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基于静态H∞回路成形法的多通道低阶鲁棒阻尼控制器设计

更新时间：2019-12-25 12:18:19 大小：1016K 上传用户：xiaohei1810查看TA发布的资源 标签：鲁棒阻尼控制器 下载积分：1分 评价赚积分 （如何评价?） 打赏 收藏 评论(0) 举报

资料介绍

针对鲁棒控制方法设计高压直流附加阻尼控制器时普遍存在的控制器阶数过高的问题,提出一种静态H∞回路成形设计方法同时抑制次同步和低频振荡,所设计的控制器具有和权函数相同的阶数.采用总体最小二乘旋转不变技术分析了交直流互联系统中次同步和低频振荡共存的现象,并辨识出相关振荡频率和系统降阶模型.利用巴特沃兹滤波器将不同的振荡模态分解到不同的通道,根据静态H∞回路成形法对每个振荡模态设计附加阻尼控制器,降低了控制器间相互影响.在PSCAD/EMTDC中对向上直流孤岛运行下的模型进行仿真验证.仿真结果表明,基于静态H∞回路成形法设计的控制器对系统振荡具有较好的控制效果和较强的鲁棒性.同时所设计的控制器阶数较低,采用输出反馈,便于工程实践.

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第 46 卷 第 1 期  
2018 年 1 月 1 日  
电力系统保护与控制  
Power System Protection and Control  
Vol.46 No.1  
Jan. 1, 2018  
DOI: 10.7667/PSPC162059  
基于静态 H∞回路成形法的多通道低阶鲁棒阻尼控制器设计  
李志晗1，张英敏1，张 爽2，曾雪洋1，李兴源1  
(1.四川大学电气信息学院，四川 成都 610065；2.国网宁夏电力公司电力科学研究院，宁夏 银川 750011)  
摘要：针对鲁棒控制方法设计高压直流附加阻尼控制器时普遍存在的控制器阶数过高的问题，提出一种静态 H∞  
回路成形设计方法同时抑制次同步和低频振荡，所设计的控制器具有和权函数相同的阶数。采用总体最小二乘旋  
转不变技术分析了交直流互联系统中次同步和低频振荡共存的现象，并辨识出相关振荡频率和系统降阶模型。利  
用巴特沃兹滤波器将不同的振荡模态分解到不同的通道，根据静态 H∞回路成形法对每个振荡模态设计附加阻尼控  
制器，降低了控制器间相互影响。在 PSCAD/EMTDC 中对向上直流孤岛运行下的模型进行仿真验证。仿真结果表  
明，基于静态 H∞回路成形法设计的控制器对系统振荡具有较好的控制效果和较强的鲁棒性。同时所设计的控制器  
阶数较低，采用输出反馈，便于工程实践。  
关键词：次同步振荡；低频振荡；带通滤波器；鲁棒性；静态 H∞回路成形；低阶控制器  
Design of multi-channel low order robust damping controller based on static H∞ loop-shaping method  
LI Zhihan1, ZHANG Yingmin1, ZHANG Shuang2, ZENG Xueyang1, LI Xingyuan1  
(1. College of Electrical and Information, Sichuan University, Chengdu 610065, China;  
2. Electric Power Research Institute, State Grid Ningxia Electric Power Company, Yinchuan 750011, China)  
Abstract: For the common problem of the controller order is too high when using the robust control method to design  
damping controller for HVDC transmission system. A method based on static H∞ loop shaping is proposed to suppress the  
sub-synchronous oscillation and low frequency oscillation. The designed controller has the same order as the weight  
function. The order-reduced model and the sub-synchronous oscillation and low frequency oscillation modals in AC-DC  
system are obtained by total least squares-estimation on signal parameters via rotational invariance techniques. Then, the  
different oscillation frequencies are decomposed into different channels by Butterworth band-pass filters. The additional  
robust damping controller is designed based on static H∞ loop shaping, restraining the interaction between control  
channels. Xiangjiaba-Shanghai DC link under island operation condition is simulated using electromagnetic transient  
program PSCAD/EMTDC to demonstrate the proposed control strategy. Simulation results in PSCAD/EMTDC show that  
the designed multi-channel damping controller can well suppress different oscillation modes of the system and possesses  
good robustness. Besides, the order of the controller is low and it adopts output feedback control, which are convenient  
