（电力系统及其自动化专业论文）基于ssa和gats算法的阻尼控制器协调设计研究.pdf

a b s t r a c t a l o n gw i t h t h ei n t e r c o n n e c t i o no fl a r g ea r e a p o w e rg r i d a n dt h e g r a d u a l i m p l e m e n t a t i o no fe l e c t r i cp o w e rm a r k e ti nc h i n a ，l o wf r e q u e n c yo s c i l l a t i o nh a s b e c o m eap r o m i n e n tp r o b l e mo fs y s t e mo p e r a t i o n s t h ef l e x i b l ea ct r a n s m i s s i o n s y s t e m ( f a c t s ) e q u i p m e n tp r o v i d e s an e wc o n t r o lm e t h o df o r s u p p r e s s i n gl o w f r e q u e n c yo s c i l l a t i o n s ，b u t i ta l s oi n d u c e sa ne x t r ap r o b l e mo r c h a l l e n g e t ot h e i n v e s t i g a t i o no ft h es y s t e ms m a l l s i g n a ls t a b i l i t y t h i sp a p e rs t u d i e dn e wm e t h o d si n t h ep a r a m e t e rc o o r d i n a t i o nd e s i g no fp s sa n df a c t sd a m p i n gc o n t r o l l e r sf o r i m p r o v i n gs m a l ls i g n a ls t a b i l i t yo fs y s t e m s a no b j e c t i v ef u n c t i o nc o n s t r u c t e dw i t ht h ec o n c e p to fe i g n v a l u e sa n dd a m p i n g r a t i o so fm u l t i p l eo p e r a t i n gc o n d i t i o n so fs y s t e m si s p r e s e n t e d r o b u s t n e s so ft h e d a m p i n gc o n t r o l l e r si se n s u r e db e c a u s em u l t i p l eo p e r a t i n gc o n d i t i o n sa r ec o n s i d e r e d i nt h ed a m p i n gc o n t r o l l e rd e s i g n b a s e do nas i m p l e x s i m u l a t e da n n e a l i n g ( s s a ) a l g o r i t h m ，t h i sp a p e rp r e s e n t s a na p p r o a c hf o ro p t i m a lc o o r d i n a t i o nd e s i g no fp a r a m e t e r so f b o t hp s sa n dt h y r i s t o r c o n t r o l l e ds e r i e sc o m p e n s a t o rf r c s c ) d a m p i n gc o n t r o l l e r av a l i d e x a m p l ei s d e m o n s t r a t e do nt h e 4 - g e n e r a t o r 1 1 一b u st e s t s y s t e m e i g e n v a l u ea n a l y s i s a n d n o n l i n e a rs i m u l a t i o nr e s u l t s v e r i f y t h a tt h e p r o p o s e d p s sa n dt c s cd a m p i n g c o n t r o l l e rc a np r o v i d es u f f i c i e n td a m p i n gt ol o wf r e q u e n c yo s c i l l a t i o n si nd i f f e r e n t o