CN102790403A - 一种多台statcom阻尼控制器的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多台STATCOM阻尼控制器的设计方法，包括下述步骤：（1）设某电力系统针对于同一振荡模式有N台STATCOM，依次对N台STATCOM阻尼控制器的超前-滞后环节参数进行设计；（2）以各STATCOM临界增益矩阵为基值对运行增益矩阵做归一化处理得增益系数矩阵；（3）计算运行增益微增试验的增益矩阵序列；（4）通过N台STATCOM阻尼控制器同步增益微增试验获取增益矩阵序列极值及运行增益；（5）基于增益约束条件确定N台STATCOM运行增益；（6）阻尼效果验证，增益调整，最后确定N台STATCOM的协调运行增益。该设计方法消除系统安全稳定隐患，实现多台STATCOM阻尼控制器的协调稳定运行，充分发挥多台STATCOM的良好阻尼控制性能，提升系统安全稳定性。

Description

一种多台STATCOM阻尼控制器的设计方法

技术领域

本发明涉及电力系统领域，具体涉及一种多台STATCOM阻尼控制器的设计方法。

背景技术

灵活交流输电系统（FACTS）的出现为现代电力系统的安全、经济、可靠和优质运行提供了十分有效的手段。STATCOM是灵活交流输电系统的重要成员之一，对大区域互联系统提高输送容量、增强系统阻尼、改进电能质量等方面发挥着重要的作用。近年来越来越多的研究表明：多个STATCOM控制器之间可能存在的交互影响，并将对电力系统的运行和控制产生重大影响，严重时可能使STATCOM装置的控制性能恶化，甚至导致系统失稳。但在通常情况下，人们设计STATCOM控制器时只考虑单个装置的作用，而没有考虑各STATCOM元件控制作用的交互影响和协调问题，因此研究STATCOM控制器的协调控制方法具有重要的现实意义。

目前已有关于单台STATCOM高性能控制器设计方法方面的报道，以及关于STATCOM控制器与发电励磁系统间的协调设计方面的报道，但关于多台STATCOM阻尼控制器间协调设计方法研究鲜见报道。本发明便是研究多台STATCOM阻尼控制器间协调设计方法，实现多台STATCOM阻尼控制器的协调稳定运行，充分发挥多台STATCOM的良好性能。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种多台STATCOM阻尼控制器的设计方法，该设计方法解决多台STATCOM阻尼控制器同时运行的负交互影响问题，消除系统安全稳定隐患，实现多台STATCOM阻尼控制器的协调稳定运行，充分发挥多台STATCOM的良好阻尼控制性能，提升系统安全稳定性。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

一种多台STATCOM阻尼控制器的设计方法，其改进之处在于，所述方法包括下述步骤：

（1）设某电力系统针对于同一振荡模式有N台STATCOM，依次对N台STATCOM阻尼控制器的超前-滞后环节参数进行设计；

（2）以各STATCOM临界增益矩阵为基值对运行增益矩阵做归一化处理得增益系数矩阵；

（3）计算运行增益微增试验的增益矩阵序列；

（4）通过N台STATCOM阻尼控制器同步增益微增试验获取增益矩阵序列极值及运行增益；

（5）基于增益约束条件确定N台STATCOM运行增益；

（6）阻尼效果验证，增益调整，最后确定N台STATCOM的协调运行增益。

其中，所述步骤（1）中，利用测试信号法计算所述STATCOM阻尼控制器相位特性，根据所述相位特性计算STATCOM阻尼控制器的超前、滞后环节参数，依次对N台STATCOM阻尼控制器的超前-滞后环节参数进行设计。

其中，根据所述相位特性计算STATCOM阻尼控制器的超前-滞后环节参数用下述①-⑤式表示：

设第i台STATCOM阻尼控制器传递函数为：

$G_{\mathrm{PSDCi}}=K_i\frac{s{T}_{\mathrm{\ω}}}{1+s{T}_{\mathrm{\ω}}}\frac{1+s{T}_1}{1+s{T}_2}\frac{1+s{T}_3}{1+s{T}_4}$ ①；

通过以下公式计算超前-滞后环节参数：

φ_x＝180-φ                     ②；

$\mathrm{\α}=\frac{1+\sin {\mathrm{\φ}}_x}{1-\sin {\mathrm{\φ}}_x}$ ③；

$T_1=\frac{\sqrt{\mathrm{\α}}}{\mathrm{\ω}}$ ④；

$T_2=\frac{T_1}{\mathrm{\α}}$ ⑤；

其中：φ_x为STATCOM阻尼控制器理想补偿相位，φ为STATCOM阻尼控制器滞后相位，ω为振荡频率。

STATCOM阻尼控制器滞后相位φ测量方法使用测试信号法，设计步骤如下：

a、在第i台STATCOM阻尼控制器开环运行条件下，对其输出量施加小扰动

其中kω₀取值范围为0≤kω₀≤6π；

b、设第i台STATCOM阻尼控制器输入变量为U_i，测量扰动下该STATCOM的输入变量和输出变量，并对它们变化量ΔU_i和ΔY_i进行傅里叶变换，结果为DFT(ΔU_i)和DFT(ΔY_i)；

