複合型電力系統穩定器的實現方法
2023-07-18 11:30:26
專利名稱：複合型電力系統穩定器的實現方法
技術領域：
本發明涉及一種複合型電力系統穩定器的結構及實現方法。
背景技術：
電力系統穩定器(簡稱PSS)是發電機勵磁系統的一個附加控制器，用於改善電力系統小信號穩定性及提高系統阻尼抑制低頻功率振蕩，它抽取與系統功率振蕩有關的信號，如發電機有功功率、轉速或頻率，加以處理，產生的附加信號反饋到勵磁調節器中，它的使用可以避免電力系統小擾動誘發的功率振蕩，同時具有阻尼電力系統功率振蕩的功能，是提高電力系統動態穩定性的重要措施之一。
電力系統發電機廣泛採用勵磁系統及線性超前滯後PSS如圖6所示，圖中上面方框表示發電機勵磁控制系統，下面方框為超前滯後線性PSS控制器，其中參數Ka、Ta是勵磁系統的增益係數和時間常數；Ks是PSS的增益係數；Tw是PSS隔直環節的時間常數；T1、T2、T3、T4是PSS的超前滯後環節的時間常數；圖中其他變量(信號)的含義為Efd勵磁系統輸出信號為發電機勵磁繞組電勢；Vt勵磁系統輸入信號為發電機機端電壓；Vref勵磁系統參考電壓；ΔωPSS輸入信號為發電機轉速偏差；VsPSS輸出信號亦為勵磁系統的附加輸入信號。
為使PSS起到理想的提高電力系統動態穩定性的作用，PSS參數要根據電力系統的運行情況進行整定。電力系統發電機採用的勵磁系統及線性PSS控制器依其實現方式及模型的複雜程度不同而不同，但是勵磁系統及線性PSS連接方式及線性超前滯後PSS的工作原理皆可以用圖6說明。
目前的PSS參數整定(或稱作參數設計)大多基於電力系統的某一運行方式下的線性化模型進行，其參數經整定後一般固定不變。這種固定參數的PSS一般難以適應多種根本不同的運行方式下(包括因季節不同水利發電變化或發電機檢修引起的系統潮流分布方向變化，或因電網維修引起的電網結構較大變化)同時達到理想的穩定控制作用，另一方面，基於線性化小擾動穩定理論設計的PSS亦難以適應電力系統大擾動後的非線性特徵以取得理想的對有多種振蕩模式(即多種不同振蕩頻率)功率振蕩的阻尼控制效果。
為克服上述線性超前滯後PSS的缺點，國內外電力工業界研究了基於非線性控制原理的PSS和人工智慧控制PSS。但由於電力系統屬於超大規模非線性系統，具有離散及連續動態的混雜性，具有系統模型(主要指接在電力系統上的負荷)的不確定性，許多上述PSS的研究成果都未獲得真正意義上的推廣應用。其中和本發明相關的一類基於模糊邏輯人工智慧方法的阻尼控制PSS近十年來獲得了較大地關注。基於模糊邏輯控制的PSS結構由圖7描述，圖中上面方框表示發電機勵磁控制系統，下面方框為模糊邏輯控制PSS控制器，其中勵磁控制系統參數及其信號(包括PSS輸入輸出信號的含義和圖6所示線性PSS相同)，模糊邏輯控制PSS具有自適應控制及阻尼控制魯棒性強的特點，所以能夠有效地阻尼系統大擾動後的功率振蕩。但這類控制器並不能改善系統的小擾動穩定性(即不能將電力系統線性化模型的特徵根從正半平面移到負半平面)阻止系統自發的功率振蕩，上述缺點影響了它的推廣應用。
發明內容本發明的目的是在保留傳統的線性PSS可改善系統的小擾動穩定性，阻止系統自發功率振蕩的優點的基礎上，解決以下技術問題(1)克服傳統的線性PSS難以適應系統大擾動後的非線性特徵，對含有多種振蕩模式的功率振蕩提供理想的阻尼控制；(2)提高傳統PSS的控制魯棒性，使其具有自適應控制的特點；提供一種複合型電力系統穩定器的實現方法。
