基于输出预测和LMI方法的电力系统广域阻尼控制研究

摘要

大规模电力系统区域间的低频振荡已成为制约互联系统传输容量的瓶颈和影响安全稳定运行的重要因素。现有的电力系统稳定器(PSS)虽然对抑制功率振荡起到了重要作用，但由于局限于本地信号反馈的约束，不能直接利用相对角速度或相对功角构成闭环，不能很好地抑制互联电网区间低频振荡。广域测量系统(WAMS)的发展，给电力系统的监测、分析和控制提供了新的手段，为互联电网阻尼控制带来了新的契机。
　　 在采用本地信号设计阻尼控制策略中，由于时滞较小，忽略时延的影响是可行的。但是，在地理上广域分布的互联电网，远方信息的采集、处理和传输的时延可达几十甚至数百毫秒，是不能忽略的。信号传输时滞往往会恶化系统性能，降低系统的稳定性，使控制器达不到理想的效果。
　　 本文以现代互联电力系统中，由于阻尼不足产生的区间低频振荡现象为研究对象。重点研究计及时滞的广域附加区间阻尼控制，用现代控制理论的相关方法如基于模型的预测算法与LMI方法，克服广域信号的时滞对闭环系统稳定性的不良影响，丰富和拓展抑制系统区间低频振荡的方法。
　　 主要研究工作和取得的创新性成果如下：
　　 1)提出了基于模型预测的广域附加区间阻尼控制策略，克服无模型预测方法的可靠性差的不足。基于辨识得到的系统降阶状态空间模型，建立状态估计模型，然后以预测误差为校正环节的输入，建立输出预测模型。利用校正环节实时校正预测误差，由滞后输出量预测得到当前时刻的输出量，进而采用针对无时滞系统的控制理论设计反馈控制律。在校正环节中，采用固定参数或动态校正两种方法，其中动态校正根据预测误差，采用比例调节方法，进行误差校正。基于输出预测模型，提出了基于线性二次最优部分输出反馈的广域附加区间阻尼控制策略和基于滑模变结构控制的广域附加区间阻尼控制策略，以验证输出预测方法的有效性。本文的输出预测方法实现了沿系统状态轨迹，基于预测模型，根据预测误差，实时反馈校正的现代预测算法的主要功能。
　　 两区域四机算例系统上的仿真结果表明，输出预测模型能够实现对滞后输出量的预测估计，对不同的控制策略有较强的适应性。基于预测模型的广域阻尼控制器对时滞具有一定的不敏感特性，可以有效地抑制区间振荡模式。相对于仅施加本地PSS，基于预测模型的各种控制策略使系统区间阻尼得到明显增强。在输出预测模型中，相比于采用固定参数校正系数，采用动态校正方法，对抑制区间振荡更为有效。
　　 2)提出了可以直接求解滞后状态反馈矩阵的矩阵不等式定理，克服利用时滞闭环系统的稳定性判据设计广域附加区间阻尼控制策略的试探性本质和计算量大的不足。由两个已知的作为时滞系统稳定性判据的LMI定理，分别推导得到可以直接解出反馈控制律的矩阵不等式定理，对矩阵不等式中的非线性项做线性化处理，转化为LMI形式，进而将滞后状态反馈矩阵的求解转化为隶属于LMI的锥补问题，采用锥补线性化迭代算法进行求解。采用的两个LMI定理中，第二个LMI定理所含未知矩阵变量更少、算法计算量小、更易于收敛。
　　 基于上述求解滞后状态反馈矩阵的锥补算法，提出采用滞后状态观测器的滞后状态反馈广域附加区间阻尼控制策略。考虑广域输出量的时滞，改进并设计了滞后状态观测器，得到滞后状态估计，构建滞后状态反馈，并证明了闭环系统极点分离性的成立。由推导得到的第一个矩阵不等式定理，得到滞后状态反馈矩阵。提出了滞后状态直接反馈的广域附加区间阻尼控制策略。采用滞后状态直接反馈方法，直接推得滞后状态向量，构建滞后状态反馈；由推导得到的第二个矩阵不等式定理，得到滞后状态反馈矩阵。
　　 基于锥补算法的广域阻尼控制策略是实现直接利用滞后的广域信息进行附加区间阻尼控制的一种有效手段。两区域四机算例系统的仿真结果表明：基于锥补线性化迭代算法的广域阻尼控制器对时滞具有一定的不敏感特性，可以有效地抑制区间振荡。相对于仅施加本地PSS，控制器使系统区间阻尼得到明显增强。
　　 3)提出了一种时滞电力系统建模方法，以及广域附加区间阻尼控制的两层控制策略。克服目前在考虑时滞影响的电力系统广域附加区间阻尼控制研究中，通常将电力系统建模为一个无时滞系统，不能直接应用时滞系统控制理论的局限性。第一层控制即内层控制，对无时滞电力系统施加计及时滞的输出反馈控制，形成时滞闭环系统。第二层控制即外层控制，利用时滞系统的控制理论，进行反馈控制。在外层控制中，提出了动态输出反馈的控制策略，将状态反馈和状态观测器的设计统一考虑。依据一种时滞系统的二次型矩阵不等式形式的稳定性判据，采用LMI方法，求解动态输出反馈控制中状态反馈矩阵和观测器增益矩阵。提出了滞后状态直接反馈的控制策略，采用状态直接反馈方法，直接由滞后输出量得到滞后状态向量，进而依据一种时滞系统的二次型矩阵不等式形式的稳定性判据，采用LMI方法，求解得到滞后状态反馈矩阵。
　　 两层控制策略能够直接应用时滞系统控制理论，克服广域信号的时滞对闭环系统稳定性的不良影响，与将电力系统建模为一个无时滞系统，在反馈环节中处理时滞影响的单层控制策略相比，目的性更强、控制手段更直接。
　　 两区域四机系统和10机39节点算例系统的仿真结果表明：基于两层控制策略的广域阻尼控制器对时滞具有一定的不敏感特性，可以有效地抑制区间振荡。相对于仅施加本地PSS，控制器使系统区间阻尼得到明显增强。