p e r a t i o nm o d e s ah y b r i do p t i m i z a t i o na p p r o a c hb a s e do ng e n e t i ca l g o r i t h m ( g a ) a n dt a b u s e a r c h 盯s ) f o rc o o r d i n a t i o nd e s i g n i n gt h ep a r a m e t e r s o f b o t hp o w e rs y s t e m s t a b i l i z e r ( p s s ) a n d s t a t i cv a rc o m p e n s a t o r ( s v c ) d a m p i n gc o n t r o l l e ri sa l s o p r e s e n t e d t h i sa p p r o a c ha d o p t st a b us e a r c ha sg a m u t a t i o no p e r a t o ra n dp o s s e s s e s a d v a n t a g e so fb o t hg a a n dt s a n dh a ss t r o n g e ra b i l i t yo fl o c a ls e a r c ht h a nc o m m o n g e n e t i ca l g o r i t h m s i m u l a t i o nt e s ti sm a d eo nt h e1 0 - m a c h i n en e we n g l a n dt e s t p o w e rs y s t e m r e s u l to fe i g e n v a l u ea n a l y s i sv e r i f i e st h a tt h ed e s i g nm e t h o dc a ns h i f t e i g e n v a l u e si n t ot h es p e c i f i e da r e ao nt h ec o m p l e xp l a n e ，a n dt h a tt h ep s sa n ds v c d a m p i n gc o n t r o l l e r sc a np r o v i d es u f f i c i e n td a m p i n gf o rl o wf r e q u e n c yo s c i l l a t i o n s o c c u r r e di nd i f f e r e n to p e r a t i n gc o n d i t i o n s t h ec o n v e r g e n c ea n dt i m ec o s to ft h et h r e e a l g o r i t h m sa r ec o m p a r e d ，a n dt h er e s u l ts h o w sg a t sh y b r i da l g o r i t h mp r o v i d e sb e t t e r i i p e r f o r m a n c et h a ng a a n dg e n e t i cs i m u l a t e da n n e a l i n g ( g a s a ) h y b r i da l g o r i t h m k e yw o r d ：p o w e rs y s t e m ；l o wf r e q u e n c yo s c i l l a t i o n ；f l e x i b l ea ct r a n s m i s s i o n s y s t e m ；d a m p i n gc o n t r o l l e r ；e i g n v a l u e sa n a l y s i s ；i n t e l l i g e n to p t i m i z a t i o n a l g o r i t h m s i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：并刁和 签字日期：卅年，月，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘洼盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：辛牛 签字日期州 年月 一日 导师签名：。j 豸水、宇 签字日期：州年月9日 第一章绪论 1 。1 霉| 富 第一章绪论 随满各大区域电网的飘联，我国的互联电力系统成为世界上少有的超大规模 同步交流系统之一。电网飘联技术可以合理利用能源资源，提供相飘支援，极大 地掇岗发瞧和输电的经济w 纛性，但它同时也带来了一些掰的闻鼷。随着电力鼹 络蔓鼗程度豹苓毽捷毫，系绫蘧采越庞大，逡纷方式越来越复杂，爨涯系统安全 可靠逡行的难度也越来越大，使电网的安全稳定问题越来越突如。 