CN109149603B - 一种多通道电力系统稳定器控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多通道电力系统稳定器控制方法，涉及电力系统稳定与控制技术领域，通过采集当前计算周期内的振荡信号，计算出多通道电力系统稳定器在不同控制方式下的组合控制信号，进而计算在不同组合控制信号下，下一计算周期目标信号的值。然后根据目标信号计算指标函数的值，最后选取指标函数最小的控制组合信号作为实际多通道电力系统稳定器输出信号。该方法可以根据电力系统的运行状态及时调整电力系统稳定器的作用通道，具有良好的动态性能和较强的鲁棒性，对系统运行状态变化和多种扰动的适应性强。

Description

一种多通道电力系统稳定器控制方法

技术领域

本发明涉及电力系统稳定与控制技术领域，特别是涉及一种多通道电力系统稳定器控制方法。

背景技术

在西电东送、南北互联的基本格局下，我国将逐渐形成全国互联的大规模电网，各区域电网的互联使得电力系统的经济性和可靠性大大提高，同时也使得电力系统低频振荡问题日益突出。低频振荡主要表现为发电机的转子角、转速，以及相关电气量，如线路功率、母线电压等发生近似等幅或增幅的振荡。

低频振荡产生的主要原因是系统阻尼不足，电力系统稳定器是目前使用最为广泛的提高系统阻尼从而抑制低频振荡的设备。它是发电机励磁系统的附加控制，其输出信号叠加在发电机励磁电压的参考电压上，通过对参考电压的调节改变发电机机端电压，提高对应振荡模式的阻尼，从而抑制低频振荡。目前采用较多的PSS为单分支型电力系统稳定器，如PSS1A、PSS2A、PSS2B等。随着区域电网的大规模互联，低频振荡的振荡模式增多，单分支型电力系统稳定器对低频振荡的抑制效果欠佳，加拿大魁北克电力局于提出了多频段电力系统稳定器PSS4B。PSS4B将输入信号分为低、中、高三个频段，可分别调节相位、増益等参数，为不同频段提供合适的补偿相角。但是近年来电力电子设备在电网中渗透率不断提高，电力系统惯性大大降低，导致电力系统功率振荡频率范围进一步拓宽，简单的将输入信号分为低、中、高三个频段已经不能满足抑制系统功率振荡的要求。

此外，在参数整定方面，多频段电力系统稳定器相比单分支电力系统稳定器参数数量大大增加，参数整定较为灵活，各频段参数之间容易相互影响，参数整定难度较大。目前投入实际生产的大多采用加拿大魁北克电力局提供的一组适应性相对较高的参数，但是该组参数仍然难以在电网运行方式复杂多变和多种扰动的情况下提供足够的阻尼。还有学者提出了利用粒子群算法、和声捜索算法与细菌觅食算法等优化算法对多频段电力系统稳定器参数进行整定，但是计算过程比较的复杂，且容易陷入局部最优。并且难以保证在多种运行情况和扰动情况下均具有良好的阻尼效果，目前还未投入实际应用。因此亟需一种计算过程简单，便于实际工程应用，且能够满足抑制频率范围不断拓宽的系统功率振荡的电力系统稳定器控制方法。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种计算过程简单，便于实际工程应用，且能够满足抑制频率范围不断拓宽的系统功率振荡的多通道电力系统稳定器控制方法。

技术方案：为达到此目的，本发明采用以下技术方案：

本发明所述的多通道电力系统稳定器控制方法，包括以下步骤：

S1：采集第k个计算周期的振荡信号x[k]；

S2：将x[k]作为第1,2,3……,I个通道的输入信号，分别计算出第1,2,3……,I个通道的输出信号y₁[k],…,y_I[k]，其中y_i[k]为第i个通道的输出信号，i＝1,2,3,……,I，I为通道总数；

S3：从I个通道的输出信号中任选Q个进行叠加，Q＝1,2,3……,I，共有M种组合方式，M＝C_I ^Q，其中第j种组合方式生成的组合控制信号为S_j[k]，j＝1,2,3,……,M；

