CN107887909B - 一种时延匹配电力***稳定器及其设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种时延匹配电力***稳定器，由隔直滤波模块W、反馈增益模块K、时延匹配模块T和输出限幅模块B依次串联组成，其输入信号来自于电力***相量测量单元PMU，其输出信号输入电力***稳定调控装置。本发明还涉及一种时延匹配电力***稳定器的设计方法，根据被控振荡模式的特征根及其对应留数的幅值和相位、控制环路的实际时延，即可确定时延匹配电力***稳定器参数，通过时延匹配使反馈回路的总时延达到最优值，从而获得最佳的稳定控制效果。

Description

一种时延匹配电力***稳定器及其设计方法
技术领域
本发明涉及电力***稳定与控制技术领域，尤其涉及一种新型时延匹配电力***稳定器及其设计方法。
背景技术
随着太阳能、风能、生物质能等可再生能源以及越来越多的电动汽车及储能元件的并网，为了满足能量传输和提升效率的需求，现代电力***的规模正在不断扩大。为了解决大规模电力***的稳定性问题，在电力***稳定控制中应用广域测量***(Wide-areaMeasurement System，WAMS)十分必要。然而在广域电力***稳定器(Wide-area PowerSystem Stabilizer，WAPSS)的工程应用中，WAMS固有的时延是不可避免的问题，在设计PSS时需要考虑时延的影响。如果基于无时延的假设来设计控制器，***中的时延会影响***的稳定性，因此近年来许多研究者采用了一些存在时延的控制理论来设计WAPSS，期望获得较好的阻尼效果。另有研究者认为，在采用无延时的控制方法之前对时延进行补偿，也是一种可行的研究思路。但若采用此方法，随着时滞的增加，补偿模块的数量也会随之增加，控制结构会变得比较复杂。不仅如此，如果闭环控制中存在较大时延，精确预测相量测量单元(Phasor Measurement Unit，PMU)的反馈控制信号将变得十分困难。
事实上，时延对***稳定性的影响并非完全负面。信号时延引起的相位滞后与***传递函数中的相位偏移本质相同，两者都会使输入信号到输出信号之间产生相位差，当***相位偏差超前时，两者甚至存在一定的互补性。在控制理论中，如果在输入信号中加入匹配的时延，可以达到提高***稳定性的效果，该方法已被广泛应用于***阻尼控制中。
发明内容
本发明要克服现有技术的上述缺点，提供一种时延匹配电力***稳定器及其设计方法。
本发明设计了一种新型的时延匹配电力***稳定器DMPSS(Delay-MatchingPower System Stabilizer)，能克服目前经典PSS控制器结构复杂、控制方法繁琐的缺点。这种新型DMPSS与经典PSS的主要区别在于：用时延匹配模块取代了经典结构中的超前滞后模块，通过该模块在控制器中引入附加时延，使控制环路的总延时达到最优，在反馈增益确定的情况下，显著提高阻尼效果。
为了实现上述技术目标，本发明提出的技术方案如下：
一种时延匹配电力***稳定器DMPSS，其结构特征在于：由隔直滤波模块W、反馈增益模块K、时延匹配模块T、输出限幅模块B依次串联而成，其输入信号来自于电力***相量测量单元PMU，其输出信号输入电力***稳定调控装置；其中，时延匹配模块T的传递函数T(s)如式(1)：
T(s)＝e-sΔτ (1)
式中，s表示复数变量，Δτ表示匹配时延，需要根据实际***运行方式和控制环路实时时延来计算确定。
上述时延匹配电力***稳定器的设计方法，其步骤如下：
步骤1：在电力***中筛选控制环路，包括确定输入DMPSS的相量测量单元PMU(Phasor Measurement Unit,)信号，选取合适的稳定控制执行器，确定正常工作情况下控制环路的实测时延τ；
步骤2：确定***的主导振荡模式，其特征根为λj，并计算该振荡模式对应留数Rj的幅值|Rj|及其相位角∠Rj，并令∠Rj处于[0，2π]范围内；
步骤3：整定DMPSS中时延匹配模块T的匹配时延Δτ以及反馈增益模块K的增益值K，具体方式如下：
步骤31：确定阻尼系数目标值ξ，根据式(2)计算振荡模式特征值λj的变化量
Δλj：
Δλj≈-ξωj-σj (2)
其中σj和ωj分别是λj的实部和虚部；
步骤32：整定匹配时延Δτ以及反馈增益值K，计算方法如式(3)-(4)：
若2kπ≤∠Rj-ωjτ＜(2k+1)π，则