for practical application.  
This work is supported by Science and Technology Project of State Grid Corporation of China (No. SGNXDK00  
BGJS160021).  
Key words: sub-synchronous oscillation; low frequency oscillation; band-pass filter; robust performance; static H∞ loop  
shaping; low order controller  
送端多直流落点局面，极有可能形成孤岛运行方  
0 引言  
式[2]。在孤岛运行方式下，四川电网面临的次同步  
振荡风险和低频振荡风险增大。当控制不当或者两  
种不同性质的振荡相互作用时，甚至可能造成孤岛  
系统的崩溃[3-4]。弱阻尼低频振荡和次同步振荡作为  
威胁电力系统安全与稳定的典型挑战的同时，也成  
为众多学者研究的热点[5-10]。文献[5]采用线性最优  
在智能互动电网大发展的趋势下，交直流并存  
已成为电网发展的必然趋势[1]。目前，向上、锦苏  
和浙西直流送端均位于四川电网，形成了电力系统  
基金项目：国家电网公司科技项目(SGNXDK00BGJS160021)  
万方数据  
- 24 -  
电力系统保护与控制  
式中：N(s)和 M(s)是 GP(s)的正规化左互质分解。即  
GP(s)=M−1(s)N(s)，且满足 N(s)NT(-s)+M(s)MT(-s)=  
I； . H 表示 Hankle 范数。通常 εmax 的取值范围为  
控制理论设计了附加励磁控制器来抑制系统次同步  
振荡。文献[6]利用相位补偿的方法设计 HVDC 附加  
阻尼控制器抑制系统次同步振荡。文献[7]基于改进  
射影控制理论设计多通道附加阻尼控制器抑制低频  
振荡和次同步振荡。在众多附加阻尼控制器的设计  
方法中，鲁棒控制理论由于其优越的鲁棒性能以及  
良好的控制性能脱颖而出，受到广大学者的青睐，  
文献[8]采用求解 H∞鲁棒控制理论的混合灵敏度的  
方法设计了直流附加阻尼控制器来抑制系统次同步  
振荡；文献[9]采用回路成形的方法设计了附加励磁  
控制器来抑制系统低频振荡；文献[10]用线性矩阵  
不等式法(LMI)设计出 H2/H∞鲁棒阻尼控制器，同时  
抑制系统次同步振荡和低频振荡。但是目前的鲁棒  
阻尼控制器的研究中普遍存在控制器阶数过高的问  
题，特别是在系统规模较大的情况下，即使采用降  
阶技术后仍存在较高的阶数，给工程实践带来了一  
定的困难，因此对设计低阶鲁棒阻尼控制器的方法  
的研究具有重要意义。  
0.2 到 1 时认为满足成形要求，满足时，可选取  
ε≤εmax，通过  
I
(I −GP K∞ )−1 M −1 ≤ ε −1  
(2)  
K∞  
∞
求得镇定控制器 K∞(s)，它可镇定被控对象的不  
−1  
]
确定扰动模型集G (s) = M (s) + ∆ (s) N(s) + ∆ (s)  
，
[
[
]
∆
M
N
其中， ∆M (s)、∆N (s) 表示被控模型 G(s)的不确定  
性， ∆M (s),∆N (s) ≤ ε ， ∆ (s),∆ (s) ∈ RH ，N、  
[
]
M
N
∞
∞
M 的状态空间实现如下：  
A + HC B + HD  
H
E−1/ 2  
N
M =  
(3)  
[
]
E−1/ 2  
C
E−1/ 2  
D
T
T
−1  
式中，  
T ，而 Z 是  
H = −(BD + ZC )E ，E = I + DD  
下面 Riccati 方程的解  
(A − BF −1DTC)Z + Z(A − BF−1DTC)T −  
ZCT E−1CZ + BF −1BT = 0  
式中， F = I + DT D  
(4)  
本文提出一种静态 H∞回路成形的方法设计高  
压直流附加鲁棒阻尼控制器，同时抑制次同步振荡  
和低频振荡，通过求解线性矩阵不等式可直接求解  
出控制器，且最终的控制器具有和权函数相同的阶  
数。采用总体最小二乘旋转不变技术(TLS-ESPRIT)  
辨识出系统振荡模态及降阶模型，利用巴特沃兹带  
通滤波器将系统不同振荡模态分解为多个通道，根  
据静态 H∞回路成形法针对不同的通道设计鲁棒阻  
尼 控 制 器 ， 降 低 控 制 器 间 相 互 影 响 。 在  
PSCAD/EMTDC 中对四川电网向上直流孤岛运行  
下的模型进行仿真验证，结果表明，所设计的控制  
器对系统次同步和低频振荡具有较好的抑制效果，  
且具有较好的鲁棒性。  
。
如图 1 所示为正规互质因子不确定扰动模型。  
图 1 正规互质因子不确定分解  
Fig. 1 Uncertain decomposition of normalized  
coprime factorization  
1
静态 H∞回路成形法  
1.1 H∞回路成形法  
3) 控制器的形成。由前面得到的 H∞鲁棒镇定  
控制器 K∞(s)以及选取的权函数 W1(s)、W2(s)，可得  
最终的输出反馈控制器 K(s)。  
H∞回路成形是采用 H∞方法设计控制器，使系  
统具有良好的稳定性和鲁棒性。该方法设计控制器  
的过程主要包含 3 个步骤。  
K(s) =W2 (s)K∞ (s)W1(s)  
(5)  
1) 回路成形。利用前置补偿器 W1(s)和后置补  
偿器 W2(s)来对系统被控对象 G(s)进行回路成形，  
回路成形过程如图 2 所示。  
该 H∞回路成形法被 McFarlane 与 Glover 称为  
“中心”控制器法[12]。该法原理简单且计算简便，  
但是采用该法设计出的鲁棒控制器往往阶数比较  
高，即使采用降阶技术后仍存在较高的阶数。  
1.2 静态 H∞回路成形法  
成形后的被控对象为 GP(s)= W2(s)G(s)W1(s)。  
[11]  
2) 鲁棒镇定。计算最大鲁棒稳定裕度 εmax  
。
−1  
I
εmax = inf  
(I + GP K)−1 M−1  
=
K镇定  
∞
K
(1)  
图 3 为系统正规互质因子回路成形方框图，其  
中：w1 和 w2 为外界干扰；z1 和 z2 为评价输出。  
2
1− N  
M
<1  
H
万方数据  

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