CN106936142B - 电力系统无功功率调节事件触发控制方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于状态反馈的电力系统无功功率调节事件触发控制方法，包括：1)对电网中的潮流状态信号实时测量监控；2)对1)所测得的信号进行滤波得到潮流状态信号；3)对2)所得的信号处理并A/D转换得数字信号；4)计算数字信号与实时期望的电网潮流状态期望值之间差；5)引入Lyapunov函数，证明系统是稳定的，并且系统的状态能够收敛到期望值；6)根据5)式的结论设计系统事件触发控制的方法，并确定事件触发条件；7)实时计算6)式的事件触发条件，若满足则事件被触发；8)重复执行步骤7)。本发明还公开了一种采用上述方法的系统。本发明具有以下优点：确保电力系统功率平衡，从而提高电力系统运行的稳定性和品质，并在最大程度上减小系统的调节消耗和通信代价。

Description

电力系统无功功率调节事件触发控制方法和系统

技术领域

本发明涉及电力系统，更具体涉及一种调节电力系统无功功率的方法。

背景技术

在电力系统中，由于无功功率不足，会使系统电压及功率因数降低，从而损坏用电设备，严重时会造成电压崩溃，使系统瓦解，造成大面积停电。另外，功率因数和电压的降低，还会使电气设备得不到充分利用，造成电能损耗增加，效率降低，限制了线路的送电能力，影响电网的安全运行及用户的正常用电。

在电力系统中除发电机是无功功率的电源外，线路的电容也产生部分无功功率。在上述两种电源不能满足电网无功功率的要求时，需要加装无功补偿设备。在交流电路中无功功率是由电抗器(电感或电容)两端的电压与流过的电流两者之间矢量的夹角是90°而产生的，所以既不能做功，也不消耗有功功率，但它参与了与电源的能量交换，这就产生了无功功率。无功功率的稳定对电网稳定运行是很重要的。因此，需要找到一种稳定、有效的调节方法为电力系统无功功率调节提供理论保证，为实现无功功率调节提供依据。

电力系统的无功功率调节主要存在两个难点：

1)如何调节无功功率，使得无功功率趋向期望的数值；

2)如何选取合适的函数Lyapunov，证明系统的稳定性。

现有一种基于分布式梯度算法的电力系统无功功率最优控制方法，其提出的最优控制方法是一种结合了优化算法的控制方法，利用分布式梯度算法对电力系统无功功率的分布进行优化求解，并按照最优解进行无功功率的控制。这种方法首先计算出优化指标对各个变量的全导数，再计算对功率潮流的导数，求出优化指标对各个变量的次梯度系数。实际上，这种方法是基于梯度和基于最优控制这两种控制方法的结合。但是，该种方法具有以下缺点：1)需要预先建立优化模型，使用不方便；2)需要计算许多中间变量。

现另有一种适用于弱电网工况的逆变器功率-电压控制方法，电网中逆变器担任一个很重要的角色，在电力系统中，逆变器将直流转化为交流，然后并入到电网中，基于这种特性，控制电网的无功功率、有功功率潮流可以通过控制逆变器的工作状况来实现。以有功功率、无功功率为控制目标，采用功率外环、电压内环的双环控制结构。由于逆变器和电网通过滤波点电容器直接相连，可以通过调节电容q轴、d轴电压分量来控制并入电网的无功功率和有功功率。该方案的缺点是双环控制结构较为复杂，对系统的稳定性影响较大。

现有技术中还公开了一种具有无功自补偿的微电网系统，该方案中提出了一种具有无功自补偿的微电网系统，是一种假设风电机组有功功率恒定的情况下，实现系统无功功率多目标分配的控制方法。具体实施方式为，若该系统的无功以分钟/小时为尺度变化，则风电机组转为有功功率恒定模式，进入无功分配。该方案的缺点则是系统的稳定性难以保证。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供了一种能最大程度上减小系统的调节消耗和通信代价并且稳定性高的基于状态反馈的电力系统无功功率调节事件触发控制方法。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：一种基于状态反馈的电力系统无功功率调节事件触发控制方法，包括下述步骤：