Figure BDA0001473847370000031
若(2k+1)π≤∠Rj-ωjτ＜(2k+2)π，则
Figure BDA0001473847370000032
式中，k＝0或1
步骤4：对步骤3计算所得的匹配时延Δτ作进一步微调，以获取最优的阻尼效果；
步骤5：根据常规方法确定隔直滤波模块W和输出限幅模块B的参数。
本发明的优点是：用时延匹配模块取代了经典结构中的超前滞后模块，不仅能有效地简化了控制器的结构及其设计方法，同时还提高了***阻尼效果和鲁棒性，能够有效抑制低频振荡。
附图说明
图1是应用本发明的时延匹配电力***稳定器的新英格兰电力***的结构图。
图2是本发明的时延匹配电力***稳定器DMPSS的结构图。
图3a～图3b是不同控制环路接入延匹配电力***稳定器DMPSS前后，***动态特性变化曲线，其中图3a是线路L16-17有功功率(PL17-16)的动态变化曲线，图3b是发电机G5与G10之间的相对功角(Δδ5-10)动态变化曲线。
图4a～图4b是不同匹配时延Δτ下发电机G5与G10之间相对功角(Δδ5-10)动态响应的对比曲线，图4a与图4b分别对应控制环路1和控制环路3。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。本实施例采用新英格兰电力***进行仿真，该***包括10台机组，39条母线以及46条线路，具体结构如图1所示。该***作为测试标准，被广泛应用于小干扰稳定分析及区域间低频振荡的研究中。通过对新英格兰电力***进行仿真分析，测试本方法的效果。
根据本文提出的技术方案，确定并搭建DMPSS的结构框架，该结构由传递函数为
Figure BDA0001473847370000041
的隔直滤波模块W、传递函数形式为H(s)＝K的反馈增益模块K、传递函数形式为T(s)＝e-sΔτ的时延匹配模块T以及上下输出限幅模块B依次串联而成，如图2所示。
根据搭建完成的DMPSS的结构框架，设计针对新英格兰电力***的新型DMPSS，具体步骤如下：
步骤1：在该实施例的电力***中筛选合适的控制环路，本实施例中DMPSS设计基础信息如表1所示。表1列出了用三种不同的控制环路进行DMPSS设计所需的基础信息。以控制环路1为例，PMU信号为母线5与母线8间线路的有功功率PL5-8，稳定调控装置为静态无功补偿器SVC(Static Var Compensator,)，***正常工作情况下的时延Δτ1＝0.15s。
表1 DMPSS设计基础信息
控制环路 PMU信号 稳定调控装置 时延(s)
1 P<sub>L5-8</sub> SVC 0.15
2 P<sub>L5-8</sub> EXC4 0.25
3 Δδ<sub>5-10</sub> SVC 0.7
步骤2：通过对实施例中电力***在标准运行状态下的线性化及特征值分析，可以确定该***的主导振荡模式的特征根λj＝-0.1679±4.1683i，阻尼系数为0.0403，振荡频率为0.66Hz；通过小信号分析计算该线性化电力***的传递函数，以控制环路1为例，该振荡模式所对应留数Rj的幅值|Rj|＝10.50，其相位角∠Rj＝1.49rad。
步骤3：根据选择的控制环路，整定DMPSS的匹配时延Δτ以及反馈增益值K，以控制环路1为例，具体实现方式如下：
(a)计算特征值的变化量Δλj，此处目标阻尼系数ξ为0.17，σj和ωj分别是λj的实部和虚部：
Δλj≈-ξωj-σj＝-0.17×4.1683+0.1679＝-0.3728
(b)根据式(3)-(4)，整定控制环路1的匹配时延Δτ1及反馈增益值K，式中τ∑1为控制环路1的总时延，τ1为***的实测时延：
Δτ1＝τ∑1-τ1＝(∠Rj)/ωj-τ1＝0.21(s)
Figure BDA0001473847370000051
步骤4：根据常规方法确定隔直滤波模块W和输出限幅模块B的参数，在本实施例中，确定时间常数TW＝5s，限幅值为±0.05p.u。
在完成采用控制环路1的DMPSS的设计后，根据控制环路1的参数整定方式，可同理计算控制环路2和3对应DMPSS的参数，并将其列于表2中。在此基础上，通过匹配时延Δτ的微调以获取更优的阻尼效果，Δτ的微调值同样列于表2中。将设计完成的DMPSS接入电力***中，检测其控制效果。不同控制环路下DMPSS的具体参数及其控制效果如表2所示。从表2可知，采用控制环路1与控制环路3设计的DMPSS接入***后，阻尼系数有明显提高，控制效果较好。采用控制环路2时，即使受到***稳定性的限制，***阻尼系数仍有提高。
