基于广域测量技术的时滞电力系统稳定性分析与控制设计

【摘要】电力系统安全稳定高效运行一直是电力行业工程师和电力系统学者们不懈追求的目标,尽管人们采取了多种方法和措施,但是电力系统失稳和大停电等现象仍时有发生。在大规模互联电网中最常见到的电力系统失稳现象是区间弱阻尼的低频振荡。为阻尼低频振荡,将广域测量技术(WideAreaMeasurementSystem,WAMS)应用到电力系统的稳定控制中,带来了一个无法回避的问题,即时滞问题。时滞会恶化系统性能甚至破坏系统稳定性,与无时滞情形相比,时滞情形下控制器设计的复杂性和难度也大大增加。本文针对广域电力系统的特点,将时滞环节引入到广域电力系统建模过程中,建立考虑通信时延的时滞电力系统模型和阻尼控制模型,提出基于自由权矩阵方法的时滞电力系统静态稳定判据与阻尼控制器设计方法。研究成果主要包括以下几个方面：(1)建立考虑时滞影响的电力系统模型。考虑时滞影响后,电力系统模型从一般动力系统转变为时滞动力系统,其数学描述也从微分方程变为滞后型泛函微分方程。因此,为进一步分析时滞对广域电力系统的影响,需要建立时滞电力系统模型。以新模型为基础,采用基于自由权矩阵方法获得以线性矩阵不等式描述的电力系统静态稳定条件,并提出采用时滞稳定裕度取代特征值方法来判断和分析时滞电力系统的稳定性。通过单机无穷大电力系统算例可验证电力系统时滞模型及其稳定判据的有效性。(2)研究时滞稳定裕度与辅助阻尼控制器增益、阻尼控制器阻尼性能之间的关系,提出一种考虑时滞稳定裕度和阻尼比影响的辅助阻尼控制器优化设计方法。为解决传统设计方法中统一潮流控制器(UnifiedPowerFlowController,UPFC)的辅助阻尼控制器在通信信号传输存在时延时对区间低频振荡抑制能力不足的问题,在经典UPFC阻尼控制模型为初始模型的基础上,考虑广域测量系统中通信时延的时变和随机特征,加入时滞环节建立UPFC阻尼控制时滞模型。通过研究阻尼控制器参数、时滞稳定裕度、阻尼性能指标相互影响的规律,提出考虑通信时延的UPFC阻尼控制器优化设计方法。通过仿真实验表明,使用该方法得到的UPFC阻尼控制器既有较好的区间低频振荡抑制能力,又能容忍一定通信时延,可克服传统阻尼控制器难以适应较长通信时延的不足。(3)提出一种基于相角映射的多目标粒子群优化算法(PhaseAngleReflectionPaticleSwarmOptimizationAlgorithm,PAPSO),用于求解时滞电力系统广域阻尼控制多目标优化问题广域阻尼控制器设计中要同时满足时滞稳定裕度和阻尼性能指标的要求,属于多目标优化问题。进化计算通过种群间协同机制在一次进化中可同时得到多个解,非常适合求解多目标优化问题。为得到广域阻尼控制器的最优参数,提出一种改进的多目标粒子群优化算法。该算法将优化问题的可能解即粒子,视作具有位置和方向的相角矢量,使之在各个子优化目标函数中具有均等的上界和下界,确保相角位置初始化时空间分布的等概率性和搜索过程的紧凑性,可加速算法的搜索速度。同时在粒子飞行信息共享机制上引入共享池概念,提出基于强支配排序和相似度排序的共享池更新策略,提高解的多样性,采用Sigma领导策略和混沌变异操作,平衡算法的快速搜索能力和全局寻优能力。(4)建立含时滞的灵活交流输电系统(FlexibleACTransmissionSystems,FACTS)阻尼控制模型,提出一种以最大化阻尼比和时滞稳定裕度为目标、基于粒子群优化算法的辅助阻尼控制器(SupplementaryDampingController,SDC)多目标协调设计方法。在广域环境下,设计的辅助阻尼控制器既要有尽可能大的阻尼比抑制低频振荡,又要使系统有较大的时滞稳定裕度以保证在出现一定的信号传输时滞时,系统也能维持稳定。将PAPSO算法应用于广域阻尼控制中的多目标协调优化问题,可获得一组满足SDC设计目标的Pareto解集,实现辅助阻尼控制器参数的优化设计,是传统无时滞SDC设计方法向有时滞SDC设计方法的拓展和延伸,为广域测量环境下考虑信号传输时滞的FACTS阻尼控制器设计提供了一条新思路。仿真实验表明该设计方法的可行性和有效性。
【作者】李婷；
【导师】吴敏；
【作者基本信息】中南大学，控制科学与工程，2013，博士
【关键词】广域测量系统；时滞；辅助阻尼控制器；多目标优化；统一潮流控制器；

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