[發(fā)明專利]基于WAMS的電力系統(tǒng)低頻振蕩協(xié)調(diào)阻尼控制方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310237927.2
• 申請(qǐng)日: 2013-06-14
• 公開（公告）號(hào): CN103311939A
• 公開（公告）日: 2013-09-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 馬燕峰;趙書強(qiáng);胡永強(qiáng)
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 華北電力大學(xué)(保定);國家電網(wǎng)公司;四川省電力公司
• 主分類號(hào): H02J3/24
• 分類號(hào): H02J3/24
• 代理公司: 北京眾合誠成知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11246
• 代理人: 黃家俊

1.基于WAMS的電力系統(tǒng)低頻振蕩協(xié)調(diào)阻尼控制方法，其特征在于，該方法包括如下步驟：

步驟1：提取電力系統(tǒng)的WAMS采集到的各臺(tái)發(fā)電機(jī)的功角、角速度、有功以及擾動(dòng)信號(hào)；

步驟2：對(duì)從電力系統(tǒng)的WAMS提取到的各臺(tái)發(fā)電機(jī)的功角、角速度、有功以及擾動(dòng)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，得到各臺(tái)發(fā)電機(jī)的功角曲線和角速度曲線；

步驟3：依據(jù)預(yù)處理后得到的功角曲線或者角速度曲線,采用分級(jí)聚類技術(shù)進(jìn)行初始區(qū)域劃分，初始區(qū)域劃分的數(shù)目N_dri；

分級(jí)聚類技術(shù)步驟如下：

（1）根據(jù)Δw_i(t)第i臺(tái)發(fā)電機(jī)的功角或者角速度的偏差值以及Δw_j(t)第j臺(tái)發(fā)電機(jī)的功角或者角速度的偏差值，通過下式：

dij=Σt=t1T(Δwi(t)-Δwj(t))2]]>

計(jì)算兩個(gè)發(fā)電機(jī)之間的相異性值d_ij，將計(jì)算得到的兩臺(tái)發(fā)電機(jī)的相異性值d_ij最小的兩臺(tái)發(fā)電機(jī)劃為同一個(gè)區(qū)域；其中，T為選取數(shù)據(jù)段的時(shí)間，t₁代表初始時(shí)刻；

（2）第一次分級(jí)聚類是根據(jù)不同的相異性值d_ij，將各臺(tái)發(fā)電機(jī)劃分為不同的區(qū)域；

（3）通過下式：

drs=1NrNsΣi=1NrΣj=1Nsdist(xri,xsj)]]>

計(jì)算各個(gè)區(qū)域之間的區(qū)域系數(shù)值d_rs，其中，N_r為區(qū)域r的發(fā)電機(jī)數(shù)目，和N_s分別區(qū)域s的發(fā)電機(jī)數(shù)目；dist(x_ri,x_sj)是區(qū)域r中第i臺(tái)發(fā)電機(jī)和區(qū)域s中第j臺(tái)發(fā)電機(jī)的距離，x_ri為區(qū)域r中第i臺(tái)發(fā)電機(jī)功角或者角速度的偏差值，x_sj為區(qū)域s的第j臺(tái)發(fā)電機(jī)的功角或者角速度的偏差值；

（4）設(shè)定的區(qū)域系數(shù)值d，將d_rs<d的區(qū)域內(nèi)的發(fā)電機(jī)視為具有同調(diào)性，對(duì)具有同調(diào)性的發(fā)電機(jī)的所處的區(qū)域進(jìn)行合并，依此類推，最終得到發(fā)電機(jī)同調(diào)性的分級(jí)聚類樹，完成初始區(qū)域劃分，初始區(qū)域劃分的數(shù)目N_dri；

