具有高阻尼值的電力系統廣域時滯pid阻尼控制器設計方法
【技術領域】：
[0001] 本發明設及電力系統低頻振蕩廣域阻尼控制器設計方法，屬于電力系統穩定控制
技術領域。
【背景技術】：
[0002] 隨著大區電網的互聯，電力系統的規模不斷擴大，低頻振蕩問題也日益嚴重。如何 確保大區電網特高壓互聯下的電力系統具有較高的阻尼系數，成為現代電力系統安全穩定 運行亟待解決的控制難題。
[0003] 由于大區電網互聯后，發生的低頻振蕩可能同時設及多個區域電網，分布面非常 廣，影響也很大。傳統的采用本地信號作為反饋信號的電力系統穩定控制器（PSS)，受控制 信號的可觀性限制，在抑制區間低頻振蕩方面效果非常有限。基于GI^授時技術的相量測 量單元（PMU)，使電力系統運行狀態的同步測量不再是個難題，目前基于PMU的電力系統廣 域測量系統（WAM巧也正在成形與完善中。利用PMU同步相量數據進行廣域電力系統低頻 振蕩阻尼控制，較傳統的基于本地信號的PSS控制具有顯著的優勢，在大量文獻中已有明 確的結論。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 統的穩定性。
[0004] 在過去的幾十年里，PID控制器在工業控制中得到了廣泛應用，工業過程控制中 95%W上的控制回路都具有PID結構，并且許多高級控制都是WPID控制為基礎的，電力系 統亦不例外。PID控制器結構和算法簡單，應用廣泛，但參數整定方法復雜，若要考慮時滯的 影響，PID控制器的參數整定將難上加難。
【發明內容】
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[0005] 本發明針對廣域電力系統在區域電網互聯過程中出現的低頻振蕩問題，提出了具 有高阻尼值的廣域時滯PID阻尼控制器的設計方法，包括：確定電力系統低頻振蕩模式，選 取反應區間低頻振蕩特性的反饋控制信號W及合適的阻尼控制執行器，建立廣域電力系統 的傳遞函數數學模型，設計適用于時滯PMU信號反饋控制的電力系統PID控制器，計算能夠 確保電力系統穩定的可能的PID參數分布范圍，選取使電力系統具有高阻尼值的PID參數。
[0006] 本發明所述的具有高阻尼值的電力系統廣域時滯PID阻尼控制器設計方法的技 術方案的實施步驟如下：
[0007] (1)確定電力系統低頻振蕩模式，包括特征根、振蕩頻率、阻尼值、參與機組，從中 篩選出區間低頻振蕩模式；
[0008] (2)針對區間低頻振蕩模式，分析同步PMU信號對該模式的可觀性，從中篩選出區 間低頻振蕩的廣域反饋控制信號；分析電力系統現有的調控裝置，從中選取對該模式具有 較高可控性的調控裝置作為阻尼控制的執行器；
[0009] (3)確定電力系統從步驟（2)中所選定的阻尼調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模型；
[0010] (4)設計電力系統時滯PID阻尼控制器的結構；
[0011] (5)根據廣域反饋控制信號的時滯和電力系統傳遞函數模型，計算能夠確保電力 系統穩定運行的PID參數分布范圍；
[0012] (6)將步驟巧）中的PID參數分布范圍離散化，從中選取X組PID參數；
[0013] (7)將步驟（6)中的PID參數分別加入電力系統中，計算與之對應的區間低頻振蕩 阻尼值，從中選取阻尼值最大的那組參數作為時滯PID阻尼控制器的參數。
[0014] 進一步，所述步驟（1)中，既可W采取電力系統小干擾穩定特征根分析，也可W采 取電力系統動態仿真或者測量數據辨識技術，確定電力系統的低頻振蕩模式的特征根、振 蕩頻率、阻尼值和參與機組，其中振蕩頻率低于1.0化且功率振蕩參與機組分布在多個區 域電網中的振蕩模式就是區間低頻振蕩模式。
[0015] 進一步，所述步驟似中，可選的廣域反饋信號來自各廠站、線路上布置的PMU裝 置，常見的有發電機功角和轉速信號、聯絡線有功功率信號，通過比較運些信號對區間低頻 振蕩模式的可觀性指標，可W選出可觀性較好的PMU信號作為反饋控制信號Y;可選的低 頻振蕩穩定調控裝置有發電機勵磁裝置、高壓直流（HVDC)控制裝置、靜態無功補償（SVC) 裝置等柔性交流輸電（FACT巧裝置，根據運些裝置附加控制輸入對該振蕩模式的可控性指 標，選取可控性較好的調控裝置作為低頻振蕩阻尼控制的執行器，執行器的輸入信號為U; 反饋信號至阻尼控制執行器的時滯設定為T。
