本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制領域，具體涉及一種考慮多個廣域傳輸信號時滯影響的廣域附加阻尼控制器的設計方法。
背景技術：
：隨著我國社會主義現(xiàn)代化建設的蓬勃發(fā)展，電力工業(yè)正以空前的規(guī)模和速度擴大，中國正在逐步形成“西電東送，南北互供”的戰(zhàn)略格局。目前我國的電力發(fā)展已經(jīng)進入跨區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)，全國電網(wǎng)互聯(lián)之后，我國將形成一個多區(qū)域互聯(lián)的廣域電力系統(tǒng)。然而，跨區(qū)互聯(lián)電網(wǎng)中的低頻振蕩現(xiàn)象日益嚴重，影響電網(wǎng)安全和跨區(qū)電能調度，已威脅到電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。傳統(tǒng)的低頻振蕩抑制方法主要采取提供額外阻尼的措施，多采用電力系統(tǒng)穩(wěn)定器等勵磁控制。然而，采用本地信號作為反饋輸入的控制器由于受到可控可觀性影響，對區(qū)間振蕩模式的抑制效果十分有限。隨著互聯(lián)電網(wǎng)規(guī)模的進一步擴大，區(qū)間振蕩模式對電力系統(tǒng)造成的危害隨電網(wǎng)的復雜度而加深，僅使用本地信號設計控制器很可能無法確保電力系統(tǒng)的穩(wěn)定。在“互聯(lián)網(wǎng)+”的背景下，隨著電力工業(yè)與信息的深度融合與互聯(lián)網(wǎng)電力的不斷發(fā)展，開發(fā)網(wǎng)絡化、數(shù)字化、智能化等技術，利用廣域測量系統(tǒng)中的廣域反饋信號中的廣域信息實現(xiàn)對電網(wǎng)的控制，能有效提高互聯(lián)電網(wǎng)系統(tǒng)的動態(tài)性能，已成為未來電網(wǎng)的發(fā)展趨勢。廣域測量系統(tǒng)的出現(xiàn)為區(qū)域互聯(lián)電力系統(tǒng)的分布式同步測量、穩(wěn)定分析和廣域優(yōu)化協(xié)調控制創(chuàng)造了可能，但廣域信息在傳輸、交換與處理等環(huán)節(jié)存在明顯的時滯，這些延時可能高達數(shù)百毫秒，如不妥善處理時滯問題，阻尼控制器的性能可能會進一步惡化，以致?lián)p害電力系統(tǒng)的廣域安全。因此，深入考慮廣域控制的時滯環(huán)節(jié)，對優(yōu)化控制器性能與提高電力系統(tǒng)的廣域安全穩(wěn)定運行具有重大意義。針對上述問題，國內外學者開展了一系列研究并取得了豐碩成果。戚軍，歐林林，周文委設計了一種適用于隨機時滯的電力系統(tǒng)廣域pid阻尼控制器(專利號201510492610.2)，胡志堅，張子泳設計了基于魯棒控制理論的一種考慮wams信號實驗的電力系統(tǒng)輸出反饋控制方法(專利號201310189887.9)，黃柳強，孫華東，易俊等人計了一種基于自由權矩陣方法的多facts抗時滯協(xié)調控制方法(專利號201310189887.9)，但三者均未考慮多個信號延遲的情況，此外，基于自由權矩陣的魯棒控制方法需借助智能算法迭代尋找理想控制參數(shù)，步驟復雜，求解速度較慢。賈宏杰，安海云，余曉丹提出了一種多時滯電力系統(tǒng)的穩(wěn)定判據(jù)(專利號：200810151217.7)，但這種方法更側重時滯穩(wěn)定域求解，對于如何設計使多時滯電力系統(tǒng)穩(wěn)定的控制器以及對于該控制器的控制效果并未涉及?？