目录

文摘

英文文摘

CONTENTS

第1章 绪论

1.1 目的与意义

1.2 电力系统低频振荡机理及抑制方法的研究现状

1.2.1 低频振荡机理

1.2.2 低频振荡抑制方法

1.3 广域测量系统

1.3.1 广域测量系统结构及关键技术

1.3.2 广域测量系统发展及应用现状

1.4 考虑时滞影响的广域阻尼控制

1.4.1 预测方法

1.4.2 LMI方法

1.5 电力系统降阶模型的子空间辨识方法

1.6 本文的主要工作

第二章 基于输出预测的电力系统广域阻尼控制

2.1 引言

2.2 输出预测模型

2.3 基于输出预测的输出反馈广域阻尼控制

2.3.1 线性二次最优部分输出反馈控制律

2.3.2 基于输出预测的线性二次最优部分输出反馈阻尼控制器

2.3.3 仿真算例

2.4 基于输出预测的广域阻尼滑模控制

2.4.1 滑模变结构控制

2.4.2 状态直接反馈

2.4.3 基于输出预测的广域阻尼滑模控制器

2.4.4 仿真算例

2.5 小结

第三章 基于锥补算法的电力系统广域阻尼控制

3.1 引言

3.2 基于锥补算法和滞后状态观测器的广域阻尼控制

3.2.1 矩阵不等式定理

3.2.2 锥补线性化迭代算法

3.2.3 滞后状态观测器设计与分离性证明

3.2.4 基于锥补算法和滞后状态观测器的广域阻尼控制器

3.3 基于锥补算法的状态直接反馈广域阻尼控制

3.3.1 矩阵不等式定理

3.3.2 状态直接反馈

3.3.3 基于锥补算法的状态直接反馈广域阻尼控制器

3.4 仿真算例

3.4.1 两区域四机系统

3.4.210机39节点系统

3.4.3 基于输出预测和锥补算法的控制器时滞裕度比较

3.5 小结

第四章 基于两层控制策略的电力系统广域阻尼控制

4.1 引言

4.2 内层控制策略

4.3 外层控制策略

4.3.1 动态输出反馈原理

4.3.2 基于动态输出反馈的两层广域阻尼控制

4.3.3 基于状态直接反馈的两层广域阻尼控制

4.4 仿真算例

4.4.1 两区域四机系统

4.4.210机39节点系统

4.4.3 基于锥补算法和两层控制的控制器鲁棒性比较

4.4.4 基于输出预测和两层控制的控制器时滞裕度比较

4.5 小结

第五章 结论

5.1 主要工作和结论

5.2 进一步研究工作的展望

附录

A1 子空间辨识算法

A2 新英格10机39节点系统数据

参考文献

致谢

作者在攻读博士学位期间的研究成果

学位论文评阅及答辩情况表