电力市场机制在我国电力系统中已经开始试点，其全面实施只是时间问题。 电力系统运行方式将更加复杂多变。同时，由于经济、环境等因素的制约，系统 结构髡法得到根本的加强。为充分挖掘电网输送电的潜力，满足系统运行需要， 电力系绞垮会运嚣在曼接主鍪稳定援袋豹方式，遮褥遗一步鸯羹襞系缝戆不稳定佳。 电力系统稳定性主鼗攒电力系统在正常运行状态下能保持在一个运行点运 行的能力和在受到干扰的情况下，经历一段暂森过程后，能恢复别某一可接受的 稳态运行状态的能力i ”。根据稳定性问题的本质、失稳原因、分析对象及其分析 方法的不同，通常将稳定饿问题分为大干扰稳定闻题( 通常称为暂态稳定性问题) 移，l 、予撬稳定( 夺售号稳定) | 蠢题嚣大类。爨2 0 毽纪6 晦钱滋来，魄力工翌赛黠 系统稳定豹研究工乎# 大都煞中在暂态稳定上。眩力系统按暂态稳定的准剃设计和 运行，采用了先进的技术和装罱来改善系统的暂态稳定性，如快速商放大倍数的 励磁系统、快关气门、制渤电阻、静止无功补偿装置和高压直流输电技术等等， 这些控制措施改善了系统鬻态稳定性，但却不利于系统阻尼性能及捆应的系统稳 定装，簇至粼弱了系统骧懋，镘褥电力系统羧荡不稳定豹趋势有掰热强。基蘸， 小予考| | 6 稳定性较弱雩| 起麴低频强荡阕题甚至袋为袋铡电弼送电麓力，辍碍大型瓤 组按设计满负荷并网发电的关键。 1 2 电力系统的小干扰稳定及其分析方法 嘏匆系统豹枣于挽稳定秘莛据毫力系统运移予莱一运孬方式辩，经受夸于撬 岳，熊恢复到受扰动前的逡行状态或者接近的、可以接受豹稳定运行方式的能力。 这里所谓的小干扰，是指干扰的强度足够小，以趸于系统受到干扰爝的运行状态 和干扰前运行状态非常接近，可以不考虑干扰的具体形式和干扰源的具体位置， 此时系绕盼孳亍为可以通邈对系统的线性化模型逃行研究丽预知。毫力系统时刻都 第一章绪论 处在小干扰情况下，如负荷或电源的轻微起伏等，因此保持系统的小干扰稳定是 系统正常运行的基本条件。 小干扰失稳通常在系统运行在其功率极限附近或经受大扰动后得到的运行 点时发生，表现为两种形式：一种是系统受到干扰后，各同步发电机功角迅速拉 开直至失步，这种失步称为非周期失步，其原因主要是系统中缺乏足够的同步转 矩；另一种是系统受到干扰后，机组或机组群的功角之间发生振幅不断增大的振 荡而最终失步，这种失步被称为振荡失步，其原因是系统中缺乏足够的阻尼。 在现代电力系统中，小干扰稳定问题主要表现为由于系统在某些固有振荡频 率上缺少足够阻尼的振荡问题。表现为：( 1 ) 受到扰动后发生振荡并长时间不 停息的弱阻尼振荡； ( 2 ) 由于负阻尼而造成的白发振荡。由于这类振荡涉及到 发电机转子角速度的周期性交化，而发电机的转动惯量通常较大，因此振荡的频 率较低，大致在0 i h z 和2 0 h z 之间，称为低频振荡或者机电振荡。低频振荡有两 种表现形式，一是区间振荡，它是系统的一部分机群对于另一部分机群的振荡。 其频率范围为0 1 0 7 h z ，这种振荡的危害性比较大，一经发生会通过联络线向全 系统传递。一是局部振荡，它是电气距离很近的几个发电机之间相互振荡或者作 为一个整体时与系统内的其他机组之问的振荡，这类振荡局限于区域内，其频率 大致范围为0 7 - 2 5 h z 。 电力系统发生低频振荡的本质原因是系统的某些固有的振荡频率缺少足够 的阻尼。电力系统本身存在着一些阻尼源，如发电机的阻尼绕组的阻尼作用、负 荷频率特性的阻尼作用等。但由于快速自动励磁装置引入了负阻尼，以及电网之 间的互联，系统中固有的阻尼被抵消甚至变成负值，低频振荡因此容易发生。 在小干扰稳定性分析中，具有某种频率的振荡称为一个模式。若模式的阻尼 为正，则振荡是衰减的；若阻尼是负的，则表现为增幅振荡，即不稳定。文献中， 常把弱阻尼或不稳定模式称为关键模式。小干扰稳定性分析的主要任务是研究关 键模式的阻尼性质，主要内容包括： 一、根据模式类型，建立合适的系统模型 建模是小干扰稳定性分析的基础。电力工业界在暂态稳定分析建模方面积累 了丰富的经验，但由于小干扰稳定性分析自身的特点，往往要对电力系统元件重 新建模。由于对不同类型的模式，各种电力系统元件的动态行为是不同的；而且 对同一种模式，它们在系统中起的作用也不同。因此要根据研究的模式类型及系 统运行条件来确定各个元件数学模型的详细程度，既保留模式的主要信息，又不 使模型的规模太大。 二、关键模式的定量信息 模式的准确计算是小干扰稳定性分析的关键。描述模式的基本量是其频率和 2 第一章绪论 阻尼系数，它们确定了系统是否稳定及稳定的程度。由于现代电力系统的复杂性， 模式的计算是一项极其困难的任务，除了计算精度、速度方面的要求外，还要保 证可靠性，即能计算出指定范围内的全部关键模式，只有这样才能得到正确的分 析结果。 三、确定用于改善系统阻尼的控制器的最佳地点 为保证关键模式有足够的阻尼，可以在电力系统中安装各种控制装置。这些 控制装置一般采用分散控制策略，以辅助控制器的形式添加到系统中现有动态元 件的控制回路中。从工程角度考虑，这些辅助控制器的数量应尽可能少，即要求 确定控制器的最佳安装地点。