傮w而言，目前針對多時滯電力系統(tǒng)控制鎮(zhèn)定方面的研究較少，從控制方法上看，時滯魯棒控制仍然是多時滯電力系統(tǒng)阻尼控制的主要手段，但求解方法一般較為復雜，探索多時滯電力系統(tǒng)魯棒鎮(zhèn)定控制的簡便求解方案具有一定的實際應用價值。技術實現(xiàn)要素：本發(fā)明針對基于廣域測量系統(tǒng)的多時滯電力系統(tǒng)低頻振蕩抑制的研究不足以及作為主要控制方法之 一的魯棒控制方法求解參數(shù)步驟復雜的缺陷，設計一種可直接求解控制參數(shù)的多時滯廣域電力系統(tǒng)阻尼控制器，詳細地闡述了該控制器的控制結構以及參數(shù)的求取方法。本發(fā)明中的廣域附加阻尼控制器不僅考慮了多個傳輸信號延遲的影響，并且克服了傳統(tǒng)魯棒控制方法借助智能算法反復迭代尋優(yōu)步驟復雜的缺陷，可直接求解控制參數(shù)，為抑制多時滯電力系統(tǒng)的低頻振蕩提供一個新的途徑。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的技術方案如下：一種基于魯棒控制理論的多時滯電力系統(tǒng)附加阻尼控制方法，其改進之處在于，利用lyapunov-krasovskii泛函理論推導出的多時滯系統(tǒng)穩(wěn)定判據(jù)，將控制鎮(zhèn)定問題轉化為線性矩陣不等式的可行性問題，從而直接求解控制參數(shù)，避免了傳統(tǒng)方法中利用智能算法迭代求解參數(shù)的不便。主要分為以下具體步驟：步驟(1)：將系統(tǒng)在平衡點附近線性化，以獲取電力系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型；步驟(2)：利用可控可觀性，進行控制器安裝位置以及輸入信號的選擇；步驟(3)：求解參數(shù)bi′，其中b1′＝[b10…0]，…，bi′＝[0…0bi0…0]，…，，bq′＝[00…bq]；步驟(4)：判斷時滯上限是否已知。如已知，則直接進入步驟(6)，否則進入步驟(5)求解時滯穩(wěn)定上限；步驟(5)：當時滯上限未知時，通過假設時滯上限并利用電力系統(tǒng)多時滯穩(wěn)定判據(jù)判斷線性矩陣不等式是否可行的辦法，迭代求取時滯上限；步驟(6)：利用給定時滯上限或所求時滯上限，采用matlab中l(wèi)mitoolbox的feasp求解兩個線性矩陣不等式，利用求解出的矩陣n和w，利用kc＝nw-1計算控制矩陣kc；步驟(7)：利用控制矩陣kc計算求解廣域附加阻尼控制器的增益ki。本文所述步驟(5)中，可具體按以下幾個分步驟計算時滯穩(wěn)定上限：步驟(5-1)：選取一組足夠小的時滯作為初始值，保證2個線性矩陣不等式存在可行解，進入(5-2)；步驟(5-2)：利用matlablmitoolbox中的feasp方法，判斷l(xiāng)mi是否存在可行解。存在可行解時轉入(5-3)，否則轉入(5-4)；步驟(5-3)：存在可行解時，記錄該解，并使時滯改為τ1＝τi+10ms，重復步驟(5-2)；步驟(5-4)：不存在可行解時，記錄滿足2個線性不等式的時滯大小，將其作為時滯上限，進入步驟(6)。本文所述步驟(5)中，采用的多時滯電力系統(tǒng)穩(wěn)定判據(jù)即為步驟(6)中使用的判據(jù)。本文所述步驟(6)中，多時滯線性系統(tǒng)表示為如下的形式其中，x(t)為n維狀態(tài)變量，u(t)為q維控制輸入，表示x(t)的初始狀態(tài)，τ1，τ2，…，τn為時滯常數(shù)，正常數(shù)為時滯上限，滿足本文所述步驟(6)中，采用的多時滯電力系統(tǒng)穩(wěn)定判據(jù)為，對于給定的標量若存在正標量和以及矩陣n和w滿足det(w)≠0，使得如下線性矩陣不等式成立，則這個多時滯系統(tǒng)是漸進穩(wěn)定的，且使系統(tǒng)穩(wěn)定的控制器參數(shù)表示為kc＝nw-1。