新型电力系统稳定控制

应用WAMS信号的新型电力系统稳定控制倪以信甘德强蔡泽祥香港大学浙江大学华南理工大学2006年10月第22届中国高等院校电力系统自动化专业年会内容1.引言2.非线性自适应控制简介3.广域测量系统(WAMS)在电力系统稳定控制中的应用原理4.应用WAMS信号的非线性鲁棒自适应励磁控制5.应用WAMS信号的交直流互联系统直流功率调制6.总结引言:电力系统的复杂性大规模，分层分布，高度非线性的动态系统负荷不断随机波动，而电能不能储存不可预见的事故和扰动快速的暂态过程，系统可在几秒—几分钟内崩溃复杂的控制系统及其协调要求电力市场：厂网分开，追求利润，潮流不确定性和系统整体安全稳定裕度可能下降。大停电事故对社会政治、经济冲击极大。—核心任务：保证系统安全稳定运行，防止大停电事故出现！这是最重要的质量和经济问题，是满足负荷需求的基础。引言:电力系统发展的新动向系统趋于互联：欧洲、美－加、中国。—大规模ac/dc互联电力系统引起新的稳定问题：区域间功率振荡,级联（cascaded,连锁)故障下的系统稳定性。电力市场：潮流多变、系统经常重负荷运行、接近稳定极限。电力电子技术应用：HVDC、FACTS技术（快速、灵活和复杂的控制）其他新技术应用：控制理论、优化方法、计算机、AI技术、通信技术等等—新问题、新技术、新挑战！引言:传统稳定控制存在的问题基于线性控制理论，对系统在某一运行点线性化进行控制设计:不能适应系统的非线性，不能适应运行点的大幅变化。若系统有参数未知或模型有误差，控制器对之适应性差。基于就地信息：缺少全局性的关键的动态信息进行有效控制。控制器的协调差，一般只在典型运行点进行协调设计。多区域互联时，联络线稳定问题突出（区域间同步运行和联络线功率振荡问题）。当出现连锁（级联）故障时，传统稳定控制适应能力恶化。引言:新型电力系统稳定控制的提出非线性、鲁棒、自适应控制的必要性。用WAMS（广域测量）信号作全面协调的优越性：可以证明它对互联系统稳定性、连锁故障适应性特别有效！应用非线性鲁棒自适应控制，并应用WAMS信号，分三个层次解决电力系统稳定控制问题（1）先解决紧密联系的交流系统（如省网）的同步运行稳定（2）再解决互联电力系统（如互联的省网及互联的区域网）的同步运行稳定性，大力推广应用直流输电和FACTS技术。（3）实现全局混成控制：--混成(hybrid)控制：和离散型控制(快关,切机/切负荷)相结合；--全局(global)控制：和中长期(f和V)稳定控制相结合。可以预见，新的方案比传统控制有突出的优点和质的飞跃。非线性自适应控制简介:动态系统的自适应跟踪控制自适应控制分两大类：（1）动态系统的自适应跟踪控制（称为模型参考自适应控制：Modelreferenceadaptivecontrol，MRAC)》Plant:受控物理系统（方程知，但有未知参数）》Referencemodel:参考模型，控制组成部分，使ym-ymin（“跟踪”）》Controller：实现控制使e0》Adaptivelaw：根据e来动态估计未知参数，提供给控制器使用——飞行器控制多属此类。:EstimatedparametersAmodelreferenceadaptivecontrolsystemReferencemodelControllerPlantAdaptationlawmyruyeˆaˆa非线性自适应控制简介:动态系统的自适应稳定控制（2）动态系统自适应稳定控制（称为自调节控制,self-tuningcontrol,STC)》Plant:受控物理系统（方程知，有未知参数）》Controller:实现控制使闭环系统稳定。》Estimator：动态参数辨识---非跟踪问题（无referencemodel)；---电力系统一般认为属此类；---注意：非线性系统Controller及Estimator分不开，且无一般方法作系统辨识，难！ControllerPlantEstimatorruyaˆaˆ:EstimatedparametersAself-tuningcontrolsystem非线性自适应控制简介:自适应控制的发展线性系统的自适应控制：在80年代已成熟。非线性系统的自适应控制：从90年代起发展。»无通用的、一般化的方法，基本上基于李氏稳定性理论。»目前成果均针对特殊形式的非线性系统（电力系统属于此类）。»SISO的自适应控制多，而MIMO的自适应控制难且少。»可和鲁棒控制结合，适应模型与参数的误差：非线性鲁棒自适应控制。非线性自适应控制简介:受控系统方程的特殊形式受控系统非线性方程的特殊形式：--严格三角形：--弱三角形：上式fj(*)中xjxj+1--近似型：未知参数出现形式：控制变量v：为标量或矢量电力系统经坐标变换，化为上述某类非线性系统方程，应用相应成果作自适应控制设计，实现稳定控制。111(,...,,)(1,...,(1))(,)(,...,,)：维状态变量，：控制变量，：未知参数jjjjnnnxxxxjnxxvxxxnvff1(1,...,(1))(,)jjnnxxjnxvxf'()''(,)'：（线性出现）：（非线性出现）TxxffWAMS信号在稳定控制中的应用原理WAMS在电力系统中的应用WAMS=“Wideareameasurements”，广域测量技术；基本组成：基于全球定位系统（GPS）的同步相量测量单元（PMU）和连接PMU的实时通信网络；可提供同一参考时间框架下的系统实时的稳态和动态信息，以用于实时监护，分析和控制。