S4：分别计算出S₁[k],…,S_M[k]作为多通道电力系统稳定器的输出信号时，下一个计算周期目标信号的值O₁[k+1]，...，O_M[k+1]，其中，O_j[k+1]＝[O_j1[k+1]，...，O_jR[k+1]]，R为目标信号总数，O_jr[k+1]为S_j[k]作为多通道电力系统稳定器的输出信号时下一个计算周期第r个目标信号的值，r＝1,2,3,……,R；

S5：根据下一个计算周期目标信号的值O₁[k+1]，...，O_M[k+1]计算指标函数g₁[k+1]，...，g_M[k+1]，其中，通过O_j[k+1]计算g_j[k+1]的过程为：

式(1)中，λ_jr为目标信号O_jr[k+1]的权重系数；

S6：选择指标函数g₁[k+1]，...，g_M[k+1]中数值最小的指标函数所对应的组合方式作为当前周期的通道组合，将该组合方式对应的组合控制信号作为多通道电力系统稳定器的实际输出信号U[k]；

S7：令k＝k+1，回到步骤S1。

进一步，所述步骤S1中振荡信号为发电机转速、发电机有功功率、联络线上的有功功率或母线电压频率中的任一种。

进一步，所述步骤S2中，y_i[k]的离散域表达式y_i(z)根据式(2)得到：

y_i(z)＝x(z)G_i(z) (2)

式(2)中，x(z)为x[k]的离散域表达式，G_i(z)为多通道电力系统稳定器的第i个通道传递函数的离散域表达式。

进一步，所述步骤S3中，S_j[k]根据式(3)得到：

式(3)中，y_q为第j种组合方式包含的通道的第q个输出信号。

进一步，所述步骤S4中，O_jr[k+1]的离散域表达式O_jr(z)根据式(4)得到：

O_jr(z)＝S_j(z)G_r(z) (4)

式(4)中，S_j(z)为S_j[k]的离散域表达式，G_r(z)为多通道电力系统稳定器输出信号到第r个目标信号传递函数的离散域表达式。

有益效果：本发明公开了一种多通道电力系统稳定器控制方法，与现有技术相比，具有如下的有益效果：

1)本发明可以根据电力系统的运行状态及时调整，具有良好的动态性能和较强的鲁棒性，对系统运行状态变化和多种扰动的适应性强；

2)本发明中最终的控制方式是从I条通道的任意组合中选取出的最优方案，相比于多频段电力系统稳定器所有通道同时作用的控制方式，避免了某些通道之间交互影响降低控制效果的情况出现；

3)本发明的指标函数考虑了多种目标信号，并通过调整权重改变不同目标信号的重要程度，可以综合抑制系统中多处振荡，达到多目标协调优化的效果。

4)本发明控制方法简单，各通道可以针对不同的振荡模式独立设计，简化了参数设计过程，便于工程人员理解和应用。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中的控制框图；

图2为本发明具体实施方式中四机两区域系统的示意图；

图3为本发明具体实施方式中安装在发电机G1上的多通道电力系统稳定器结构图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步的介绍。

下面在四机两区域系统中，如图2和3所示，以发电机G1上的多通道电力系统稳定器的控制方法为例说明本发明的具体实施方式。

选择输入信号为发电机G1的有功功率，考虑系统中3种振荡模式，则多通道电力系统稳定器含有3个通道，其结构如图3所示。每个通道第一个环节为量测环节，T_r2、T_r2、T_r3分别为通道1、2和3的量测回路时间常数。第二个环节为隔直滤波环节，T_w1、T_w2、T_w3分别为通道1、2和3的隔直时间常数。第三个环节为增益环节，K₁、K₂和K₃分别为通道1、2和3的增益。第四和第五环节为相位补偿环节，T₁₁、T₁₂、T₁₃、T₁₄，T₂₁、T₂₂、T₂₃、T₂₄和T₃₁、T₃₂、T₃₃、T₃₄分别为通道1、2和3的相位补偿环节时间常数。

