具有高阻尼值的电力系统广域时滞pid阻尼控制器设计方法
【技术领域】：
[0001] 本发明设及电力系统低频振荡广域阻尼控制器设计方法，属于电力系统稳定控制
技术领域。
【背景技术】：
[0002] 随着大区电网的互联，电力系统的规模不断扩大，低频振荡问题也日益严重。如何 确保大区电网特高压互联下的电力系统具有较高的阻尼系数，成为现代电力系统安全稳定 运行亟待解决的控制难题。
[0003] 由于大区电网互联后，发生的低频振荡可能同时设及多个区域电网，分布面非常 广，影响也很大。传统的采用本地信号作为反馈信号的电力系统稳定控制器（PSS)，受控制 信号的可观性限制，在抑制区间低频振荡方面效果非常有限。基于GI^授时技术的相量测 量单元（PMU)，使电力系统运行状态的同步测量不再是个难题，目前基于PMU的电力系统广 域测量系统（WAM巧也正在成形与完善中。利用PMU同步相量数据进行广域电力系统低频 振荡阻尼控制，较传统的基于本地信号的PSS控制具有显著的优势，在大量文献中已有明 确的结论。但是，PMU同步相量的广域远距离传输也带来了控制信号时滞问题，若不妥善处 理时滞影响，阻尼控制器不仅不能起到抑制低频振荡的作用，反而可能进一步恶化电力系 统的稳定性。
[0004] 在过去的几十年里，PID控制器在工业控制中得到了广泛应用，工业过程控制中 95%W上的控制回路都具有PID结构，并且许多高级控制都是WPID控制为基础的，电力系 统亦不例外。PID控制器结构和算法简单，应用广泛，但参数整定方法复杂，若要考虑时滞的 影响，PID控制器的参数整定将难上加难。
【发明内容】
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[0005] 本发明针对广域电力系统在区域电网互联过程中出现的低频振荡问题，提出了具 有高阻尼值的广域时滞PID阻尼控制器的设计方法，包括：确定电力系统低频振荡模式，选 取反应区间低频振荡特性的反馈控制信号W及合适的阻尼控制执行器，建立广域电力系统 的传递函数数学模型，设计适用于时滞PMU信号反馈控制的电力系统PID控制器，计算能够 确保电力系统稳定的可能的PID参数分布范围，选取使电力系统具有高阻尼值的PID参数。
[0006] 本发明所述的具有高阻尼值的电力系统广域时滞PID阻尼控制器设计方法的技 术方案的实施步骤如下：
[0007] (1)确定电力系统低频振荡模式，包括特征根、振荡频率、阻尼值、参与机组，从中 筛选出区间低频振荡模式；
[0008] (2)针对区间低频振荡模式，分析同步PMU信号对该模式的可观性，从中筛选出区 间低频振荡的广域反馈控制信号；分析电力系统现有的调控装置，从中选取对该模式具有 较高可控性的调控装置作为阻尼控制的执行器；
[0009] (3)确定电力系统从步骤（2)中所选定的阻尼调控装置输入端至广域反馈控制信 号的局部线性化传递函数模型；
[0010] (4)设计电力系统时滞PID阻尼控制器的结构；
[0011] (5)根据广域反馈控制信号的时滞和电力系统传递函数模型，计算能够确保电力 系统稳定运行的PID参数分布范围；
[0012] (6)将步骤巧）中的PID参数分布范围离散化，从中选取X组PID参数；
[0013] (7)将步骤（6)中的PID参数分别加入电力系统中，计算与之对应的区间低频振荡 阻尼值，从中选取阻尼值最大的那组参数作为时滞PID阻尼控制器的参数。
[0014] 进一步，所述步骤（1)中，既可W采取电力系统小干扰稳定特征根分析，也可W采 取电力系统动态仿真或者测量数据辨识技术，确定电力系统的低频振荡模式的特征根、振 荡频率、阻尼值和参与机组，其中振荡频率低于1.0化且功率振荡参与机组分布在多个区 域电网中的振荡模式就是区间低频振荡模式。
[0015] 进一步，所述步骤似中，可选的广域反馈信号来自各厂站、线路上布置的PMU装 置，常见的有发电机功角和转速信号、联络线有功功率信号，通过比较运些信号对区间低频 振荡模式的可观性指标，可W选出可观性较好的PMU信号作为反馈控制信号Y;可选的低 频振荡稳定调控装置有发电机励磁装置、高压直流（HVDC)控制装置、静态无功补偿（SVC) 装置等柔性交流输电（FACT巧装置，根据运些装置附加控制输入对该振荡模式的可控性指 标，选取可控性较好的调控装置作为低频振荡阻尼控制的执行器，执行器的输入信号为U; 反馈信号至阻尼控制执行器的时滞设定为T。