研究这一问题要考虑多种因素，如要保证所有关键 模式的阻尼能有所改善，还要考虑系统的多种典型运行方式，以及控制器的不同 结构等。 四、设计控制器以改善关键模式的阻尼 设计控制器的目的是改善全系统的阻尼。对于多机系统，可能存在多个关键 模式，而一个控制器通常只能改善一个或若干个模式的阻尼，却可能使其它一些 模式的阻尼变差或无法改善，这就要求所有控制器的设计要相互协调。另外，控 制器要有一定的鲁棒性，不会因为系统运行方式的改变而使性能变差。控制器的 设计方法要尽量简单，便于程序自动实现，同时要保证设计出的控制器在工程上 易于实现。 电力系统小干扰稳定性问题一般用系统线性化模型描述，因此众多强大的线 性动态系统分析工具可以利用，同时结合计算机技术、数值计算技术领域的丰富 成果，i i 前已有多种实用的分析方法，主要有频域法、时域仿真法，以及特征值 分析法1 4 】等。下面对这些方法作简要介绍。 一、频域法 频域法是分析线性时不变动态系统的强大工具，研究对象一般用传递函数描 述。在电力系统小干扰稳定性分析中，频域法是设计各种抑制振荡控制器的主要 方法。频域法设计步骤规范系统，计算简单，控制器只采用本地信号，而且结构 简单，易于工程实现。频域法最大的优点是控制器有很强的鲁棒性，能适应电力 系统运行条件的较大变化，非常适合大型电力系统实际运行状况。另外，通过计 算指定传递函数的频率响应，还能够辅助确定控制器的最佳安装地点。 当然，可以用频域法来判断系统稳定性，也可以估计关键模式。然而，对于 大型电力系统，频率响应的计算量非常大【5 】难以接受，而且提供的关于关键模式 的信息也非常有限。 二、时域仿真法 时域仿真法能模拟系统受扰动后，各个系统参量随时间变化的具体过渡过程 3 第一章绪论 从而反映系统的稳定程度。对于电力系统小干扰稳定性分析，仿真模型可以用非 线性微分方程描述，也可用其线性化模型，从仿真曲线可推算模式的频率与阻尼。 然而，时域仿真法用于大型电力系统小干扰稳定性分析会遇到许多困难，甚至得 出错误的结论。首先，不同系统变量的仿真曲线和扰动的形式、地点有关，而小 干扰稳定性研究的是系统固有的性质，与扰动无关。一次扰动并不能保证激发全 部的关键模式，因此不得不改变扰动，多次仿真，而这也只能根据经验，不能从 理论上保证其可靠性。其次，对于低频机电振荡现象，仿真时间必须足够长，同 时大量系统参量要仿真，因此计算量很大。另外，任一条仿真曲线都包含了系统 众多模式的动态，难以了解关键模式在全系统中的行为。最后。由于时域仿真法 给出的关键模式的定量信息非常有限，难以有效的设计控制器。 时域仿真法的优点是能充分考虑电力系统的非线性因素，对建模几乎没有限 制，仿真曲线对电力工程师来说更熟悉，而且有成熟的软件可以使用。因此，时 域仿真法最适合于检验其它分析方法的结果。 三、特征值分析法 前面介绍的几种方法都不能有效地计算模式的定量信息，特征值分析方法是 解决这一问题最有效的手段。特征值分析方法严格建立在现代控制理论基础上， 把电力系统视为用标准线性状态方程描述的一般控制系统。模式完全由状态方程 中状态矩阵的特征对确定，特征值的实部表示模式的阻尼，虚部对应模式的频率， 而特征向量则反映模式在整个系统中的行为。这样，无论系统多么复杂，利用特 征值分析就可对任一模式作详细研究，而与其它模式无关。 特征值分析方法除了能深刻刻画模式，还是确定控制器最佳安装地点和参数 的主要工具。特征值分析法只须计算可能安装地点的定量指标，指标的大小即决 定了安装控制器的效果。由于特征值分析法可以方便地计算特征值对控制器参数 的灵敏度，控制器参数的微小变化与特征值变化量之间的关系可近似用线性函数 表达。通过给定合适的优化目标，控制器参数设计问题就转化成标准数值优化问 题l 叫。 然而，大型电力系统小干扰稳定性分析是一项复杂的任务，这些方法各有优 缺点，解决实际问题时往往要共同发挥作用。 研究电力系统低频振荡的目的，就是要确定系统是否存在着弱阻尼振荡模 式，并在系统中有弱阻尼振荡模式时，采取措施增强这些模式的阻尼，以减少发 生振荡可能，或者在产生振荡时，使其能尽快的平息。 1 3 电力系统小干扰稳定的控制措施 由于低频振荡产生的原因就其本质而言，是系统的控制措施带来的负阻尼。 4 第一章绪论 所以控制思路有两类1 3 1 ：( 1 ) 调整控制措施，减小其带来的负阻尼；( 2 ) 通过 附加控制提供额外的阻尼。由于前者的控制措施一般都是为了提高系统的稳定 性、经济性或供电质量。调整控制会带来其它损失，一般避免使用这一类方法。 目前常用的控制方法一般都基于第二种思路。 抑制低频振荡的措施一般都集中于发电和输电部分。发电侧主要是对励磁系 统和调速系统增加附加控制，输电侧主要是在线路上运用电力电子设备快速的控 制性能提供附加控制。 国际大电网会议第3 8 研究委员会曾组织专门工作组f l a s kf o r c e3 8 0 1 0 7 ) 对 低频振荡进行研究，其结论指出：为消除振荡的威胁，首先应仔细考虑研究整定 系统中主要发电机的电力系统稳定器( p s s ) ，因为迄今为止，p s s 仍然是抑制低频 振荡的最经济有效的手段。其次应研究系统中现有高压直流输e e ( h v d c ) 、静止 无功补偿器( s v c ) 附加控制器的参数整定，使之提供附加阻尼效果。