CN112531736B - 一种电力系统区域间振荡抑制的广域阻尼控制器设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力系统规划与运行领域，是一种电力系统区域间振荡抑制的广域阻尼控制器设计方法。通过状态空间模型辨识和电力系统传递函数辨识、模型预测控制器的原理与设计、模态分析和模态形状识别，根据阻尼不足的临界区间振荡模式，构造自适应广域阻尼控制器型模数转换器，通过模数转换器向发电机发送控制信号，调整参数以增加目标振荡模式的阻尼。能够实现对电力系统进行低频振荡的抑制，使电力系统安全、稳定运行。具有方法科学合理，适用性强，效果佳等优点。

Description

一种电力系统区域间振荡抑制的广域阻尼控制器设计方法

技术领域

本发明涉及电力系统规划与运行领域，是一种电力系统区域间振荡抑制的广域阻尼控制器设计方法。

背景技术

随着风电、光伏等新能源的快速发展，电网低惯量和弱阻尼问题越加突出，在电力系统中低频振荡的问题开始收到广泛的关注。由于电网互联规模越来越大，区域间机电振荡已成为现代电力系统安全和经济运行的最严重威胁之一。基于本地测量的含抽水蓄能的电力系统稳定器(LPSS)在抑制本地振荡模式方面已经成熟，但在抑制区域间模式方面的有效性有限。在现代电力系统中，广域测量系统的应用已经影响到电力工程中先进技术的发展前景，特别是在电力系统测量、监测、保护和控制方面。随着广域测量系统的出现，许多基于远程信号的电力系统稳定器被设计用来抑制区域间振荡模式。提出一种电力系统区域间振荡抑制的广域阻尼控制器设计方法，对于分析和抑制低频振荡具有重要意义。

发明内容

本发明目的是提供一种科学合理，适用性强，效果佳的一种电力系统区域间振荡抑制的广域阻尼控制器设计方法，利用本方法能够通过模型预测控制有效改善区域间电力系统的功率振荡，提出了将最大功率控制用于阻尼控制器，以便更有效的防止和抑制低频振荡，使风电并网电力系统安全、稳定运行。

本发明的技术方案是：一种电力系统区域间振荡抑制的广域阻尼控制器设计方法，它包括以下步骤：

（1）状态空间模型辨识和电力系统传递函数的辨识

状态空间模型辨识方法：

（a）从输入输出数据(u，y)形成输入块Hankel矩阵[Up Uf]和输出块Hankel矩阵[Yp Yf]。

计算过去的输入输出块汉克尔矩阵。

（b）计算未来输出沿未来输入到过去的倾斜投影。

（c）计算SVDC斜投影, 通过检查奇异值来确定顺序，并将SVDC分割得到U ₁、S ₁。

（d）确定扩展可观矩阵。

（f）确定状态序列的估计值。

（g）提取系统矩阵的估计值。

电力系统传递函数的辨识方法：

系统输出信号y(t)可以在系统扰动下获得；拟合y(t)得到输出的拟合函数；然后通过y (t)的拉普拉斯变换得到Y(s)；输入函数可以由拉普拉斯变换的输入函数得到：

其中：Y(s)为输出信号，U（S）为输入信号，G（S）为传递函数。

(2)模态分析和模态形状识别

为了设计自适应广域阻尼控制器转换器，需要从测量中导出线性化状态空间模型和临界区间振荡模式的相关信息；采用子空间系统辨识技术利用实测信号在线推导电力系统低频振荡参数，以确定是否采用WADC抑制区域间振荡；离散时间状态矩阵可以表示如下:

其中：η_i是离散时间系统的特征值，ψ是离散时间系统的特征向量矩阵，A_d为离散时间状态矩阵。

连续时间系统特征值λ_i可以由离散系统特征值η_i计算得到：

然后振荡模式参数可以计算为:ψ

其中：f_i是振荡频率，ζ_i是阻尼比，振荡模式形状矩阵Ф可以计算为模式可观测性矩阵。

(3)模型预测控制

模型预测控制(MPC)的目标是通过调整控制信号将系统输出保持在参考值；在每个采样时刻，模型预测控制器根据可用的测量值估计当前状态；如果测量了所有状态，状态估计仅考虑噪声对测量的影响；模型预测控制器优化是在有限的范围内进行的，并且是受约束的。通过求解优化问题，得到k时刻的最大功率控制动作：