步驟4：對(duì)步驟3中劃分好的N_dri個(gè)初始區(qū)域，在每個(gè)區(qū)域內(nèi)分別選取設(shè)定數(shù)目的發(fā)電機(jī)的功角或者角速度作為待辨識(shí)的信號(hào)，采用基于奇異熵的改進(jìn)多信號(hào)Prony辨識(shí)算法對(duì)待辨識(shí)的信號(hào)進(jìn)行系統(tǒng)的低頻振蕩模式辨識(shí)，得出低頻振蕩模式頻率f_i、衰減因子α_i和阻尼比ζ_i以及發(fā)電機(jī)參與各振蕩模式的幅值A(chǔ)_ki；

所述基于奇異熵改進(jìn)多信號(hào)Prony辨識(shí)算法步驟如下：

（1）依據(jù)待辨識(shí)的信號(hào)形成樣本矩陣R；

R=r(1,0)r(1,1)···r(1,pe)r(2,0)r(2,1)···r(2,pe)·········r(pe,0)r(pe,1)···r(pe,pe),(pe>>p);]]>

定義樣本矩陣R的元素r(i,j)為：

其中，rk(i,j)=Σn=pN-1xk(n-j)xk(n-i),i,j=0,1,···,pe;k=1,2,···,m;]]>

式中，p_e為選定的初始階數(shù)；x_k(n-j)為第k個(gè)待辨識(shí)的信號(hào)的第n-j+1個(gè)采樣點(diǎn)，x_k(n-j)為第k個(gè)待辨識(shí)的信號(hào)的第n-i+1個(gè)采樣點(diǎn)，m為待辨識(shí)的信號(hào)的數(shù)目，n為采樣點(diǎn)數(shù)，p為自然數(shù)；

（2）利用奇異值分解總體最小二乘法SVD-TLS算法，確定樣本矩陣R的有效秩p所對(duì)應(yīng)的低頻振蕩模式的系數(shù)a₁,a₂,…,a_p；

定義奇異熵為：Ek=Σi=1kΔEi,k≤pe;]]>

其中，ΔEi=-(λi/Σk=1peλk)log(λi/Σk=1peλk);]]>

其中，k為奇異熵的階次；ΔE_i表示奇異熵在階次i處的增量；λ_i表示樣本矩陣R的第i個(gè)奇異值，λ_k表示樣本矩陣第k個(gè)待辨識(shí)的信號(hào)的奇異值；

奇異熵增量隨階數(shù)k的增加在分布上會(huì)出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)，該拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的樣本矩陣R的有效秩p即為有效信號(hào)的模態(tài)階數(shù)，得到樣本矩陣R的有效秩p低頻振蕩模式的系數(shù)a₁,a₂,…,a_p的多項(xiàng)式如下：

1+a₁z^-1+…+a_pz^-p=0；

其中，z為多項(xiàng)式的根；

（3）根據(jù)公式計(jì)算得到第k個(gè)待辨識(shí)的信號(hào)的第n個(gè)采樣點(diǎn)的估計(jì)值其中，

（4）然后利用下式：

11···1z1z2···zp·········z1Nk-1z2Nk-1···zpNk-1bk1bk2···bkp=x^k(0)x^k(1)···x^k(Nk-1);]]>

計(jì)算得到計(jì)算參數(shù)b_k的值；

其中，k=1,2,…,m；N_k為第k個(gè)待辨識(shí)的信號(hào)的采樣點(diǎn)數(shù)，b_kp代表參數(shù)b_k的有效秩p的參數(shù)值；

（5）根據(jù)以下公式：

Aki=|bki|θki=arctan[Im(bki)/Re(bki)]fi=arctan[Im(zi)/Re(zi)]/2πΔtαi=ln|zi|/Δtζi=-αi/αi2+(2πfi)2;]]>