本發明提供的複合型電力系統穩定器的實現方法，是在發電機勵磁控制系統與現有線性超前滯後電力系統穩定器(PSS)之間插入模糊邏輯控制單元構成，其結構如圖1所示，圖中方框部分即為該模糊邏輯控制單元。該模糊邏輯控制單元包括(1)相平面比較單元a)該單元的輸入包括離散化的發電機角速度偏差信號Δω(表示作…，Δωk-1，Δωk，Δωk+1，…)及功角的偏差信號Δθ(表示作…，Δθk-1，Δθk，Δθk+1，…)；b)發電機角速度偏差信號Δω及功角的偏差信號Δθ定義一個相平面，按發電機阻尼模糊邏輯控制規則，相平面以坐標原點為中心通過45度角和φ角(其中φ在0到10度間取值)分作A、B、C、D、E、F六個區域；c)每一對離散信號，譬如說Δωk和Δθk，定義了相平面上的一個點，稱作相點，相點的位置可以用直角坐標或極坐標表示的複數(即Δθk+jΔωk＝dk∠βk)表示。該複數確定了當前發電機轉子在搖擺中的狀態，其中dk表示相點至相平面原點的距離；βk角用以確定相點位於上述相平面上六個區域的哪一個區域；d)相平面比較單元輸出變量為dk和βk；(2)邏輯推理單元邏輯推理單元的輸入包括相平面比較單元輸出的dk和βk，和離散化的現有線性超前滯後電力系統穩定器輸出的電壓信號Vs(表示作…，VS，k-1，VS，k，VS，k+1，…)，邏輯推理單元輸出比例控制係數KM，k，比例控制係數KM，k用以修正VS，k，產生輸出變量VS，k′。
上述發電機角速度偏差Δω及功角的偏差Δθ信號通過如下方法獲得(1)採集發電機輸出電磁功率信號Pe；(2)該信號的負值除以發電機轉子轉動慣量並乘以發電機的極對數後，通過隔直流濾波器和積分器I後的信號為發電機轉子角速度偏差信號Δω；(3)轉子角速度偏差信號Δω通過積分器I和隔直流濾波器後的信號為發電機角功角偏差信號Δθ。
對應圖1相平面中A、B、C、D、E、F六個區域的發電機阻尼模糊邏輯控制規則如下(1)發電機阻尼模糊邏輯控制規則要求在區域A控制器對發電機實施強減速控制；在區域B和區域F對發電機實施弱減速控制；在區域D控制器實施強加速控制；在區域C和區域E實施弱加速控制；(2)實施減速控制的方法是提高發電機電勢，即要求V′s大於零；相反實施加速控制的方法是減小發電機電勢，即要求V′s小於零。
相平面中相點距相平面原點的距離dk的計算如下dk等於發電機角速度偏差信號Δωk及功角的偏差信號Δθk平方和的平方根。
模糊邏輯推理單元產生比例控制係數KM，k的邏輯描述如下(1)若相點距相平面原點的距離dk小於ε(以發電機功角增量Δθ超過5度定義ε，取ε＝π/36.0，因為Δθ最大擺開時刻對應Δω＝0)不管相點位於哪一區，取KM，k＝1(解釋dk小於ε情況，表明當時發電機搖擺的程度非常小；取KM，k＝1相當於當時的情況允許傳統的線性超前滯後PSS的輸出信號Vs通過至電壓比較環節，因而KM,k＝1等價於實施傳統的線性超前滯後PSS控制)；(2)若{相點位於A區且有Vs小於零和d大於ε}或{相點位於D區且有Vs大於零和d大於ε}則取KM，k＝-1(解釋情況{相點位於A區且有Vs小於零和d大於ε}或{相點位於D區且有Vs大於零和d大於ε}相當於在應實施強減速或強加速控制的情況下，控制信號Vs符號不符合發電機阻尼模糊邏輯控制規則；KM，k＝-1相當於針對Vs當時的情況採取反向措施來修正傳統的線性超前滯後PSS的輸出信號)；(3)若{相點位