[0016] 進一步，所述步驟（3)中，既可W采取電力系統線性化數學模型、也可W采取辨識 算法確定從阻尼調控裝置輸入信號U至廣域反饋控制信號Y的線性化傳遞函數模型G(S) =N(S)G"/D(S),其中N(S) =bmSm+bmismi+…+biS+b〇;D(S) =8。+曰。片1+…+aiS+a。;考慮 到實際電力系統模型的階數可能非常高，可W進一步采取降階措施，使降階后的傳遞函數 模型包含主要的低頻振蕩模式，傳遞函數模型的形式同降階前G(S) =N(s)e"/D(S)。
[0017] 進一步，所述步驟（4)中，所設計的電力系統廣域時滯PID阻尼控制器主要包括： 廣域測量信號預處理模塊、比例（巧環節、積分（I)環節、微分值）環節、輸出限幅環節；其 中電力系統WAMS中的PMU信號輸入到該時滯PID阻尼控制器的測量信號預處理模塊，剔除 錯誤的數據和時滯過大的數據，并將其與穩態值進行比較，對不同時滯的PMU信號重新進 行排隊、根據設定的時滯等待后送入PID環節，PID環節輸出的阻尼控制信號經過限幅環節 后送入步驟（2)中所選定的低頻振蕩調控裝置，作為附加控制信號參與電力系統的穩定控 制。 陽〇1引進一步，所述步驟巧）中，針對步驟（3)中獲取的電力系統傳遞函數模型G(S)W及步驟（4)中設定的廣域PMU反饋控制信號的時滯T，按W下幾個步驟計算時滯PID阻尼 控制器的參數分布范圍（Kp，Kd,Ki):
[0019](曰）選取足夠大的1，右n是偶數,則令Z = 21 31 ,否則令Z = 213i+jt/2 ;令S = jz/T，Z 為實數；假定 Q 是曲線 f2(z) =-qi(z)/[Nf2(z)+Ni2(z)]與直線 fi(z) = Kp在區 間（0, 口 內的交點數量，其中 Qi(Z) = IiDr(Z)Nr(z)+Di(z)Ni(z)]cos(z)-Q)i (Z)Nf (Z)-Df (Z) Ni(z)]sin(z)，Nf(z)、Ni(z)、Dr(z)、Di(z)分別為 N(jz/T)和D(jz/T)的實部和虛部；確 定Kp的分布范圍怔Pmm,KpmJ，使Q滿足下式：
[0020] 若m+n是偶數 若m是偶數，n是奇數 若m是奇數，n是偶數
[002U其中，1㈱、r㈱和j(腳分別為N(S)在S左半平面、右半平面和正虛軸上的零點 數量；
[00巧 （b)將Kp分布范圍怔pmln，KpmJ等間隔分為F段，間隔點分別為Kp。、Kpl、Kp2、……、 Kpi、Kp(W)'......、KpF，其中i= 0、1、2、......、F，Kpo=KPmin,KpF=KPmax; 陽02；3] (C)對于給定的Kp=KPi,其中i= 0、1、2、......、F，計算q(z，Kp)= {qi(z)+Kp[Nr2(z)+Ni2(z)]}z/i在區間[0,幻內不同的實零點，從小至IJ大依次為Z0、Zi、 Z2、......、Zc1，且Zc=Z;
[0024] (d)對于t= 1、2、……、c，如果N(-jZt/T) = 0,則it=0諾N(-s)在原點有個零 點，則令1。=8即((1[口1仁)]/化|,=。），其中8即〇為符號函數，口1仁）=-{化仁化仁)-〇,^) Ni(Z)]COS(Z)+ 1? (Z)NjXz)+Di(Z)Ni(Z)]sin(Z) }z/T;否則 it= -1 或 1，具體由下式決定： 陽0巧] … f如+打+I-R(W)-T(W)] 若打是偶數 YI~I Uz+ra+Z-WAO-r'OV)] 若n是奇數
[0026] 其中
[0027] 123456 _片〇 :ii, '一 ,，Ic) 若m是奇數心。ii,若饑是偶數
叢微是壽繳 若m是偶數 2 假設滿足上述條件的集合I有h組； 3 (e)若根據步驟（d)得到的I是唯一的，計算由不等式組[Ki-A(Zt)KD+B(Zt)]it〉0 確定的（Kdi，Ku)穩定區間的交集Si,其中A(Zt) =Zt^/T2,B(Zt) =Pi(Zt) / [N/ (Zt) +Ni2 (Zt)]， t= 0、1、2、......、c，且t滿足N(jZt/T)聲0 ;若I不是唯一的，（Kpi，Kii)則是步驟（d)中 的h組I所對應的穩定區間的并集Si; 4 訊返回步驟（C)，直至所有的Kpi所對應的化Di,K")穩定區間Si計算完畢。 5 陽03引 （g)得到能夠確保系統G(S)穩定的時滯PID參數分布范圍也，Kd,Ki)為也1，Si)， 其中i = 0、1、2、……、F。 6 進一步，所述步驟（6)中，在町、而、1(云維坐標系中，由步驟（5)計算所得時滯口10 參數分布范圍（Kpi，Si)形成一個立體空間，在該立體空間中等間隔或者隨機選取X組PID 參數。
[0034] 進一步，所述步驟（7)中，將步驟化）中所選的X組PID參數分別加入電力系統， 既可W采取電力系統小干擾穩定特征根分析，也可W采取電力系統動態仿真辨識技術，確