₂与参考值的偏差分别经过子控制器K₁₁、K₁₂、K₁₃、K₁₄并累加得到控制对象G(s)的输入量u_d1＇，P₁、Q₁、u_d2、Q₂与参考值的偏差分别经过子控制器K₂₁、K₂₂、K₂₃、K₂₄并累加得到控制对象G(s)的输入量u_q1＇；

逆变站H_∞解耦控制器包含8个子控制器，P₁、Q₁、u_d2、Q₂与参考值的偏差分别经过子控制器K₃₁、K₃₂、K₃₃、K₃₄并累加得到控制对象G(s)的输入量u_d2＇，P₁、Q₁、u_d2、Q₂与参考值的偏差分别经过子控制器K₄₁、K₄₂、K₄₃、K₄₄并累加得到控制对象G(s)的输入量u_q2＇；

至此，柔性直流输电系统VSC换流站站间H_∞解耦控制器设计完成。