專利名稱：基于非線性魯棒電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的勵磁控制方法
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)電機組的勵磁控制是改善電力系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)、提高暫態(tài)穩(wěn)定性最有效、最經(jīng)濟的技術(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)勵磁控制)及NOEC(非線性最優(yōu)勵磁控制)等技術(shù)均不同程度地應(yīng)用于電力系統(tǒng)，但面對現(xiàn)代互聯(lián)電網(wǎng)最關(guān)鍵的設(shè)備——大型發(fā)電機組的勵磁控制，仍存在難以克服的局限性。這主要是因為現(xiàn)代電力系統(tǒng)在其運行中不可避免的會受到不確定性(如外界干擾和未建模動態(tài))的影響，同時電力系統(tǒng)動態(tài)呈強非線性和高耦合性。而上述四種控制方法在建模時無一例外地采用具有固定結(jié)構(gòu)和參數(shù)的模型，即沒有考慮系統(tǒng)所受到的不確定性；特別是PID、PSS和LOEC均基于系統(tǒng)運行平衡點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勵磁系統(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)計方法。
我們在中國專利網(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?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)低頻振蕩的自動裝置。由一個并入在原勵磁調(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)速為信號的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(<申請?zhí)?gt;88202036) 用頻率或轉(zhuǎn)速為信號的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器，屬電力系統(tǒng)自動控制技術(shù)領(lǐng)域。用于發(fā)電機勵磁系統(tǒng)，可有效地提高電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性。特點如下1.采用頻率或轉(zhuǎn)速為輸入信號，避免了原動機功率改變時測電功率穩(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頻電路，具有很強的抗干擾能力。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，現(xiàn)有的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(PSS)由于其基于某一運行點線性化模型，只能用于提高電力系統(tǒng)小擾動穩(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、運行點發(fā)生大范圍的變化時，現(xiàn)有的PSS作用十分有限，甚至可能產(chǎn)生負(fù)作用。
因此，基于多機電力系統(tǒng)的非線性勵磁模型，同時考慮系統(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)勵磁控制的魯棒非線性動態(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)計其魯棒控制律，最后代回到設(shè)計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)計得到的控制規(guī)律能夠有效地抑制各種干擾，具有較強的魯棒性。另外，控制策略中只含有本地測量量，不顯含電網(wǎng)參數(shù)，對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和參數(shù)的變化具有高適應(yīng)性，有利于多機系統(tǒng)的分散協(xié)調(diào)控制。
NR-PSS算法的設(shè)計流程圖如圖1所示，依次含有以下步驟 (1)建立多機電力系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 考慮一個多機系統(tǒng)，并做如下假定 1)同步發(fā)電機采用靜止可控硅快速勵磁方式，即勵磁機時間常數(shù)Te＝0 2)發(fā)電機機械功率在暫態(tài)過程中保持不變，即Pm＝恒定值。
3)在模型中考慮發(fā)電機轉(zhuǎn)子上的機械功率擾動w1i和勵磁回路中的電氣擾動w2i，擾動信號滿足擴展L2空間的假設(shè)。
對于上述多機系統(tǒng)，采用三階發(fā)電機模型，則一個n機電力系統(tǒng)中的第i臺發(fā)電機方程為 其中，下標(biāo)i和j分別表示第i臺和第j臺發(fā)電機的參數(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)子運行角(弧度)；ω是角速度(弧度/秒)；Pm是機械功率(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為同步機暫態(tài)電勢和空載電勢(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為定子開路時勵磁繞組時間常數(shù)(秒)；H是轉(zhuǎn)動慣量(秒)；Pm為發(fā)電機原動機機械功率；w1為發(fā)電機轉(zhuǎn)子上的機械功率擾動；w2為勵磁回路中的電氣擾動；Bii是第i節(jié)點電納(標(biāo)幺值)；Gii是第i節(jié)點電導(dǎo)(標(biāo)幺值)；Yij是第i節(jié)點和第j節(jié)點之間的導(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)。
對于式(1)，可令 并選取輸出信號為 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)是一個仿射非線性系統(tǒng)，即對于狀態(tài)量x是非線性的，但對于控制量u是線性的。對于這類系統(tǒng)可以通過選擇恰當(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對于系統(tǒng)的穩(wěn)定起到一定的作用，但是通常發(fā)電機組的D較小。此處為了推導(dǎo)的簡單起見，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)電機瞬態(tài)凸極效應(yīng)(即)，對于系統(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)化為一系列對于第i臺機組情況的系統(tǒng)方程 其中，vi和