其中：ω_i,j ^∆u是在i步骤开始控制信号j的速率权重，ω_i,j ^y是输出结果j的权重，r_j(i)是时间步长的设定点，i,k是电流步长的设定点，n _y 是输出的数量，是控制信号j在时间步长的调整，k+i基于时间步长的测量，k,和n _u 是控制信号的数量，u _j,min , u _j,min , 分别是控制信号和控制信号变化的下限和上限。

(4)自带MPC的自适应WADC型模数转换器的设计

现在考虑加入WADCi来改善振荡模式i的阻尼；新系统传递函数有以下特征函数:

其中: H_WADCi (s) 为广域阻尼控制器的传递函数，G(s)为系统的传递函数，λ_i为系统的特征值，R_i为分子表达式，s为拉普拉斯算子。

本发明的优点是：通过状态空间模型辨识和电力系统传递函数辨识、模型预测控制器的原理与设计、模态分析和模态形状识别，根据阻尼不足的临界区间振荡模式，构造自适应WADC型模数转换器，通过模数转换器向发电机发送控制信号，调整参数以增加目标振荡模式的阻尼。具有方法科学合理，适用性强，效果佳等优点。

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

附图说明

图1为本发明电力系统稳定器自适应WADC激励器模型。

图2为本发明所使用的4机2区域含抽蓄系统图。

图3为本发明所使用的4机2区域含抽蓄系统不同控制方案下Pe的控制效果。

图4为本发明所使用的4机2区域含抽蓄系统不同控制方案下同步机频率的控制效果。图5为本发明所使用的4机2区域含抽蓄系统不同控制方案下功率的控制效果。

具体实施方式

一种电力系统区域间振荡抑制的广域阻尼控制器设计方法， 包括以下步骤：

1）状态空间模型辨识和电力系统传递函数的辨识

状态空间模型辨识方法：

a)从输入输出数据(u，y)形成输入块Hankel矩阵[Up Uf]和输出块Hankel矩阵[YpYf]。

b)计算过去的输入输出块汉克尔矩阵。

c)计算未来输出沿未来输入到过去的倾斜投影。

d)计算SVDC斜投影, 通过检查奇异值来确定顺序，并将SVDC分割得到U ₁、S ₁。

e)确定扩展可观矩阵。

f)确定状态序列的估计值。

g)提取系统矩阵的估计值。

电力系统传递函数的辨识方法：

系统输出信号y(t)可以在系统扰动下获得。拟合y(t)得到输出的拟合函数。然后通过y (t)的拉普拉斯变换得到Y(s)。输入函数可以由拉普拉斯变换的输入函数得到：

其中：Y(s)为输出信号，U（S）为输入信号，G（S）为传递函数。

2）模态分析和模态形状识别

为了设计自适应广域阻尼控制器（WADC）转换器，需要从测量中导出线性化状态空间模型和临界区间振荡模式的相关信息。采用子空间系统辨识技术利用实测信号在线推导电力系统低频振荡参数，以确定是否采用WADC抑制区域间振荡。离散时间状态矩阵可以表示如下:

其中：η_i是离散时间系统的特征值，ψ是离散时间系统的特征向量矩阵，A_d为离散时间状态矩阵；

连续时间系统特征值λ_i可以由离散系统特征值η_i计算得到：

然后振荡模式参数可以计算为:

其中：f_i是振荡频率，ζ_i是阻尼比，振荡模式形状矩阵Ф可以计算为模式可观测性矩阵。

3）模型预测控制

模型预测控制(MPC)的目标是通过调整控制信号将系统输出保持在参考值。在每个采样时刻，模型预测控制器根据可用的测量值估计当前状态。如果测量了所有状态，状态估计仅考虑噪声对测量的影响。模型预测控制器优化是在有限的范围内进行的，并且是受约束的。通过求解优化问题，得到k时刻的最大功率控制动作：

其中：ω_i,j ^∆u是在i步骤开始控制信号j的速率权重，ω_i,j ^y是输出结果j的权重，r_j(i)是时间步长的设定点，i,k是电流步长的设定点，n _y 是输出的数量，是控制信号j在时间步长的调整，k+i基于时间步长的测量，k,和n _u 是控制信号的数量，u _j,min , u _j,min , 分别是控制信号和控制信号变化的下限和上限。