計(jì)算得到若干數(shù)目的低頻振蕩模式的頻率f_i、低頻振蕩模式的衰減因子α_i和低頻振蕩模式的阻尼比ζ_i；每臺(tái)發(fā)電機(jī)參與該低頻振蕩模式的振幅為A_ki以及相位θ_ki；其中，Δt表示時(shí)間間隔；A_ki反映了第k臺(tái)機(jī)組與第i個(gè)低頻振蕩模式的相關(guān)性強(qiáng)弱，A_ki越大則機(jī)組與低頻振蕩模式相關(guān)性越強(qiáng)；

步驟5：根據(jù)步驟4中得到的每個(gè)低頻振蕩模式的頻率f_i、參與該頻率的發(fā)電機(jī)的數(shù)目以及參與該頻率的發(fā)電機(jī)所處的區(qū)域，來判斷每個(gè)低頻振蕩模式屬于區(qū)間振蕩模式還是地區(qū)振蕩模式，并通過得到的屬于區(qū)間振蕩模式的低頻振蕩模式數(shù)目，完成對(duì)步驟3劃分得到的初始區(qū)域進(jìn)行修正；

對(duì)于某一頻率低頻振蕩模式：

如果f_i<f，N_set≥2，且參與該頻率的發(fā)電機(jī)屬于不同區(qū)域,則判斷該低頻振蕩模式屬于區(qū)間振蕩模式；否則判斷該低頻振蕩模式屬于地區(qū)振蕩模式；其中，N_set為滿足f_i<f參與該頻率的發(fā)電機(jī)的數(shù)目，f為設(shè)定的頻率值；

如果步驟4中計(jì)算得到若干數(shù)目的低頻振蕩模式的頻率f_i有N個(gè)低頻振蕩模式屬于區(qū)間振蕩模式，則區(qū)間振蕩模式數(shù)為N，最終劃分的區(qū)域數(shù)目應(yīng)為N+1；

調(diào)整區(qū)域系數(shù)值d_rs的數(shù)值，使N_dri=N+1來完成對(duì)步驟3劃分得到的初始區(qū)域進(jìn)行修正；

步驟6：所述低頻振蕩模式的衰減因子的范圍為：α_i<α，α為衰減因子的設(shè)定值，且阻尼比應(yīng)該滿足阻尼控制目標(biāo)：ζ_i>ζ；其中，ζ為確定設(shè)定的阻尼比值；

根據(jù)公式ζ_i<ζ，在步驟4中計(jì)算得到若干數(shù)目的低頻振蕩模式中選出待抑制的弱阻尼的低頻振蕩模式；

若待抑制的弱阻尼的低頻振蕩模式屬于步驟5中的地區(qū)振蕩模式，則轉(zhuǎn)步驟7，否則轉(zhuǎn)步驟8；

步驟7：對(duì)于產(chǎn)生的低頻振蕩模式屬于地區(qū)振蕩模式的各臺(tái)強(qiáng)相關(guān)發(fā)電機(jī)，采用電力系統(tǒng)穩(wěn)定器PSS來抑制地區(qū)振蕩模式，實(shí)現(xiàn)地區(qū)振蕩模式的本地控制；

對(duì)于第i個(gè)地區(qū)振蕩模式強(qiáng)相關(guān)發(fā)電機(jī)選取如下：

將步驟4辨識(shí)得到的A_ki進(jìn)行排序，選取A_ki最大的發(fā)電機(jī)作為抑制此模式的強(qiáng)相關(guān)發(fā)電機(jī)；

電力系統(tǒng)穩(wěn)定器PSS的PSS參數(shù)整定方法如下：

在發(fā)電機(jī)勵(lì)磁上加入擾動(dòng)，提取本發(fā)電機(jī)角速度信號(hào)的辨識(shí)結(jié)果，在考慮勵(lì)磁輸入的基礎(chǔ)上辨識(shí)系統(tǒng)的開環(huán)降階數(shù)學(xué)模型如下式所示：