然后考虑电 力电子装置改造现有可投切补偿装置，使之提供平滑的阻尼控制，如线路串联电 容补偿增加可控硅控制的部分( t c s c ) 。最后可考虑在系统中增加完全用于阻尼 振荡的新装置。 1 4 电力系统阻尼控制器的设计方法 基于上文介绍的小信号稳定性分析方法衍生出了各种电力系统阻尼控制器 设计方法，下面简单介绍阻尼控制器设计方法的研究现状。 1 9 6 9 年d e m e l l o 和c o n c o r d i a 【8 j 运用阻尼转矩的概念对单机无穷大系统低频振 荡现象的产生原因作了机理分析和解释，揭示了在重负荷长距离输电情况下电力 系统可能产生负阻尼转矩，而高放大倍数的快速励磁系统会恶化此负阻尼转矩， 从而可能导致系统出现自发性振荡。该文献首次提出了在励磁系统上附加阻尼信 号以产生与发电机转子速度同相位的阻尼转矩。在此基础上设计了具有相位超前 环节的p s s 。这给人们对于低频振荡的认识及阻尼控制器的设计工作奠定了坚实 的基础。 传统的电力系统稳定器( c p s s ) 是基于线性控制理论的超前补偿型装置，它的 结构简单、灵活，易于操作，因此在电力系统中获得了广泛的应用1 9 , 1 0 1 。 早期的研究工作主要基于单机无穷大系统和单一的系统运行方式1 1 1 ，1 2 l ，单机 无穷大法的实质是把要研究机组之外的系统等效为无穷大母线，而单独地考虑外 界干扰和运行条件变化对本机组振荡模式的影响，从而确定合适的p s s 参数。因 此，它忽视了发电机组之问的相互影响以及本机组p s s 与其它机组p s s 之间的相 互作用，造成该机组p s s 为本机组提供正阻尼的同时，却对其它机组产生负阻尼 效应。在有些干扰情况下，通过单机无穷大法整定的p s s 并不能为系统提供足够 第一章绪论 的阻尼，甚至有时与其它机组的p s s 相互作用而引发振荡【1 3 , 1 4 。 随着p s s 的广泛推广，特别在多机系统中需要考虑各种因素的影响，用于改 善多机系统小信号稳定性能的p s s 参数协调和控制问题日益成为研究的焦点【1 5 】。 当把p s s 应用于多机系统时，存在两个问题：( 1 ) 需要确定在那些机组上安装p s s ， 即最佳安装位置问题；( 2 ) 多个p s s 之间的参数协调问题。 关于前者，最早的研究是1 9 8 0 年f p d e m e u o 提出的观点1 1 6 1 ，他认为，每台 机组或惯性群都会对一个或多个振荡模式有主导影响，对某个机组提供阻尼可对 某些特定的振荡模式产生主导影响，因此对p s s 的安装位置有选择的必要。他基 于开环系统用模态分析方法确定p s s 的最佳安装位置。o h a b d a l l a 等【1 。7 】考虑了闭 环情况，通过特征值和特征向量的计算，选择对拟镇定的模式提供最大阻尼的机 组安装p s s ，然后重新计算特征值和特征向量，再选择下一台p s s 的安装地点， 依次类推，直至系统稳定。该方法有一定的实用意义，考虑了先装p s s 对后装的 影响，但未考虑后装p s s 对前装的影响，并且每台p s s 参数整定都是按单机无穷 大系统进行的。一些研究者注意到模态分析方法不可靠，因为右特征向量的大小 和相位只反映了某一振荡模式对物理量的影响，并不反映物理量对振荡模式的作 用程度。为此，j i p e r e z - a r r i a g a 等l 8 j 提出了参与因子的概念，它在一定程度上克 服了模态分析的缺点，被后来的研究者广泛采纳，用它来确定p s s 的最佳安装位 置。 多机系统中存在多个机电振荡模态，每个p s s 的作用都将影响到所有的模态 某个p s s 对一个振荡模态的作用有可能对另一个模态的振荡有助增作用【1 9 】。为了 避免多机系统q a p s s 顺序设计【1 2 , 1 3 】中极点漂移的问题，出现了多种同时协调设计 p s s 的参数的方法。文献【2 0 】运用同步和阻尼转矩系数的概念，通过信号流图得 至) j p s s 的传递函数，设计控制器。文献1 2 1 采用一种复频域法将特征值配置问题 转化为迭代求解一组等价特征方程得到分散控制器的参数。文献 2 2 ，2 3 采用极点 配置法在极点配置过程中处理了开环系统中阻尼不足的模态，而不能考虑添加控 制装置后系统新增加的模态。 随着电力系统和电力电子技术的发展，各种f a c t s 器件附加阻尼控制器抑 制低频振荡的能力受到广泛关注。王海风等1 2 a , 2 s 推导了具有f a c t s 器件的电力 系统的p h i l l i p s h e f f r o n 模型，将阻尼转矩和同步转矩的概念延伸到具有f a c t s 器件的电力系统模型中，为f a c r s 阻尼控制器的研究提供了直观的数学模型。 p o u r b e i k 定量【2 6 l 地分析了f a c t s 阻尼控制器在各个发电机上产生的阻尼转矩和 同步转矩系数，并推导了特征值和阻尼控制器增益之间的定量关系。在文献【2 7 ，2 8 】 中p o u r b e i k 利用阻尼转矩系数和特征值增量的关系，应用了线性规划协调设计 p s s 和f a c r s 阻尼控制器。