CN108258703B - 具有冗余控制回路的电力系统广域阻尼器 - Google Patents

Abstract

一种具有冗余控制回路的电力系统广域阻尼器，包括广域阻尼器WAD、时滞计算及控制回路切换模块DCCLS、控制参数计算模块CPC、控制参数存储器CPS和控制参数更新模块CPU，可以根据广域电力系统提供的带精确时标的广域测量信号和当前系统运行状态决定是否需要切换控制回路以及如何更新控制参数；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，同时具有较大的时滞适应范围和鲁棒性。

Description

具有冗余控制回路的电力系统广域阻尼器

技术领域

本发明涉及一种具有冗余控制回路的电力系统广域阻尼器，属于电力系统稳定控制技术领域。

背景技术

随着智能电网建设、大规模新能源并网和特高压输电工程深入推进，低频振荡问题已经十分突出，因低频振荡而导致区域联络线上传输功率振荡在实际工程中时有发生，甚至于严重威胁整个联网系统的安全运行。因此，研究电力系统的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。

大区电网互联后，各类不确定因素对互联电力系统同步稳定运行的影响不断增大，仅仅依靠基于本地信号的局域控制器越来越难以抑制互联电力系统中的区间低频振荡现象。广域测量系统的发展为互联电力系统动态稳定分析和网源协调阻尼控制技术研究提供了有力的物质保障，但是由于大型互联电力系统分布广泛，广域信号在传输信道中不可避免地存在延时情况，因此釆用广域信号进行附加阻尼控制的同时，有必要考虑到广域信号时变时滞效应的影响。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。当时滞变化过大或者当前控制回路出现故障时，若依旧按当前控制回路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。此时，具有冗余控制回路的广域阻尼控制器能对此类情况做出较好的应对措施，并且具有一定的鲁棒性。

在众多广域时滞阻尼控制的研究成果中，具有冗余设计的在线自适应广域阻尼控制结构也曾不少出现在试图解决时变、非线性电力系统稳定问题的研究中。针对这些研究成果而言，当系统运行状态发生较大改变、WAMS网络发生信号拥堵、信道故障导致时滞超过设定范围时，能否快速切换至时滞正常的其它控制环路并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，提供一种具有冗余控制回路的广域阻尼器。

该电力系统广域阻尼器，由广域阻尼器WAD、时滞计算及控制回路切换模块DCCLS、控制参数计算模块CPC、控制参数存储器CPS和控制参数更新模块CPU五部分构成，根据广域电力系统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；DCCLS实时接收CPU发出的是否切换控制回路的指令S、执行控制回路切换，并能根据当前时刻与广域信号所带时标之差计算所有控制回路的时滞τ并送入CPU中以供决策；CPC则响应CPU发出的启动控制参数重新计算的启动信号F，并根据输入的控制回路时滞参数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和设计时刻t信息送入CPS保存，同时将设计结束时刻信息N传递给CPU；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和WAD当前控制参数的设计时滞τ_WAD和设计时刻t信息决定是否需要启动DCCLS切换控制回路以及如何切换控制回路、如何选择匹配的控制参数P；CPS承担存储控制参数P及其对应的设计时滞τ_WAD、设计时刻t信息，并接收CPU发送过来的调取控制参数的查询信号M，提供与当前控制回路对应的控制参数P给CPU；

CPC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：根据当前控制回路时滞τ，计算由于时滞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)为步骤8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：记录此刻的设计时刻t信息，并将计算所得的WAD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和设计时刻t信息送入CPS保存，同时将设计结束时刻信息N传递给CPU；

T13：返回T1；

CPU根据所有控制回路的实时时滞τ、WAD当前控制参数的设计时滞τ_WAD、CPS中保存的控制参数P和设计时刻t信息确定是否切换控制回路以及如何更新WAD的控制参数，具体运行步骤如下：

S1：在线监测当前控制回路的实时时滞τ，若当前控制回路的实时时滞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，否则继续S1；

S2：CPU根据DCCLS递过来的所有控制回路实时时滞τ信息，选择其中时滞均值和均方差都小于设定阈值的控制回路集合α；再根据提前设定的优先级，选择优先级最高的控制回路；

S3：CPU向DCCLS发出切换控制回路指令S，向CPC发送重新启动控制参数计算的启动信号F，同时向CPS发送调取切换后控制回路的设计时滞τ_WAD最接近实时时滞τ的查询信号M；

S4：CPU接收从CPS传送过来的控制参数P、设计时滞τ_WAD和设计时刻t；

S5：CPU向WAD传递需要更新的控制参数P；

S6：CPU接收CPC传递过来的WAD控制参数设计结束时刻信号N，若当前时刻与信号N的差值小于或等于阈值Ω(很小的正数)，则进入S7，否则返回S6继续等待；

S7：CPU向CPS发送调取当前控制回路设计时刻t最接近当前时刻的查询信号M；

S8：CPU接收从CPS传送过来的控制参数P、设计时滞τ_WAD和设计时刻t；

S9：CPU向WAD传递需要更新的控制参数P；

S10：返回S1。

本发明的优点是：在广域阻尼器WAD的基础之上增加了时滞计算及控制回路切换模块DCCLS、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决定是否需要切换控制回路以及如何更新WAD的控制参数。所设计的具有冗余控制回路的时滞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是含有本发明的具有冗余控制回路的广域阻尼器的系统结构图。

图2是本发明的具有冗余控制回路的广域阻尼器中WAD模块的控制结构图。

图3是具有冗余控制回路的广域阻尼器在四机两区域系统中的应用案例。

图4a～图4c是时滞变化前后时滞之差Δτ小于阈值T时，接入具有冗余控制回路的时滞广域阻尼器的系统动态响应曲线，其中图4a是控制回路L1的时滞变化曲线，图4b是区域间相对角速度的动态响应曲线，图4c是区域间传输有功功率的动态响应曲线。