與上文同。
(4)利用線性H∞控制理論設(shè)計其魯棒控制律 對于線性系統(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)矩陣為一待定的對角常數(shù)矩陣，對應(yīng)于各狀態(tài)量相對應(yīng)的權(quán)重矩陣，需要根據(jù)實際工況進(jìn)行調(diào)整，q1i，…qni的取值范圍為
。Ri矩陣為控制量對應(yīng)的權(quán)重矩陣，一般取定為1。對應(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。一般來說，γ越大，抑制能力越弱，而γ越小，抑制能力越強。但是由于必須要取得Ricatti方程的正定解，過小的γ有可能使得該方程無解。因此，一般來說γ有其最小值，也即最佳干擾抑制比。但是通常來說，要求解這一最優(yōu)問題比較麻煩，同時也沒有必要，因此一般是選取γ∈
，然后求解得到其次最優(yōu)解。
因而對于第i臺發(fā)電機，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臺發(fā)電機的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與自動調(diào)壓器AVR的配合 上述控制器的設(shè)計過程中尚未考慮對電壓的控制，必須再加入電壓閉環(huán)的反饋控制，即必須與自動調(diào)壓器AVR配合才能才能構(gòu)成完整的勵磁控制器。
工程實現(xiàn)上，對于現(xiàn)有已投運或者已建電廠，其AVR是已既定的，因此要求NR-PSS的設(shè)計與AVR具有相對獨立性，而這一點正是外環(huán)反饋方案所具備的。對于外環(huán)反饋方案，NR-PSS是作為輔助信號與AVR的輸出線性疊加到勵磁機的輸入端，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)計過程中，NR-PSS并未考慮AVR對于電壓的調(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，有可能對電壓的反饋增益過高導(dǎo)致機端電壓不穩(wěn)定。因此在兩者配合接入的時候必須保證穩(wěn)態(tài)運行時的電壓水平和動態(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)載階躍試驗檢驗機端電壓的動態(tài)特性，以便對兩個增益系數(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圖2。最終的勵磁控制規(guī)律為 Vfi＝C3i·VfiAVR+C2i·VfiNR-PSS(C1)(16) 其中 ΔVti為機端電壓的偏差量，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)實際情況需要，具體工程實現(xiàn)中AVR也可以采用其他的形式。NR-PSS控制律可以由DSP芯片實現(xiàn)，具體方案見圖2所示。
基于本發(fā)明提出的NR-PSS控制律及其工程實現(xiàn)方法的主要優(yōu)點有 1)建立了考慮外界干擾的多機勵磁系統(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)電機組裝機容量。
3)所提出的NR-PSS采用了SDM(狀態(tài)-動態(tài)-量測)混合反饋線性化技術(shù)，從而實現(xiàn)了多機系統(tǒng)的分散協(xié)調(diào)控制。
4)所提出的NR-PSS控制規(guī)律獨立于輸電網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，對于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的變化有自動適應(yīng)的能力。
5)所提出的NR-PSS與以往的電力系統(tǒng)非線性勵磁控制器相比，將原來的單軸模型擴展為雙軸模型，因而不再需要的假設(shè)，從理論上擴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)生大擾動的情況下，迅速使系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定，減少暫態(tài)過渡時間，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用算法，利用電力系統(tǒng)動態(tài)特性，計算了各狀態(tài)量和反饋量，并計及了慣性環(huán)節(jié)和隔直環(huán)節(jié)的作用，切合工程實際。
8)所提出的NR-PSS具體工程實用算法采用8點線性擬合的方法進(jìn)行微分量的計算，速度快精度高。
9)所提出的NR-PSS具體工程實用算法考慮了在輕載和空載下分母項為零的情況，對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具體工程實用算法對控制輸出進(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實現(xiàn)方案。
圖3輕載和空載情況下對iqi所做處理框圖。
圖4單機無窮大測試系統(tǒng)。

