CN108011383A

CN108011383A - 一种电力系统时滞自适应广域阻尼器

Info

Publication number: CN108011383A
Application number: CN201711459175.9A
Authority: CN
Inventors: 戚军; 吴仟; 叶焙佳; 周丹
Original assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Current assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Priority date: 2017-12-28
Filing date: 2017-12-28
Publication date: 2018-05-08
Anticipated expiration: 2037-12-28
Also published as: CN108011383B

Abstract

一种电力系统的时滞自适应广域阻尼器，包括广域阻尼器模块WAD、控制参数计算模块CPC、控制参数存储器模块CPS和控制参数更新模块CPU，可以根据广域测量系统WAMS提供的带精确时标的广域测量信号输出合适的阻尼控制信号；此外，还设计了CPC模块和CPU模块的运行步骤，定义了各模块之间的信息接口。本发明不仅可以解决广域电力系统的区间低频振荡问题以及广域反馈控制信号存在时滞的情形，而且适用于由于信道拥堵而引起广域反馈控制信号时滞变化的情形，所设计的控制器参数计算量小，可以适应较大范围的时滞变化。

Description

一种电力系统时滞自适应广域阻尼器

技术领域

本发明涉及一种基于经典PSS结构的时滞自适应广域阻尼器，属于电力系统稳定控制技术领域。

背景技术

随着全国电网的互联，尤其是特高压工程的大量建设，区域电网间的振荡问题逐渐增多。为了解决大规模电力系统的稳定性问题，研究低频振荡控制措施具有重要的理论研究意义和工程应用价值。

针对区域间的低频振荡问题，本地阻尼控制的作用效果显然不明显，而广域阻尼控制器则可以取得良好的效果。但广域反馈信号的传输存在时滞，时滞会影响控制器的阻尼效果，甚至会恶化阻尼，因此阻尼控制器必须考虑时滞的影响。然而时滞现象和不确定性普遍存在于实际系统中，使系统的性能达不到期望的水平。当时滞变化较大时，根据固定时滞设计的广域阻尼控制器可能不仅不能抑制系统振荡，甚至可能会使系统振荡发散至不稳定，因此广域阻尼控制器必须对于控制环路中的随机波动时滞具有较强的鲁棒性。当控制环路中的时滞发生较大变化、超过广域阻尼控制器的鲁棒性能时，对控制器参数进行自适应整定可能是解决时滞负面影响的较佳途径。

在众多广域时滞阻尼控制的研究成果中，在线自适应广域阻尼控制结构曾不少出现在试图解决时滞突变时的电力系统稳定问题的研究中。针对这些研究成果而言，当WAMS网络发生信号拥堵、信道故障导致时滞大幅度突变时，能否快速更新控制器参数对于确保系统稳定可靠运行是至关重要的。

发明内容

本发明要克服现有技术的上述缺点，提供一种电力系统时滞自适应广域阻尼器。

本发明的一种电力系统时滞自适应广域阻尼器(Delay Adaptive Wide AreaDamper，DAWAD)，由广域阻尼器模块(Wide-Area Damper，WAD)、控制参数计算模块(ControlParameters Calculation，CPC)、控制参数存储器模块(Control Parameters Storage，CPS)和控制参数更新模块(Control Parameters Update，CPU)四部分构成，可以根据广域测量系统(Wide Area Measurement System，WAMS)提供的带精确时标的广域测量信号y(t-τ)输出合适的阻尼控制信号u(t)；其中，WAD主要由隔直环节(W)、反馈增益环节(K)、相位补偿环节(P)和输出限幅环节(B)依次串联而组成；CPC可以实时接收CPU发出的是否启动控制参数重新计算的启动信号F，并能根据输入的时滞参数τ、广域反馈信号y(t-τ)和输入信号u(t)快速计算WAD模块的控制参数P，并将计算所得的控制参数P、设计时滞τ_WAD和计算结束时刻t信息送入CPS保存，同时将计算结束时刻t信息送入CPU供其决策使用；CPU会记录WAD当前控制参数对应的设计时滞τ_WAD，能根据实时时滞τ、WAD当前控制参数的设计时滞τ_WAD和CPC计算结束时刻信息t决定是否需要更新WAD的控制参数P、是否需要启动CPC重新计算控制参数、以及如何选择匹配的控制参数P，控制参数更新信息以更新信号S的形式传递给CPS，并能用CPS传递过来的控制参数P去更新WAD的控制参数，启动CPC重新计算控制参数的启动信号F将传递给CPC；CPS主要承担存储控制参数P及其对应的设计时滞τ_WAD和设计时刻t信息，并可以响应CPU发出的更新信号S，提供与S对应的控制参数P给CPU。