三个振荡模式频率分别为0.64Hz、1.25Hz和1.50Hz，采用相位补偿法对3个通道参数分别进行设计，具体参数如表1所示。

表1 三个通道参数

通道序号i	模态频率	T<sub>ri</sub>	T<sub>wi</sub>	K<sub>i</sub>	T<sub>i1</sub>	T<sub>i2</sub>	T<sub>i3</sub>	T<sub>i4</sub>
									1	0.64Hz	0.001s	0.10	40	0.1383	0.0277	0.1383	0.0277
2	1.25Hz	0.001s	0.05	20	0.0513	0.0051	0.0513	0.0051
									3	1.50Hz	0.001s	0.03	30	0.0036	0.0356	0.0036	0.0356

在联络线7-8上添加三相短路故障，采用本具体实施方式公开的一种多通道电力系统稳定器控制方法，控制框图如图1所示，方法包括以下步骤：

S1：采集第k个计算周期的振荡信号x[k]，值为0.16pu。该信号为发电机G1的输出功率信号。

S2：将x[k]作为第1,2,3个通道的输入信号，分别计算出第1,2,3个通道的输出信号y₁[k],y₂[k],y₃[k]。

y₁[k],y₂[k],y₃[k]的离散域表达式y₁(z)、y₂(z)、y₃(z)根据式(2)得到：

式(2)中，x(z)为x[k]的离散域表达式，G_P1(z)、G_P2(z)、G_P3(z)分别为多通道电力系统稳定器的第1、2、3个通道传递函数G_P1(s)、G_P2(s)、G_P3(s)的离散域表达式。

G_P1(s)、G_P2(s)、G_P3(s)的表达式可以根据图3和表1得到，具体表达式为：

S3：从3个通道的输出信号中任选1个进行叠加，有3种组合方式；任选2个进行叠加，有3种组合方式；任选3个进行叠加，有1种组合方式；所以共有7种组合方式。其中第j种组合方式生成的组合控制信号为S_j[k]，j＝1,2,3,……,7。

S_j[k]根据式(4)得到：

式(4)中，y_q为第j种组合方式包含的通道的第q个输出信号。Q为第j种组合方式包含的通道的输出信号的个数，1≤Q≤3。根据该公式计算出这7种控制方式生成的组合控制信号和具体数值如表2所示。

表2 7种控制方式生成的组合控制信号和具体数值

S4：分别计算出S₁[k],…,S₇[k]作为多通道电力系统稳定器的输出信号时，下一个计算周期目标信号的值O₁[k+1]，...，O₇[k+1]，其中，O_j[k+1]＝[O_j1[k+1]，...，O_j5[k+1]]，O_jr[k+1]为S_j[k]作为多通道电力系统稳定器的输出信号时下一个计算周期第r个目标信号的值，r＝1,2,3,……,5。O_j1[k+1]、O_j2[k+1]、O_j3[k+1]和O_j4[k+1]分别为下一个计算周期发电机G1、G2、G3和G4的输出功率，O_j5[k+1]为下一个计算周期联络线7-8传输功率。

O_jr[k+1]的离散域表达式O_jr(z)根据式(4)得到：

O_jr(z)＝S_j(z)G_r(z) (5)

式(5)中，S_j(z)为S_j[k]的离散域表达式，G_r(z)为多通道电力系统稳定器输出信号到第r个目标信号传递函数的离散域表达式，通过测试信号法获得。

S5：根据下一个计算周期目标信号的值O₁[k+1]，...，O₇[k+1]计算指标函数g₁[k+1]，...，g₇[k+1]，其中，通过O_j[k+1]计算g_j[k+1]的过程为：

式(6)中，λ_jr为目标信号O_jr[k+1]的权重系数。重点考虑联络线7-8上振荡和本机G1的振荡，因此权重系数数值设置为λ_j1＝0.2，λ_j2＝0.1，λ_j3＝0.1，λ_j4＝0.1，λ_j5＝0.5。计算得到的指标函数的值如表2所示。