其中，線性矩陣不等式為w＞0其中∑12＝[b1nb2n…bqn]θ12＝[awb1n…bqn]t[ii…i]θ14＝diag{wt，nt，…，nt}本發(fā)明所述步驟(7)中，控制矩陣kc計算求解廣域附加阻尼控制器的增益ki的具體方法為，由kc＝[k1′…ki′…kq′]t找到對應的ki′，再由ki＝ki′ci-1求出ki。與現(xiàn)有的技術方案相比，本發(fā)明的有益效果為：(1)、提供了一種考慮多個廣域信號傳輸延遲影響的電力系統(tǒng)阻尼控制設計方法，該控制器無論在單個傳輸延遲下還是多個傳輸延遲下均擁有良好的控制效果；(2)、本發(fā)明克服了傳統(tǒng)魯棒控制方法借助智能算法反復迭代尋優(yōu)步驟復雜的缺陷，可直接求解控制參 數(shù)，簡化了求解步驟。所設計的控制器結構簡潔，易于工程實現(xiàn)；(3)、本發(fā)明中的控制器在給定時滯上限的范圍內均能使電力系統(tǒng)低頻振蕩得到有效抑制，具有很強的適應性和魯棒性，為抑制多時滯電力系統(tǒng)的低頻振蕩提供一個新的途徑，具有良好的工程應用價值。附圖說明圖1為多時滯電力系統(tǒng)模型圖2為多時滯電力系統(tǒng)阻尼控制求解步驟流程圖圖3為2區(qū)域4機系統(tǒng)圖4為不同通信傳輸延遲下所提控制方法的仿真曲線圖5為大干擾條件下的仿真曲線圖6為給定時滯下的不同控制方案對比的仿真曲線具體實施方式下面結合附圖，對本發(fā)明做進一步的詳細說明，但本發(fā)明的實施方式不限于此。本發(fā)明針對電力系統(tǒng)在利用遠方信號進行反饋控制時信號存在多個通信延遲的現(xiàn)象而設計一種考慮多時滯的附加阻尼控制器。此時，多時滯電力系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。采用線性化狀態(tài)空間模型的多時滯電力系統(tǒng)的狀態(tài)方程為其中，y(t)為可測輸出信號，yi(t)為時滯輸出信號，u(t)為控制信號，正數(shù)τi為第i條wams傳輸鏈路上的信號傳輸延遲，i＝1，2，…q，q為傳輸鏈路的個數(shù)。圖1中，為時滯環(huán)節(jié)。對于如上的多時滯線性電力系統(tǒng)，設計如下的附加反饋控制器其中，i＝1，…，q，q為控制鏈路的個數(shù)?？紤]多時滯的電力系統(tǒng)阻尼控制器的參數(shù)選取步驟如圖2所示，具體如下：步驟(1)：將系統(tǒng)在平衡點附近線性化，以獲取電力系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型；步驟(2)：利用可控可觀性，進行控制器安裝位置以及輸入信號的選擇；步驟(3)：求解參數(shù)bi′，其中b1′＝[b10…0]，…，bi′＝[0…0bi0…0]，…，bq′＝[00…bq]；步驟(4)：判斷時滯上限是否已知。如已知，則直接進入步驟(6)，否則進入步驟(5)求解時滯穩(wěn)定上限；步驟(5)：當時滯上限未知時，通過假設時滯上限并利用電力系統(tǒng)多時滯穩(wěn)定判據(jù)判斷線性矩陣不等式是否可行的辦法，迭代求取時滯上限；步驟(6)：利用給定時滯上限或所求時滯上限，采用matlab中l(wèi)mitoolbox的feasp求解兩個線性矩陣不等式，利用求解出的矩陣n和w，利用kc＝nw-1計算控制矩陣kc；步驟(7)：利用控制矩陣kc計算求解廣域附加阻尼控制器的增益ki。各步驟中的具體內容已在說明書中進行了詳細的說明，這里不再一一具體說明。本發(fā)明的關鍵在于步驟(7)中阻尼控制器增益ki的導出，下面對該求解方法進行詳細的推導說明。