王海风和p o u r b e i k 对阻尼控制器相位补偿法的贡献 6 第一章绪论 在于将阻尼转矩和同步转矩的概念延伸到具有f a c t s 器件的电力系统模型中， 并提出了阻尼转矩和特征值之间的定量关系，使得控制器参数、阻尼转矩以及特 征值的关系更加明确和定量化。近来，f a c t s 阻尼控制器的设计以及f a c t s 阻 尼控制器和p s s 之间协调的问题成为当前的一个研究热点。 近来，随着优化计算方法的发展，最优化方法被引入到阻尼控制器的协调设 计中。文献【2 9 】提出了结合特征值灵敏度和线性规划算法的控制器参数设计方 法。该方法将控制器参数设计问题归结为一个优化问题，以控制器增益之和为目 标函数，以特征值实部和虚部的移动范围和各控制器参数的上下界为不等式约束 条件。文献 3 0 1 将控制器的参数协调处理为基于梯度法或线性规划等优化方法的 参数优化问题，它需要对目标函数进行近似的连续化处理。由于问题存在多个局 部极小点，因此求解时必须将初值选取在最优点附近，否则，容易陷入局部极 小点而不能达到满意的结果。线性最优控制理论被应用于阻尼控制器的参数协调 问题【3 l l ，但它属于全维状态反馈方法，这对于动态元件高度分散的电力系统来 讲是不现实的。此外，加权矩阵的选择没有系统化的方法。k a m w a 等1 3 2 j 采用非 线性约束优化求解多个阻尼控制器的设计和协调，基于闭环状态空间模型，优化 准则采用模式性能指标，直接考虑控制器的主要目标一改善系统阻尼。r o u c 0 【3 3 l 采用特征值灵敏度方法协调设计多个电力系统阻尼控制器，协调确定控制器增益 使得所有特征值的阻尼大于给定值而控制代价最小，并归结为一个线性规划问 题。文献【3 4 】构造了模态阻尼比指数和形式的目标函数，共轭梯度投影法被用于 该优化问题求解。但这种方法人为地引入了加权系数来调整各特征值在目标函数 中的重要程度，显然，不同的加权系数会对最终的优化结果产生很大影响。 由于采用线性规划方法和非线性优化方法常常得到局部最优解，其最终解的 质量依赖于初始猜测解的质量，为了求取满意的全局最优解，使得最终解摆脱对 初始解的依赖性，近年来，现代智能优化方法逐渐被用于阻尼控制器的参数配置 问题。m a a b i d o l 3 5 】采用模拟退火算法实现阻尼控制器的极点配置，理论上已证 明模拟退火算法可收敛到最优解，出始值的选择不影响最终解的质量，而且它不 需要复杂的数学模型，约束条件很容易被结合。但是模拟退火算法寻优过程中的 关键因素是退火率，它决定着找到最优解花费的时间，所以必须选择合适的目标 函数，才能保证大的退火率和较高的效率【3 6 l 。b o m f i m 等阳利用遗传算法进行鲁 棒分散协调设计，同时整定多个阻尼控制器，每个控制器用搜索空间的三个参数 表示其增益和相位特征，归结为优化问题，目标函数定义为所有运行方式下系统 全部特征值的阻尼比之和。遗传算法不要求问题的目标函数具有可微性、凸性及 线性等数学性质以及全局优化能力，这是与其它优化技术相比最具优势的地方。 但遗传算法由于要求目标函数明确且导致了计算量大，收敛速度慢。文献 3 8 ，3 9 】 7 第一章绪论 也应用遗传算法对阻尼控制器进行了优化配置。同时，禁忌搜索方法i 柏j 、进化 规划算法【4 l j 、进化策略1 4 2 j 和粒子群算法【叫等智能优化方法也被应用到阻尼控制 器的协调设计中。现代智能优化方法与一般优化方法不同，具有跳出局部极小点 而在全局范围内寻优的能力，而且对优化问题本身没有特别的限制，对于复杂的 优化问题具有很强的优势，这类方法用于阻尼控制器的参数协调配置问题还有很 多潜力可挖。 综上所述，关于阻尼控制器的设计从最初的单机无穷大系统已发展到多机系 统，有了很大进展，很多方法已在实践中得到应用，取得了较好的控制效果。存 在的问题是大部分方法都基于全阶系统模型，对于大规模的电力系统来说，其计 算量是非常大的，且常用的计算特征值的q r 法在模型阶数超过一定限度时会出 现“维数灾”问题，因此降低了在现代大电力系统中的实用性。 1 5 本文的主要工作 本文针对电力系统的发展对系统小干扰稳定性提出的新问题，围绕低频振荡 的影响因素及其抑制措施这一问题，综合采用特征值分析法进行了一些初步的研 究。主要工作内容如下： 论文采用同时考虑系统机电模式特征值的实部和特征值阻尼比的目标函数 优化设计阻尼控制器，可将多种不同运行方式下系统的特征根移到复平面目标函 数限定的区域内。目标函数考虑了系统多种典型运行方式下的机电振荡模态性 能，因而设计出的阻尼控制器具有较强的鲁棒性。 文章提出一种采用单纯形模拟退火法对p s s 和t c s c 阻尼控制器进行协 调优化的设计方法。在4 机1 1 节点电力系统上对该优化方法进行了验证。特征 值分析和非线性时域仿真结果显示，使用该方法设计的p s s 和t c s c 阻尼控制 器对不同的运行方式都能有效抑制系统低频振荡。 最后，论文提出了一种采用遗传禁忌混合优化策略对p s s 和s v c 附加线性 稳定控制器进行参数协调优化的设计方法。