專利名稱：基于非線性魯棒電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的勵(lì)磁控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
大型發(fā)電機(jī)組的勵(lì)磁控制是改善電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)、提高暫態(tài)穩(wěn)定性最有效、最經(jīng)濟(jì)的技術(shù)手段之一?，F(xiàn)階段包括PID(比例積分微分控制)、PSS(電力系統(tǒng)穩(wěn)定器)、LOEC(線性最優(yōu)勵(lì)磁控制)及NOEC(非線性最優(yōu)勵(lì)磁控制)等技術(shù)均不同程度地應(yīng)用于電力系統(tǒng)，但面對(duì)現(xiàn)代互聯(lián)電網(wǎng)最關(guān)鍵的設(shè)備——大型發(fā)電機(jī)組的勵(lì)磁控制，仍存在難以克服的局限性。這主要是因?yàn)楝F(xiàn)代電力系統(tǒng)在其運(yùn)行中不可避免的會(huì)受到不確定性(如外界干擾和未建模動(dòng)態(tài))的影響，同時(shí)電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)呈強(qiáng)非線性和高耦合性。而上述四種控制方法在建模時(shí)無(wú)一例外地采用具有固定結(jié)構(gòu)和參數(shù)的模型，即沒(méi)有考慮系統(tǒng)所受到的不確定性；特別是PID、PSS和LOEC均基于系統(tǒng)運(yùn)行平衡點(diǎn)附近的近似線性化模型，從而忽略了系統(tǒng)固有的非線性特性。
正是在這樣的背景下，本發(fā)明建立了考慮外界干擾的多機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的非線性數(shù)學(xué)模型，進(jìn)一步將微分幾何控制理論與非線性H∞方法結(jié)合，提出了電力系統(tǒng)非線性魯棒電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的設(shè)計(jì)方法。
我們?cè)谥袊?guó)專利網(wǎng)上，利用“電力系統(tǒng)穩(wěn)定器”進(jìn)行搜索，其結(jié)果如下 (1)仿真狀態(tài)量最優(yōu)控制電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(<申請(qǐng)?zhí)?gt;85103037) 仿真狀態(tài)量最優(yōu)控制電力系統(tǒng)穩(wěn)定器為抑制電力系統(tǒng)低頻振蕩的自動(dòng)裝置。由一個(gè)并入在原勵(lì)磁調(diào)節(jié)器中的電子線路構(gòu)成.該線路可將輸入的電壓偏差Δv轉(zhuǎn)變?yōu)榻穷l率偏差Δω、功率偏差ΔP、功角偏差Δδ的仿真狀態(tài)量，按最優(yōu)控制原理總加輸出。
(2)用頻率或轉(zhuǎn)速為信號(hào)的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(<申請(qǐng)?zhí)?gt;88202036) 用頻率或轉(zhuǎn)速為信號(hào)的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器，屬電力系統(tǒng)自動(dòng)控制技術(shù)領(lǐng)域。用于發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)，可有效地提高電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性。特點(diǎn)如下1.采用頻率或轉(zhuǎn)速為輸入信號(hào)，避免了原動(dòng)機(jī)功率改變時(shí)測(cè)電功率穩(wěn)定器惡化穩(wěn)定性的不足之處。2.采用了與非門邏輯變頻形成與頻率成正比的尖波變換式測(cè)頻電路，具有很強(qiáng)的抗干擾能力。3.傳遞函數(shù)及參數(shù)均可靈活調(diào)節(jié)。4.針對(duì)可能出現(xiàn)的諧波，設(shè)置了可供選用的帶阻及低通濾波器。
由搜索結(jié)果可見(jiàn)，現(xiàn)有的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(PSS)由于其基于某一運(yùn)行點(diǎn)線性化模型，只能用于提高電力系統(tǒng)小擾動(dòng)穩(wěn)定性，抑制電力系統(tǒng)中的低頻振蕩。而當(dāng)系統(tǒng)中遭受大擾動(dòng)、運(yùn)行點(diǎn)發(fā)生大范圍的變化時(shí)，現(xiàn)有的PSS作用十分有限，甚至可能產(chǎn)生負(fù)作用。