c、计算系统频率特性序列：

利用数据拟合辨识出传递函数G(s)，并辨识出控制器滞后相位φ。

其中，所述步骤（2）中，分别对N台STATCOM阻尼控制器进行临界增益试验，得各STATCOM的临界增益矩阵[K_maxi]，其中i＝1,2,...,N；

设第i台STATCOM运行增益为K_i，定义STATCOM运行增益矩阵为[K_i]，以各STATCOM临界增益矩阵[K_maxi]为基值，对运行增益矩阵[K_i]做归一化处理得增益系数矩阵[β_i]，其中β_i＜1。

其中，所述步骤（3）中，若运行增益矩阵[K_i]＝[K_maxi]×α，然后让α由0.1至1逐次增加，间隔为0.05，计算运行增益微增试验的增益矩阵序列。

其中，所述步骤（4）中，将N台STATCOM阻尼控制器同时投入运行，由低至高依次选择增益矩阵值作为STATCOM阻尼控制器的运行增益矩阵[K_i]，观察电力系统联络线有功功率及电压，直至电力系统无干扰下出现频率约2.0Hz~20Hz的高频振荡，退出STATCOM阻尼控制器，并记录此时的α值及运行增益矩阵[K_i]；其中：α为增益调节因子，该系数反映了控制器运行增益与临界增益间的关系。

其中，所述步骤（5）中，基于增益约束条件确定N台STATCOM运行增益K_i包括下述步骤：

A、分别计算N台STATCOM阻尼控制器的运行增益初值为K_i＝β_i×K_maxi其中，i＝1,2,...,N；

B、计算增益约束条件

其中，i＝1,2,...,N；

C、根据阻尼控制效果分配N台STATCOM的运行增益K_i＝β_i×K_maxi，使得增益满足步骤B的增益约束条件

其中阻尼控制效果是指阻尼控制器能够提升系统阻尼的能力，设计中使用了下面一种量化方法：在阻尼控制器不同运行增益下，对系统施加同样扰动，比较各情况下功率振荡波形，主要包括最大振荡幅度和振荡次数，通常最大幅度越小，振荡次数越少，则阻尼控制效果越好。

与现有技术比，本发明达到的有益效果是：

1、常规方法通常是基于单台STATCOM的阻尼控制器参数，因未考虑与其它装置的协调，难以保证与其它STATCOM阻尼控制器的协调运行，严重情况下会引发系统振荡，甚至导致系统失去稳定。本发明提出了一种多台STATCOM阻尼控制器的设计方法，可以实现多台STATCOM阻尼控制器的协调设计，从而避免STATCOM阻尼控制器单独设计方法难以考虑与其它控制器的协调运行问题，消除了系统安全稳定隐患。

2、本发明解决了多台STATCOM阻尼控制器同时运行的负交互影响，能够实现多台STATCOM阻尼控制器的协调稳定运行，充分发挥多台STATCOM的良好阻尼控制性能，提升系统安全稳定性。

附图说明

图1是本发明的多台STATCOM阻尼控制器的设计方法的流程图；

图2是本发明提供的4机系统模型；

图3是本发明提供的STATCOM1独立运行电压控制器控制效果图；

图4是本发明提供的STATCOM2独立运行阻尼控制器控制效果图；

图5是本发明提供的协调设计前STATCOM1运行效果图；

图6是本发明提供的协调设计前STATCOM2运行效果图；

图7是本发明提供的协调设计后STATCOM1运行效果图；

图8是本发明提供的协调设计后STATCOM2运行效果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

本发明提供的多台STATCOM阻尼控制器的设计方法，图1是本发明的多台STATCOM阻尼控制器设计方法的流程图，该方法包括下述步骤：

（1）设某系统针对于同一振荡模式有N台STATCOM阻尼控制器，依次完成N台STATCOM阻尼控制器的超前-滞后环节参数设计；

利用测试信号法计算STATCOM阻尼控制器相位特性，再根据相位特性计算控制器的超前、滞后环节参数，按此方法依次完成N台的超前-滞后环节参数设计；根据相位特性计算STATCOM阻尼控制器的超前-滞后环节参数用下述①-⑤式表示：

设第i台STATCOM阻尼控制器传递函数为：

$G_{\mathrm{PSDCi}}=K_i\frac{s{T}_{\mathrm{\ω}}}{1+s{T}_{\mathrm{\ω}}}\frac{1+s{T}_1}{1+s{T}_2}\frac{1+s{T}_3}{1+s{T}_4}$ ①；