1)对电网中的潮流状态信号i＝1,2,3,...,N实时测量监控；

2)对1)所测得的实时信号进行滤波处理后，得到潮流状态信号

3)对2)所得的潮流状态信号通过采样处理并进行A/D转换后，即得数字信号x_i(t)；

4)计算数字信号x_i(t)与实时期望的电网潮流状态期望值ρ_i之间差(ρ_i-x_i(t))；

5)引入Lyapunov函数V(t)依据Lyapunov稳定性定理证明系统是稳定的，并且系统的状态能够收敛到期望值；

6)根据5)式的结论设计系统事件触发控制的方法，并确定事件触发条件；

7)实时计算6)式的事件触发条件，若满足则事件被触发，事件生成器生成触发时刻中央控制器更新控制输入u_i和触发时刻否则，中央控制器不更新控制输入和触发时刻，一直等待到下个触发时刻再更新；

8)重复执行步骤7)。

优化的，所述基于状态反馈的电力系统无功功率调节事件触发控制方法采用如下系统实现：该系统包括N个测量单元、连接N个测量单元的状态存储单元、连接到状态存储单元输出端的信号滤波单元、连接到信号滤波单元输出端的A/D转换单元、分别连接到A/D转换单元输出端的事件生成器以及中央控制器、连接到中央控制器输出端的执行器，所述事件生成器还连接到中央控制器。

优化的，所述执行器为发电机。

优化的，上述步骤5)具体包括：

系统状态的动力学方程为：u_i(t)是控制输入；

取控制输入u_i(t)为：

其中ξ_i∈(0,1]是反馈增益系数，表示系统中第i个发电机的第k个触发时刻；

定义第i个发电机的状态采样误差e_i(t)：

优化的，上述步骤6)具体包括：

取Lyapunov函数其中K＝diag{ξ₁,ξ₂,···ξ_N}，通过构造该Lyapunov函数对系统的稳定性进行证明，并导出系统的事件触发策略。以下是基于该函数Lyapunov证明系统的稳定性，并设计系统的事件触发控制策略：

对该Lyapunov函数V(t)求一阶导数可得:

其中

令可得

利用不等式且a＞0，可得：

现使e_i满足以下条件：

其中σ_i∈[0,1]，选择合适的a使得(1-a/2)＞0成立；将(6)式带入(5)式可得：

因为σ_i∈[0,1]，且(1-a/2)＞0，所以：

设计系统的事件触发时刻

优化的，上述步骤7)具体包括：

对每个独立的发电机i＝1,2,3...，事件触发控制定义控制输入更新时刻如下：对采样得到的x_i(t)计算事件触发条件(9)式，如果存在σ_i∈[0,1]，使得事件触发条件(9)式成立，事件生成器生成触发时刻中央控制器更新控制输入u_i和触发时刻否则，如果存在σ_i∈[0,1]，使得事件触发条件(9)式不成立，则中央控制器不更新控制输入和触发时刻，一直等待到下个触发时刻再更新。

优化的，所述状态信号其中中的元素分别表示：

U_i：第i个发电机机端三相基波电压；

I_i：第i个发电机机端三相基波电流；

Z_i：第i个发电机机端等效阻抗；

P_i：第i个发电机机端输出的有功功率；

Q_i：第i个发电机机端输出的无功功率；

本发明还公开了一种采用上述任一方案所述的基于状态反馈的电力系统无功功率调节事件触发控制方法的系统，该系统包括N个测量单元、连接N个测量单元的状态存储单元、连接到状态存储单元输出端的信号滤波单元、连接到信号滤波单元输出端的A/D转换单元、分别连接到A/D转换单元输出端的事件生成器以及中央控制器、连接到中央控制器输出端的执行器，所述事件生成器还连接到中央控制器。

本发明相比现有技术具有以下优点：使其能够确保电力系统功率平衡，从而提高电力系统运行的稳定性和品质，并在最大程度上减小系统的调节消耗和通信代价。构造了一个Lyapunov函数，并证明了系统的状态将收敛到期望值。

附图说明

图1是本发明实施例基于状态反馈的电力系统无功功率调节事件触发控制方法的过程示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本发明的基于状态反馈的电力系统无功功率调节事件触发控制方法包括下述步骤：

