一种电力系统稳定器参数的整定方法与流程

本发明涉及一种电力系统稳定器参数的整定方法，属于电力系统稳定控制技术领域。

背景技术：

电力系统属于复杂非线性系统，已经成为国家基础设施中不可或缺的一部分。长距离输电过程中，由于扰动的作用，原本的电力系统发电机转子之间产生相对摇晃，产生了负阻尼作用。系统整个阻尼情况变得很差，一般比较小或者为负阻尼状态。若是系统长期工作在这种负阻尼模态，则会出现低频功率振荡。电力系统控制主要通过阻尼控制器进行抑制系统的低频振荡，以此来提高小扰动带来的不稳定性。电力系统稳定器是电力系统中最常用、使用广泛的抑制低频振荡的措施。传统的电力系统稳定器增加阻尼不足，现有技术中整定电力系统稳定器参数的方法无法确保参数的有效性，进而使得对电力系统稳定器抑制低频振荡效果的评价结果不准确。

技术实现要素：

本发明针对以上不足，提出了一种电力系统稳定器参数的整定方法，对电力系统稳定器的参数采用智能优化算法进行优化求解。

本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：

一种电力系统稳定器参数的整定方法，包括以下步骤：

步骤1：选择单机无穷大电力系统建立的数学模型为分析基础，取同步发电机的三阶模型，即以发电机暂态电动势E_q′、角速度ω、转子功角δ为状态变量，同时考虑励磁反馈电压E_fd为状态变量建立四阶状态空间系统模型；

步骤:2：运用差分算法将步骤1中的四阶状态空间系统处理为典型小扰动的四阶单机无穷大电力系统模型，具体形式为：

其中，Δω为发电机转速的增量变化，Δδ为发电机功角的增量变化，ΔE'_q为发电机暂态电动势的增量变化，ΔE_fd为励磁反馈电压的增量变化，D为阻尼系数；M为发电机转子惯性时间常数；ω₀为发电机同步转速；T_e为时间常数；K_e为放大倍数；T_d'₀为d轴开路暂态时间常数；其中K₁-K₆的表达式如下：

其余参数的含义如下：V_t为机端电压，U_tq0为q轴初始电压，U_td0为d轴初始电压，E_q0为q轴初始电动势；p_e为有功功率；X_e为折算的电抗，I_q0为q轴初始电流；U_c为初始电压；X_d是同步发电机d轴的电抗；δ₀为初始功角，E_q为q轴电动势，E'_q为电动机暂态电动势，U_t0是初始电压，X_L为联络线电抗；X_G是发电机的电抗；H_j是发电机转子惯性时间常数；X_q是同步发电机q轴的电抗；X'_d是同步发电机d轴的暂态电抗；X″_q是发电机q轴电抗；X″_d是发电机d轴电抗；T_d'是d轴暂态时间常数；T_d'是q轴暂态时间常数；计算上式中出现的参数；

步骤3：设计电力系统稳定器，电力系统稳定器以相位补偿法为中心的方式，分别设计了电力系统稳定器的超前环节、复位环节和放大环节，并和步骤2中的四阶单机无穷大电力系统结合；

步骤4：运用粒子群优化算法进行电力系统稳定器参数优化。

步骤3所述电力系统稳定器，其具体形式为：

其中：s为拉氏变换复变量；并采用优化K、T₁、T₂三个重要参数，其三个参数的取值范围限定为

其中：K为要设定的参数为增益；T₁为时间常数；T₂为时间常数；a₁为k的上限；a₂为时间常数的T₁上限；a₃为时间常数的T₂上限；b₁为k的下限；b₂为时间常数的T₁下限；b₃为时间常数的T₂下限，且a₁、a₂、a₃和b₁、b₂、b₃是选取的标量。