图5a～图5c是时滞变化前后时滞之差Δτ大于阈值T时，分别接入传统时滞广域阻尼器和具有冗余控制回路的时滞广域阻尼器时系统动态响应对比图，其中图5a是控制回路L₁、L₂的时滞变化曲线，图5b是区域间相对角速度的动态响应曲线，图5c是区域间传输有功功率的动态响应曲线。

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3所示，其中4台发电机均输出功率均为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，选取发电机组之间相对角速度Δω_12-34为具有冗余控制回路的时滞广域阻尼器(Redundant Delay Wide-area Damper，RDWAD)的输入、发电机G4、G3励磁系统的输入参考电压信号V_R4、V_R3分别是RDWAD控制回路切换前后的输出。

假设仿真中，1s时母线7发生100MW负荷突增扰动，当前具有冗余控制回路的时滞广域阻尼器的控制参数的设计时滞为0.4s，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＝0.0330-0.0062i，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＝0.40s，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＝-77.3287°；

步骤4：计算相位总偏移θ＝θ₁+θ₂±k×360°＝-87.9685°；

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)＝87.9685°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＝43.9843°、α＝5.385、T₁＝0.70、T₂＝0.13；

步骤8：计算出WAD中反馈增益K的幅值|K|＝1.83，即K＝-1.83；

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10s时，由于信道拥堵，控制回路L₁(Δω_12-34—V_R4)的实时时滞由当前τ＝0.40s变为τ＝0.48s(Δτ小于阈值T)，在该控制环路中加入上述设计的具有冗余控制回路的广域阻尼器并得到其系统动态响应曲线。从图4中可看出，当时滞变化量小于阈值时，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,本实施案例控制回路L₁(Δω_12-34—V_R4)的实时时滞由当前的0.40s变为0.70s。此时，时滞之差Δτ＝0.30s(Δτ大于阈值T)，根据CPU提前设定的优先级，选择控制环路L₂(Δω_12-34—V_R3)，DCCLS执行切换控制环路指令，同时CPU调取与当前控制环路实时时滞τ＝0.18s最接近的历史时滞τ_h＝0.20s所对应的控制参数P暂时更新WAD控制参数，紧接着CPC重新计算控制环路L₂的控制参数并用最新的控制参数去再次更新WAD参数，WAD两次更新的控制参数P列于表1中。在仿真10s时发生相同的信道拥堵故障，但控制回路L₁的实时时滞由当前的τ＝0.40s变为τ＝0.70s，在此系统中分别接入传统时滞广域阻尼器TDWAD和具有冗余控制回路的时滞广域阻尼器RDWAD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，而接入具有冗余控制回路的广域时滞阻尼器后都能够得到有效抑制。

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)

1.一种具有冗余控制回路的电力系统广域阻尼器，由广域阻尼器WAD、时滞计算及控制回路切换模块DCCLS、控制参数计算模块CPC、控制参数存储器CPS和控制参数更新模块CPU五部分构成，根据广域电力系统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；DCCLS实时接收CPU发出的是否切换控制回路的指令S、执行控制回路切换，并能根据当前时刻与广域信号所带时标之差计算所有控制回路的时滞τ并送入CPU中以供决策；CPC则响应CPU发出的启动控制参数重新计算的启动信号F，并根据输入的控制回路时滞参数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和设计时刻t信息送入CPS保存，同时将设计结束时刻信息N传递给CPU；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和WAD当前控制参数的设计时滞τ_WAD和设计时刻t信息决定是否需要启动DCCLS切换控制回路以及如何切换控制回路、如何选择匹配的控制参数P；CPS承担存储控制参数P及其对应的设计时滞τ_WAD、设计时刻t信息，并接收CPU发送过来的调取控制参数的查询信号M，提供与当前控制回路对应的控制参数P给CPU；

CPC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：根据当前控制回路时滞τ，计算由于时滞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)为步骤8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：记录此刻的设计时刻t信息，并将计算所得的WAD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和设计时刻t信息送入CPS保存，同时将设计结束时刻信息N传递给CPU；

T13：返回T1；

CPU根据所有控制回路的实时时滞τ、WAD当前控制参数的设计时滞τ_WAD、CPS中保存的控制参数P和设计时刻t信息确定是否切换控制回路以及如何更新WAD的控制参数，具体运行步骤如下：

S1：在线监测当前控制回路的实时时滞τ，若当前控制回路的实时时滞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，否则继续S1；

S2：CPU根据DCCLS传递过来的所有控制回路实时时滞τ信息，选择其中时滞均值和均方差都小于设定阈值的控制回路集合α；再根据提前设定的优先级，选择优先级最高的控制回路；

S3：CPU向DCCLS发出切换控制回路指令S，向CPC发送重新启动控制参数计算的启动信号F，同时向CPS发送调取切换后控制回路的设计时滞τ_WAD最接近实时时滞τ的查询信号M；

S4：CPU接收从CPS传送过来的控制参数P、设计时滞τ_WAD和设计时刻t；

S5：CPU向WAD传递需要更新的控制参数P；

S6：CPU接收CPC传递过来的WAD控制参数设计结束时刻信号N，若当前时刻与信号N的差值小于或等于阈值Ω，则进入S7，否则返回S6继续等待；

S7：CPU向CPS发送调取当前控制回路设计时刻t最接近当前时刻的查询信号M；

S8：CPU接收从CPS传送过来的控制参数P、设计时滞τ_WAD和设计时刻t；

S9：CPU向WAD传递需要更新的控制参数P；

S10：返回S1。

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