為求取控制器參數(shù)ki，需將電力系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達式轉化為適用于本發(fā)明中判據(jù)中的形式。為此，將圖1中的每條控制鏈路的控制反饋信號寫為ui(t-τi)＝kiyi(t-τi)＝kicix(t-τi)＝ki′x(t-τi)，并帶入到原電力系統(tǒng)的表達式，可得再對上式改造，有式中，kc＝[k1′…ki′…kq′]t，b1′＝[b10…0]，…，bi′＝[0…0bi0…0]，…，bq′＝[00…bq]。通過上面的推導，可以將多時滯電力系統(tǒng)轉化成鎮(zhèn)定判據(jù)所使用的系統(tǒng)。由此，可通過步驟(7)的方法方便地求解出控制參數(shù)。下面通過仿真實例對本發(fā)明所設計的方法進行驗證。為了驗證本文提出的考慮多時滯的電力系統(tǒng)附加阻尼控制器的控制性能，使用4機2區(qū)域電力系統(tǒng)進行仿真分析。如圖3所示的4機2區(qū)域電力系統(tǒng)，每個區(qū)域有兩臺發(fā)電機組成，不考慮調速系統(tǒng)的影響。在運行點附近進行線性化，其中，同步發(fā)電機采用3階模型，勵磁系統(tǒng)采用1階模型，x(t)＝[δδ1，δω1，δe′q1，δeqe1，…，δδ4，δω4，δe′q4，δeqe4]t。對其開環(huán)系統(tǒng)進行模態(tài)分析得到表1，可知該系統(tǒng)有兩個地區(qū)模式(模式2和模式3)和一個區(qū)間模式(模式1)。其中，模式1為弱阻尼，分析參與因子可知發(fā)電機g1和g3為主導機組。表1低頻振蕩模式分析模式特征值阻尼比參與機組類型1-0.1000±3.9639i0.02521，2.3，4區(qū)間模式2-1.0101±7.0561i0.14173，4地區(qū)模式3-0.7630±7.2479i0.10471，2地區(qū)模式為提升區(qū)間模式阻尼比，需加入廣域附加阻尼控制器。本發(fā)明廣域附加阻尼器選取發(fā)電機的角速度作為廣域反饋控制信號以抑制區(qū)間模式的低頻振蕩，控制器輸出作用在發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)上。仿真實驗一：本發(fā)明所提控制方案在不同時滯下的仿真驗證本發(fā)明提出的考慮多時滯的廣域附加阻尼控制器記為控制方案1。通過可控可觀性方法進行選址和輸入信號的選擇，最終采用發(fā)電機g1與g3的角速度差δω13、g2與g4的角速度差δω24作為反饋控制的輸入信號，分別作用在g1、g2的勵磁系統(tǒng)上，即u1＝δeqe1，u2＝δeqe2。考慮兩路傳輸信號延遲，記為τ13、τ24。待求控制器增益為kc1_1、kc1_2，有控制器增益kc的形式為其中k1＝[0kc1_100]，k2＝[0kc1_200]，kc∈r2×16，k1，k2∈r1×4。由于實際電力系統(tǒng)的延時一般不會超過0.1s。因此首先給定電力系統(tǒng)通信傳輸延遲為τi＝0.1s，計算此時控制的參數(shù)。經(jīng)計算，當τ13＝τ24＝0.1s時，通過matlablmitoolbox的feasp函數(shù)求解，判斷出系統(tǒng)此時存在可行解，此時控制方案1中的增益kc1_1＝-2.0894，kc1_2＝-6.8671。所以當0＜τ＜0.1s時，系統(tǒng)均能漸進穩(wěn)定。對所求得的反饋控制器進行仿真實驗。小干擾故障設置為g2的勵磁電壓在1.1s時產(chǎn)生5％的階躍擾動，并于1.2s時恢復正常，此時電力系統(tǒng)的仿真結果如圖4所示?？芍?，系統(tǒng)在不加任何控制時是穩(wěn)定的，但需要超過15s的時間才能達到穩(wěn)定的狀態(tài)，系統(tǒng)存在著區(qū)間模式的低頻振蕩，阻尼很弱。