因此，基于多機(jī)電力系統(tǒng)的非線性勵(lì)磁模型，同時(shí)考慮系統(tǒng)中的各種干擾，將非線性魯棒控制理論用于NR-PSS(非線性魯棒電力系統(tǒng)穩(wěn)定器)的設(shè)計(jì)是具有創(chuàng)新性的。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的特征在于建立電力系統(tǒng)勵(lì)磁控制的魯棒非線性動(dòng)態(tài)模型的，采用反饋線性化方法得到系統(tǒng)的精確線性化模型，然后應(yīng)用線性H∞控制理論設(shè)計(jì)其魯棒控制律，最后代回到設(shè)計(jì)的非線性反饋律中得到原系統(tǒng)的非線性魯棒控制律。將微分幾何控制方法與非線性H∞方法相結(jié)合，設(shè)計(jì)得到的控制規(guī)律能夠有效地抑制各種干擾，具有較強(qiáng)的魯棒性。另外，控制策略中只含有本地測(cè)量量，不顯含電網(wǎng)參數(shù)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和參數(shù)的變化具有高適應(yīng)性，有利于多機(jī)系統(tǒng)的分散協(xié)調(diào)控制。
NR-PSS算法的設(shè)計(jì)流程圖如圖1所示，依次含有以下步驟 (1)建立多機(jī)電力系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 考慮一個(gè)多機(jī)系統(tǒng)，并做如下假定 1)同步發(fā)電機(jī)采用靜止可控硅快速勵(lì)磁方式，即勵(lì)磁機(jī)時(shí)間常數(shù)Te＝0 2)發(fā)電機(jī)機(jī)械功率在暫態(tài)過(guò)程中保持不變，即Pm＝恒定值。
3)在模型中考慮發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上的機(jī)械功率擾動(dòng)w1i和勵(lì)磁回路中的電氣擾動(dòng)w2i，擾動(dòng)信號(hào)滿足擴(kuò)展L2空間的假設(shè)。
對(duì)于上述多機(jī)系統(tǒng)，采用三階發(fā)電機(jī)模型，則一個(gè)n機(jī)電力系統(tǒng)中的第i臺(tái)發(fā)電機(jī)方程為 其中，下標(biāo)i和j分別表示第i臺(tái)和第j臺(tái)發(fā)電機(jī)的參數(shù)和狀態(tài)量(以下同)，id和iq分別為電樞電流的d軸和q軸分量；δ是轉(zhuǎn)子運(yùn)行角(弧度)；ω是角速度(弧度/秒)；Pm是機(jī)械功率(標(biāo)幺值)；Pe是電磁功率(標(biāo)幺值)；D是阻尼系數(shù)(標(biāo)幺值)；Eq′、Eq為同步機(jī)暫態(tài)電勢(shì)和空載電勢(shì)(標(biāo)幺值)；xd，xq，xd′分別為d軸同步電抗、q軸同步電抗和d軸暫態(tài)電抗(標(biāo)幺值)；Td0為定子開路時(shí)勵(lì)磁繞組時(shí)間常數(shù)(秒)；H是轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(秒)；Pm為發(fā)電機(jī)原動(dòng)機(jī)機(jī)械功率；w1為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上的機(jī)械功率擾動(dòng)；w2為勵(lì)磁回路中的電氣擾動(dòng)；Bii是第i節(jié)點(diǎn)電納(標(biāo)幺值)；Gii是第i節(jié)點(diǎn)電導(dǎo)(標(biāo)幺值)；Yij是第i節(jié)點(diǎn)和第j節(jié)點(diǎn)之間的導(dǎo)納(標(biāo)幺值)；α是阻抗角的余角，VfiNB-PSS是控制器輸出(標(biāo)幺值)。
對(duì)于式(1)，可令 并選取輸出信號(hào)為 yi＝hi(x)＝δi-δ0 則式(1)可寫為系統(tǒng)(2)的形式。
式(2)中 其中各變量與前述相同。
(2)選取合適的坐標(biāo)變換 式(2)是一個(gè)仿射非線性系統(tǒng)，即對(duì)于狀態(tài)量x是非線性的，但對(duì)于控制量u是線性的。對(duì)于這類系統(tǒng)可以通過(guò)選擇恰當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)變換和非線性反饋將系統(tǒng)加以精確線性化。
因而，首先選擇一組變尺度的坐標(biāo)變換z＝Mφ(x)為 其中，M＝diag(m1，…mn)是待定的對(duì)角常數(shù)矩陣，m1，…mn的取值范圍為
；其含義為某一向量在映射φ(x)下從x空間到z空間中其“長(zhǎng)度”的壓縮比，故稱為“變尺度”； (3)選擇非線性反饋律 選擇式(3)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換之后，還需要非線性反饋律才能將非線性系統(tǒng)(2)進(jìn)行精確線性化。
