具有大范圍變化時滯自適應(yīng)能力的電力系統(tǒng)廣域pid阻尼控制器及其設(shè)計方法
【技術(shù)領(lǐng)域】：
[0001] 本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)時滯PID阻尼控制器，屬于電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】：
[0002] 隨著大區(qū)電網(wǎng)的互聯(lián)，電力系統(tǒng)的規(guī)模不斷擴大，低頻振蕩問題也日益嚴(yán)重。如何 確保大區(qū)電網(wǎng)特高壓互聯(lián)下的電力系統(tǒng)具有較高的阻尼系數(shù)，成為現(xiàn)代電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定 運行亟待解決的控制難題。
[0003] 由于大區(qū)電網(wǎng)互聯(lián)后，發(fā)生的低頻振蕩可能同時涉及多個區(qū)域電網(wǎng)，分布面非常 廣，影響也很大。傳統(tǒng)的采用本地信號作為反饋信號的電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制器（PSS)，受控制 信號的可觀性限制，在抑制區(qū)間低頻振蕩方面效果非常有限?；贕PS授時技術(shù)的相量測 量單元（PMU)，使電力系統(tǒng)運行狀態(tài)的同步測量不再是個難題，目前基于PMU的電力系統(tǒng)廣 域測量系統(tǒng)（WAMS)也正在成形與完善中。利用PMU同步相量數(shù)據(jù)進行廣域電力系統(tǒng)低頻 振蕩阻尼控制，較傳統(tǒng)的基于本地信號的PSS控制具有顯著的優(yōu)勢，在大量文獻中已有明 確的結(jié)論。但是，PMU同步相量的廣域遠距離傳輸也帶來了控制信號時滯問題，若不妥善處 理時滯影響，阻尼控制器不僅不能起到抑制低頻振蕩的作用，反而可能進一步惡化電力系 統(tǒng)的穩(wěn)定性。
[0004] 在過去的幾十年里，PID控制器在工業(yè)控制中得到了廣泛應(yīng)用，工業(yè)過程控制中 95%以上的控制回路都具有PID結(jié)構(gòu)，并且許多高級控制都是以PID控制為基礎(chǔ)的，電力系 統(tǒng)亦不例外。PID控制器結(jié)構(gòu)和算法簡單，應(yīng)用廣泛，但參數(shù)整定方法復(fù)雜，若要考慮時滯的 大范圍變化，PID控制器的參數(shù)整定將難上加難。

【發(fā)明內(nèi)容】
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[0005] 本發(fā)明針對廣域電力系統(tǒng)在區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)過程中出現(xiàn)的低頻振蕩問題以及PMU 信號時滯大范圍變化現(xiàn)象，設(shè)計了具有大范圍變化時滯自適應(yīng)能力的廣域PID阻尼控制器 及其設(shè)計方法，并提出了 PID控制參數(shù)的選取方法。
[0006] 本發(fā)明的具有大范圍變化時滯自適應(yīng)能力的廣域PID阻尼控制器包括：廣域測量 信號預(yù)處理模塊、時滯比較器、比例（P)環(huán)節(jié)、積分（I)環(huán)節(jié)、微分（D)環(huán)節(jié)、PID參數(shù)存儲模 塊、PID參數(shù)選取重設(shè)模塊、輸出限幅環(huán)節(jié)。其中，電力系統(tǒng)WAMS中的PMU信號輸入到該時 滯PID阻尼控制器的測量信號預(yù)處理模塊，剔除錯誤的數(shù)據(jù)和遲到的數(shù)據(jù)，確保從測量信 號預(yù)處理模塊輸出的數(shù)據(jù)一直是最新的，并將其與穩(wěn)態(tài)值進行比較后送入PID環(huán)節(jié)；時滯 比較器根據(jù)PMU信號的實際時滯選取對應(yīng)的時滯區(qū)間；PID參數(shù)選取重設(shè)模塊根據(jù)PMU信 號實際時滯所在時滯區(qū)間，從PID參數(shù)存儲模塊中選取對應(yīng)的PID參數(shù)并重設(shè)比例環(huán)節(jié)、積 分環(huán)節(jié)和微分環(huán)節(jié)的參數(shù)；PID環(huán)節(jié)輸出的阻尼控制信號經(jīng)過限幅環(huán)節(jié)后送入低頻振蕩調(diào) 控裝置，作為附加控制信號參與電力系統(tǒng)的穩(wěn)定控制。
[0007] 上述廣域PID阻尼控制器的設(shè)計方法的步驟如下：
[0008] (1)確定電力系統(tǒng)低頻振蕩模式，包括特征根、振蕩頻率、阻尼值、參與機組，從中 篩選出區(qū)間低頻振蕩模式；
[0009] (2)針對區(qū)間低頻振蕩模式，分析同步PMU信號對該模式的可觀性，從中篩選出區(qū) 間低頻振蕩的廣域反饋控制信號，常見的有發(fā)電機功角和轉(zhuǎn)速信號、聯(lián)絡(luò)線有功功率信號； 分析電力系統(tǒng)現(xiàn)有的調(diào)控裝置，可選的低頻振蕩穩(wěn)定調(diào)控裝置有發(fā)電機勵磁裝置、高壓直 流（HVDC)控制裝置、靜態(tài)無功補償（SVC)裝置等柔性交流輸電（FACTS)裝置，從中選取對 該模式具有較高可控性的調(diào)控裝置作為阻尼控制的執(zhí)行器；
