基于灰预测设计电力系统稳定器毕业论文

基于灰预测设计电力系统稳定器 目 录 第一章绪论 1.1 研究背景与动机 1.2 国内外研究现状 1.3 研究方法与目的 1.4 论文主攻方向 第二章混合整数蚁行混合差分进化法 2.1 前言 2.2 模态展开理论 2.3 特征结构指定法 2.4 特征结构指定法于电力系统稳定器设计之应用 2.5 本 章小结 第三章适用于电力系统的最佳降阶理论 3.1 前言 3.2 最佳降阶理论 3.3 最佳降阶法于电力系统稳定器设计之应用 3.4 本章小结 第四章 次特征结构指定灰色预测稳定器之设计 4.1 前言 4.2 次特征结构指定法 4.3 灰色预测 4.4 模糊预测步距设计 4.5 本章小结 第五章结论及未来研究方向 5.1 结论 5.2 未来研究方向 参考文献 致谢 第一章 1.1研究背景与动机 由于工业发展与人口增加，用电需求量大增，为提供良好供电质量与提高系统稳定度，各电力系统间遂发展为互联电力系统(Interconnected power system)，传输距离增长，许多电力系统动态问题也因而产生，其中以影响动态稳定度之低频振荡 (Low-frequency oscillations)最为典型。低频振荡是发电机转轴与电力网 络间互动的动态行为，称为机电模态 (Electromechanical mode)，当发电厂远离负载中心时系统负载变动或故障发生就会容易引发自发性低频振荡1- 3，频率约在 0.1Hz2Hz 间；若系统有适当阻尼，则振荡在一段时间后会消失，但若系统阻尼不足，则造成振荡时间增长甚至在负阻尼系统中会使振幅增大，导致系统的稳定性大幅降低，轻者导致跳线跳机，重则造成系统崩溃解联。 1964 年美国太平洋岸 Northwest power pool 与 Southwest power pool 两系统首次试联时产生低 频振荡现象 4，当时两系统间之联络线出现约 0.1Hz 之低频摆动，在解联后两系统仍有低频振荡发生。台电于 1984 年首次发生低频振荡现象 5， 1990 年至 1992 年间亦发生 3 次低频振荡，频率约在 12Hz 间。 电力系统稳定度主要分为动态稳定度 (Dynamic stability)与瞬时稳定度 (Transient stability)6, 7。研究系统受到小干扰或自发性振荡时之行为称为动态稳定度分析，如负载变动所引发之低频振荡，此时系统动态特性可利用线性微分方程式或小讯号线性化系统来描述。 当电力系统机电模态阻尼不足，遇负载变动或故障干扰时容易引发低频振荡，欲改善系统阻尼可利用外加的辅助控制器，传送回授信号到发电机激磁系统的电压调整器 (Voltage regulator)输入端，即所谓的辅助激磁控制器 (Supplementary excitation controller)，一般称为电力系统稳定器 (Power System Stabilizer, PSS)8-14，装设电力系统稳定器被认为是改善系统动态稳定度经济有效的方法。 1.2 国内外研究现状 电力系统稳定器被 广泛用来抑制低频振荡， Demello和 Concordia 是最先在频域上做分析的学者 15， Byerly 提出修正 16，他们利用相位领先 -落 后 补 偿 器 ， 补 偿 电压 调 整 器 至 发 电 机 的 相 位 落 后 ， 提 供 正 阻 尼 抑 制 低 频 振荡，此领先 -落后补偿器设 计简单、便宜但 相关参数选取困难。 Yu、 Siggers 和 Moussa 提出利用线性最佳控制理论 解 回 授 增 益 之 最 佳 电 力 系 统 稳 定 器 17-19，他们利用所 有 状 态 变 量 回 授 ， 将 系 统 所 需 之 二 次 式 性 能 指 针(Quadratic performance index)最小化，以求出回授增益将状态 变量响应最佳化。但因其利用所有状态变量回授，部分状态无法量测，必须装设估测器，增加硬件成本，并降低系统的可靠度。 Hsu 提出次佳控制法 20，在多机系统中利用整体增益方式完成分离式设计，再利用单机输出回授求解二次式性能指针最小化，以求出回授增益。