為此，選擇如下的非線性反饋律 a(x)+b(x)u＝v(4) 其中 阻尼D對(duì)于系統(tǒng)的穩(wěn)定起到一定的作用，但是通常發(fā)電機(jī)組的D較小。此處為了推導(dǎo)的簡(jiǎn)單起見(jiàn)，在不影響結(jié)論的條件下，可以將其忽略，即假設(shè)D＝0。
考慮發(fā)電機(jī)瞬態(tài)凸極效應(yīng)(即)，對(duì)于系統(tǒng)有功功率有 因此有 令非線性反饋律 即 則系統(tǒng)(2)可以變?yōu)? 若令 則原系統(tǒng)(2)可轉(zhuǎn)化為一系列對(duì)于第i臺(tái)機(jī)組情況的系統(tǒng)方程 其中，vi和

與上文同。
(4)利用線性H∞控制理論設(shè)計(jì)其魯棒控制律 對(duì)于線性系統(tǒng)(11)，應(yīng)用線性H∞控制的結(jié)論可得到在給定干擾抑制比γ＞0下的次最優(yōu)控制規(guī)律v*為 對(duì)應(yīng)的最壞干擾

為 Pi*是以下黎卡得方程的正定解 其中，Qi＝diag(q1i，…qni)矩陣為一待定的對(duì)角常數(shù)矩陣，對(duì)應(yīng)于各狀態(tài)量相對(duì)應(yīng)的權(quán)重矩陣，需要根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行調(diào)整，q1i，…qni的取值范圍為
。Ri矩陣為控制量對(duì)應(yīng)的權(quán)重矩陣，一般取定為1。對(duì)應(yīng)的性能指標(biāo)(即閉環(huán)系統(tǒng)L2增益小于正數(shù)γ)為 干擾抑制比γ決定了閉環(huán)系統(tǒng)的干擾抑制能力。一般來(lái)說(shuō)，γ越大，抑制能力越弱，而γ越小，抑制能力越強(qiáng)。但是由于必須要取得Ricatti方程的正定解，過(guò)小的γ有可能使得該方程無(wú)解。因此，一般來(lái)說(shuō)γ有其最小值，也即最佳干擾抑制比。但是通常來(lái)說(shuō)，要求解這一最優(yōu)問(wèn)題比較麻煩，同時(shí)也沒(méi)有必要，因此一般是選取γ∈
，然后求解得到其次最優(yōu)解。
因而對(duì)于第i臺(tái)發(fā)電機(jī)，根據(jù)式(12)可求得其線性H∞控制律控制律為 其中，K1i、K2i和K3i為反饋系數(shù)，取值范圍為
。
(5)求得最終的非線性魯棒控制律 根據(jù)上述分析，將線性H∞控制律代回到非線性反饋律中，可以得到第i臺(tái)發(fā)電機(jī)的NR-PSS控制律 其中C1i＝1/mi，稱為阻尼調(diào)節(jié)系數(shù)，mi的值范圍為
。
(6)NR-PSS與自動(dòng)調(diào)壓器AVR的配合 上述控制器的設(shè)計(jì)過(guò)程中尚未考慮對(duì)電壓的控制，必須再加入電壓閉環(huán)的反饋控制，即必須與自動(dòng)調(diào)壓器AVR配合才能才能構(gòu)成完整的勵(lì)磁控制器。
工程實(shí)現(xiàn)上，對(duì)于現(xiàn)有已投運(yùn)或者已建電廠，其AVR是已既定的，因此要求NR-PSS的設(shè)計(jì)與AVR具有相對(duì)獨(dú)立性，而這一點(diǎn)正是外環(huán)反饋方案所具備的。對(duì)于外環(huán)反饋方案，NR-PSS是作為輔助信號(hào)與AVR的輸出線性疊加到勵(lì)磁機(jī)的輸入端，這樣在NR-PSS退出的情況下，剩下的AVR與常規(guī)的AVR保持一致。
由于在設(shè)計(jì)過(guò)程中，NR-PSS并未考慮AVR對(duì)于電壓的調(diào)節(jié)作用，而NR-PSS的控制規(guī)律中也含有空載電壓Eq(Eq≈Vt+Qexd/Vt)的反饋，有可能對(duì)電壓的反饋增益過(guò)高導(dǎo)致機(jī)端電壓不穩(wěn)定。因此在兩者配合接入的時(shí)候必須保證穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的電壓水平和動(dòng)態(tài)特性。為此，引入了NR-PSS的增益系數(shù)C2i和AVR的增益系數(shù)C3i，利用負(fù)載階躍試驗(yàn)檢驗(yàn)機(jī)端電壓的動(dòng)態(tài)特性，以便對(duì)兩個(gè)增益系數(shù)進(jìn)行調(diào)整，直到電壓特性和系統(tǒng)阻尼均取得滿意結(jié)果。C2i取值范圍為
，C3i取值范圍為
。
綜上所述，NR-PSS與AVR的之間選用并聯(lián)接入方式，即NR-PSS與AVR的輸出相疊加。AVR考慮常規(guī)的PID控制。兩者的配合接入方案見(jiàn)圖2。最終的勵(lì)磁控制規(guī)律為 Vfi＝C3i·VfiAVR+C2i·VfiNR-PSS(C1)(16) 其中 ΔVti為機(jī)端電壓的偏差量，kpi、kIi和kdi分別為比例、積分和微分系數(shù)。kpi的取值范圍為[1，300]，kIi的取值范圍為
