基于模糊模型的电力系统广域网络化控制分析与设计

摘要

近些年，随着电网的互联使得电力系统的规模不断扩大，虽然增加了电力系统的容量，实现了能源的合理调配，但是也导致了低频振荡的发生。持续的低频振荡给系统的稳定性带来了挑战，而在低频振荡中，区间模式低频振荡影响的范围更广，更难以消除。广域测量系统(Wide-area Measurement System，WAMS)采集远方与低频振荡相关的信息，并通过WAMS的通信网络传输至控制器，以此设计的广域阻尼控制器（Wide-area Damping Controller，WADC）可以有效地抑制低频振荡。信息在网络中进行传输时不可避免地存在时延、丢包等通信约束，在此背景下，将网络控制系统(Networked Control System，NCS)的方法与电力系统广域控制结合，具有一定的研究价值和实际意义。为此，本文做了以下工作:
　　(1)介绍了基于WAMS的电力系统广域控制的背景和意义。描述了WAMS的硬件架构，分析了WAMS中通信时延的组成，并总结了电力系统广域控制中对WAMS的时延的一般处理方法;此外，还分析了网络控制系统在电力系统广域控制中的研究现状。
　　(2)考虑WAMS中存在固定和随机时延的情况，设计了基于Mamdani模糊模型的具有时延补偿的模糊逻辑广域阻尼控制器(Fuzzy Logic Wide-area DampingController with Delay Compensation，FLWADC-DC)。首先，在不考虑时延的情况下，详细分析了模糊逻辑广域阻尼控制器(FLWADC)的设计和简化过程;其次，为了应对网络中存在的时延，将通信时延作为FLWADC的输入，重新设计了FLWADC-DC;最后，使用MATLAB/SimPowerSystem和近似网络环境的TrueTime工具箱，以4机2区域测试系统为实例，对所设计的FLWADC-DC进行了数值验证。
　　(3)研究了电力系统Takagi-Sugeno(T-S)模糊建模的方法，以单机无穷大系统作为实际对象，研究了T-S模糊建模的方法。在建立T-S模糊模型的过程中，首先借助直接反馈线性化的思想，将动态方程中的非线性项转换到含有控制量的一个非线性项中，然后借助T-S模糊建模的方法来等价动态微分方程中的线性无关函数，从而完成单机无穷大系统的T-S模糊建模。
　　(4)考虑WAMS的通信网络中存在随机时延和丢包，以及系统运行过程中存在环境噪声的情况，设计了基于T-S模糊模型的T-S模糊控制器。首先，将存在环境噪声的电力系统的连续时间T-S模糊模型进行离散化，考虑网络中存在数据丢包的情况，将系统建模为异步动态系统;然后，运用李雅普诺夫稳定性定理与鲁棒H∞控制理论，给出系统鲁棒指数稳定的充分条件，并利用线性矩阵不等式(Linear Matrix Inequality，LMI)的方法求解控制器参数，用并行分布补偿(ParallelDistributed Compensation，PDC)的方法对这些控制器参数进行加权求和得到总的T-S模糊反馈控制器;最后，使用MATLAB/SimPowerSystem和近似网络环境的TrueTime工具箱，以单机无穷大电力系统为实例，对提出的算法进行了数值验证。最后，对本文的研究进行了总结归纳，并对需要进一步研究的工作给出了建议。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景和选题意义

1．2 广域测量系统概述

1．2．1 WAMS的硬件架构

1．2．2 WAMS的时延和时延的一般处理方法

1．3 网络控制系统在电力系统中应用的研究现状

1．4 本文的主要内容和章节安排

1．5 本章小结

2 与本文相关的基础理论概述

2．1 模糊控制理论

2．1．1 Mamdani模糊模型概述

2．1．2 T-S模糊模型描述

2．2 并行分布补偿(PDC)方法

2．3 线性矩阵不等式方法

2．3．1 LMI的定义

2．3．2 LMI的三类标准问题

2．4 鲁棒稳定性理论

2．5 本章小结

3 带时延补偿的电力系统模糊广域控制的分析和设计

3．1 引言

3．2 模糊逻辑广域阻尼控制器的分析和设计

3．2．1 模糊化

3．2．2 推理机和模糊规则

3．2．3 解模糊

3．3 具有时延补偿的模糊逻辑广域阻尼控制器的分析和设计

3．3．1 WAMS中的网络传输时延

3．3．2 模糊分割的调整

3．3．3 时延补偿的原理

3．4 以4机2区域测试系统为实例的数值验证

3．4．1 仿真工具箱及仿真模型

3．4．2 FLWADC的仿真

3．4．3 固定和随机时延条件下FLWADC—DC的仿真

3．4．4 FLWADC-DC与传统的WADC的对比

3．5 本章小结

4 单机无穷大电力系统的T-S模糊建模

4．1 引言

4．2 单机无穷大电力系统的连续时间状态方程的建立

4．3 单机无穷大电力系统的T-S模糊等效模型

4．4 本章小结

5 基于T-S模糊模型的电力系统广域控制的分析和设计

5．1 引言

5．2 电力系统中WAMS的相关描述

5．3 存在时延、丢包和环境噪声的系统的T-S模糊建模

5．3．1 被控对象的T-S模糊模型

5．3．2 控制器的T-S模糊模型

5．3．3 闭环系统的T-S模糊描述

5．4 系统的稳定性分析与控制器的参数确定

5．5 以单机无穷大电力系统为实例的数值验证

5．5．1 仿真参数及仿真模型

5．5．2 仿真条件及仿真结果

5．6 本章小结

6 结论与进一步工作

6．1 本文结论

6．2 对后续研究工作的建议

参考文献

附录

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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