S6：选择指标函数g₁[k+1]，...，g_M[k+1]中数值最小的指标函数所对应的组合方式作为当前周期的通道组合，根据表2可得，当前周期选择第2种作为当前周期的通道组合，将对应的S₂[k]作为多通道电力系统稳定器的实际输出信号U[k]。

S7：令k＝k+1，回到步骤S1。

由以上步骤可见，

1)本方法在每个计算周期均从3条通道的任意组合中选取出的最优方案，相比于多频段电力系统稳定器所有通道同时作用的控制方式，避免了某些通道之间交互影响降低控制效果的情况出现。

2)本方法在每个计算周期均根据实际采集的振荡信号选择控制信号，因此能够根据电力系统的运行状态及时调整，对系统运行状态变化和多种扰动的适应性强。

3)实施例中的指标函数考虑了5种控制信号，可以综合抑制发电机G1-G4以及联络线上的振荡，并通过调整权重重点抑制G1和联络线7-8的振荡，达到多目标协调优化的效果。

4)本发明控制方法简单，各通道可以针对不同的振荡模式独立设计，简化了参数设计过程，便于工程人员理解和应用。

Claims (5)

1.一种多通道电力系统稳定器控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：采集第k个计算周期的振荡信号x[k]；

S2：将x[k]作为第1,2,3……,I个通道的输入信号，分别计算出第1,2,3……,I个通道的输出信号y₁[k],…,y_I[k]，其中y_i[k]为第i个通道的输出信号，i＝1,2,3,……,I，I为通道总数；

S3：从I个通道的输出信号中任选Q个进行叠加，Q＝1,2,3……,I，共有M种组合方式，其中第j种组合方式生成的组合控制信号为S_j[k]，j＝1,2,3,……,M；

S4：分别计算出S₁[k],…,S_M[k]作为多通道电力系统稳定器的输出信号时，下一个计算周期目标信号的值O₁[k+1]，...，O_M[k+1]，其中，O_j[k+1]＝[O_j1[k+1]，...，O_jR[k+1]]，R为目标信号总数，O_jr[k+1]为S_j[k]作为多通道电力系统稳定器的输出信号时下一个计算周期第r个目标信号的值，r＝1,2,3,……,R；

S5：根据下一个计算周期目标信号的值O₁[k+1]，...，O_M[k+1]计算指标函数g₁[k+1]，...，g_M[k+1]，其中，通过O_j[k+1]计算g_j[k+1]的过程为：

式(1)中，λ_jr为目标信号O_jr[k+1]的权重系数；

S6：选择指标函数g₁[k+1]，...，g_M[k+1]中数值最小的指标函数所对应的组合方式作为当前周期的通道组合，将该组合方式对应的组合控制信号作为多通道电力系统稳定器的实际输出信号U[k]；

S7：令k＝k+1，回到步骤S1。

2.根据权利要求1所述的多通道电力系统稳定器控制方法，其特征在于：所述步骤S1中振荡信号为发电机转速、发电机有功功率、联络线上的有功功率或母线电压频率中的任一种。

3.根据权利要求1所述的多通道电力系统稳定器控制方法，其特征在于：所述步骤S2中，y_i[k]的离散域表达式y_i(z)根据式(2)得到：

y_i(z)＝x(z)G_i(z) (2)

式(2)中，x(z)为x[k]的离散域表达式，G_i(z)为多通道电力系统稳定器的第i个通道传递函数的离散域表达式。

4.根据权利要求1所述的多通道电力系统稳定器控制方法，其特征在于：所述步骤S3中，S_j[k]根据式(3)得到：

式(3)中，y_q为第j种组合方式包含的通道的第q个输出信号。

5.根据权利要求1所述的多通道电力系统稳定器控制方法，其特征在于：所述步骤S4中，O_jr[k+1]的离散域表达式O_jr(z)根据式(4)得到：

O_jr(z)＝S_j(z)G_r(z) (4)

式(4)中，S_j(z)为S_j[k]的离散域表达式，G_r(z)为多通道电力系统稳定器输出信号到第r个目标信号传递函数的离散域表达式。