具體實施例方式 本發(fā)明的目的在于基于NR-PSS控制律(1)，利用電力系統(tǒng)動態(tài)學(xué)和信息處理技術(shù)，對其進(jìn)行實用化處理，得到一套NR-PSS工程實用化算法。該方法依次含有以下步驟 (1)初始化發(fā)電機機組參數(shù)，其中包括穩(wěn)態(tài)頻率值ω0i＝314.16、勵磁繞組時間常數(shù)Td0i′、機組轉(zhuǎn)動慣量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等交流采樣測量技術(shù)得到以下實時測量量發(fā)電機A相電壓瞬時值uai，發(fā)電機B相電壓瞬時值ubi，發(fā)電機C相電壓瞬時值uci；發(fā)電機A相電流瞬時值iai，發(fā)電機B相電流瞬時值ibi，發(fā)電機C相電流瞬時值ici；系統(tǒng)頻率fi可以直接測得，從而發(fā)電機轉(zhuǎn)速可用電頻率近似為ωi＝2πfi。
(3)根據(jù)步驟(2)得到的測量值可以計算得到以下狀態(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，無功功率Qei。注意在計算以上基本狀態(tài)量的時候，需要考慮不對稱情況下的計算準(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，避免因其過大或者過小給數(shù)值計算帶來較大的誤差，通常選用的基值如下發(fā)電機定子電壓基值選擇發(fā)電機額定電壓，即VB＝VGN；定子電流基值選取發(fā)電機額定電流，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)幺制下計算各狀態(tài)量。
以下各個狀態(tài)量的計算中，除ω0＝2πf0＝314.16外，其它量均為標(biāo)幺值，各個符號的意義如前所述。
·Q軸電勢 ·Q軸暫態(tài)電勢 ·四個中間變量 ·D軸電流 ·Q軸電流 由于發(fā)電機定子電阻r很小，因而若忽略定子電阻r，則可簡化為 ·Q軸電勢 ·Q軸暫態(tài)電勢 ·計算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)幺制下的反饋量計算。
NR-PSS控制律中各個反饋量的計算分別為 ·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)置的有功功率和機端電壓值。在實際控制中還需考慮交流采樣過程中的量測及濾波環(huán)節(jié)

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

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

和

的計算。
NR-PSS控制律涉及到計算D軸電流idi和Q軸電流iqi的導(dǎo)數(shù)。此處，采用8點線性擬合的方法來求取。因為工業(yè)控制中A/D采樣周期都很短(一般每個工頻周期16次、32次或者64次)，用線性擬合既可以較好的反映各個物理量的變化，同時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)前時刻待微分物理量數(shù)值為idi，連同前七個時刻的數(shù)值idi1、idi2…idi7，共同組成向量Id＝[idi1 idi2…idi7 idi]T，可以求得 其中t0為采樣時間間隔。
同理，選取當(dāng)前時刻待微分物理量數(shù)值為iqi，連同前七個時刻的數(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，計算簡單，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iqi的處理。
在NR-PSS的控制規(guī)律表達(dá)式中，分母上有一項為Q軸電流iqi。實際上Q軸電流iqi？？在發(fā)電機輕載或者空載的情況下數(shù)值非常小，甚至為零。針對該情況，通過設(shè)置iqi的最小值iqimin，iqimin的取值范圍為
。同時引入系數(shù)輕載和空載修正系數(shù)Kqi和Cqi，其計算框圖如圖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的計算處理的方法見如圖3所示的流程框圖所示。
(9)計算NR-PSS輸出。
利用上述計算得到的狀態(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，因而需要在計算得到VfiNR-PSS后進(jìn)行隔直處理，具體做法是在計算式(2)的輸出后經(jīng)過隔直環(huán)節(jié)

處理。隔直環(huán)節(jié)時間常數(shù)Twi可根據(jù)現(xiàn)場情況設(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中微分項的存在，使得控制器對于隨機噪聲比較敏感，雖然由于控制器設(shè)計時考慮了其魯棒性能，保證系統(tǒng)的輸出具有良好的干擾抑制能力，但控制器本身會因為這些隨機噪聲的干擾產(chǎn)生相應(yīng)的抖動，一定情況下還會比較劇烈，這對于控制器的實際運行是不允許的。因此，在NR-PSS的實用化算法中，對于控制器的輸出進(jìn)行了平滑處理，通過引入一個時間常數(shù)很小的一階慣性環(huán)節(jié)