1)对电网中的潮流状态信号i＝1,2,3,...,N实时测量监控；

2)对1)所测得的实时信号进行滤波处理后，得到潮流状态信号

3)对2)所得的潮流状态信号通过采样处理并进行A/D转换后，即得数字信号x_i(t)；

4)计算数字信号x_i(t)与实时期望的电网潮流状态期望值ρ_i之间差(ρ_i-x_i(t))；

5)引入Lyapunov函数V(t)依据Lyapunov稳定性定理证明系统是稳定的，并且系统的状态可以收敛到期望值；

6)根据5)式的结论设计系统事件触发控制的方法，并确定事件触发条件；

7)实时计算6)式的事件触发条件。若满足则事件被触发，事件生成器生成触发时刻中央控制器更新控制输入u_i和触发时刻否则，中央控制器不更新控制输入和触发时刻，一直等待到下个触发时刻再更新；

8)重复执行步骤7)。

请参阅图1所示，本发明的基于状态反馈的电力系统无功功率调节事件触发控制方法采用如下系统实现：该系统包括N个测量单元、连接N个测量单元的状态存储单元、连接到状态存储单元输出端的信号滤波单元、连接到信号滤波单元输出端的A/D转换单元、分别连接到A/D转换单元输出端的事件生成器以及中央控制器、连接到中央控制器输出端的执行器，所述事件生成器还连接到中央控制器。

优化的，所述执行器为发电机。

基于状态反馈的电力系统无功功率调节事件触发控制方法具体包括下述步骤：

1)获取电网潮流的原始数据：

考虑系统有N个测量单元，通过电力系统中各个电力传感器及测量设备，获得这N个测量单元实时运行的原始数据。将这些数据通过电力系统网络传输到状态存储单元，对这些数据进行预处理，即由各个测量单元发送过来的信号均要经过相应的信号调理，如：电信号转换，信号放大等处理措施等，将这些数据按一定的规律记为状态信号如：其中中的元素分别表示：

U_i：第i个发电机机端三相基波电压；

I_i：第i个发电机机端三相基波电流；

Z_i：第i个发电机机端等效阻抗；

P_i：第i个发电机机端输出的有功功率；

Q_i：第i个发电机机端输出的无功功率；

2)对1)所得的状态信号进行滤波处理可得信号

3)对2)所得的信号通过A/D转换得到相应的采样数字信号x_i(t)；

4)计算数字信号x_i(t)与期望的电网潮流值ρ_i之间差(ρ_i-x_i(t))，其中ρ_i表示第

i个发电机期望的电网潮流；

5)系统状态的动力学方程为：u_i(t)是控制输入；

取控制输入u_i(t)为：

其中ξ_i∈(0,1]是反馈增益系数，表示系统中第i个发电机的第k个触发时刻；

定义第i个发电机的状态采样误差e_i(t)：

6)取Lyapunov函数其中K＝diag{ξ₁,ξ₂,···ξ_N}，通过构造该Lyapunov函数对系统的稳定性进行证明，并导出系统的事件触发策略。以下是基于该Lyapunov函数证明系统的稳定性，并设计系统的事件触发控制策略：

对该Lyapunov函数V(t)求一阶导数可得:

其中

令可得

利用不等式且a＞0，可得：

现使e_i满足以下条件：

其中σ_i∈[0,1]，选择合适的a使得(1-a/2)＞0成立；将(6)式带入(5)式可得：

因为σ_i∈[0,1]，且(1-a/2)＞0，所以：

6)由5)可设计系统的事件触发时刻

7)对每个独立的发电机i＝1,2,3...，事件触发控制定义控制输入更新时刻如下：对采样得到的x_i(t)计算事件触发条件(9)式。如果存在σ_i∈[0,1]，使得事件触发条件(9)式成立，事件生成器生成触发时刻中央控制器更新控制输入u_i和触发时刻否则，如果存在σ_i∈[0,1]，使得事件触发条件(9)式不成立，则中央控制器不更新控制输入和触发时刻，一直等待到下个触发时刻再更新；

8)重复执行步骤7)。

综上选取的 _i函数V(t)是正定的，并且由(8)式可知V(t)随时间是递减的。因此，由Lyapunov稳定性定理可知：系统是稳定的。因为 是x_i(t)稳定点，即u_i(t)＝0时的点；而k_i≠0，可得x_i(t)＝ρ_i是x_i(t)的稳定点。故x_i(t)将收敛于期望值ρ_i。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种电力系统无功功率调节事件触发控制方法，其特征在于，包括下述步骤：