在电力系统中的应用：»基波/谐波状态估计：WAMS可获取节点电压幅值和相角»动态过程记录及分析，进行动态监视；»元件动态模型和参数的辨识和校正；»故障定位和线路参数量测；WAMS信号在稳定控制中的应用原理WAMS在电力系统中的应用（续）在电力系统中的应用（续）：»暂态稳定预测和控制（难！）–判别失稳与否，给于适当的切机/切负荷控制量；–失步解列起动信号；»V和f稳定的监护和控制；»低频振荡分析和抑制（PSS中作输入信号）；»全局反馈控制（克服基于本地量测的反馈控制的不足）。WAMS信号在稳定控制中的应用惯量中心(COI)坐标：新控制方案核心发电机转子角和转速可用WAMS测到。相对负荷而言：测点少，精度高（因为转动惯量大）。定义系统惯性中心（Centerofinertia）等值转子角；为：则有COI速度：（是与的偏差）)(i)(i,(,)iiiCOIiiacciTiiTMMPMMMiiCOIiCOITMddtMi0WAMS信号在稳定控制中的应用系统惯量中心（COI）的特点（１）惯量中心COI的特点：»“滤去”了机组间的相对摇摆，运动轨迹较“光滑”；»反映了全局的（等值中心的）功角和频率趋势；用于作为跟踪对象更利于系统同步稳定。（可以大于或小于50HZ，稳定域增大，而控制能量减小。）),(COICOI00COIiCOIiCOI)(t)(t12212211MMMMCOI双机系统COIWAMS信号在稳定控制中的应用系统惯量中心（COI）的特点（２）多区域互联电力系统：用各区域的COI信号，对联络线上动态元件（HVDC或FACTS）进行控制（或用于PSS控制），可保持区域间的同步稳定性；当系统结构变化，有大电厂/大负荷停运，系统COI相应变化，跟踪系统的COI更为合理，易保证系统同步稳定（控制能量小，允许稳定在非50Hz频率）。提供全局性信号，改善只用本地信号的控制器性能；COI信号在大扰动下较平稳，易良好跟踪。对于暂态稳定和动态稳定（平抑机群间摇摆，阻尼功率振荡）同时有效，因为控制各机使它和COI同调/摆。用于区域间的同步运行稳定性时，对各区域的复杂性和变化不敏感，也减少了对控制器的协调要求。),(COICOICOI坐标的鲁棒自适应励磁控制同步坐标鲁棒自适应励磁控制(1)发电机采用3阶模型（，，），N机系统计及参数和模型误差（）的数学模型为:0001'''2'0,()()1(())iiiimieiiiiiqifiqidididiidiDPPMMEEExxIT'qE(1~)(31)iN模型特点:»机端变量用于控制，“分散控制”（不要求协调）。»考虑模型和参数的误差或摄动，要求实现鲁棒控制；»控制对未知参数（Di,(xdi-x’di))有自适应性；»模型中0为同步转速，如有WAMS信号(COI),稳定控制可更有效、合理（后面介绍）。COI坐标的鲁棒自适应励磁控制同步坐标鲁棒自适应励磁控制(2)对模型作坐标变换，规范化，102003()iiiiiimieiixxxPPM122311322()()iiTiiiiiTiiiiixxxxdtxdtff(1~)(32)iN规范化后模型为：,.其中：:(3-2）的虚拟控制量；0()ifiifEM'-iididiDxx:未知参数11221221,,,iiii12,iidd：有界误差。：已知函数；（3-2）的平衡点为原点；应用“反步法”和适当定义的李雅普诺夫函数导出i的控制规律使（3-2）稳定，则可用它的定义式求出Efd的控制规律。(3-2)稳定等价于(3-1)稳定，从而原系统同步稳定于50Hz。,,.iiiii000COI坐标的鲁棒自适应励磁控制跟踪COI的鲁棒自适应励磁控制采用COI坐标，新状态变量x定义如(1)；(y,y’,y”):COI变量定义如(2)(量测滞后Dt)；系统规范化后方程如(３)。与同步坐标相似，对（３）导出鲁棒自适应励磁控制规律原系统同步稳定于：即：发电机跟踪系统惯量中心(COI)，与之同调(coherent)。100203_3331223()()()(1)()(),()()()(),()()()(),()()()(2)iiririiriimieiiriirCOIrCOIrCOIfiirrrriiiiiixyyxyDxPPyMMytttytttytttdtdttytytytytdtxxxxDDDDD132(3)iiixvD,()(),,.iiCOICOIiCOIiCOI00COI坐标的鲁棒自适应励磁控制计算仿真结果（1）GGGG1102203131011112110120No.1No.2No.3No.4400MW0246810-20020406080100120C1C2C3t/s功角摇摆曲线/度Gen:6thorder,Load:Const-ZConst.Pm,Limitofexc.:0~6puC1:AVR+PSS,C2:NRAC(50Hzstab.)C3:NRAC(COItracking)Fault:t=0.3s,line3-1013-phasefault,t=0.4s,line3-101trip,t=0.45s,line13-101mal-trip.COItracking:thebest!跟踪COI:比控制i在任何故障下必须回到初始运行点(0,i0)更为合理和有效(控制能量小，稳定域大），对TS和SS均有效。１４COI坐标的鲁棒自适应励磁控制计算仿真结果（2）系统传输极限比较(SB=100MW):C1－4.0，C2－4.9，C3－6.2；C3比C1大55%，比C2大27%。--跟踪COI的先进性。机端电压（C1～C3）：稳态：0.95-1.1pu,动态：1.2pu:AcceptableCOI信号滞后对功角振荡的影响（比较Dt对14的影响）：Dt在200ms以内时较理