於B區或F區，且有Vs小於零和d大於ε}或{相點位於C區或E區，且有Vs大於零和d大於ε}則取KM，k＝0(解釋情況{相點位於B區或F區，且有Vs小於零和和d大於ε}或{相點位於C區或E區，且有Vs大於零和d大於ε}相當於應實施弱減速和弱加速控制的情況下，控制信號Vs的符號不符合發電機阻尼模糊邏輯控制規則；取KM，k＝0相當於針對Vs當時的情況採取屏蔽措施阻止傳統的線性超前滯後PSS的輸出信號至電壓比較環節)；(4)若{相點位於A區、B區或F區，且有Vs大於零和d大於ε}或{相點位於D區、C區或E區，且Vs小於零和d大於ε}則取KM，k＝1(解釋情況{相點位於A區、B區或F區，且有Vs大於零和d大於ε}或{相點位於D區、C區或E區，且Vs小於零和d大於ε}相當於應實施減速和加速控制的情況下，控制信號Vs符號符合發電機阻尼模糊邏輯控制規則；取KM，k＝1相當於允許傳統的線性超前滯後PSS的輸出信號Vs通過至電壓比較環節)。
修正比較電壓信號Vout通過下述公式確定Vout＝Vref-Vt+V′s或Vout＝Vref-Vt+KM×Vs其中Vref是勵磁系統參考電壓；Vt是發電機機端電壓；V′s是複合型PSS的輸出信號。
本發明的優點和積極效果由於採用了以上的方案，可實現以下優點和有益效果1)當考慮工作點線性化系統特性時，由於相平面上的相點始終維持在原點(即滿足條件相點距相平面原點的距離d小於ε)，複合型PSS和傳統的線性PSS的控制效果一致，即複合型PSS和傳統的線性PSS具有同樣確定工作點線性化系統的特徵根在複平面上位置的功能)，所以複合型PSS可改善系統的小擾動穩定性，具有阻止系統產生自發功率振蕩的優點，而發電機模糊邏輯阻尼控制PSS是沒有上述優點的；2)在應實施強減速和強加速控制的情況下，若控制信號Vs的符號不符合發電機阻尼模糊邏輯控制規則，複合型PSS的模糊邏輯控制器通過採取反向措施修正了傳統的線性超前滯後PSS的輸出信號；在應實施弱減速和弱加速控制的情況下，若控制信號Vs的符號不符合發電機阻尼模糊邏輯控制規則，複合型PSS的模糊邏輯控制器通過屏蔽措施阻止了傳統的線性超前滯後PSS輸出的信號通過；在應實施各種減速和加速控制的情況下，若控制信號Vs的符合發電機阻尼模糊邏輯控制規則，模糊邏輯控制器維持了傳統的線性超前滯後PSS的輸出信號不變；上述情況說明複合型PSS在阻尼控制中可以避免因系統的非線性引起不適當阻尼控制，提高了傳統PSS的控制魯棒性，即對不同振蕩模式的阻尼功效具有自適應控制的特點，上述優點傳統的線性PSS是沒有的。3)複合型PSS的實現簡單經濟，僅在原有的PSS及勵磁控制系統間添加圖1所示模糊邏輯控制單元構成即可。4)對複合型PSS的傳統線性PSS部分，其參數整定方法可根據以前的實踐沿用已有的方法，和傳統的PSS技術有承上啟下的關係。
圖1是本發明勵磁系統及複合型PSS結構示意圖；圖2用32位微處理器(DSP)實現複合型PSS示意圖；圖3是複合型PSS在進行仿真計算時所用的IEEE四機系統；圖4是不包括模糊邏輯控制單元時傳統超前滯後PSS控制仿真曲線；圖5是包括模糊邏輯控制單元後複合型PSS(傳統帶超前滯後PSS參數和圖4相同)控制仿真曲線；圖6是現有技術中勵磁系統及傳統超前滯後PSS結構示意圖；圖7是現有技術中勵磁系統及模糊邏輯PSS結構圖示意圖。
