CN108206529B - 一种抑制电力系统低频振荡的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及抑制电力系统低频振荡的方法，该方法包括首先，利用量测环节对系统进行信号采集，对所获得的信号源进行隔直环节的处理；之后利用带通滤波环节对信号源进行滤波处理，得到各个振荡模态下的低频振荡转速及其变化率信号；然后，通过Sugeon型模糊推理系统生成附加的阻尼控制信号，将所得的控制信号进行放大、叠加、限幅之后，再将控制量引入基于DQ解耦矢量控制的UPFC电流控制内环中；最后，利用UPFC装置向系统注入对应频率的低频电流，从而达到抑制电力系统低频振荡的目的。

Description

一种抑制电力系统低频振荡的方法

技术领域

本发明涉及电力系统稳定与控制技术，尤其涉及一种抑制电力系统低频振荡的方法。

背景技术

共振机理低频振荡是由于外界周期性的功率扰动源的频率与系统固有的低频振荡频率接近而引发的。近年来由于电力系统容量和并网规模的扩大，系统中功率扰动源增多，共振机理低频振荡时有发生，对电力系统安全稳定运行造成严重危害。

灵活交流输电力系统(FACTS)的出现为抑制共振机理低频振荡提供了新的有效手段，统一潮流控制器作(UPFC)为目前功能最全面的FACTS装置，同时兼备线路潮流控制、电压稳定、无功调节等多种功能。已有研究表明通过在统一潮流控制器中增加附加阻尼控制回路能够提高系统的暂态稳定性，阻尼系统振荡。但是传统的统一潮流控制器附加阻尼控制对共振机理低频振荡的阻尼效果不佳，原因是共振机理低频振荡的扰动源持续地向系统中注入功率扰动，需要较高阻尼水平才能将其将抑制，而传统的方法达不到相应的阻尼水平。

发明内容

本发明目的在于克服现有工程项目在执行过程中遇到问题时，本发明的提供了一种抑制电力系统低频振荡的方法，具体由以下技术方案实现：

所述抑制电力系统低频振荡的方法，包括如下步骤：

步骤1)对系统低频振荡信号源进行采集，对所述信号源进行隔直环节的处理，并采用带通滤波器对所述信号源进行滤波处理，得到各个模态下的低频振荡偏差信号Δω_i，其中i为对应附加阻尼控制器的第i个通道；

步骤2)对各个振荡模态下的低频振荡偏差信号Δω_i进行预处理，获得转速偏差信号的变化率

步骤3)将Δω_i、

作为输入信号，通过Sugeon模糊推理系统对所述输入信号进行推理计算，生成对应振荡模态下的UPFC附加阻尼控制信号；

步骤4)对所述UPFC附加阻尼控制信号进行放大、限幅操作之后，生成UPFC内环电流控制的控制量；

步骤5)将所述控制量引入基于有功无功解耦矢量控制的UPFC电流内环控制中，输出UPFC换流器的参考值；

步骤6)根据所述参考值，获取换流器触发信号，使得UPFC向系统输出对应频率的低频电流，以此抑制系统低频振荡。

所述抑制电力系统低频振荡的方法的进一步设计在于，所述步骤3)中，Sugeon模糊推理系统，通过遗传算法进行参数优化的方法，步骤如下：

3-1)根据系统的实际情况选择合理的Sugeno型模糊推理系统结构，所述系统的实际情况包括输入/输出变量的个数、模糊变量划分、规则数；

3-2)通过测试信号法获得附加控制信号ΔUS与发电机附加电磁转矩ΔTe间的相位滞后特性；

3-3)根据所述相位滞后特性，构造模糊推理系统的训练样本；

3-4)对优化参数进行遗传编码；

3-5)确定遗传个体的编码长度；

3-6)确定适应度函数F_u，如式(2)：

其中，y_u(v)为第u个个体所对应的模糊系统在输入第v个样本时的系统实际输出值；Y(u)为对应第v个样本的期望输出值，num表示个体数量，得到每个个体的适应度函数的值；

3-7)通过遗传算法优化目标，使适应度函数F_u得到最大适应度，得到模糊系统对应的参数值，形成Sugeon模糊推理系统，利用该推理系统生成对应振荡模态下的UPFC附加阻尼控制信号。