，Kdi的取值范圍為
。另外，根據(jù)實(shí)際情況需要，具體工程實(shí)現(xiàn)中AVR也可以采用其他的形式。NR-PSS控制律可以由DSP芯片實(shí)現(xiàn)，具體方案見(jiàn)圖2所示。
基于本發(fā)明提出的NR-PSS控制律及其工程實(shí)現(xiàn)方法的主要優(yōu)點(diǎn)有 1)建立了考慮外界干擾的多機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)非線性數(shù)學(xué)模型，進(jìn)一步將微分幾何控制理論與H∞控制理論結(jié)合，采用變尺度的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換進(jìn)行精確線性化后，利用狀態(tài)反饋線性化H∞的方法得到了NR-PSS非線性魯棒的控制規(guī)律，顯著地改善了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
2)所提出的NR-PSS基于微分幾何方法的非線性系統(tǒng)控制理論，可以顯著改善輸電通道的功率傳輸極限，從而最大限度的利用發(fā)電機(jī)組裝機(jī)容量。
3)所提出的NR-PSS采用了SDM(狀態(tài)-動(dòng)態(tài)-量測(cè))混合反饋線性化技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)了多機(jī)系統(tǒng)的分散協(xié)調(diào)控制。
4)所提出的NR-PSS控制規(guī)律獨(dú)立于輸電網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的變化有自動(dòng)適應(yīng)的能力。
5)所提出的NR-PSS與以往的電力系統(tǒng)非線性勵(lì)磁控制器相比，將原來(lái)的單軸模型擴(kuò)展為雙軸模型，因而不再需要的假設(shè)，從理論上擴(kuò)展了該控制器的適用范圍。
6)所提出的NR-PSS不僅可以迅速地抑制低頻振蕩，減少振蕩次數(shù)，提高系統(tǒng)的極限傳輸功率；而且還可以在系統(tǒng)發(fā)生大擾動(dòng)的情況下，迅速使系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定，減少暫態(tài)過(guò)渡時(shí)間，大幅提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定極限，具有更為優(yōu)良的綜合動(dòng)態(tài)性能和阻尼特性。
7)基于NR-PSS控制律提出的其具體工程實(shí)用算法，利用電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性，計(jì)算了各狀態(tài)量和反饋量，并計(jì)及了慣性環(huán)節(jié)和隔直環(huán)節(jié)的作用，切合工程實(shí)際。
8)所提出的NR-PSS具體工程實(shí)用算法采用8點(diǎn)線性擬合的方法進(jìn)行微分量的計(jì)算，速度快精度高。
9)所提出的NR-PSS具體工程實(shí)用算法考慮了在輕載和空載下分母項(xiàng)為零的情況，對(duì)Q軸電流和微分量做出了相應(yīng)的處理，保證算法的高可靠性。
10)所提出的NR-PSS具體工程實(shí)用算法對(duì)控制輸出進(jìn)行平滑處理，保證了輸出的穩(wěn)定性。



圖1NR-PSS算法流程圖。
圖2NR-PSS實(shí)現(xiàn)方案。
圖3輕載和空載情況下對(duì)iqi所做處理框圖。
圖4單機(jī)無(wú)窮大測(cè)試系統(tǒng)。

具體實(shí)施例方式 本發(fā)明的目的在于基于NR-PSS控制律(1)，利用電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)學(xué)和信息處理技術(shù)，對(duì)其進(jìn)行實(shí)用化處理，得到一套NR-PSS工程實(shí)用化算法。該方法依次含有以下步驟 (1)初始化發(fā)電機(jī)機(jī)組參數(shù)，其中包括穩(wěn)態(tài)頻率值ω0i＝314.16、勵(lì)磁繞組時(shí)間常數(shù)Td0i′、機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Hi、D軸電抗xdi、Q軸電抗xqi、D軸暫態(tài)電抗xdi′，定子電阻ri。
(2)利用電壓互感器PT和電流互感器CT等交流采樣測(cè)量技術(shù)得到以下實(shí)時(shí)測(cè)量量發(fā)電機(jī)A相電壓瞬時(shí)值uai，發(fā)電機(jī)B相電壓瞬時(shí)值ubi，發(fā)電機(jī)C相電壓瞬時(shí)值uci；發(fā)電機(jī)A相電流瞬時(shí)值iai，發(fā)電機(jī)B相電流瞬時(shí)值ibi，發(fā)電機(jī)C相電流瞬時(shí)值ici；系統(tǒng)頻率fi可以直接測(cè)得，從而發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速可用電頻率近似為ωi＝2πfi。