對本發(fā)明所提控制方案在不同時滯下進行仿真驗證，系統(tǒng)的仿真結果如圖5所示?？芍S著信號傳輸時延τ的增大，所得控制器的控制效果逐漸變差。系統(tǒng)在無延遲、當τ13＝0.05s，τ24＝0.1s及τ13＝τ24＝0.1s的情況下均能保持穩(wěn)定，且控制效果依次減弱，當τ13＝τ24＝0.15s時系統(tǒng)處于臨界穩(wěn)定的狀態(tài)，當τ13＝τ24＝0.2s時系統(tǒng)已無法保持穩(wěn)定。仿真表明了本文提出的方法可適應時滯上限以內的時間延遲，具有合理性及有效性。仿真實驗二：本發(fā)明所提控制方案在大干擾下的仿真驗證為驗證本發(fā)明所提的多時滯附加阻尼控制器在大擾動情況下的控制效果，設置故障為母線7在0.1s時發(fā)生三相短路故障，經(jīng)0.1s后自動重合閘成功。電力系統(tǒng)的仿真曲線如圖5所示?？梢姡谙到y(tǒng)發(fā)生三相短路等大擾動的情況下，未加控制器的電力系統(tǒng)持續(xù)低頻振蕩，無法恢復穩(wěn)定，而加入本發(fā)明所提的多時 滯附加阻尼控制后，區(qū)間低頻振蕩得到了抑制，系統(tǒng)快速恢復穩(wěn)定運行狀態(tài)，本發(fā)明所提的多時滯廣域附加阻尼控制器在大干擾情況下仍然具有良好的控制效果。仿真實驗三：本發(fā)明所提控制方案與其他控制方案在給定時滯下的控制效果對比為證明發(fā)明所提控制方案的有效性，下面采用2種控制方案進行對比仿真驗證。不考慮多時滯的廣域附加阻尼控制的控制方案記為控制方案2，其選址與控制器結構與控制方案1一致，參數(shù)通過粒子群算法求出，目標函數(shù)設計為區(qū)間模式阻尼比最大。待求控制器增益為kc2_1、kc2_2，有考慮單時滯的廣域附加阻尼控制方案記為控制方案3，采用g1與g3的角速度差δω13作為反饋控制器的輸入，作用在g1的勵磁系統(tǒng)上。待求控制器增益待求控制器增益為kc3_1，有u1(t-τ1)＝kc3_1δω13(t-τ1)參數(shù)整定方法為本文提出的考慮多時滯的阻尼控制方案，此時時滯為單個。控制器增益kc的形式為kc＝k′1＝[00k10]k1＝[0kc3_100]kc∈r2×16，k1∈r1×4經(jīng)計算，對于不考慮時滯的控制方案2，其控制參數(shù)kc2_1＝-59.6532，kc2_2＝-7.4969。對于考慮τ13＝0.1s單時滯的控制方案3，其控制參數(shù)kc3_1＝-6.7927。下面對所求得的反饋控制器進行對比仿真實驗。小干擾故障設置與仿真實驗一中相同，電力系統(tǒng)的仿真曲線如圖6所示。可知，系統(tǒng)在不加任何控制時是穩(wěn)定的，但需要超過15s的時間才能達到穩(wěn)定的狀態(tài)，系統(tǒng)存在著區(qū)間模式的低頻振蕩，阻尼很弱。當采用廣域控制方案抑制電力系統(tǒng)的區(qū)間低頻振蕩時，控制方案1和控制方案3都能對系統(tǒng)產(chǎn)生阻尼作用，使使功角和轉子角速度在10s內達到穩(wěn)定，驗證了本文所提出方法的具有適應性及有效性。而采用考慮多時滯的阻尼控制方案1后振蕩平息得時間更短，阻尼效果更強，比僅考慮單時滯的阻尼控制方案3效果更好。而不考慮時滯而進行控制設計的控制方案2無法適應信號存在傳輸時滯的情況，系統(tǒng)無法穩(wěn)定。最后應當說明的是：以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本
技術領域：
的技術人員在本發(fā)明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內。因此，本發(fā)明的保護范圍應該以權利要求的保護范圍為準。當前第1頁12