表2.不同控制环路DMPSS的参数整定及控制效果
控制环路 τ(s) Δτ计算值(s) Δτ微调值(s) K ξ f(Hz)
1 0.15 0.21 0.15 -0.04 0.1700 0.65
2 0.25 0.11 0.10 0.60 0.0821 0.66
3 0.70 0.40 0.35 0.10 0.1654 0.52
为了验证本发明的有效性，还需对接入DMPSS后的电力***进行稳定性分析。本仿真实施例测试了控制环路1和控制环路3中DMPSS的阻尼效果。仿真中设置：t＝1s时，母线16与母线17间的其中一条线路发生三相短路故障，该故障线路于0.1s后被切除。图3a～图3b是不同控制环路接入DMPSS前后，***动态特性变化对比图。在故障被切除后，母线16与母线17间另一条无故障线路的有功功率PL17-16变为原功率的2倍，且功率产生明显振荡，如图3a所示。从图3a～图3b中可以看出，在DMPSS接入前，线路L16-17的有功功率PL17-16以及发电机G5与G10之间的相对功角(Δδ5-10)的振荡均超过15s；将本发明设计的DMPSS接入后，振荡均能在5s之内得到明显抑制，该仿真实施例的结果充分说明了本发明所设计DMPSS的有效性。
匹配时延Δτ对***动态响应的影响如图4a～图4b所示，在Δτ值不同时，发电机G5与G10之间的相对功角(Δδ5-10)振荡曲线有明显差别。图4a对应控制环路1接入设计的DMPSS后，当Δτ设置为0.15s，即控制环路1的匹配时延最优值时，该DMPSS的阻尼效果最佳；当Δτ为0.00s或0.35s时，DMPSS依然具有较好的阻尼效果。图4b对应控制环路3接入设计的DMPSS后，当Δτ为0.00s时，即远远偏离其最优值0.35s时，该***将失去稳定。图4a～图4b进一步说明了本方法整定的匹配时延Δτ的有效性和准确性。
本发明设计了一种新型时延匹配电力***稳定器，用时延匹配模块取代了经典结构中的超前滞后模块，提出了反馈增益与匹配时延互补设计的方法，不仅有效地简化了控制器的结构及其设计方法，同时还提高了***阻尼效果和鲁棒性。本发明在新英格兰电力***中进行了仿真应用，结果显示其对电力***的有功功率及发电机相对功角的低频振荡有较好的抑制作用。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (1)

1.时延匹配电力***稳定器的设计方法，时延匹配电力***稳定器的输入信号来自于电力***相量测量单元PMU，其输出信号输入电力***稳定调控装置，由隔直滤波模块W、反馈增益模块K、时延匹配模块T和输出限幅模块B依次串联组成；所述的时延匹配模块T的传递函数T(s)如式(1)：
T(s)＝e-s△τ (1)
其中，s表示复数变量，Δτ表示匹配时延，需要根据实际***运行方式和控制环路实时时延来计算确定；
其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：在电力***中筛选控制环路，包括确定输入DMPSS的相量测量单元PMU信号，选取合适的稳定控制执行器，确定正常工作情况下控制环路的实测时延τ；
步骤2：确定***的主导振荡模式，其特征根为λj，并计算该振荡模式对应留数Rj的幅值|Rj|及其相位角∠Rj，并令∠Rj处于[0，2π]范围内；
步骤3：整定DMPSS中时延匹配模块T的匹配时延Δτ以及反馈增益模块(K)的增益值K，具体方式如下：
步骤31：确定阻尼系数目标值ξ，根据式(2)计算振荡模式特征值λj的变化量Δλj：
△λj≈-ξωj-σj (2)
其中σj和ωj分别是λj的实部和虚部；
步骤32：整定匹配时延Δτ以及反馈增益值K，计算方法如式(3)-(4)：
若2kπ≤∠Rj-ωjτ<(2k+1)π，则
Figure FDA0002377844980000011
若(2k+1)π≤∠Rj-ωjτ<(2k+2)π，则
Figure FDA0002377844980000012
式中，k＝0或1
步骤4：对步骤3计算所得的匹配时延Δτ作进一步微调，以获取最优的阻尼效果；
步骤5：确定隔直滤波模块W和输出限幅模块B的参数。
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