[0016] 进一步，所述步骤（3)中，既可W采取电力系统线性化数学模型、也可W采取辨识 算法确定从阻尼调控装置输入信号U至广域反馈控制信号Y的线性化传递函数模型G(S) =N(S)G"/D(S),其中N(S) =bmSm+bmismi+…+biS+b〇;D(S) =8。+曰。片1+…+aiS+a。;考虑 到实际电力系统模型的阶数可能非常高，可W进一步采取降阶措施，使降阶后的传递函数 模型包含主要的低频振荡模式，传递函数模型的形式同降阶前G(S) =N(s)e"/D(S)。
[0017] 进一步，所述步骤（4)中，所设计的电力系统广域时滞PID阻尼控制器主要包括： 广域测量信号预处理模块、比例（巧环节、积分（I)环节、微分值）环节、输出限幅环节；其 中电力系统WAMS中的PMU信号输入到该时滞PID阻尼控制器的测量信号预处理模块，剔除 错误的数据和时滞过大的数据，并将其与稳态值进行比较，对不同时滞的PMU信号重新进 行排队、根据设定的时滞等待后送入PID环节，PID环节输出的阻尼控制信号经过限幅环节 后送入步骤（2)中所选定的低频振荡调控装置，作为附加控制信号参与电力系统的稳定控 制。 阳〇1引进一步，所述步骤巧）中，针对步骤（3)中获取的电力系统传递函数模型G(S)W及步骤（4)中设定的广域PMU反馈控制信号的时滞T，按W下几个步骤计算时滞PID阻尼 控制器的参数分布范围（Kp，Kd,Ki):
[0019](曰）选取足够大的1，右n是偶数,则令Z = 21 31 ,否则令Z = 213i+jt/2 ;令S = jz/T，Z 为实数；假定 Q 是曲线 f2(z) =-qi(z)/[Nf2(z)+Ni2(z)]与直线 fi(z) = Kp在区 间（0, 口 内的交点数量，其中 Qi(Z) = IiDr(Z)Nr(z)+Di(z)Ni(z)]cos(z)-Q)i (Z)Nf (Z)-Df (Z) Ni(z)]sin(z)，Nf(z)、Ni(z)、Dr(z)、Di(z)分别为 N(jz/T)和D(jz/T)的实部和虚部；确 定Kp的分布范围怔Pmm,KpmJ，使Q满足下式：
[0020] 若m+n是偶数 若m是偶数，n是奇数 若m是奇数，n是偶数
[002U其中，1㈱、r㈱和j(脚分别为N(S)在S左半平面、右半平面和正虚轴上的零点 数量；
[00巧 （b)将Kp分布范围怔pmln，KpmJ等间隔分为F段，间隔点分别为Kp。、Kpl、Kp2、……、 Kpi、Kp(W)'......、KpF，其中i= 0、1、2、......、F，Kpo=KPmin,KpF=KPmax; 阳02；3] (C)对于给定的Kp=KPi,其中i= 0、1、2、......、F，计算q(z，Kp)= {qi(z)+Kp[Nr2(z)+Ni2(z)]}z/i在区间[0,幻内不同的实零点，从小至IJ大依次为Z0、Zi、 Z2、......、Zc1，且Zc=Z;
[0024] (d)对于t= 1、2、……、c，如果N(-jZt/T) = 0,则it=0诺N(-s)在原点有个零 点，则令1。=8即((1[口1仁)]/化|,=。），其中8即〇为符号函数，口1仁）=-{化仁化仁)-〇,^) Ni(Z)]COS(Z)+ 1? (Z)NjXz)+Di(Z)Ni(Z)]sin(Z) }z/T;否则 it= -1 或 1，具体由下式决定： 阳0巧] … f如+打+I-R(W)-T(W)] 若打是偶数 YI~I Uz+ra+Z-WAO-r'OV)] 若n是奇数
[0026] 其中
[0027] 123456 _片〇 :ii, '一 ,，Ic) 若m是奇数心。ii,若饥是偶数
叢微是壽缴 若m是偶数 2 假设满足上述条件的集合I有h组； 3 (e)若根据步骤（d)得到的I是唯一的，计算由不等式组[Ki-A(Zt)KD+B(Zt)]it〉0 确定的（Kdi，Ku)稳定区间的交集Si,其中A(Zt) =Zt^/T2,B(Zt) =Pi(Zt) / [N/ (Zt) +Ni2 (Zt)]， t= 0、1、2、......、c，且t满足N(jZt/T)声0 ;若I不是唯一的，（Kpi，Kii)则是步骤（d)中 的h组I所对应的稳定区间的并集Si; 4 讯返回步骤（C)，直至所有的Kpi所对应的化Di,K")稳定区间Si计算完毕。 5 阳03引 （g)得到能够确保系统G(S)稳定的时滞PID参数分布范围也，Kd,Ki)为也1，Si)， 其中i = 0、1、2、……、F。 6 进一步，所述步骤（6)中，在町、而、1(云维坐标系中，由步骤（5)计算所得时滞口10 参数分布范围（Kpi，Si)形成一个立体空间，在该立体空间中等间隔或者随机选取X组PID 参数。
[0034] 进一步，所述步骤（7)中，将步骤化）中所选的X组PID参数分别加入电力系统， 既可W采取电力系统小干扰稳定特征根分析，也可W采取电力系统动态仿真辨识技术，确