電力系統(tǒng)廣域時滯pid阻尼控制器設(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阻尼控制器的設(shè)計方法，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(kuò)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(yùn)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(yùn)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(jìn)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(xiàn)中已有明 確的結(jié)論。但是，PMU同步相量的廣域遠(yuǎn)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(jìn)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 影響，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，提出了廣 域時滯PID阻尼控制器的整套設(shè)計方法，包括：確定電力系統(tǒng)低頻振蕩模式，選取反應(yīng)區(qū)間 低頻振蕩特性的反饋控制信號以及合適的阻尼控制執(zhí)行器，建立廣域電力系統(tǒng)的傳遞函數(shù) 數(shù)學(xué)模型，設(shè)計適用于時滯PMU信號反饋控制的電力系統(tǒng)PID控制器，計算能夠確保電力系 統(tǒng)穩(wěn)定的可能的PID參數(shù)分布范圍以及從中選取合適的PID參數(shù)。
[0006] 本發(fā)明所述的電力系統(tǒng)廣域時滯PID阻尼控制器設(shè)計方法的技術(shù)方案的實施步 驟如下：
[0007] (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(jī)組，從中 篩選出區(qū)間低頻振蕩模式；
[0008] (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；分析電力系統(tǒng)現(xiàn)有的調(diào)控裝置，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；
[0009] (3)確定電力系統(tǒng)從步驟（2)中所選定的阻尼調(diào)控裝置輸入端至廣域反饋控制信 號的局部線性化傳遞函數(shù)模型；
[0010] ⑷設(shè)計電力系統(tǒng)時滯PID阻尼控制器的結(jié)構(gòu)；
[0011] (5)根據(jù)廣域反饋控制信號的時滯和電力系統(tǒng)傳遞函數(shù)模型，計算能夠確保電力 系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的PID參數(shù)分布范圍；
[0012] (6)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)。
[0013] 進(jìn)一步，所述步驟（1)中，既可以采取電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定特征根分析，也可以采 取電力系統(tǒng)動態(tài)仿真或者測量數(shù)據(jù)辨識技術(shù)，確定電力系統(tǒng)的低頻振蕩模式的特征根、振 蕩頻率、阻尼值和參與機(jī)組，其中振蕩頻率低于1. 〇Hz且功率振蕩參與機(jī)組分布在多個區(qū) 域電網(wǎng)中的振蕩模式就是區(qū)間低頻振蕩模式。
[0014] 進(jìn)一步，所述步驟（2)中，可選的廣域反饋信號來自各廠站、線路上布置的PMU裝 置，常見的有發(fā)電機(jī)功角和轉(zhuǎn)速信號、聯(lián)絡(luò)線有功功率信號，通過比較這些信號對區(qū)間低頻 振蕩模式的可觀性指標(biāo)，可以選出可觀性較好的PMU信號作為反饋控制信號Y ;可選的低 頻振蕩穩(wěn)定調(diào)控裝置有發(fā)電機(jī)勵磁裝置、高壓直流（HVDC)控制裝置、靜態(tài)無功補(bǔ)償（SVC) 裝置等柔性交流輸電（FACTS)裝置，根據(jù)這些裝置附加控制輸入對該振蕩模式的可控性指 標(biāo)，選取可控性較好的調(diào)控裝置作為低頻振蕩阻尼控制的執(zhí)行器，執(zhí)行器的輸入信號為U ; 反饋信號至阻尼控制執(zhí)行器的時滯設(shè)定為t。