4）自带MPC的自适应WADC型模数转换器的设计

现在考虑加入WADCi来改善振荡模式i的阻尼；新系统传递函数有以下特征函数:

其中: H_WADCi (s) 为广域阻尼控制器的传递函数，G(s)为系统的传递函数，λ_i为系统的特征值，R_i为分子表达式，s为拉普拉斯算子。

本发明所提出电力系统稳定器自适应WADC激励器模型，如图1所示，主要服务于以下两项功能：可以抑制本地和区域间振荡；若自适应模数转换器由于数据丢失或网络故障无法工作，独立LPSS保持独立运行，并能抑制本地振荡模式，并为区域间振荡模式提供一定的阻尼。

选用IEEE4机2区域含抽水蓄能算例系统被选为基准系统，如图2所示，用于评估所提出的基于MPC的自适应广域阻尼控制方案的性能。图3、图4、图5绘制了上述情况下的选定线路的有功功率、同步机有功功率、频率，这些情况下没有WADC模数转换器，仅LPSS，以及W模数转换器-MPC加LPSS。由于关键区域间振荡模式中的阻尼不足，如果仅安装低功率固态继电器，系统将需要相当长的时间才能稳定下来。然而，借助于所提出的自适应WADC模数转换器-最大功率控制。

Claims (1)

1.一种电力系统区域间振荡抑制的广域阻尼控制器设计方法，它包括以下步骤：

（1）状态空间模型辨识和电力系统传递函数的辨识

状态空间模型辨识方法：

（a）从输入输出数据(u，y)形成输入块Hankel矩阵[Up Uf]和输出块Hankel矩阵[YpYf]；

计算过去的输入输出块汉克尔矩阵；

（b）计算未来输出沿未来输入到过去的倾斜投影；

（c）计算SVDC斜投影, 通过检查奇异值来确定顺序，并将SVDC分割得到U ₁、S ₁；

（d）确定扩展可观矩阵；

（f）确定状态序列的估计值；

（g）提取系统矩阵的估计值；

电力系统传递函数的辨识方法：

系统输出信号y(t)可以在系统扰动下获得；拟合y(t)得到输出的拟合函数；然后通过y(t)的拉普拉斯变换得到Y(s)；输入函数可以由拉普拉斯变换的输入函数得到：

其中：Y(s)为输出信号，U（S）为输入信号，G（S）为传递函数；

(2)模态分析和模态形状识别

为了设计自适应广域阻尼控制器转换器，需要从测量中导出线性化状态空间模型和临界区间振荡模式的相关信息；采用子空间系统辨识技术利用实测信号在线推导电力系统低频振荡参数，以确定是否采用WADC抑制区域间振荡；离散时间状态矩阵可以表示如下:

其中：η_i是离散时间系统的特征值，ψ是离散时间系统的特征向量矩阵，A_d为离散时间状态矩阵；

连续时间系统特征值λ_i可以由离散系统特征值η_i计算得到：

然后振荡模式参数可以计算为:ψ

其中：f_i是振荡频率，ζ_i是阻尼比，振荡模式形状矩阵Ф可以计算为模式可观测性矩阵；

(3)模型预测控制

模型预测控制(MPC)的目标是通过调整控制信号将系统输出保持在参考值；在每个采样时刻，模型预测控制器根据可用的测量值估计当前状态；如果测量了所有状态，状态估计仅考虑噪声对测量的影响；模型预测控制器优化是在有限的范围内进行的，并且是受约束的；通过求解优化问题，得到k时刻的最大功率控制动作：

其中：ω_i,j ^∆u是在i步骤开始控制信号j的速率权重，ω_i,j ^y是输出结果j的权重，r_j(i)是时间步长的设定点，i,k是电流步长的设定点，n _y 是输出的数量，是控制信号j在时间步长的调整，k+i基于时间步长的测量，k,和n _u 是控制信号的数量，u _j,min , u _j,min , 分别是控制信号和控制信号变化的下限和上限；

(4)自带MPC的自适应WADC型模数转换器的设计

现在考虑加入WADCi来改善振荡模式i的阻尼；新系统传递函数有以下特征函数:

其中: H_WADCi (s) 为广域阻尼控制器的传递函数，G(s)为系统的传递函数，λ_i为系统的特征值，R_i为分子表达式，s为拉普拉斯算子。