CPC模块根据当前系统运行状态和时滞为WAD在线计算合适的控制参数，其具体运行如下：

T1：实时监测CPU发送过来的是否启动控制参数重新计算的启动信号F，若F＝1，则启动控制参数重新计算，进入T2；否则继续T1；

T2：根据广域反馈信号y(t-τ)，确定被控低频振荡模式的特征根(λ_j＝σ_j+jω_j)，其中σ_j和ω_j分别是λ_j的实部和虚部；

T3：根据广域反馈信号y(t-τ)和输入信号u(t)，确定与被控低频振荡模式λ_j对应的留数R_j，计算系统输入端至系统输出端之间的相位偏移θ₁＝∠R_j；

T4：根据控制环路的时滞τ，将其作为设计时滞τ_WAD，计算由于τ引起的系统输出信号的相位滞后θ₂，计算公式如下：

T5：计算相位总偏移θ＝θ₁+θ₂±k×360°，k为整数，通过调整k值使θ处于(-180°，+180°]范围之内；

T6：确定加入WAD后闭环系统被控低频振荡模式的阻尼比期望值ξ，据此计算被控低频振荡模式特征根λ_j的期望变化量Δλ_j，计算公式如下：

Δλ_j＝-ξω_j-σ_j

T7：计算WAD需要补偿的相位∠A(λ_j)并判断反馈增益K的正负性：

1)若0°＜θ≤90°，则：

2)若90°＜θ≤180°，则：

3)若-180°＜θ≤-90°，则：

4)若-90°＜θ≤0°，则：

T8：WAD中的相位补偿环节(P)的传递函数如下：

式中参数N、T₁和T₂的计算方法如下：

T₁＝αT₂

T9：计算WAD中反馈增益K的幅值|K|，计算方式如下：

式中，A(λ_j)为T8中相位补偿环节(P)的传递函数A(s)中代入被控低频振荡模式的特征根λ_j所得；

T10：根据常规方法选取时滞WAD中隔直环节(W)和输出限幅环节(B)的参数；

T11：记录此刻的时间t，并将计算所得的WAD模块的所有控制参数打包为控制参数P；

T12：将控制参数P、设计时滞τ_WAD和计算结束时刻t信息送入CPS模块保存，同时将计算结束时刻t信息送入CPU模块供其决策使用；

T13：返回T1。

CPU模块能根据实时时滞τ、WAD当前控制参数的设计时滞τ_WAD和CPC计算结束时刻信息t选择合适的控制参数P去更新WAD的控制参数，其核心运行步骤如下：

S1：在线监测控制回路的实时时滞τ和CPC传递过来的信号t，若实时时滞τ与当前WAD的设计时滞τ_WAD之差Δτ＝|τ-τ_WAD|大于阈值Τ时，进入S2，若CPC传递过来的信号t发生了变化，则进入S5，否则继续S1；

S2：向CPC发送重新启动控制参数计算的启动信号F，同时向CPS发送调取设计时滞τ_WAD＝τ的更新信号S；

S3：接收从CPS传送过来的、与更新信号S中设计时滞τ_WAD最接近的历史时滞τ_h所对应的控制参数P；

S4：用从CPS中接收到的最新控制参数更新WAD的参数，返回S1；

S5：根据CPC传递过来的信号t确定t时刻的实时时滞τ’；

S6：若t时刻的实时时滞τ’与S2中的设计时滞τ_WAD的差值Δτ’＝|τ’-τ|小于阈值Τ，则向CPS发送调取控制参数设计时刻为t的更新信号S；

S7：返回S4。

本发明的优点是：在广域阻尼器(Wide-Area Damper，WAD)子模块的基础之上增加了控制参数计算模块CPC、控制参数存储器模块CPS和控制参数更新模块CPU，能够根据系统参数快速计算并保存与之对应的WAD控制参数，并能根据实时时滞τ与当前WAD设计时滞τ_WAD决定如何更新WAD的控制参数，从而来获得阻尼控制效果与控制参数计算速度之间较好的平衡。所设计的时滞自适应广域阻尼器可以处理较大时滞，计算量较小，且WAD参数设计的物理含义较清晰。