所述抑制电力系统低频振荡的方法的进一步设计在于，所述步骤3-4)中优化的参数分类包括：

系统参数c_jk，σ_jk，其中，j表示输入变量，k表示输入变量的模糊区间，设输入变量为N个，每个输入变量的模糊区间为M个，且均采用高斯隶属函数μ_Xjk(x_j)：

根据系统输入变量的分量x_j要求的精度和值域决定参数c_jk，σ_jk二进制编码的长度l_j，l_j应该满足

其中，p_i表示x_i要求的小数点后的位数

分别表示系统输入变量的最大、最小值；

结构参数W，表示模糊区间和规则的关联情况，W＝1表示有关联，W＝0表示无关联；

系数

与常数项B^k，k表示规则的条数，

B^k需要根据系统的输出y要求的精度和值域决定二进制编码的长度，即其编码长度l应满足下式：2^l-1＜(y_max-y_min)×10^P≤2^l-1，其中，p表示y所要求的小数点后的位数，y_max、y_min分别表示系统输出变量的最大、最小值。

所述抑制电力系统低频振荡的方法的进一步设计在于，根据式(1)确定遗传个体的编码长度l_c：

式中N、M、l分别表示输入变量个数、每个输入变量的模糊区间以及常数项，B^k的二进制编码长度。

所述抑制电力系统低频振荡的方法的进一步设计在于，结构参数W按行拉长，采用N×M^N位二进制位串表示。

本发明的优点如下：

1)所设计的UPFC附加低频阻尼控制器采用了模态分离控制的结构，能同时对多模态的低频振荡产生抑制作用。

2)仅仅是在UPFC控制环节中附加一个低频阻尼控制的环节，控制简易，但可取得显著效果，对系统低频振荡具有明显抑制效果。

3)基于遗传算法的模糊系统减少了对系统数学模型以及专家经验的依赖。

附图说明

图1为UPFC的基本结构图。

图2为抑制电力系统低频振荡的方法的原理图。

图3为遗传算法优化模糊系统参数流程图。

图4为训练参数编码方案图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明技术方案进一步说明。

如图2，本实施例的抑制电力系统低频振荡的方法，包括如下步骤：

步骤1)对系统低频振荡信号源进行采集，对所述信号源进行隔直环节的处理，并采用带通滤波器对所述信号源进行滤波处理，得到各个模态下的低频振荡偏差信号Δω_i，其中i为对应附加阻尼控制器的第i个通道。

步骤2)对各个振荡模态下的低频振荡偏差信号Δω_i进行预处理，获得转速偏差信号的变化率

本实施例的预处理检测到低频振荡偏差信号以及该信号的变化率信号。

步骤3)将Δω_i、

作为输入信号，通过Sugeon模糊推理系统对所述输入信号进行推理计算，生成对应振荡模态下的UPFC附加阻尼控制信号。

步骤4)对所述UPFC附加阻尼控制信号进行放大、限幅操作之后，生成UPFC内环电流控制的控制量。

步骤5)将所述控制量引入基于有功无功解耦矢量控制的UPFC电流内环控制中，输出UPFC换流器的参考值。

步骤6)根据所述参考值，获取换流器触发信号，使得UPFC向系统输出对应频率的低频电流，以此抑制系统低频振荡。

步骤3)中，Sugeon模糊推理系统，通过遗传算法进行参数优化的方法，参见图3，步骤如下：

3-1)根据系统的实际情况选择合理的Sugeno型模糊推理系统结构，系统的实际情况包括输入/输出变量的个数、模糊变量划分、规则数。

3-2)通过测试信号法获得附加控制信号ΔU_S与发电机附加电磁转矩ΔT_e间的相位滞后特性；

3-3)根据所述相位滞后特性，构造模糊推理系统的训练样本。

3-4)对优化参数进行遗传编码。

3-5)确定遗传个体的编码长度。

3-6)确定适应度函数F_u，如式(2)。

其中，y_u(v)为第u个个体所对应的模糊系统在输入第v个样本时的系统实际输出值；Y(u)为对应第v个样本的期望输出值，这样得到每个个体的适应度函数的值，num表示样本数目。

