电力系统附加阻尼控制器的优化配置与设计方法研究

论文摘要

随着电网规模的不断扩大,低频振荡问题已成为电力系统稳定问题的一个重要方面。尤其是区域电网的互联,导致系统的阻尼变得薄弱,低频振荡的风险加大,严重影响了区域间的功率交换和系统的稳定性。阻尼控制是解决低频振荡问题的一种有效方法。目前,电力系统主要采用电力系统稳定器（Power System Stabilizer, PSS）和柔性交流输电系统（Flexible AC Transmission Systems, FACTS）的附加阻尼控制器来抑制低频振荡。因此,如何从控制策略和控制方法上提高控制器的阻尼水平,减少控制器的交互影响,无论在理论方面还是实践方面都具有重要的研究意义。本文研究了附加阻尼控制器的配置问题,在此基础上对电力系统传统附加阻尼控制器进行协调优化设计,最后分别对新型附加励磁控制器和FACTS附加阻尼控制器的设计方法及控制策略进行了深入的研究。控制器之间的不良交互影响会降低控制器的控制效果,因此,从工程角度,附加阻尼控制器的数目应适量,合理选择附加阻尼控制器的安装位置也就成为大区域电网阻尼控制器协调的重要内容。本文利用奇异值分解（Singular Value Decomposition, SVD）的方法结合模型的辨识,解决了阻尼控制器的配置问题。该评价指标不需要系统状态矩阵的QR分解和传递函数留数的计算,通过求解系统输入-输出的传递函数矩阵的最大奇异值及其奇异向量来识别每台发电机对振荡模态的贡献程度,找出附加励磁阻尼控制器的最佳配置点,从而简化了计算过程和运算量,为附加阻尼控制器的协调奠定了基础。算例验证了该方法能快速和有效地配置附加阻尼控制器。为了使传统PSS有效地发挥阻尼作用,本文对多机电力系统PSS协调问题进行了研究。首先将粒子群优化（Particle Swarm Optimization, PSO）算法作为一个变异因子嵌入到细菌觅食优化（Bacterial Forging Optimization, BFO）算法,综合了PSO算法的全局搜索能力强和BFO算法局部搜索能力强的优点,提出了BFO-PSO混合算法。在此基础上,提出了基于PSO-BFO混合算法的电力系统PSS协调优化的新方法,该方法将阻尼控制器参数设计问题归结为带有不等式约束的目标优化问题,通过非线性变换将有约束问题转化为无约束问题,然后采用PSO-BFO混合优化算法求解优化问题设计阻尼控制器参数。为了增强系统的鲁棒性,该方法在目标函数中考虑了多种运行方式。最后通过算例验证了该方法的合理性,有效地抑制了低频振荡。为了使设计的控制系统具有很好的鲁棒性,大范围保证电力系统运行的稳定性,提出了最小熵H∞鲁棒附加励磁控制器的设计方法。首先,将PS/T灵敏度设计方法引入控制器设计,解决了基于Riccati方程法在设计过程中的零极点对消问题。针对加权函数的选取,提出了一种基于BFO-PSO混合算法的最小熵H∞鲁棒附加励磁阻尼控制器设计方法,把多个不同的设计目标转换为不等式约束,将加权函数的选取表示为一个多目标优化问题。为了减小系统的复杂性,增加控制器的实用性,利用Hankel范数最优降阶方法分别对原系统和控制器进行了两次降阶处理,使得控制器阶次相对较低。最后通过算例验证了控制器的有效性。针对区域间的功率振荡,为了有效提高区域间的振荡模态阻尼,本文对FACTS的附加阻尼控制器设计问题进行了研究。首先分析了SVC电压控制和阻尼控制的相互作用,在此基础上建立了SVC附加阻尼控制器设计模型,提出了分数阶附加阻尼控制器设计方案。针对分数阶控制器参数设计问题,引入BFO-PSO算法进行参数求解,提出了阻尼系统模态振荡和稳定节点电压的协调控制目标函数,将控制器设计转化为一个多目标的优化问题。最后,通过仿真验证了分数阶附加阻尼控制器的有效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景及意义
• 1.2 低频振荡问题
• 1.2.1 低频振荡的本质
• 1.2.2 低频振荡的分析方法
• 1.3 电力系统阻尼控制策略研究现状
• 1.3.1 PSS 抑制低频振荡的研究现状
• 1.3.2 FACTS 附加阻尼控制方法的研究现状
• 1.3.3 控制器安装位置研究现状
• 1.4 本文主要研究内容
• 第2章 电力系统附加阻尼控制器配置研究
• 2.1 引言
• 2.2 奇异值分解的数学理论及性质
• 2.3 控制系统输入-输出向量相互影响的SVD 分析方法
• 2.3.1 基于SVD 分解的评价指标
• 2.3.2 最大奇异值与留数法评价指标的关系
• 2.3.3 SVD 法与留数法的比较分析
• 2.4 基于最大SVD 方法的附加阻尼控制器的配置
• 2.4.1 基于最大SVD 的附加阻尼控制器配置分析方法
• 2.4.2 传递函数的辨识
• 2.4.3 4 机2 区域系统附加阻尼控制器的配置
• 2.4.4 New England 系统附加阻尼控制器的配置
• 2.5 本章小结
• 第3章 基于BFO-PSO 混合算法的PSS 参数优化设计
• 3.1 引言
• 3.2 数学模型描述
• 3.2.1 附加阻尼控制器设计的数学模型
• 3.2.2 控制目标的协调
• 3.3 BFO-PSO 算法
• 3.3.1 PSO 算法基本原理
• 3.3.2 BFO 算法理论基础
• 3.3.3 BFO 算法的步骤
• 3.3.4 BFO 算法的整体流程
• 3.3.5 BFO-PSO 算法的流程
• 3.3.6 算法测试
• 3.4 基于BFO-PSO 算法的PSS 参数优化
• 3.4.1 单机无穷大母线系统PSS 参数优化
• 3.4.2 New England 系统PSS 参数优化
• 3.5 本章小结
• 第4章 最小熵鲁棒附加励磁控制器设计
• 4.1 引言
• 4.2 最小熵H∞控制基本原理
• 4.3 最小熵H∞附加励磁控制器设计
• 4.3.1 混合灵敏度优化问题
• 4.3.2 PS/T 混合灵敏度问题
• 4.3.3 基于BFO-PSO 算法的加权函数优化
• 4.3.4 控制器的降阶
• 4.3.5 4 机2 区域系统附加励磁控制器设计
• 4.4 仿真与分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 FACTS 的附加阻尼分数阶控制器优化设计
• 5.1 引言
• 5.2 分数阶微积分的数值算法
• 5.2.1 分数阶微积分理论基础
• 5.2.2 分数阶微积分系统的数学描述
• 5.2.3 分数阶控制器的离散化方法
• 5.3 SVC 附加阻尼控制机理分析
• 5.4 SVC 附加阻尼分数阶控制器优化设计
• 5.4.1 分数阶PID 控制器特性分析
• 5.4.2 SVC 附加阻尼分数阶控制器设计原则
• 5.4.3 基于BFO-PSO 优化的控制器参数设计
• 5.5 仿真与分析
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 致谢
• 个人简历