附图说明

图1是含有本发明的时滞自适应广域阻尼器的系统结构图。

图2是本发明的时滞自适应广域阻尼器中WAD模块的控制结构图。

图3是四机两区域系统。

图4是时滞变化前后时滞之差Δτ小于阈值T时，接入时滞自适应广域阻尼器的系统动态响应曲线。

图5是时滞变化前后时滞之差Δτ大于阈值T时，接入传统时滞广域阻尼器与时滞自适应广域阻尼器的系统动态响应对比图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。实施例采用四机两区域系统对本发明进行测试。该系统包括4台机组，两个区域，10条线路(双回线路计1条)。具体结构如图4所示，其中4台发电机均安装有电压调节器(AVR)，输出功率均为700MW。区域1中负荷较轻，而区域2负荷较重，此时双回联络线7-9需要从区域1输送有功功率300MW至区域2。该系统作为测试标准，被广泛应用于小干扰稳定分析及区域间低频振荡的研究中，各台发电机均用四阶模型来描述，且均配备有励磁系统。本发明基于四机两区域系统进行仿真分析，选取发电机组区域之间相对角速度Δω_12-34为时滞自适应广域阻尼器(Delay Adaptive Wide Area Damper，DAWAD)的输入、发电机G4励磁系统的输入参考电压信号V_R4连接DAWAD的输出。

假设仿真中，1s时母线7发生100MW负荷突增扰动，当前时滞自适应广域阻尼器的控制参数的设计时滞为0.2s，在该时滞下CPC计算控制参数的过程如下，若时滞变化后，CPC的计算过程亦类似。

步骤1:在此实施例中，根据广域反馈信号——发电机组区域之间相对角速度Δω_12-34，确定被控低频振荡模式的特征根(λ_j＝σ_j+jω_j＝0.0035±3.3741i)，其中，其中Δω_12-34＝(ω₁+ω₂)/2-(ω₃+ω₄)/2，ω_i是发电机的转子角速度，σ_j和ω_j分别是λ_j的实部和虚部；

步骤2：计算出与被控振荡模式对应的留数R₁＝0.0330-0.8862i，系统输入端至系统输出端之间的相位偏移θ₁＝∠R_j＝-10.6398°；

步骤3：选取控制环路的聚合总时滞τ＝0.2s，确定输入CPDS的时滞参数τ，那么由于τ引起的系统输出信号的相位滞后θ₂＝-38.6643°；

步骤4：计算相位总偏移θ＝θ₁+θ₂±k×360°＝-49.3041°；

步骤5：选取加入WAD后被控低频振荡模式的阻尼比期望值ξ＝0.1，据此计算被控低频振荡模式特征根λ₁的期望变化量Δλ₁＝-ξω₁-σ₁≈-0.3409；

步骤6：结合上述步骤，WAD需要补偿的相位∠A(λ_j)＝49.3041°以及反馈增益K<0；

步骤7：整定WAD的相位补偿环节(P)参数，其中N＝2、β＝49.3041°、α＝2.421、T₁＝0.46、T₂＝0.19；

步骤8：计算出WAD中反馈增益K的幅值|K|＝4.17，即K＝-4.17；

步骤9：时滞WAD中隔直环节(W)是具有的传递函数结构，其中T_w＝5s，此外设置输出限幅环节(46B)的限幅设定值为±0.05p.u.。

本实施案例中取阈值T＝0.15s，在5s时，由于信道拥堵，控制回路的时滞由当前τ＝0.2s变为τ＝0.3s(Δτ小于阈值T)，在该控制环路中加入上述设计的时滞自适应广域阻尼器并得到其系统动态响应曲线。从图4中可看出，当时滞变化小于阈值时，无论是区间相对功角还是联络线传输功率都能够保持稳定。