(3)根據(jù)步驟(2)得到的測(cè)量值可以計(jì)算得到以下?tīng)顟B(tài)量(均為有名值)線電壓有效值Vti，電流有效值Iti，有功功率Pei，無(wú)功功率Qei。注意在計(jì)算以上基本狀態(tài)量的時(shí)候，需要考慮不對(duì)稱情況下的計(jì)算準(zhǔn)確性。
(4)狀態(tài)量標(biāo)幺化處理。
由于控制規(guī)律表達(dá)式是建立在標(biāo)幺制下，需要將有名值轉(zhuǎn)化為標(biāo)幺值。在勵(lì)磁系統(tǒng)中多選用其額定值為基值，這樣可以使各物理量，如電壓、電流等都在1.0附近，避免因其過(guò)大或者過(guò)小給數(shù)值計(jì)算帶來(lái)較大的誤差，通常選用的基值如下發(fā)電機(jī)定子電壓基值選擇發(fā)電機(jī)額定電壓，即VB＝VGN；定子電流基值選取發(fā)電機(jī)額定電流，即IB＝IGN；阻抗基值為ZB＝VB/IB，功率基值選取為發(fā)電機(jī)組視在功率，即SB＝SN；定子角頻率基值為ωB＝ω0＝314.1529。
確定基值后，即可對(duì)步驟(3)中的狀態(tài)量進(jìn)行標(biāo)幺化處理。
(5)在標(biāo)幺制下計(jì)算各狀態(tài)量。
以下各個(gè)狀態(tài)量的計(jì)算中，除ω0＝2πf0＝314.16外，其它量均為標(biāo)幺值，各個(gè)符號(hào)的意義如前所述。
·Q軸電勢(shì) ·Q軸暫態(tài)電勢(shì) ·四個(gè)中間變量 ·D軸電流 ·Q軸電流 由于發(fā)電機(jī)定子電阻r很小，因而若忽略定子電阻r，則可簡(jiǎn)化為 ·Q軸電勢(shì) ·Q軸暫態(tài)電勢(shì) ·計(jì)算D軸電流和Q軸電流的中間變量 ·D軸電流 ·Q軸電流 (6)標(biāo)幺制下的反饋量計(jì)算。
NR-PSS控制律中各個(gè)反饋量的計(jì)算分別為 ·頻率偏差Δωi＝(ωi-ω0i) ·功角偏差 ·功率偏差ΔPei＝(Pei-Pei0) ·電壓偏差ΔVti＝(Vti-Vti0) 其中，另外Pei0和Vti0為給定設(shè)置的有功功率和機(jī)端電壓值。在實(shí)際控制中還需考慮交流采樣過(guò)程中的量測(cè)及濾波環(huán)節(jié)

其時(shí)間常數(shù)T1i一般在0.02~0.06秒之間。同時(shí)，為了保證穩(wěn)態(tài)時(shí)濾除直流信號(hào)，需要在計(jì)算上述各偏差量后經(jīng)過(guò)隔直環(huán)節(jié)

的處理，時(shí)間常數(shù)T2i一般取216秒，典型值取為8秒。
(7)微分量

和

的計(jì)算。
NR-PSS控制律涉及到計(jì)算D軸電流idi和Q軸電流iqi的導(dǎo)數(shù)。此處，采用8點(diǎn)線性擬合的方法來(lái)求取。因?yàn)楣I(yè)控制中A/D采樣周期都很短(一般每個(gè)工頻周期16次、32次或者64次)，用線性擬合既可以較好的反映各個(gè)物理量的變化，同時(shí)又可以有效的抑制干擾。線性擬合求導(dǎo)具體算法如下選取當(dāng)前時(shí)刻待微分物理量數(shù)值為idi，連同前七個(gè)時(shí)刻的數(shù)值idi1、idi2…idi7，共同組成向量Id＝[idi1 idi2…idi7 idi]T，可以求得 其中t0為采樣時(shí)間間隔。
同理，選取當(dāng)前時(shí)刻待微分物理量數(shù)值為iqi，連同前七個(gè)時(shí)刻的數(shù)值iqi1、iqi2…iqi7，共同組成向量Iq＝[iqi1 iqi2 …iqi]T，可以求得 線性擬合的方法求取微分量只有加法和乘法，計(jì)算簡(jiǎn)單，精度和抗干擾性能都較好。利用已求得的D軸電流idi和Q軸電流iqi，根據(jù)上述線性擬合的方法就可以得出微分量

和
(8)輕載和空載情況下對(duì)iqi的處理。
在NR-PSS的控制規(guī)律表達(dá)式中，分母上有一項(xiàng)為Q軸電流iqi。實(shí)際上Q軸電流iqi？？在發(fā)電機(jī)輕載或者空載的情況下數(shù)值非常小，甚至為零。針對(duì)該情況，通過(guò)設(shè)置iqi的最小值iqimin，iqimin的取值范圍為
。同時(shí)引入系數(shù)輕載和空載修正系數(shù)Kqi和Cqi，其計(jì)算框圖如圖3所示。從而可將控制規(guī)律做如下處理為 輕載和空載情況下的iqi、Kqi和Cqi的計(jì)算處理的方法見(jiàn)如圖3所示的流程框圖所示。
(9)計(jì)算NR-PSS輸出。