具體實施方式實施例1本發明提供的複合型電力系統穩定器的實現方法，是在發電機勵磁控制系統與現有線性超前滯後電力系統穩定器(PSS)之間插入模糊邏輯控制單元構成，其結構如圖1所示，圖中方框部分即為該模糊邏輯控制單元。該模糊邏輯控制單元包括(1)相平面比較單元a)該單元的輸入包括離散化的發電機角速度偏差信號Δω(表示作…，Δωk-1，Δωk，Δωk+1，…)及功角的偏差信號Δθ(表示作…，Δθk-1，Δθk，Δθk+1，…)；b)發電機角速度偏差信號Δω及功角的偏差信號Δθ定義一個相平面，按發電機阻尼模糊邏輯控制規則，相平面以坐標原點為中心通過45度角和φ＝10度角分作A、B、C、D、E、F六個區域；c)每一對離散信號，譬如說Δωk和Δθk，定義了相平面上的一個點，稱作相點，相點的位置可以用直角坐標或極坐標表示的複數(即Δθk+jΔωk＝dk∠βk，βk角在0～2π弧度間取值)表示。該複數確定了當前發電機轉子在搖擺中的狀態，其中dk表示相點至相平面原點的距離；βk角用以確定相點位於上述相平面上六個區域的哪一個區域；d)相平面比較單元輸出變量為dk和βk；(2)邏輯推理單元邏輯推理單元的輸入包括相平面比較單元輸出的dk和βk，和離散化的現有線性超前滯後電力系統穩定器輸出的電壓信號Vs(表示作…，VS，k-1，VS，k，VS，k+1，…)，邏輯推理單元輸出比例控制係數KM，k，比例控制係數KM，k用以修正VS，k，產生輸出變量VS，k′。上述發電機角速度偏差Δω及功角的偏差Δθ信號通過如下方法獲得(1)採集發電機輸出電磁功率信號Pe；(2)該信號的負值除以發電機轉子轉動慣量並乘以發電機的極對數後，通過隔直流濾波器W和積分器I為發電機轉子角速度偏差信號Δω；(3)轉子角速度偏差信號Δω通過隔直流濾波器W和積分器I為發電機角功角偏差信號Δθ。
對應圖1相平面中A、B、C、D、E、F六個區域的發電機阻尼模糊邏輯控制規則如下結合模糊邏輯控制規則，模糊邏輯推理單元產生比例控制係數KM，k的邏輯描述如下(1)若相點距相平面原點的距離小於ε＝π/36.0，不管相點位於哪一區，取KM，k＝1；(2)若{相點位於A區(2k+)]]>且有Vs小於零和dk>(=36.0)]]>}或{相點位於D區(0＜βk≤φ或32k2]]>)且有Vs大於零和dk>(=36.0)]]>}則取KM，k＝-1；(3)若{相點位於B區(4k2)]]>或F區(+k54),]]>且有Vs小於零和dk>(=36.0)]]>}或{相點位於C區(k4)]]>或E區(5k32),]]>且有Vs大於零和dk>(=36.0)]]>}則取KM，k＝0(解釋取KM，k＝0相當於針對Vs當時的情況採取屏蔽措施阻止傳統的線性超前滯後PSS的輸出信號至電壓比較環節)；
(4)若{相點位於A區(2k+)]]>、B區(4k2)]]>或F區(+k54),]]>且有Vs大於零和dk>(=36.0)]]>}或{相點位於D區(0＜βk≤φ或32k2]]>)、C區(k4)]]>或E區(5k32),]]>且Vs小於零和dk>(=36.0)]]>}則取KM，k＝1(解釋取KM，k＝1相當於允許傳統的線性超前滯後PSS的輸出信號Vs通過至電壓比較環節)。於是修正後的PSS控制器的輸出電壓為V′s＝KM×Vs為了說明相平面比較及邏輯推理單元的輸出V′s的過程，特結合圖3所示的IEEE四機系統上的部分仿真結果說明。仿真條件為四臺發電機均採用帶快速勵磁控制雙軸模型；僅4號發電機裝有超前滯後PSS；仿真用的大擾動為母線7上發生三相短路，0.1s後消失。