1)对电网中的潮流状态信号实时测量监控；

2)对1)所测得的实时信号进行滤波处理后，得到潮流状态信号

3)对2)所得的潮流状态信号通过采样处理并进行A/D转换后，即得数字信号x_i(t)；

4)计算数字信号x_i(t)与实时期望的电网潮流状态期望值ρ_i之间差(ρ_i-x_i(t))；

5)引入Lyapunov函数V(t)依据Lyapunov稳定性定理证明系统是稳定的，并且系统的状态能够收敛到期望值；

6)根据5)式的结论设计系统事件触发控制的方法，并确定事件触发条件；

7)实时计算6)式的事件触发条件，若满足则事件被触发，事件生成器生成触发时刻中央控制器更新控制输入u_i和触发时刻否则，中央控制器不更新控制输入和触发时刻，一直等待到下个触发时刻再更新；

8)重复执行步骤7)；

所述电力系统无功功率调节事件触发控制方法采用如下系统实现：该系统包括N个测量单元、连接N个测量单元的状态存储单元、连接到状态存储单元输出端的信号滤波单元、连接到信号滤波单元输出端的A/D转换单元、分别连接到A/D转换单元输出端的事件生成器以及中央控制器、连接到中央控制器输出端的执行器，所述事件生成器还连接到中央控制器；

所述执行器为发电机；

所述步骤5)具体包括：

系统状态的动力学方程为：u_i(t)是控制输入；

取控制输入u_i(t)为：

其中ξ_i∈(0,1]是反馈增益系数，表示系统中第i个发电机的第k个触发时刻；

定义第i个发电机的状态采样误差e_i(t)：

2.根据权利要求1所述的电力系统无功功率调节事件触发控制方法，其特征在于，上述步骤6)具体包括：

取Lyapunov函数其中K＝diag{ξ₁,ξ₂,…ξ_N}，通过构造该Lyapunov函数对系统的稳定性进行证明，并导出系统的事件触发策略，以下是基于该Lyapunov函数证明系统的稳定性，并设计系统的事件触发控制策略：

对该Lyapunov函数V(t)求一阶导数可得:

其中

令可得

利用不等式且a＞0，可得：

现使e_i满足以下条件：

其中σ_i∈[0,1]，选择合适的a使得(1-a/2)＞0成立；将(6)式带入(5)式可得：

因为σ_i∈[0,1]，且(1-a/2)＞0，所以：

设计系统的事件触发时刻

3.根据权利要求2所述的电力系统无功功率调节事件触发控制方法，其特征在于，上述步骤7)具体包括：

对每个独立的发电机i＝1,2,3...，事件触发控制定义控制输入更新时刻如下：对采样得到的x_i(t)计算事件触发条件(9)式，如果存在σ_i∈[0,1]，使得事件触发条件(9)式成立，事件生成器生成触发时刻中央控制器更新控制输入u_i和触发时刻否则，如果存在σ_i∈[0,1]，使得事件触发条件(9)式不成立，则中央控制器不更新控制输入和触发时刻，一直等待到下个触发时刻再更新。

4.根据权利要求1所述的电力系统无功功率调节事件触发控制方法，其特征在于，所述状态信号其中中的元素分别表示：

U_i：第i个发电机机端三相基波电压；

I_i：第i个发电机机端三相基波电流；

Z_i：第i个发电机机端等效阻抗；

P_i：第i个发电机机端输出的有功功率；

Q_i：第i个发电机机端输出的无功功率；

第i个发电机运行时的功率因数角。

5.一种采用权利要求1-4任一项所述的电力系统无功功率调节事件触发控制方法的系统，其特征在于，该系统包括N个测量单元、连接N个测量单元的状态存储单元、连接到状态存储单元输出端的信号滤波单元、连接到信号滤波单元输出端的A/D转换单元、分别连接到A/D转换单元输出端的事件生成器以及中央控制器、连接到中央控制器输出端的执行器，所述事件生成器还连接到中央控制器。