利用上述計(jì)算得到的狀態(tài)量、反饋量以及微分量的數(shù)值代入式(2)得到控制律的輸出。由于在勵(lì)磁控制中，為了使輸出變化量較小，通常采用偏差量輸出，因而需要在計(jì)算得到VfiNR-PSS后進(jìn)行隔直處理，具體做法是在計(jì)算式(2)的輸出后經(jīng)過(guò)隔直環(huán)節(jié)

處理。隔直環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)Twi可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況設(shè)置為2-16秒，一般可以取得大一些，典型值為8秒。(10)控制輸出的平滑處理。
由于NR-PSS中微分項(xiàng)的存在，使得控制器對(duì)于隨機(jī)噪聲比較敏感，雖然由于控制器設(shè)計(jì)時(shí)考慮了其魯棒性能，保證系統(tǒng)的輸出具有良好的干擾抑制能力，但控制器本身會(huì)因?yàn)檫@些隨機(jī)噪聲的干擾產(chǎn)生相應(yīng)的抖動(dòng)，一定情況下還會(huì)比較劇烈，這對(duì)于控制器的實(shí)際運(yùn)行是不允許的。因此，在NR-PSS的實(shí)用化算法中，對(duì)于控制器的輸出進(jìn)行了平滑處理，通過(guò)引入一個(gè)時(shí)間常數(shù)很小的一階慣性環(huán)節(jié)

濾除掉隨機(jī)噪聲引起的控制器輸出抖動(dòng)。這里的慣性環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)Tdi通常為0.03秒左右的。
數(shù)字仿真和動(dòng)模實(shí)驗(yàn)表明，相比于現(xiàn)有的勵(lì)磁控制方式，NR-PSS能夠使系統(tǒng)的有功振蕩次數(shù)更少，電壓恢復(fù)和平息振蕩所需的時(shí)間更短，系統(tǒng)的阻尼比更大，顯著地改善了系統(tǒng)的阻尼特性，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。尤其是在受大擾動(dòng)的時(shí)候，NR-PSS能夠提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性，具有更好的阻尼特性和動(dòng)態(tài)性能。
為了驗(yàn)證所提出的NR-PSS控制的效果，我們采用中國(guó)電科院的電力系統(tǒng)綜合仿真程序PSASP進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真，比較常規(guī)PSS以及NR-PSS在同樣工況的不同性能。
仿真測(cè)試中發(fā)電機(jī)組、AVR常規(guī)PSS控制器的參數(shù)均選用實(shí)際的參數(shù)，系統(tǒng)以四川電網(wǎng)為原型并簡(jiǎn)化成單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)，其中發(fā)電機(jī)為二灘水電站加裝的六臺(tái)水輪機(jī)組，連接到二灘18kV的母線后經(jīng)過(guò)變壓器升壓由二灘500kV母線、洪家溝500kV和陳家橋500kV線路往重慶電網(wǎng)送電，重慶電網(wǎng)與華中電網(wǎng)相聯(lián)，因而將陳家橋等值為無(wú)窮大母線VS。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。其中洪溝負(fù)荷由兩部分組成，一是恒阻抗負(fù)荷R+jX，一是恒功率負(fù)荷PL+jQL。二灘往重慶電網(wǎng)和華中電網(wǎng)送電PS。
仿真中發(fā)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)為額定負(fù)載，功率因數(shù)為0.95的工況下，仿真實(shí)驗(yàn)的時(shí)間為60s，依次進(jìn)行以下實(shí)驗(yàn)在1s施加4％的電壓正階躍；在11s施加8％的電壓負(fù)階躍；在21s再施加4％的電壓正階躍使測(cè)試系統(tǒng)回到零時(shí)刻的平衡點(diǎn)；在31s施加機(jī)端三相接地短路；故障持續(xù)時(shí)間0.1s；在45s切除測(cè)試機(jī)組的額定無(wú)功功率。
仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果報(bào)表分別見(jiàn)表2。
由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，相比于常規(guī)PSS，采用NR-PSS能夠使系統(tǒng)的有功振蕩次數(shù)更少，抑制振蕩所需的時(shí)間更短，系統(tǒng)的阻尼比更大，顯著地改善了系統(tǒng)的阻尼特性，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。尤其是發(fā)生短路和甩額定無(wú)功等較大干擾的時(shí)候，性能對(duì)比更為明顯。這表明系統(tǒng)在受擾動(dòng)時(shí)，尤其是在受大擾動(dòng)的時(shí)候，NR-PSS能夠提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性，具有更好的阻尼特性和動(dòng)態(tài)性能。