[0015] 進(jìn)一步，所述步驟（3)中，既可以采取小干擾穩(wěn)定分析方法、也可以采取辨識算法 確定從阻尼調(diào)控裝置輸入信號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) =1'1(8)617〇(8)，其中1'1(8)=13|118" 1+13|1118"11 + -+1318+13。;0(8)=811+&1118 111+-+&18+&。;考慮 到實際電力系統(tǒng)模型的階數(shù)可能非常高，可以進(jìn)一步采取降階措施，使降階后的傳遞函數(shù) 模型包含主要的低頻振蕩模式，傳遞函數(shù)模型的形式同降階前G(S) =N(s)e TS/D(S)。
[0016] 進(jìn)一步，所述步驟（4)中，所設(shè)計的電力系統(tǒng)廣域時滯PID阻尼控制器主要包括： 廣域測量信號預(yù)處理模塊、比例（P)環(huán)節(jié)、積分（I)環(huán)節(jié)、微分（D)環(huán)節(jié)、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)和時滯過大的數(shù)據(jù)，并將其與穩(wěn)態(tài)值進(jìn)行比較，對不同時滯的PMU信號重新進(jìn) 行排隊、根據(jù)設(shè)定的時滯等待后送入PID環(huán)節(jié)，PID環(huán)節(jié)輸出的阻尼控制信號經(jīng)過限幅環(huán)節(jié) 后送入步驟（2)中所選定的低頻振蕩調(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。
[0017] 進(jìn)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（2)中設(shè)定的廣域PMU反饋控制信號的時滯I，按以下幾個步驟計算時滯PID阻尼 控制器的參數(shù)分布范圍（K P，KD，ig :
[0018] (a)選取足夠大的1，若n是偶數(shù)，則令Z = 21jt，否則令Z = 2131 + 31/2 ;令s = jz/t，z為實數(shù)；假定Q是曲線f2(z) = -qJzVIiN/W+NAz)]與直線fjz) = KP在區(qū) 間（〇，Z)內(nèi)的交點數(shù)量，其中 qjz) = [DjzMJzhDjzMJzUcosCzWDjzMJz^l-Djz) NjzUsinb)，分別為 N(jz/T)和D(jz/T)的實部和虛部；確 定KP的分布范圍[K P_，KP_]，使Q滿足下式：
[0019]
[0020] 其中，1 (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；
[0021] (b)將心分布范圍[KP_，KP_]等間隔分為F段，間隔點分別為Kro、KP1、KP2、……、 KPi、KP(i+1)、......、1^，其中1 -0、1、2、......、F，KP。一KPmin,KPF-KPmax；
[0022] (c)對于給定的 KP= K Pi，其中 i = 0、1、2、......、F，計算 q(z，KP)= {qJzHlUNAzHNAzmz/T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 ;
[0023] (d)對于 t = 1、2、......、c，如果N(_jzt/t) = 〇,則 it= 〇 ;若N(_s)在原點有個零 點，則令i〇= sgnWIipJzU/dzIr。），其中sgn()為符號函數(shù)，Pi(z)二-丨叫⑴隊⑴^⑴ NjzUcosbhliDjzMJzhDjzMdzUsinbMz/t;否則 it= -1 或 1，具體由下式?jīng)Q定：
[0024]
[0028] 假設(shè)滿足上述條件的集合I有h組；
[0029] (e)若根據(jù)步驟⑷得到的I是唯一的，計算由不等式組[KfAbjKD+BbJitX) 確定的（K Di，Kn)穩(wěn)定區(qū)間的交集3;，其中A(zt) =zt2/ T2，B(zt) =p1(zt)/[Nr2(zt)+N i2(zt)]， t = 0、l、2、……、c，且t滿足N(jzt/〇乒0;若I不是唯一的，（KDl，Kn)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;
[0030] (f)返回步驟（c)，直至所有的KPl所對應(yīng)的（KDl，K")穩(wěn)定區(qū)間Si計算完畢。
[0031] (g)得到能夠確保系統(tǒng)G(s)穩(wěn)定的時滯PID參數(shù)分布范圍（KpIVig為（1^;)， 其中 i = 0、1、2、......、F。
[0032] 進(jìn)一步，所述步驟（6)中，在三維坐標(biāo)系中，由步驟（5)計算所得時滯PID 參數(shù)分布范圍（KmSj形成若干個立體空間，確定每個立體空間的重心位置（{^，{^，^，選 擇其中一組重心參數(shù)作為所設(shè)計時滯PID阻尼控制器的參數(shù)。