3-7)通过遗传算法优化目标，使适应度函数Fu得到最大适应度，得到模糊推理系统对应的参数值，利用该推理系统生成对应振荡模态下的UPFC附加阻尼控制信号。。

如图4，步骤3-4)中优化的参数分类包括：系统参数c_jk、σ_jk，结构参数W以及系数p_j ^m与常数项B^m。具体如下：

系统参数c_jk，σ_jk，其中，j表示输入变量，k表示输入变量的模糊区间，设输入变量为N个，每个输入变量的模糊区间为M个，且均采用高斯隶属函数

c_jk，σ_jk根据系统输入向量的分量x_j要求的精度和值域决定其二进制编码的长度l_j，l_j应该满足

其中，p_j表示x_j要求的小数点后的位数，

分别表示系统输入变量的最大、最小值。

结构参数W，表示模糊区间和规则的关联情况，W＝1表示有关联，W＝0表示无关联。W与参考联接矩阵R(r_jk)联合表示节点的连接关系，参考联接矩阵R为M^N行N列矩阵，R的元素r_jk用于掩码的作用代表第j个模糊规则的前件的第k个分量所取的模糊子集W(w_jk)；如果w_ij为表示输向量的第j个分量出现在第i个模糊规则的前件里，取值为r_ij所代表的模糊子集相反的情况类似。

系数p_j ^m与常数项B^m，m表示规则的条数，p_j ^m，B^m需要根据系统的输出y要求的精度和值域决定二进制编码的长度，即其编码长度l应满足下式：2^l-1＜(y_max-y_min)×10^P≤2^l-1，其中，p表示y所要求的小数点后的位数，y_max、y_min分别表示系统输出变量的最大、最小值。

步骤3-5)中根据式(1)确定遗传个体的编码长度l_c：

式中N、M、l分别表示输入变量个数、每个输入变量的模糊区间以及常数项B^k的二进制编码长度。

结构参数W按行拉长，采用N×M^N位二进制位串表示。

所述步骤5)中基于DQ解耦矢量控制的UPFC电流内环控制，相关具体内容叙述如下：

如图1，UPFC装置主要由串、并联侧变压器-换流器以及直流电容几部分连接组成，具体的连接方式参见图1。其串、并联侧换流器分别向系统注入幅值和相角可控的电压。UPFC直流电容电压由串、并联侧换流器的交换功率共同决定，忽略换流器损耗，则直流电容存储的能量等于并联侧换流器和串联侧换流器吸收的功率之和，即：

式中，U_dcij指的是i相换流臂中第j个电容的电压；C指的是基于MMC结构的UPFC子模块电容容量；

分别代表UPFC串并联侧换流器的输出电压；

分别为UPFC串并联侧换流器出口支路电流。

根据基尔霍夫定律将三相电路电压平衡方程进行派克变换，可得：

其中，U₁、U₂分别指的是UPFC并联侧变压器接入节点电压和UPFC串联侧变压器串入线路的电压；w指的是系统工频角频率；r_sh、L_sh、r_se、L_se分别指的是并联侧和串联侧等效电阻以及电抗。

UPFC运行时并联侧最常采用的网侧电压控制模式，即控制并联侧电压在恒定值；串联侧采用定功率控制模式，即控制串联侧线路有功及无功功率在恒定值。串并联侧控制策略都是基于DQ解耦的矢量控制，利用锁相环来确定网侧相电压的相角；之后，令U_d等于接入点电压幅值，U_q等于0；根据瞬时无功功率理论，三相对称的交流系统输入公共连接点的瞬时有功和无功功率可以表示为：

由于U_d＝U_s、U_q＝0，则有

由上可见，交流系统输入的有功功率P和d轴电流分量i_d成正比，无功功率Q与q轴电流分量i_q成正比。因此，可通过对i_d、i_q的控制，实现有功功率和无功功率的解耦控制。