所述K的取值范围为0.1-10，所述T₁的取值范围为0.1-1，所述T₂的取值范围为0.1-1。

本发明的有益效果如下：

1、本发明以相位补偿为中心，分别设计了超前环节、复位环节和放大环节，有效增加了系统阻尼。

2、本发明利用粒子群算法对稳定器参数进行优化，同时采用惯性权重线性变化的方式增加算法收敛性和快速性。

3、本方法有效抑制了系统低频振荡，并同时克服了稳定器参数无法确保有效性的缺陷。

附图说明

图1是本发明实施的一种电力系统稳定器参数优化方法的流程图。

图2是本发明实施过程含电力系统稳定器的电力系统传递函数模型无干扰时角速度ω的仿真结果。

图3是本发明实施过程含电力系统稳定器的电力系统传递函数模型仿无干扰时功角δ的仿真结果。

图4是本发明实施过程含电力系统稳定器的电力系统传递函数模型在10s加入干扰时角速度ω的仿真结果。

图5是本发明实施过程含电力系统稳定器的电力系统传递函数模型在10s加入干扰时功角δ的仿真结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明创造做进一步详细说明。

以单机无穷大系统建立的数学模型为分析基础，取同步发电机的三阶模型，即：发电机暂态电动势E'_q、角速度ω、转子功角δ为状态变量；励磁系统视为简单比例惯性环节：即考虑励磁反馈电压E_fd为状态变量。则整个电力系统环节可以视作一个四阶模型，在小扰动情况下，可以线性化得出整个系统的线性化方程式如下：

式中：Δω为发电机转速的增量变化，Δδ为发电机功角的增量变化，ΔE'_q为发电机暂态电动势的增量变化，ΔE_fd为励磁反馈电压的增量变化，D为阻尼系数；M为发电机转子惯性时间常数；ω₀为发电机同步转速；T_e为时间常数；K_e为放大倍数；T′_d0为d轴开路暂态时间常数。其中K₁-K₆的表达式如下：

其余参数的含义如下：V_t为机端电压，U_tq0为q轴初始电压，U_td0为d轴初始电压，E_q0为q轴初始电动势；p_e为有功功率；X_e为折算的电抗，I_q0为q轴初始电流；U_c为初始电压；X_d是同步发电机d轴的电抗；δ₀为初始功角，E_q为q轴电动势，E'_q为电动机暂态电动势，U_t0是初始电压，X_L为联络线电抗；X_G是发电机的电抗；H_j是发电机转子惯性时间常数；X_q是同步发电机q轴的电抗；X'_d是同步发电机d轴的暂态电抗；X″_q是发电机q轴电抗)(次暂态)；X″_d是发电机d轴电抗(次暂态)；T_d'是d轴暂态时间常数；T_d'是q轴暂态时间常数；在上述系统中，根据前边所述电力系统稳定器参数中，要设定的参数为增益k，时间常数T₁和时间常数T₂，如图1中算法流程所示：本发明设计了电力系统稳定器，其具体形式为：

其中：s为拉氏变换复变量；并采用优化K、T₁、T₂三个重要参数，其三个参数的取值范围限定为

其中：K为要设定的参数为增益；T₁为时间常数；T₂为时间常数；a₁为k的上限；a₂为时间常数的T₁上限；a₃为时间常数的T₂上限；b₁为k的下限；b₂为时间常数的T₁下限；b₃为时间常数的T₂下限，且a₁、a₂、a₃和b₁、b₂、b₃是选取的标量。优化后三个参数的值就存于上述三个值所组成的三维空间内。选取优化函数为ITAE(Integral of Time-weighted Absolute value of the Error)指标，即：时间乘以误差的绝对值再积分。这种优化指标可以控制系统的偏差趋于零。公式如下描述：

其中：J_ITAE为优化指标；t为时间；e(t)为误差；t_f为积分上限；选定好优化目标函数，并用解空间来限制搜索范围，再根据粒子群优化算法的思想。

本发明采用MATLAB/Simulink软件进行仿真，并用M语言实现粒子群优化算法的整个过程。此外，电力系统的四阶模型采用Simulink的模型来进行仿真，选定的优化指标ITAE也在Simulink中实现。为方便程序运行，粒子群优化算法和模型文件之间的交互调用必然会省事不少。图2和图3是本发明实施过程含电力系统稳定器的电力系统传递函数模型无干扰时角速度ω和功角δ的变化情况，从图中可以看出，经优化后的电力系统稳定器，系统表现出快速收敛性，性能极佳。

图4和图5是本发明实施过程含电力系统稳定器的电力系统传递在10s的时候加入干扰后角速度ω和功角δ的变化情况，从图中可以看出，系统表现出极强的适应性，抗干扰能力强，收敛速度快。