表1.發(fā)電機(jī)參數(shù)(以100MW為基準(zhǔn)) 發(fā)電機(jī)(水輪機(jī))參數(shù)(以100MVA為基準(zhǔn)，發(fā)電機(jī)額定容量550MW) 其中，Td0″為發(fā)電機(jī)d軸次暫態(tài)開路時(shí)間常數(shù)，Tq0′為發(fā)電機(jī)q軸暫態(tài)開路時(shí)間常數(shù)，Tq0″為q軸次暫態(tài)開路時(shí)間常數(shù)，xd″為d軸次暫態(tài)電抗，xq′為q軸暫態(tài)電抗，xq″為q軸次暫態(tài)電抗，x2為發(fā)電機(jī)負(fù)序電抗，其余符號(hào)如前所述。
變壓器和線路參數(shù)(以100MW為基準(zhǔn)) ·變壓器阻抗參數(shù)0.0001+j0.02386 ·線路參數(shù) 二灘500-洪溝500單回線路阻抗0.00381+j0.05438 洪溝500-陳家橋500單回線路阻抗0.0012+j0.0169 勵(lì)磁機(jī)類型 ·自并勵(lì)可控硅靜止快速勵(lì)磁，時(shí)間常數(shù)為0.03s ·勵(lì)磁頂值4.5 AVRPID+時(shí)間延遲環(huán)節(jié) ·AVR的傳遞函數(shù)
·時(shí)間延遲環(huán)節(jié)(量測(cè)環(huán)節(jié))
調(diào)速器模型 調(diào)速器動(dòng)態(tài)忽略，采用恒定機(jī)械功率。
負(fù)荷模型 負(fù)荷采用恒功率+恒阻抗模型。
常規(guī)PSS參數(shù) 常規(guī)PSS的傳遞函數(shù)為其中，ΔUPSS為常規(guī)PSS輸出，ΔPe為有功偏差量，k＝10，為常規(guī)PSS的放大倍數(shù)，T＝10為隔直環(huán)節(jié)參數(shù)，T1＝T3＝0.15為超前校正系數(shù)，T2＝4和T3＝0.05為滯后校正系數(shù)，常規(guī)PSS的輸出限幅為±0.1。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果報(bào)表 表2實(shí)驗(yàn)結(jié)果報(bào)表
權(quán)利要求
1.基于非線性魯棒電力系統(tǒng)穩(wěn)定器勵(lì)磁控制方法，其特征在于，所述方法是在數(shù)字集成電路中依次按照以下步驟完成的
步驟(1)初始化以下發(fā)電機(jī)組參數(shù)并輸入所述數(shù)字集成電路中穩(wěn)態(tài)頻率值ω0i＝314.16，歷次繞組時(shí)間常數(shù)Id0i′，機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Hi，D軸電抗Xdi、Q軸電抗Xqi、D軸暫態(tài)電抗Xdi′、定子電阻ri，其中i為所述發(fā)電機(jī)組中第i臺(tái)發(fā)電機(jī)的稱號(hào)；
步驟(2)利用電壓互感器PT、電流互感器CT實(shí)時(shí)測(cè)得以下個(gè)各量發(fā)電機(jī)i的三相電壓uai，ubi，uci，三相電流瞬時(shí)值iai，ibi，ici，電機(jī)轉(zhuǎn)速近似值ωi＝2πfi，系統(tǒng)頻率fi可以直接測(cè)得，再把uai，ubi，uci，iai，ibi，ici輸入到該數(shù)字集成電路；
步驟(3)根據(jù)步驟(2)輸入的各個(gè)瞬時(shí)值計(jì)算得以下?tīng)顟B(tài)量線電壓有效值Vti，電流有效值Iti，有功功率Pei，無(wú)功功率Qei；
步驟(4)分別以發(fā)電機(jī)的額定電壓VB、額定電流IB、額定阻抗ZB＝VB/IB為基值，再以發(fā)電機(jī)組視在功率SN以及定子角頻率ωB＝ω0＝314.1529為基值隊(duì)步驟(3)得到的各狀態(tài)量作標(biāo)幺化處理；
步驟(5)在步驟(4)得到的各標(biāo)幺值且r1＝0的條件下計(jì)算下列各狀態(tài)量
●Q軸電勢(shì)
●Q軸暫態(tài)電勢(shì)
●D軸電流
●
●Q軸電流
步驟(6)按下式計(jì)算標(biāo)幺制下的各反饋量
●頻率偏差Δωi＝(ωi-ω0i)
●功角偏差t為積分周期，dτ為積分間隔，
●功率偏差ΔPei＝(Pei-Pei0)，Pei由額定功率下相電壓、相電流有效值算出，Pei0為視在功率，
●電壓偏差ΔVti＝(Vti-Vti0)，Vti0為額定線電壓，Vti為線電壓；
步驟(7)計(jì)算D軸電流idi和Q軸電流iqi的微分量
和用線性擬合的方法求得；
步驟(8)設(shè)置Q軸電流iqi的最小值，取值區(qū)間為