该方法结合遗传算法和禁忌搜索算法 各自的优点，将禁忌搜索引入到遗传算法的变异操作，改进了遗传算法的变异算 子，具有比常规遗传算法更强的局部搜索能力。在新英格兰电力系统上对该优化 方法进行了澳4 试。特征值分析表明，该设计方法能有效地将多种不同运行方式下 系统的特征根移到复平面目标函数限定的区域内，保证了小扰动稳定性控制的鲁 棒。同时还对不同优化方法的收敛性及计算时间进行了比对，结果表明遗传禁忌 混合策略的性能优于常规遗传算法以及遗传模拟退火混合算法。 8 第二章电力系统阻尼控制器及其抑制低频振荡的原理 第二章电力系统阻尼控制器及其抑制低频振荡的原理 2 1 引言 小信号稳定性问题通常为系统振荡阻尼不足的问题。电力系统主要通过阻尼 控制器来抑制系统低频振荡的产生，提高系统小扰动稳定性。阻尼控制器可以分 为两类：一类是安装在发电机励磁控制回路上的附加阻尼控制被称为电力系统 稳定器( p o w e rs y s t e ms t a b i l i z e r , p s s ) ；另一类是安装在高压直流( h v d c ) 和柔性 交流输电系统( f a c t s ) 设备上的附加阻尼控制。 电力系统稳定器是广泛用于励磁控制的辅助调节器，其功能是抑制电力系统 的低频振荡或增加系统阻尼。其基本原理是通过对励磁调节器提供一个辅助的控 制信号而使发电机产生一个与转子角速度偏差同相位的电磁转矩分量。p s s 主要 分为四类：常规定结构定参数的电力系统稳定器、自适应电力系统稳定器、模糊 逻辑电力系统稳定器和基于神经网络的电力系统稳定器。目前电力工业主要采用 常规的定结构定参数的p s s 来抑制低频振荡。 h v d c 和f a c t s 的主要功能是提高系统传输容量和对潮流的控制能力，提 高系统暂态稳定性。然而，通过附加阻尼控制，h v d c 和f a c t s 对输电线功率 振荡有较好的阻尼作用。目前，h v d c 和f a c t s 设备阻尼系统振荡的能力受到 重视，其应用也日益广泛。在每一种设备的主控制上附加阻尼控制器后构成了各 类f a c r s 阻尼控制器。 2 2 电力系统低频振荡产生的机理 低频振荡的研究，可以采用实际电力系统进行计算，也可以采用单机无限大 系统或二机无限大系统进行定性计算。用简化的电力系统进行分析计算能更清楚 地表明低频振荡与运行状态各参数的关系，以及用阻尼控制器如何改进电力系统 阻尼和合理选择阻尼控制器参数，因此研究分析多采用简化系统。 下面以单机无穷大系统小干扰线性化模型为例分析讨论l 吲，单机无穷大系 统示意图如图2 - 1 ，相应的矢量图如图2 2 。 u阢 斗刮 图2 1 单机无穷大系统 9 第二章电力系统阻尼控制器及其抑制低频振荡的原理 ld d 图2 - 2 单机无穷大系统矢量图 q 一台i 司步电机在接近i 司步速度时其电磁转矩( 标幺值) 可近似的表示为： 互= - l a + l q u , q ( 2 1 ) 将- x j q = e 一邑l 代入上式并线性化，得到： t 。a e + ( + ( x q - - x d ) i d ) ，q + ( 以一矗) 虬 ( 2 2 ) 将l = ( 乓一虬s 6 ) “丘+ 以) 与- ( u 。s i l l 6 ) ( 曩+ 置) 线性化后代入上式， 母箍州+ 瓴x q - x a 舻s i n 6 0 + 警警脚亿。) = k z a j + 钱 鼽k 一丝x a + x 。蜮+ 警警 岛一再x q + x i ：。 将励磁绕组电压方程砭- ( 1 t ：。) 【一e 一隅一影) l 】线性化，并将弛代 入其中，得到： 热玛一糍， 峨。1 蝴k 3 ，a e 一蕊a 6 ( 2 1 4 蜀。精啦如 发电机端电压斫一圻+ 吒的偏差为 i 0 第二章电力系统阻尼控制器及其抑制低频振荡的原理 岍哥+ 等 ( 2 5 ) 将- x q l q 与一乓一以l 线性化代入上式，得到 岍舒去一等去泓a + 等表， - k , a 6 + k 6 缱： 热墨鲁去岫驴篑去删嘛 蚝坠，l u ，o 五j + 五 蜀- k 6 都为运行工况的函数，在一定运行方式下为常数，娲在发电机负荷 较小时为正值，在负荷较大时因面增大，变为负值，其它5 个参数一般都为正 值。 当不考虑励磁调节作用时，a e f d = o ，则电磁转矩为： k 6 一i k 面z k 3 k 4 6 ( 2 7 ) 发电机加速功率增量a p 为 必。峨一必一a p o 。m 掣 ( 2 8 ) 肌篇嚣 式中，a p d 为转速变化时产生的阻尼功率，d 为等值阻尼系数。 由式( 2 3 ) 、( 2 4 ) 、( 2 6 ) 、( 2 9 ) 可得图2 - 3 单机无穷大系统p h i l l i p s - h e f f r o n 模型【4 5 i 。 令s = j r o ，由图2 - 3 可将系统电磁转矩瓦整理为： 蝇。隔一而k 2 k 3 k 4 ) a 6 + 雨k 2 k 嚣；k , t 矿d o r a a 6 - a 互。