表1 IEEE四機系統仿真中一個搖擺周期內的8個時間點的相平面比較及邏輯推理單元數輸入與輸出數據表1列寫了IEEE四機系統的4號發電機在一個搖擺周期內的8個點的數據。第一列為數據採集時間；第二列和第三列為對應時刻的Δω和Δθ；第四列是傳統超前滯後PSS當時輸出的數據；第五列是經本發明方法修正後的PSS輸出數據；第六列和第七列為由Δω和Δθ計算出來的d和β；第八列是由β角判斷出來的相點所在的區域；第九列是模糊邏輯推理單元產生比例控制係數KM；第四列為傳統超前滯後PSS輸出的信號Vs；第五列是本發明用比例控制係數KM修正信號Vs後所得的PSS輸出信號V′s。
實施例2本發明的複合型PSS可採用32位微處理器及數位訊號處理器(DSP)實現，其示意圖如圖2所示。圖1所示數字式PSS的組件，例如隔直流濾波、積分、超前滯後及增益放大等常規環節的實現已屬於成熟的技術，皆可通過C語言編程在DSP上進行浮點計算實現。
為表明複合型PSS對傳統PSS輸出信號的修正的阻尼控制效果，上述複合型PSS在圖3所示的IEEE四機系統上進行了仿真計算。仿真條件為四臺發電機均採用帶快速勵磁控制雙軸模型；僅4號發電機裝有超前滯後PSS。IEEE四機系統區域A和區域B之間大擾動後的振蕩為典型的區域振蕩模式，振蕩頻率較低。仿真用的大擾動為母線7上發生三相短路，0.1s後消失。
比較了在相同超前滯後環節參數條件下，對不包括圖1所示模糊邏輯控制單元的傳統超前滯後PSS用C語言在計算機上的仿真結果(見圖4)和對僅4號發動機包括圖1所示模糊邏輯控制單元的複合型PSS(其他發電機勵磁控制保持原來情況不變)用C語言在計算機上的仿真結果(見圖5)；圖中曲線Vs為附加阻尼控制信號Vs曲線；曲線Δω為4號發電機角速度增量曲線；曲線δ41為4號發電機相對1號發電機的功角搖擺曲線。由圖4可見，擾動發生後PSS對發電機區域振蕩模式呈現較弱的阻尼，發電機功角搖擺經歷了較長時間(近20秒)才平息下來。圖5所示曲線為在原有的PSS上增加了模糊邏輯控制單元後所得的仿真結果。同時在圖4和圖5我們也切出了一個窗口對比模糊邏輯控制單元對Vs的修正。對比可見採用模糊控制對Vs的修正後發電機功角搖擺經歷了8秒就完全平息下來。顯然複合型PSS對發電機轉子間的阻尼控制效果大大加強了。
權利要求
1.一種複合型電力系統穩定器的實現方法，其特徵是該複合型電力系統穩定器是在發電機勵磁控制系統與現有線性超前滯後電力系統穩定器(PSS)之間插入模糊邏輯控制單元構成；該模糊邏輯控制單元包括(1)相平面比較單元a)該單元的輸入包括離散化的發電機角速度偏差信號Δω，表示作…，Δωk-1，Δωk，Δωk+1，…，及功角的偏差信號Δθ，表示作…，Δθk-1，Δθk，Δθk+1，…；b)發電機角速度偏差信號Δω及功角的偏差信號Δθ定義一個相平面，按發電機阻尼模糊邏輯控制規則，相平面以坐標原點為中心通過45度角和φ角分作A、B、C、D、E、F六個區域，其中φ在0到10度間取值；c)每一對離散信號，譬如Δωk和Δθk，定義了相平面上的一個點，稱作相點，相點的位置可以用直角坐標或極坐標表示的複數，即Δθk+jΔωk＝dk∠βk表示，該複數確定了當前發電機轉子在搖擺中的狀態，其中dk表示相點至相平面原點的距離；βk角用以確定相點位於上述相平面上六個區域的哪一個區域；d)相平面比較單元輸出變量為dk和βk；(2)邏輯推理單元邏輯推理單元的輸入包括相平面比較單元輸出的dk和βk，和離散化的現有線性超前滯後電力系統穩定器輸出的電壓信號Vs，表示作…，VS，k-1，VS，k，VS，k+1，…，，邏輯推理單元輸出的比例控制係數KM，k，比例控制係數KM，k用以修正VS，k，產生輸出變量VS，k′。