，按下式計(jì)算iqi的輕載修正系數(shù)kqi，以及空載修正系數(shù)Cqi，
當(dāng)iqi＝iqimin，或iqi＝-iqimin時(shí)，kqi＝0，Cqi＝0.1，
當(dāng)iqi＞iqimin，或iqi＜-iqimin時(shí)，kqi＝1，Cqi＝1，
步驟(9)按照下式計(jì)算非線性魯棒電力系統(tǒng)穩(wěn)定器NR-PSS的輸出VfiNR-PSS
其中反饋系數(shù)k1i，k2i，k3i，各自在
間取值，阻尼調(diào)節(jié)系數(shù)C1i，C1i＝1/mi，mi在
間取值；
步驟(10)按下式計(jì)算PID控制的電壓調(diào)節(jié)器AVR的輸出VfiAVR
其中ΔVti為機(jī)端電壓偏差量，
kpi為比例系數(shù)，在[1，300]間取值，
kIi為積分系數(shù)，在
間取值，
kdi為微分系數(shù)，在
間取值；
步驟(11)按照下式計(jì)算用于控制第i臺(tái)發(fā)電機(jī)可控硅控制器的勵(lì)磁信號(hào)Vfi
Vfi＝C3i·VfiAVR+C2i·VfiNR-PSSC1，
其中C2i為NR-PSS的增益系數(shù)，取值范圍為
，C3i為AVR的增益系數(shù)，取值范圍為
。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述，基于非線性魯棒電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的歷次控制方法，其特征在于在所述的步驟(6)得到的各偏差量Δωi，Δδi，ΔPei，ΔVei后，所得到的再經(jīng)過(guò)一個(gè)隔直環(huán)節(jié)
處理，以保證穩(wěn)定時(shí)濾除直流信號(hào)，T2i一般取2~16秒。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述，基于非線性魯棒電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的歷次控制方法，其特征在于在步驟(9)得到VfiNR-PSS后，再用隔直環(huán)節(jié)
處理，以使VfiNR-PSS變化量小些，其中Twi為2-16秒。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述，基于非線性魯棒電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的歷次控制方法，其特征在于在Twi為8秒。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述，基于非線性魯棒電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的歷次控制方法，其特征在于，在所述的步驟(9)中得到VfiNR-PSS后用一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)
處理，以濾除掉隨機(jī)噪聲引起的VfiNR-PSS的抖動(dòng)，Tdi為0.03秒。
全文摘要
基于非線性魯棒電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的勵(lì)磁控制方法，屬于電力系統(tǒng)穩(wěn)定性控制領(lǐng)域，其特征在于，在多機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)非線性數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，用微分幾何控制理論與非線性H∞方法相結(jié)合，提出了一種非線性魯棒電力系統(tǒng)穩(wěn)定器，其輸出信號(hào)與原有的自動(dòng)調(diào)壓器輸出控制信號(hào)相加，所得的勵(lì)磁控制信號(hào)，對(duì)發(fā)電機(jī)組的激勵(lì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，從而避免了外界不確定性因素的影響，解決了電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)呈強(qiáng)非線性和高耦合性的問(wèn)題，克服了現(xiàn)有技術(shù)中忽略了系統(tǒng)固有的非線性特征的缺陷，改善了動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，最大限度地發(fā)電機(jī)組的裝機(jī)容量。
文檔編號(hào)H02P9/14GK101127445SQ20071011926
公開日2008年2月20日 申請(qǐng)日期2007年7月19日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月19日
發(fā)明者強(qiáng) 盧, 梅生偉, 薛建偉, 鄭少明, 彭曉潔 申請(qǐng)人:清華大學(xué)