+ 互：( 2 1 0 ) a t e 为同步转矩a t c l ，与超前而9 0 0 的正的阻尼转矩a r , 2 t 撇，如图2 4 所 当考虑励磁调节的作用后，设励磁系统为高放大倍数快速响应系统，以简单 的比例式调节器为例，传递函数为g eg ) ；砭“1 + 瓦d ，增益k 很大，时间常数 瓦很小，励磁系统的输入为一a u = 一( 艮d 卅鼬e ) ，输出为西d = 教以( 1 + 瓦0 ， 略去相对较小的项并整理，此时电磁转矩为c = 【墨- 配玛( 。s + k 6 k e ) 】a d ， 第二章电力系统阻尼控制器及其抑制低频振荡的原理 图2 - 3 单机无穷大系统p h i l l i p s - h e f f r o n 模型 a t , 2 丁 rr a 毛 2 l l 2 如1 t 图2 - 4 电磁转矩矢量图图2 - 5 电磁转矩矢量图 令s = j c o ，此时电磁转矩瓦可表示为： 峥暇1 k k e k 川3 k 4 k , 2 ) 执，黯伽婚峨 当发电机负荷较大，娲变为负值，所以电磁转矩为同步转矩砭与滞后 a d 9 0 。的负阻尼转矩艺的合成，如图2 - 5 所示。又由于励磁系统的增益疋很大， 使得系统的负阻尼增大，当有扰动时系统就会发生低频振荡。 2 3p s s 及其抑制低频振荡的原理嘲 低频振荡主要原因是重负荷和高放大倍数的快速励磁系统削弱了系统阻尼， 目前最经济最有效的手段是通过p s s 装置引入一个附加的转矩a t e s s ，使系统具有 较强的低频振荡的阻尼力矩。p s s 采用a p 、或中的一个或两个信号作为附 第二章电力系统阻尼控制器及其抑制低频振荡的原理 加反馈控制，增加正阻尼，不降低励磁系统电压环的增益，不影响励磁系统的暂 态性能，电路简单，效果良好，在国内外都得到了广泛的应用。p s s 的通用框图 如图2 6 所示。 a 、a p 或 l s 1 + l s坐些hk i + t 2 s i + t 4 s i 厂i - | r 隔直超前滞后放大限幅 图2 - 6 电力系统稳定器通用框图 p s s 一般由隔直、超前滞后、放大、限幅等几个环节组成。p s s 的输出加入 到励磁系统的电压迭加点( 见图2 3 ) 。在频域中分析，只要把p s s 的相频曲线和 励磁系统的相频曲线直接迭加对系统相位进行补偿，就可以得到补偿后系统的相 频特性。 励磁系统是一个滞后单元，它由励磁滞后角和发电机磁场滞后角眙构成， 系统传递函数为： o ) 。石面赢k 2 k 面5 k 3 丽k , ( 2 1 2 ) 总滞后角如 魄+ 眙。 当憨为负时，电压调节器产生负阻尼，由电压调节器产生的电磁转矩疋在 a d j 轴上投影为负，如图2 7 ( a ) 所示。 当p s s 输入信号为击时，为使p s s 产生的附加力矩与西轴同相位，p s s 应 为超前相位补偿，相位角吼，由p s s 的附加力矩a t p s s 所产生的正阻尼大于由电压 调节器的电磁转矩疋的负阻尼，从而使a e r 提供正阻尼，抑制系统的低频振荡， 如图2 7 ( b ) 所示。 u w 一 a 玩 a d j 汐形谚一 。口 i a 以 z 6 , x t oj d 鹏 ， 弋 ( a ) a v r 产生负阻尼 彻p s s 产生正阻尼 图2 7a v r 及p s s 产生的阻尼转矩 第二章电力系统阻尼控制器及其抑制低频振荡的原理 2 4f a c t s 阻尼控制器及其抑制低频振荡的原理 柔性交流输电系统是由美国电力科学研究院的h i n g o r a n i 博士于1 9 8 8 年首先 提出的。这一技术是现代电力电子技术与电力系统传统的阻抗控制元件、功角控 制元件以及电压控制元件( 如串补电容、并联电容、电抗、移相器、电气制动电 阻等) 相结合的产物。f a c t s 技术的主要内涵是用大功率可控硅元件代替这些 传统元件上的机械式高压开关，从而使电力系统中影响潮流分布的三个主要电气 参数：电压、功角及线路阻抗可按系统的需要迅速调整。在不改变网络结构的情 况下，使电网的功率输送能力以及潮流和电压的可控性大为提高。 柔性交流输电系统是相对于常规的交流输电系统而言的。常规交流输电系统 的运行参数一般不能被调节和控制，在系统运行方式改变或受到扰动时，输电系 统很难自动调节以适应这种改变。潮流控制一般只依赖于电源和负荷来调整，输 电网络调整潮流能力差，虽然采用可切换开关的串联补偿，静止无功补偿以及可 调分接头变压器等调节方式，对系统电压水平的维持和传输功率的提高有一定的 作用，但是其切换和调整是机械式的、断续的、慢速的，因此灵活性较差。f a c t s 技术是应用现代电力电子技术的新成果，将快速可控的大功率可控硅电力电孑器 件引入现代电力系统，并与其他设备组成f a c t s 装置，以实现对电力系统参数 的连续、快速灵活的控制，使交流输电系统连续调控能力显著提高，具有很好的 技术性能和较高的经济效益。 2 4 1f a c t s 及f a c t s 阻尼控制器的定义及原理 f a c t s 控制器是指可控制一个或多个交流输电参数的电力电子型设备。按 照与被控交流输电系统的连接方式来分类，主要的输电型f a c t s 控制器大体可 分为并联连接、串联连接和串并联连接三类。 1 并联补偿型控制器：主要包括静止无功补偿器( s t a t i cv a rc o m p e n s a t