2.根據權利要求1所述的穩定器的實現方法，其特徵是發電機角速度偏差信號Δω及功角的偏差信號Δθ通過如下方法獲得(1)採集發電機輸出電磁功率信號Pc；(2)該信號的負值除以發電機轉子轉動慣量並乘以發電機的極對數後，通過隔直流濾波器和積分器I後的信號為發電機轉子角速度偏差信號Δω；(3)轉子角速度偏差信號Δω通過積分器I和隔直流濾波器後的信號為發電機角功角偏差信號Δθ。
3.根據權利要求1所述的穩定器的實現方法，其特徵是相平面中A、B、C、D、E、F六個區域的發電機阻尼模糊邏輯控制規則如下(1)發電機阻尼模糊邏輯控制規則要求在區域A控制器對發電機實施強減速控制；在區域B和區域F對發電機實施弱減速控制；在區域D控制器實施強加速控制；在區域C和區域E實施弱加速控制；(2)實施減速控制的方法是提高發電機電勢，即要求V′s大於零；相反實施加速控制的方法是減小發電機電勢，即要求V′s小於零。
4.根據權利要求1所述的穩定器的實現方法，其特徵是相平面中相點距相平面原點的距離dk的計算如下dk等於發電機角速度偏差信號Δωk及功角偏差信號Δθk平方和的平方根。
5.根據權利要求1所述的穩定器的實現方法，其特徵是模糊邏輯推理單元產生比例控制係數KM，k的邏輯描述如下(1)若相點距相平面原點的距離dk小於ε，不管相點位於哪一區，取KM，k＝1，此處以發電機功角的偏差信號Δθ增量超過5度定義ε，取ε＝π/36.0，因為Δθ最大擺開時刻對應Δω＝0；(2)若{相點位於A區且有Vs小於零和d大於ε}或{相點位於D區且有Vs大於零和d大於ε}則取KM，k＝-1；(3)若{相點位於B區或F區，且有Vs小於零和d大於ε}或{相點位於C區或E區，且有Vs大於零和d大於ε}則取KM，k＝0；(4)若{相點位於A區、B區或F區，且有Vs大於零和d大於ε}或{相點位於D區、C區或E區，且Vs小於零和d大於ε}則取KM，k＝1。
6.根據權利要求1所述的穩定器的實現方法，其特徵是修正比較電壓信號Vout通過下述公式確定Vout＝Vref-Vt+V′s 或Vout＝Vref-Vt+KM×Vs其中Vref是勵磁系統電壓；Vt是發電機機端電壓；V′s是複合型PSS的輸出信號。
全文摘要
一種複合型電力系統穩定器(PSS)的實現方法。複合型PSS是在傳統的線性超前滯後PSS的基礎上添加模糊邏輯控制單元(包括相平面比較單元和邏輯推理單元)構成，模糊邏輯控制單元用以修正傳統的線性超前滯後PSS的輸出信號以改進PSS對電力系統功率振蕩的控制效果。複合型PSS和傳統的線性PSS具有同樣的改善系統的小擾動穩定性，阻止系統產生自發功率振蕩的特性，同時模糊邏輯控制單元的引入可避免因系統的非線性引起不適當阻尼控制，提高了傳統PSS的阻尼控制魯棒性。複合型PSS只需在原有的PSS上增加模糊邏輯插件完成，實現簡單經濟，對原有PSS部分的參數整定可沿用已有的成功方法，和傳統的PSS技術有承上啟下的關係。
文檔編號H02P9/14GK1945919SQ20061001557
公開日2007年4月11日 申請日期2006年9月4日 優先權日2006年9月4日
發明者房大中 申請人:天津大學