[0010] (3)確定電力系統(tǒng)從步驟（2)中所選定的阻尼調(diào)控裝置輸入端U至廣域反饋控 制信號Y的局部線性化傳遞函數(shù)模型G(S) =N(s)e TS/D(S)，其中N(s) =bmsm+bmlsm1+… +bp+b。，D(s) = sn+an !Sn i+.-.+ap+a。，τ 為時滯；
[0011] (4)評估廣域PMU信號可能的時滯分布范圍[τ_，τ_]，并將其劃分為X個時 滯區(qū)間，每個時滯區(qū)間的時滯取其中間值，第j個時滯區(qū)間為[i_+(j-l) ( τ_- τ_)/Χ， τηιΛ?(τηΜ-τηιη)/Χ]，其中j = 1，2，……，X，該區(qū)間的時滯τ』取τ τ議+(2」_1) (τmx- τ _) /2Χ ;
[0012] (5)根據(jù)步驟（4)中的廣域反饋控制信號的時滯τ ]和步驟（3)中的電力系統(tǒng)傳 遞函數(shù)模型G(S)，分別計算不同時滯下能夠確保電力系統(tǒng)穩(wěn)定的PID參數(shù)分布范圍；
[0013] (6)分別為步驟⑷中的每個時滯區(qū)間[τ_+υ-1)(τ_-τ_)/Χ， τ _+j ( τ τ _)/X]，從步驟（5)中的分布范圍中選取一組參數(shù)作為時滯PID阻尼控制器 的參數(shù)，并存入PID參數(shù)存儲模塊。
[0014] 進一步，所述步驟（5)中，針對步驟（3)中獲取的電力系統(tǒng)傳遞函數(shù)模型G(S)以 及步驟（4)中設(shè)定的廣域MU反饋控制信號的時滯分布區(qū)間，按以下幾個步驟計算第j個時 滯區(qū)間的時滯τ ,對應(yīng)的PID阻尼控制的參數(shù)分布范圍（KP]，Kc^K1,):
[0015] (a)選取足夠大的1，若η是偶數(shù)，則令Z = 21 π，否則令Z = 21 π + π /2 ;令s = jz/ τ，ζ 為實數(shù)；假定 Q 是曲線 f2(z) = -Q1 (ζ)/[N12(ζ)+Ni2(Z)]與直線 fjz) = Kp在區(qū) 間（〇，Z)內(nèi)的交點數(shù)量，其中 Q1 (z) = [Dr (Z)Nr (ζ)+0?(ζ)Ν?(ζ)](：〇8(ζ)-〇^ (z)Nr (Z)-Dr (z) N1(Z) = Sin(Z), Nr(ZhN1(Z)Uz)Uz)分別為 N(jz/〇 和 D(jz/〇 的實部和虛部；確 定Kp的分布范圍[K Pj_，KpjniaJ，使Q滿足下式：
[0017] 其中，I (N)、r (N)和j (N)分別為N(S)在s左半平面、右半平面和正虛軸上的零點 數(shù)量；
[0018] (b)將Kpj分布范圍[K Pjnun，Kpjniax]等間隔分為F段，間隔點分別為KPj。、K pη、 Kp.j2、......、Kpji'KPj(i+1)、......、K PjF，其中 i - 0、1、2、......、F，Kpj0 - K Pjmin，KPjF - K Pjmax；
[0019] (c)對于給定的 Kp= K Pji，其中 i = 0、1、2、......、F，計算 q(z，KP)= {?ω+ΚρΕΝ/ω+Ν^ωΒζ/τ在區(qū)間[0, Z)內(nèi)不同的實零點，從小5IJ大依次為Z0、Zl、 Z2、......、Zc 1，且 Zc - Z ;
[0020] (d)對于 t = 1、2、......、c，如果N(_jzt/ τ ) = 〇,則 it= ο ;若N(-S)在原點有個零 點，則令 i。= sgnWIipJzU/dzIz =。），其中sgn()為符號函數(shù)，P1 (z) =HIiDi(Z)Nr(Z)-Dr(Z) NjzUcosbHIiDjzMJzHDjzMdzUsinbMz/ τ ;否則 it= -1 或 1，具體由下式?jīng)Q定：
[0025] 假設(shè)滿足上述條件的集合I有h組；
[0026] (e)若根據(jù)步驟⑷得到的I是唯一的，計算由不等式組[K1-A (Zt) KD+B (Zt)] it>〇 確定的（KWi，Klji)穩(wěn)定區(qū)間的交集 Sji，其中 A(zt) = zt2/ τ 2, B(zt) = P1(Zt)/ [Nr2 (zt)+N12 (zt)], t = 0.U2,……、c，且 t 滿足 N(jzt/T)乒 0 ;若 I 不是唯一的，（KDjl， Kui)則是步驟（d)中的h組I所對應(yīng)的穩(wěn)定區(qū)間的并集s]1;
[0027] (f)返回步驟（c)，直至所有的KP]1所對應(yīng)的〇(_，％)穩(wěn)定區(qū)間S u計算完畢。
[0028] (g)得到能夠確保時滯為τ』時系統(tǒng)G (s)穩(wěn)定的時滯PID參數(shù)分布范圍（Κ Pj，KDj， Klj)為（KPjl，Sjl),其中 i = 0、1、2、……、F，j = l，2，……，X。
[0029] 本發(fā)明不僅可以解決廣域電力系統(tǒng)的區(qū)間低頻振蕩問題，而且適用于廣域反饋 PMU信號存在時滯的情形，允許時滯在較大的范圍內(nèi)變化。所設(shè)計的控制器具有簡潔的結(jié) 構(gòu)、易于工程實現(xiàn)。
【附圖說明】：
[0030] 圖1具有大范圍變化時滯自適應(yīng)能力的電力系統(tǒng)廣域PID阻尼控制器結(jié)構(gòu)
[0031] 圖2廣域時滯PID阻尼控制器參數(shù)設(shè)計流程圖
[0032] 圖3四機兩區(qū)域電力系統(tǒng)