超级储能制动电容的非线性控制器设计

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(广西大学电气工程学院，广西壮族自治区 南宁 530004)

1 引言

全球发生的一些大停电事故对社会经济造成了巨大损失和人们的生活都带来了诸多不便。例如：2003年北美发生的“8.14”事故，停电时间长达29h，直接经济损失300亿美元左右。近年来，国内外大规模电网事故时有发生；据统计，仅2010年总的就发生大停电事故13起，直接经济损失达300亿美元左右[1-2]，调查结果表明：事故主要是由电压失稳引起的，因此，电力系统稳定分析与控制也一直都是广大电力工作者比较热衷的研究课题。

传统电网运行模式就是发电量与用电量保持一种动态平衡，也就是所谓的“即发即用”状态，而现代电力系统电网覆盖范围广，区域耦合性强，如果发生扰动就会引起电力系统功率的不平衡，一旦功率不平衡就会使系统稳定性遭到破坏，发生大的事故[3-4]。随着现代电力系统的发展，大量的新能源技术(风力发电、太阳能发电)被提至国家战略层次，由于其固有的间歇性问题都是限制其大规模发展的瓶颈，而储能技术的出现则可以与新能源发电起到相辅相成的作用，在这种背景下，储能技术就受到许多学者的关注，特别是电容器储能技术。

考虑到系统发生三相短路等大故障时或电容器的容量不能吸收过多的短路功率，在这种考虑下，本文在电容器组前端串联一个制动电阻模块R，从而对电容器组起到了保护作用，因此，提出了超级储能制动电容(SSBC)模型结构。SSBC能够很好地维持发电机或电网的稳定运行、抑制阻尼震荡、改善系统的稳定运行状态及电能质量[5-6]。同时在提高输电系统暂态稳定性方面优于其它储能装置，在其它应用领域也有广泛的应用前景。

因此，本文在这种背景下提出了发电机无励磁系统与SSBC非线性控制器的设计，采用DAMNC的设计方法，通过选取合适的输出函数来配置闭环函数的平衡点，使被控系统得到优良的控制效果[7]。并通过Matlab仿真平台验证DAMNC设计方法比传统PID设计方法的优越性。

2 单机SSBC微分代数模型

发电机机端并联SSBC的单机无穷大系统如图1所示。

图1 单机SSBC系统的电路图

图2所示的是SSBC装置的原理图，可知SSBC实质是由电容器组模块、电压型双向DC/AC、DC/DC变流器、制动模块 及控制装置构成。

图2 超级储能制动电容器装置的原理图

本文根据SSBC的原理图，建立了SSBC的输入输出数学模型，遵循电路的基本原理，并通过dq坐标变换推导出SSBC二阶时域数学模型。最后可得SSBC的数学方程可以描述为：

根据DAMNC的设计方法选取合适的输出函数h(x,w)为：

3 算例仿真分析

3.1 算例简介

3.2 实例计算

DAMNC控制律选取的输出函数系数矩阵和i空间反馈系数K选取为：

为了方便对比，还设计了单变量的PID控制器，控制器框图如图3所示。

图3 PID控制框图

选取的参数为：Kp=81.5，Ki=5，Kd=0。

3.3 三相短路仿真分析

为了验证所设计SSBC对系统的良好控制效果，模拟系统在1s时发生三相短路故障，0.2s后切除故障后自动重合闸，电磁功率的偏差值ΔPe、机端电压偏差ΔUg、功角偏差Δδ、角频率偏差Δω的响应曲线曲线如图4所示。

图4 单机SSBC三相短路扰动是的系统响应曲线

由图4可知：当系统遭受三相短路的大扰动时，SSBC装置能快速吸收短路产生的大量功率，减小了发电机功角加速面积，故障切除后，SSBC装置能快速向系统提供功率支撑，从而增大减速面积，很好地维持了机端电压和功角的的稳定，有效抑制了频率震荡。

4 结论

本文建立了微分代数模型的SSBC与无机励磁系统模型。利用DAMNC来进行控制律设计。仿真结果表明：SSBC控制器能快速提供有功、无功支撑，很好地维持了机端电压的稳定，还有效地抑制阻尼震荡。DAMNC方法设计的SSBC控制器明显比PID方法设计的控制器响应曲线的电压恢复时间很短，系统功角波动更好的被抑制，动态过程更加光滑。