通过以下公式计算超前-滞后环节参数：

φ_x＝180-φ                    ②；

$\mathrm{\α}=\frac{1+\sin {\mathrm{\φ}}_x}{1-\sin {\mathrm{\φ}}_x}$ ③；

$T_1=\frac{\sqrt{\mathrm{\α}}}{\mathrm{\ω}}$ ④；

$T_2=\frac{T_1}{\mathrm{\α}}$ ⑤；

其中：φ_x为STATCOM阻尼控制器理想补偿相位，φ为STATCOM阻尼控制器滞后相位，ω为振荡频率。

STATCOM阻尼控制器滞后相位φ测量方法使用测试信号法，设计步骤如下：

a、在第i台STATCOM阻尼控制器开环运行条件下，对其输出量施加小扰动

其中kω₀取值范围为0≤kω₀≤6π；

b、设第i台STATCOM阻尼控制器输入变量为U_i，测量扰动下该STATCOM的输入变量和输出变量，并对它们变化量ΔU_i和ΔY_i进行傅里叶变换，结果为DFT(ΔU_i)和DFT(ΔY_i)；

c、计算电力系统频率特性序列：

利用数据拟合辨识出传递函数G(s)，并辨识出控制器滞后相位φ。

（2）分别对N台STATCOM阻尼控制器独立进行临界增益试验，得各STATCOM的临界增益矩阵[K_maxi]，i＝1,2,...,N；设第i台STATCOM运行增益为K_i，定义STATCOM运行增益矩阵为[K_i]，以各STATCOM临界增益矩阵为基值，对运行增益矩阵做归一化处理得增益系数矩阵[β_i]，其中β_i＜1，该系数反映STATCOM阻尼控制器的增益稳定裕度；

（3）令运行增益矩阵[K_i]＝[K_maxi]×α，α由0.1至1逐次增加，间隔为0.05，并计算响应的增益矩阵序列；从而为接下来的增益微增试验提供了已知试验条件；

（4）将N台STATCOM阻尼控制器同时投入运行，由低至高，依次选择增益矩阵值作为STATCOM阻尼控制器的运行增益，观察电力系统重要联络线有功功率及电压，直至电力系统无扰下出现较为明显的高频振荡现象，退出STATCOM阻尼控制器，并记录此时的α值及增益矩阵[K_i]；

（5）根据阻尼控制效果分配N台STATCOM的运行增益K_i＝β_i×K_maxi，增益约束条件为i＝1,2,...,N；

a、计算各STATCOM控制器的运行增益初值为K_i＝β_i×K_maxi其中，i＝1,2,...,N；

b、计算增益计算条件其中，i＝1,2,...,N；

c、根据阻尼控制效果分配N台STATCOM的运行增益K_i＝β_i×K_maxi，使得增益必须满足第一步中的约束条件。

（6）阻尼效果验证，增益调整，最后确定N台STATCOM的协调运行增益。

实施例

下面以图2所示的四机系统为例对本发明进一步的详细说明。对1区网架做适当修改以降低G1相关振荡模式的阻尼比，小干扰稳定分析结果显示，修改后系统包含两个弱阻尼振荡模式：一个为1区机组相对于2区机组的区域振荡模式，振荡频率为0.55Hz；另一个为1区G1相对于系统的局部弱阻尼振荡模式，振荡频率为0.80Hz。

在母线7处装设一台STATCO阻尼控制器，提升系统区域振荡模式的阻尼特性。图3和图4为STATCOM1电压控制器和阻尼控制器的控制效果，图中虚线为STATCOM电压控制器控制效果，实线为STATCOM阻尼控制器控制效果，下同。由仿真结果可知，仅使用电压控制情况下，系统阻尼较差，系统失稳，但使用阻尼控制器后，系统阻尼有了明显提升，STATCOM1阻尼控制器独立控制效果良好。

为提升G1相关局部振荡模式阻尼特性，在母线5出装设第二台STATCOM，图4给出了STATCOM2阻尼控制器的控制效果，此时STATCOM1退出运行。由仿真结果可知，STATCOM2阻尼控制器独立控制效果良好，能明显提升G1相关局部振荡模式的阻尼特性。

进而，将两台独立控制效果良好的STATCOM阻尼控制器同时投入运行。图5和图6为STATCOM1和STATCOM2同时运行效果图，不难发现，两台STACOM同时投入运行后出现了两者间的交互作用，引发了系统的高频振荡，给系统安全稳定性带来了巨大隐患。

下面进一步使用本发明设计方法，解决多台STATCOM的交互作用问题。图7和图8为使用本发明协调设计方法后，两台STATCOM控制效果图。由仿真结果可知，使用本发明协调设计方法后，即实现了多台STATCOM的协调运行，同时保证了多台STATCOM的良好控制效果，从而验证了本发明协的有效性。