矢量控制策略在DQ坐标系下对换流器进行控制，可以分解为内环电流控制器和外环电流控制器。其中，内环电流控制器通过调节换流器输出电压，对d轴和q轴电流分量分别进行直接控制，使其快速跟踪指令值；外环控制器通过对有功功率和无功功率的计算和处理，得到内环电流控制器d轴和q轴电流分量的指令值。

本发明的UPFC抑制低频振荡的机理即在于，通过在UPFC的内环电流控制器中附加一个阻尼控制分量，使得UPFC发出一个抑制电力系统低频振荡的分量，消除系统中的低频振荡，从而维持电力系统稳定运行。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种抑制电力系统低频振荡的方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1)对系统低频振荡信号源进行采集，对所述信号源进行隔直环节的处理，并采用带通滤波器对所述信号源进行滤波处理，得到各个模态下的低频振荡偏差信号Δω_i，其中i为对应附加阻尼控制器的第i个通道；

步骤2)对各个振荡模态下的低频振荡偏差信号Δω_i进行预处理，获得转速偏差信号的变化率

步骤3)将Δω_i、

作为输入信号，通过Sugeno模糊推理系统对所述输入信号进行推理计算，生成对应振荡模态下的UPFC附加阻尼控制信号；

步骤4)对所述UPFC附加阻尼控制信号进行放大、限幅操作之后，生成UPFC内环电流控制的控制量；

步骤5)将所述控制量引入基于有功无功解耦矢量控制的UPFC电流内环控制中，输出UPFC换流器的参考值；

步骤6)根据所述参考值，获取换流器触发信号，使得UPFC向系统输出对应频率的低频电流，以此抑制系统低频振荡；

所述步骤3)中，Sugeno模糊推理系统，通过遗传算法进行参数优化的方法，步骤如下：

3-1)根据系统的实际情况选择合理的Sugeno型模糊推理系统结构，所述系统的实际情况包括输入/输出变量的个数、模糊变量划分、规则数；

3-2)通过测试信号法获得附加控制信号ΔUS与发电机附加电磁转矩ΔTe间的相位滞后特性；

3-3)根据所述相位滞后特性，构造模糊推理系统的训练样本；

3-4)对优化参数进行遗传编码；

3-5)确定遗传个体的编码长度；

3-6)确定适应度函数F_u，得到每个个体的适应度函数的值，如式(2)：

其中，y_u(v)为第u个个体所对应的模糊系统在输入第v个样本时的系统实际输出值；Y(u)为对应第v个样本的期望输出值，num表示个体数量；

3-7)通过遗传算法优化目标，使适应度函数F_u得到最大适应度，得到模糊系统对应的参数值，形成Sugeno模糊推理系统，利用该推理系统生成对应振荡模态下的UPFC附加阻尼控制信号。

2.根据权利要求1所述的抑制电力系统低频振荡的方法，其特征在于所述步骤3-4)中优化的参数分类包括：

系统参数c_jk，σ_jk，其中，j表示输入变量，k表示输入变量的模糊区间，设输入变量为N个，每个输入变量的模糊区间为M个，且均采用高斯隶属函数

根据系统输入变量的分量x_j要求的精度和值域决定参数c_jk，σ_jk二进制编码的长度l_j，l_j应该满足

其中，p_j表示x _j 要求的小数点后的位数，

分别表示系统输入变量的最大、最小值；

结构参数W，表示模糊区间和规则的关联情况，W＝1表示有关联，W＝0表示无关联；

系数p_i ^k与常数项B^k，k表示规则的条数，p_i ^k，B^k需要根据系统的输出y要求的精度和值域决定二进制编码的长度，即其编码长度l应满足下式：2^l-1＜(y_max-y_min)×10^P≤2^l-1，其中，p表示y所要求的小数点后的位数，y_max、y_min分别表示系统输出变量的最大、最小值。

3.根据权利要求2所述的抑制电力系统低频振荡的方法，其特征在于根据式(1)确定遗传个体的编码长度l_c：

式中N、M、l分别表示输入变量个数、每个输入变量的模糊区间以及常数项，B^k的二进制编码长度。

4.根据权利要求2所述的抑制电力系统低频振荡的方法，其特征在于结构参数W按行拉长，采用N×M^N位二进制位串表示。

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