濾除掉隨機噪聲引起的控制器輸出抖動。這里的慣性環(huán)節(jié)時間常數(shù)Tdi通常為0.03秒左右的。
數(shù)字仿真和動模實驗表明，相比于現(xiàn)有的勵磁控制方式，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。尤其是在受大擾動的時候，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態(tài)性能。
為了驗證所提出的NR-PSS控制的效果，我們采用中國電科院的電力系統(tǒng)綜合仿真程序PSASP進(jìn)行了計算機仿真，比較常規(guī)PSS以及NR-PSS在同樣工況的不同性能。
仿真測試中發(fā)電機組、AVR常規(guī)PSS控制器的參數(shù)均選用實際的參數(shù)，系統(tǒng)以四川電網(wǎng)為原型并簡化成單機無窮大系統(tǒng)，其中發(fā)電機為二灘水電站加裝的六臺水輪機組，連接到二灘18kV的母線后經(jīng)過變壓器升壓由二灘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)電機組運行狀態(tài)為額定負(fù)載，功率因數(shù)為0.95的工況下，仿真實驗的時間為60s，依次進(jìn)行以下實驗在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％的電壓正階躍使測試系統(tǒng)回到零時刻的平衡點；在31s施加機端三相接地短路；故障持續(xù)時間0.1s；在45s切除測試機組的額定無功功率。
仿真實驗結(jié)果報表分別見表2。
由實驗結(jié)果可見，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)生短路和甩額定無功等較大干擾的時候，性能對比更為明顯。這表明系統(tǒng)在受擾動時，尤其是在受大擾動的時候，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態(tài)性能。
表1.發(fā)電機參數(shù)(以100MW為基準(zhǔn)) 發(fā)電機(水輪機)參數(shù)(以100MVA為基準(zhǔn)，發(fā)電機額定容量550MW) 其中，Td0″為發(fā)電機d軸次暫態(tài)開路時間常數(shù)，Tq0′為發(fā)電機q軸暫態(tài)開路時間常數(shù)，Tq0″為q軸次暫態(tài)開路時間常數(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)電機負(fù)序電抗，其余符號如前所述。
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 勵磁機類型 ·自并勵可控硅靜止快速勵磁，時間常數(shù)為0.03s ·勵磁頂值4.5 AVRPID+時間延遲環(huán)節(jié) ·AVR的傳遞函數(shù)
·時間延遲環(huán)節(jié)(量測環(huán)節(jié))
調(diào)速器模型 調(diào)速器動態(tài)忽略，采用恒定機械功率。
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。
實驗結(jié)果報表 表2實驗結(jié)果報表
權(quán)利要求
1.基于非線性魯棒電力系統(tǒng)穩(wěn)定器勵磁控制方法，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，歷次繞組時間常數(shù)Id0i′，機組轉(zhuǎn)動慣量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)電機組中第i臺發(fā)電機的稱號；
步驟(2)利用電壓互感器PT、電流互感器CT實時測得以下個各量發(fā)電機i的三相電壓uai，ubi，uci，三相電流瞬時值iai，ibi，ici，電機轉(zhuǎn)速近似值ωi＝2πfi，系統(tǒng)頻率fi可以直接測得，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)輸入的各個瞬時值計算得以下狀態(tài)量線電壓有效值Vti，電流有效值Iti，有功功率Pei，無功功率Qei；
步驟(4)分別以發(fā)電機的額定電壓VB、額定電流IB、額定阻抗ZB＝VB/IB為基值，再以發(fā)電機組視在功率SN以及定子角頻率ωB＝ω0＝314.1529為基值隊步驟(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的條件下計算下列各狀態(tài)量
●Q軸電勢
●Q軸暫態(tài)電勢
●D軸電流
●
●Q軸電流
步驟(6)按下式計算標(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，kqi＝0，Cqi＝0.1，
當(dāng)iqi＞iqimin，或iqi＜-iqimin時，kqi＝1，Cqi＝1，
步驟(9)按照下式計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)按下式計算PID控制的電壓調(diào)節(jié)器AVR的輸出VfiAVR
其中ΔVti為機端電壓偏差量，
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)按照下式計算用于控制第i臺發(fā)電機可控硅控制器的勵磁信號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)過一個隔直環(huán)節(jié)
處理，以保證穩(wěn)定時濾除直流信號，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后用一個一階慣性環(huán)節(jié)
處理，以濾除掉隨機噪聲引起的VfiNR-PSS的抖動，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，在多機勵磁系統(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，其輸出信號與原有的自動調(diào)壓器輸出控制信號相加，所得的勵磁控制信號，對發(fā)電機組的激勵系統(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)動態(tài)呈強非線性和高耦合性的問題，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，改善了動態(tài)穩(wěn)定性，最大限度地發(fā)電機組的裝機容量。
文檔編號H02P9/14GK101127445SQ20071011926
公開日2008年2月20日 申請日期2007年7月19日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月19日
發(fā)明者強 盧, 梅生偉, 薛建偉, 鄭少明, 彭曉潔 申請人:清華大學(xué)