本发明选择针对于同一振荡模式设计的N台STATCOM阻尼控制器进行同步控设计，基于控制器滞后特性计算N台STATCOM阻尼控制器的超前-滞后环节参数，以各STATCOM阻尼控制器临界增益矩阵为基值对运行增益矩阵做归一化处理得增益系数矩阵，计算运行增益微增试验的增益矩阵序列，通过N台STATCOM阻尼控制器同步增益微增试验获取增益矩阵序列极值及增益矩阵，基于增益约束条件完成N台STATCOM运行增益计算，最后通过阻尼效果验证进行增益微调，并确定N台STATCOM的协调运行增益。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种多台STATCOM阻尼控制器的设计方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：

（1）设某电力系统针对于同一振荡模式有N台STATCOM，依次对N台STATCOM阻尼控制器的超前-滞后环节参数进行设计；

（2）以各STATCOM临界增益矩阵为基值对运行增益矩阵做归一化处理得增益系数矩阵；

（3）计算运行增益微增试验的增益矩阵序列；

（4）通过N台STATCOM阻尼控制器同步增益微增试验获取增益矩阵序列极值及运行增益；

（5）基于增益约束条件确定N台STATCOM运行增益；

（6）阻尼效果验证，增益调整，最后确定N台STATCOM的协调运行增益。

2.如权利要求1所述的多台STATCOM阻尼控制器的设计方法，其特征在于，所述步骤（1）中，利用测试信号法计算所述STATCOM阻尼控制器相位特性，根据所述相位特性计算STATCOM阻尼控制器的超前-滞后环节参数，依次对N台STATCOM阻尼控制器的超前-滞后环节参数进行设计。

3.如权利要求2所述的多台STATCOM阻尼控制器的设计方法，其特征在于，根据所述相位特性计算STATCOM阻尼控制器的超前-滞后环节参数用下述①-⑤式表示：

设第i台STATCOM阻尼控制器传递函数为：

$G_{\mathrm{PSDCi}}=K_i\frac{s{T}_{\mathrm{\ω}}}{1+s{T}_{\mathrm{\ω}}}\frac{1+s{T}_1}{1+s{T}_2}\frac{1+s{T}_3}{1+s{T}_4}$ ①；

通过以下公式计算超前-滞后环节参数：

φ_x＝180-φ                    ②；

$\mathrm{\α}=\frac{1+\sin {\mathrm{\φ}}_x}{1-\sin {\mathrm{\φ}}_x}$ ③；

$T_1=\frac{\sqrt{\mathrm{\α}}}{\mathrm{\ω}}$ ④；

$T_2=\frac{T_1}{\mathrm{\α}}$ ⑤；

其中：φ_x为控制器理想补偿相位，φ为控制器滞后相位，ω为振荡频率。

4.如权利要求1所述的多台STATCOM阻尼控制器的设计方法，其特征在于，所述步骤（2）中，分别对N台STATCOM阻尼控制器进行临界增益试验，得各STATCOM的临界增益矩阵[K_maxi]，其中i＝1,2,...,N；

设第i台STATCOM运行增益为K_i，定义STATCOM运行增益矩阵为[K_i]，以各STATCOM临界增益矩阵[K_maxi]为基值，对运行增益矩阵[K_i]做归一化处理得增益系数矩阵[β_i]，其中βi＜1。

5.如权利要求1所述的多台STATCOM阻尼控制器的设计方法，其特征在于，所述步骤（3）中，若运行增益矩阵[K_i]＝[K_maxi]×α，然后让α由0.1至1逐次增加，间隔为0.05，计算运行增益微增试验的增益矩阵序列。

6.如权利要求1所述的多台STATCOM阻尼控制器的设计方法，其特征在于，所述步骤（4）中，将N台STATCOM阻尼控制器同时投入运行，由低至高依次选择增益矩阵值作为STATCOM阻尼控制器的运行增益矩阵[K_i]，观察电力系统联络线有功功率及电压，直至电力系统无干扰下出现频率约2.0Hz~20Hz的高频振荡，退出STATCOM阻尼控制器，并记录此时的α值及运行增益矩阵[K_i]；其中：α为增益调节因子，该系数反映了STATCOM阻尼控制器运行增益与临界增益间的关系。

7.如权利要求1所述的多STATCOM阻尼控制器设计方法，其特征在于，所述步骤（5）中，基于增益约束条件确定N台STATCOM运行增益K_i包括下述步骤：

A、分别计算N台STATCOM阻尼控制器的运行增益初值为K_i＝β_i×K_maxi其中，i＝1,2,...,N；

B、计算增益约束条件

其中，i＝1,2,...,N；

C、根据阻尼控制效果分配N台STATCOM的运行增益K_i＝β_i×K_maxi，使得增益满足步骤B增益约束条件

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