G(s)=Σi=1pRis-λi]]>

其中G(s)為系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，R_i為傳遞函數(shù)的留數(shù)，λ_i表示傳遞函數(shù)的極點(diǎn)，其中λ_i=α_i+2πf_i，s為傳遞函數(shù)的復(fù)變量，p為系統(tǒng)的階數(shù)；

設(shè)H(s)為PSS傳遞函數(shù)，根據(jù)下式確定PSS的增益和補(bǔ)償角度：

|H(s)|=1|G(s)|,]]>arg(H(s))=-arg(G(s))

|H(s)|為PSS的增益，arg(H(s))為PSS的補(bǔ)償角度；

步驟8：對(duì)產(chǎn)生的低頻振蕩模式屬于區(qū)間振蕩模式的強(qiáng)相關(guān)發(fā)電機(jī)，通過引入其它區(qū)域的廣域信號(hào)，采用廣域阻尼控制抑制區(qū)間振蕩模式，對(duì)辨識(shí)系統(tǒng)的降階數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行控制器的設(shè)計(jì)，根據(jù)步驟6設(shè)計(jì)的阻尼控制目標(biāo)，控制器參數(shù)采用線性矩陣不等式LMI進(jìn)行求取，其步驟如下：

將辨識(shí)得到的傳遞函數(shù)數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化為狀態(tài)空間形式，基于LMI的控制器設(shè)計(jì)方法如下：

x·(t)=Ax(t)+B1w(t)+B2u(t)]]>

z₁(t)=C₁x(t)+D₁₁w(t)+D₁₂u(t)

z₂(t)=C₂x(t)+D₂₁w(t)+D₂₂u(t)

y(t)=Cx(t)+D₁w(t)

其中：x(t)∈Rⁿ為系統(tǒng)的狀態(tài)向量；u(t)∈R^m為輸入控制向量；w(t)∈R^q為外部擾動(dòng)輸入向量；為系統(tǒng)的被調(diào)輸出向量；y(t)∈R^p為開環(huán)系統(tǒng)的輸出，A為系統(tǒng)的狀態(tài)矩陣，B₁、B₂為系統(tǒng)的擾動(dòng)和控制輸入矩陣，C、C₁、C₂為系統(tǒng)的狀態(tài)輸出矩陣，D₁、D₁₁、D₁₂、D₂₁、D₂₂為系統(tǒng)的直聯(lián)矩陣，Rⁿ、R^m、R^q、和R^p分別表示狀態(tài)向量、控制輸入向量、擾動(dòng)輸入向量、兩個(gè)被調(diào)輸出向量以及開環(huán)輸出向量的維數(shù)分別為n、m、q、r₁、r₂和p維；

進(jìn)行控制器參數(shù)計(jì)算，首先求出控制器的傳遞函數(shù)形式u(t)=K(s)y(t)，然后得到如式x·k(t)=Akxk(t)+Bky(t)u(t)=Ckxk(t)+Dky(t)]]>所示的控制規(guī)律；

其中，K(s)為控制器的傳遞函數(shù)矩陣，y(t)為控制器的輸入向量，即所選擇的系統(tǒng)模型的輸出，為控制器的狀態(tài)向量的導(dǎo)數(shù)，x_k(t)為控制器的狀態(tài)向量，A_k為控制器的狀態(tài)矩陣，B_k為控制器的輸入矩陣，C_k為控制器的狀態(tài)輸出矩陣，D_k為控制器的直聯(lián)矩陣；

步驟9：輸出步驟7和步驟8計(jì)算得到的控制器參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了低頻振蕩的分層分區(qū)協(xié)調(diào)阻尼控制。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于WAMS的電力系統(tǒng)低頻振蕩協(xié)調(diào)阻尼控制方法，其特征在于，所述預(yù)處理過程是將提取到的發(fā)電機(jī)功角、角速度、有功以及擾動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值和去直流預(yù)處理，并將振蕩部分進(jìn)行放大處理，得到各個(gè)發(fā)電機(jī)的功角曲線和角速度曲線。