但因输出回授只影响部分特征结构，若未限定输出变量之物理特性，将无法使机电模态特征值达到所欲改善之效果，甚至产生不稳定之特征值。 多位学者提出自调式 (Self-tuning)稳定器 21-25，利用调适 律 (Adaptive law)来调整控制增 益，虽可在不同负载下 自行调整增益以提供良好的阻尼作用，但在应用时须实时取得输入与输出信号做系统鉴别，须有快速运算之设备才可发挥控制功效。滑动模式控制 (Sliding Mode Control, SMC) 又 称 可 变 结 构 控 制 (Variable Structure System, VSS)，于 1950 年代由前苏联学者提出，由于系统响应快速瞬时特性佳，亦被使用于电力系统稳定度控制26-29，但滑动模式中之切换向量选取不易，影响实际应用。 Feliach 提出最佳降阶理论 30, 31，在保留输出变量及系统物理特性下将系统模型降阶，再利 用降阶后之系统简化模型设计稳定器，如此可使用输出回授主控系统主极点变化，而对其他非主极点的影响降至最低简化系统设计，但因未采用分离式设计，在多机互联时，控制较为复杂。 Srinath 提出特征结构指法 32， Andery 提出补充 33，其 主 要 概 念 是 利 用 输 出 回 授 增 益 使 系 统 产 生 指 定 之 特 征结构，满足设计者要求。但因输出变量无法保证能主控系统特性，因此可能产生额外不理想之特征值，使特征结构指定失去意义。 1.3 研究方法与目的 本文之研究方法如下： 分析特征结构的意义，并研究特征结构指定理论于电力系统中之应用 。 研究最佳降阶理论，探讨输出变量主控系统主极点之可行性。 研究经由最佳降阶理论限制输出变量特性，推导出不会产生额外不良特征值之次特征结构指定法。 研究灰色理论预测性，并探讨其在电力系统中的应用。 推导输出回授最佳化分离设计理论，使多机系统在利用输出回授建立整体增益后，能达成采单机回授控制之分离式设计目的。 研 究 次 特 征 结 构 指 定 法 应 用 于 滑 动 模 式 切 换 向 量选取之可行性。 应 用 前 六 项 之 结 论 设 计 次 特 征 结 构 指 定 灰 色 预 测稳 定 器 与 分 离 式 滑 动 模 式 灰 色 预 测 稳 定 器 两 种 灰 预 测 稳定器，并利用多机系统探讨其动态稳定 度。 研究目的如下 研究次特征结构指定法，利用最佳降阶理论使输出变 量 具 备 掌 控 系 统 主 极 点 能 力 ， 可 有 效 指 定 所 需 特 征 结构，又可避免产生不良之特征值。 将灰色理论导入电力系统稳定器设计中，应用灰色预测器预估系统状态，抵消因取样、信号传送、计算等造成之时间延迟，提高稳定器控制信号准确度。 应用模糊理论调整预测步距，使预测器在不同状态下可得到适当的预测步距，提高预测之准确度，使整体控制性能更加完善。 1.4 论文主攻方向 分析各种稳定器设计的主要缺点为：状态回授若只考虑主极点位置，未顾及特征向量， 则无法满足大型电厂内各机组间振荡模态协调与设定的要求 ；若未使用输出回授，就必须设置状态估测器，将提高设备成本并降低系统可靠度 ；使用输出回授时若输出变量无法主控系统特性，容易产生额外不理想主极点，影响系统响应 ；传统特征结构指定法虽可完全指定系统所需特征结构，却可能产生主控系统之振荡模态，使原指定之特征结构失去意义 ；若无有效实用之设计法则选取滑动模式之切换增益，则会影响滑动模式在电力系统中之实用性 ；区域互联系统各发电厂间互动关系复杂，若未使用分离式设计，则会增加设计难度并降低设计的实用性 ；回授讯号经 取样回馈至稳定器，再经稳定器运算产生控制信号至激磁系统，所经 历 之 时 间 延 迟 将 使 控 制 信 号 无 法 满 足 系 统 状 态 实 际 需求。 综合以上稳定器设计缺失，理想的稳定器设计需能够满足下列要求 :区域互联网络须采分离式设计，使各机组可使用自己的回授信号设计稳定器，解决信号传送的问题，简化设计程序 ；使用输出回授且确定输出变量能主控系