接着针对时滞之差Δτ大于阈值T时，本实施案例的控制回路时滞由当前的0.2s变为0.65s。此时，时滞之差Δτ＝0.45s(Δτ大于阈值T)，从CPDS中保存的WAD参数库中选择与当前时滞τ最接近的历史时滞τ_h＝0.6s所对应的控制参数更新WAD参数，CPDS模块保存的控制参数列于表1中。在仿真1s时发生与时滞之差小于阈值时相同的扰动，但在10s时控制回路的时滞由当前τ_WAD＝0.2s变为τ＝0.65s，在该控制回路中分别接入传统时滞广域阻尼器和时滞自适应广域阻尼器进行仿真对比。从图5可以看出，当时滞变化大于阈值T时，无论是区间相对功角还是联络线传输功率在接入传统时滞广域阻尼器后都出现了增幅振荡，而接入时滞自适应广域阻尼器后都能够得到有效抑制。

表1控制环路在不同时滞下CPDS模块对应保存的控制参数

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims

1.一种电力系统时滞自适应广域阻尼器，由广域阻尼器模块WAD、控制参数计算模块CPC、控制参数存储器模块CPS和控制参数更新模块CPU四部分构成，根据广域测量系统WAMS提供的带精确时标的广域测量信号y(t-τ)输出合适的阻尼控制信号u(t)；其中，WAD主要由隔直环节(W)、反馈增益环节(K)、相位补偿环节P和输出限幅环节B依次串联而组成；CPC实时接收CPU发出的是否启动控制参数重新计算的启动信号F，并根据输入的时滞参数τ、广域反馈信号y(t-τ)和输入信号u(t)快速计算WAD模块的控制参数P，并将计算所得的控制参数P、设计时滞τ_WAD和计算结束时刻t信息送入CPS保存，同时将计算结束时刻t信息送入CPU供其决策使用；CPU记录WAD当前控制参数对应的设计时滞τ_WAD，根据实时时滞τ、WAD当前控制参数的设计时滞τ_WAD和CPC计算结束时刻信息t决定是否需要更新WAD的控制参数P、是否需要启动CPC重新计算控制参数、以及如何选择匹配的控制参数P，控制参数更新信息以更新信号S的形式传递给CPS，并能用CPS传递过来的控制参数P去更新WAD的控制参数，启动CPC重新计算控制参数的启动信号F将传递给CPC；CPS承担存储控制参数P及其对应的设计时滞τ_WAD和设计时刻t信息，并响应CPU发出的更新信号S，提供与S对应的控制参数P给CPU；

CPC模块根据当前系统运行状态和时滞为WAD模块在线计算合适的控制参数，其具体运行如下：

Δλ_j＝-ξω_j-σ_j

1)若0°＜θ≤90°，则：

<mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mo>&angle;</mo> <mi>A</mi> <mo>(</mo> <msub> <mi>&lambda;</mi> <mi>j</mi> </msub> <mo>)</mo> <mo>=</mo> <mo>-</mo> <mi>&theta;</mi> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mi>K</mi> <mo><</mo> <mn>0</mn> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced>

2)若90°＜θ≤180°，则：

3)若-180°＜θ≤-90°，则：

4)若-90°＜θ≤0°，则：

T8：WAD中的相位补偿环节(P)的传递函数如下：

式中参数N、T₁和T₂的计算方法如下：

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T₁＝αT₂

T9：计算WAD中反馈增益K的幅值|K|，计算方式如下：

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T10：根据常规方法选取时滞WAD中隔直环节W和输出限幅环节B的参数；

T13：返回T1；

CPU模块根据实时时滞τ、WAD模块当前控制参数的设计时滞τ_WAD和CPC模块计算结束时刻信息t选择合适的控制参数P去更新WAD模块的控制参数，具体运行如下：

S4：用从CPS中接收到的最新控制参数更新WAD的参数，返回S1；

S5：根据CPC传递过来的信号t确定t时刻的实时时滞τ’；

S6：若t时刻的实时时滞τ’与步骤2中的设计时滞τ_WAD的差值Δτ’＝|τ’-τ|小于阈值Τ，则向CPS发送调取控制参数设计时刻为t的更新信号S；

S7：返回S4。