线8的 故障联络线端断开，此时该系统W单回路联络线互联继续运行。在此过程中，受=相接地短 路故障的冲击影响，系统将经历一个暂态过程。未安装阻尼控制器前，由于系统存在阻尼值 很小的低频振荡模式，因此如图5所示，区间联络线8-9的功率出现了幅值很大的振荡；安 装广域时滞PID阻尼控制器后，由图6可见，区间联络线8-9的功率振荡得到了有效抑制， 系统的区间低频振荡阻尼值也由0. 0099提高至0. 0675。
[0073] 表1低频振荡模式分析结果
[0074]
阳075] 表2 PID控制器阻尼效果分析结果
[0076]
【主权项】
1. 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，包括如下步骤： (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； (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； (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； (4) 设计电力系统时滞PID阻尼控制器的结构； (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； (6) 将步骤（5)中的PID参数分布范围离散化，从中选取X组PID参数； (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。2. 如权利要求1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， 其特征在于：所述步骤（1)中，既可以采取电力系统小干扰稳定特征根分析，也可以采取电 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LOHz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。3. 如权利要求1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， 其特征在于：所述步骤（2)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，通过比较这些信号对区间低频振荡 模式的可观性指标，可以选出可观性较好的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（FACTS)装置，根据这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。4. 如权利要求1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， 其特征在于：所述步骤（3)中，既可以采取电力系统线性化数学模型、也可以采取辨识算 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)e TS/D(s)，其中 N(s) =bmsm+bmlsm1+…+t^s+boKs) =sn+anlsn1+…+ap+a。，s 为复 数，m和n分别为多项式N(s)和D(s)的阶数，b。、bp ......、bm为N(s)关于s多项式的系 数，a。、％、……、anlS D(S)关于s多项式的系数；考虑到实际电力系统模型的阶数可能非 常高，可以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)eTS/D(s)。5. 如权利要求1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， 其特征在于：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（P)环节、积分（I)环节、微分（D)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⑵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。6.如权利要求1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， 其特征在于：所述步骤（5)中，针对步骤（3)中获取的电力系统传递函数模型G(S)以及步 骤（4)中设定的广域PMU反馈控制信号的时滞T，按以下几个步骤计算时滞PID阻尼控制 器的参数分布范围（K P，KD，K1)，其中Kp为比例环节系数，K :为积分环节系数，K D为微分环节 系数： (a) 选取足够大的实数1，由其确定实数变量z的分布范围[0, Z)，其中Z为分布范围的 上限；若n是偶数，则令Z = 21 JT，否则令Z = 21 Jr + JT /2 ;令s = jz/ T，z为实数变量，j 为虚数单位；假定Q是曲线f2(z) z-qJzVIiN/W+NAz)]与直线fjz) =Kp在区间（0， Z)内的交点数量，其中 q: (z) = [Dr (z)Nr (z)+Di (Z)Ni (zUcosbWDi (z)Nr (Z)-Dr (Z)Ni (z)] Sin(Z)KzhN1(Z)KzhD1(Z)分别为N(jz/〇和D(jz/〇的实部和虚部；确定K p的 分布范围[KP_，KpniaJ，其中KP_和K P_分别为K P的下限和上限，使Q满足下式：其中，I(N)、r (N)和j (N)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； (b) 将心分布范围[KP_，KP_]等间隔分为F段，间隔点分别为Kro、K P1、KP2、……、KPl、 Kp(i+i)、......、KPF，其中 i - 0、1、2、......、F，Kpo - K Pmin，Kpf - K Pmax； (c) 对于给定的 Kp= K Pi，其中 i = 0、1、2、 ......、F，计算 q(z，Kp)= {1(2)+1^[队2(2)+队 2(2)]}2/^在区间[〇, Z)内不同的实零点，假设共有c个，从小5IJ大依 z〇、Z1、z2、......、Zci jJzLZc -Z ； (d) 对于t = 1、2、......、c，如果N(_jzt/ T ) = 〇,则it= 〇 ;若N(_s)在原点有个零 点，则令 i。= sgnWIipJzU/dzIz =。），其中sgn()为符号函数，P1 (z) =HIiDi(Z)Nr(Z)-Dr(Z) Ni (z)]cos(z) + [Dr (z)Nr (z)+Di (Z)Ni(Z)Hsin(Z)Iz/ T ;否则 it= -1 或 1，具体由下式决定：假设满足上述条件的集合I有h组； (e) 若根据步骤（d)得到的I是唯一的，计算由不等式组[KfAhK+BbJitX)确定 的（KDi，K n)稳定区间的交集5;，其中 A(zt) =zt2/T2，B(zt) =〇、1、2、……、c，且t满足N(jzt/T)乒〇;若I不是唯一的，（KDl，K n)则是步骤（d)中的 h组I所对应的稳定区间的并集S1; (f) 返回步骤（c)，直至所有的Kpi所对应的（KDl，Kn)稳定区间5 1计算完毕。 (g) 得到能够确保系统G(S)稳定的时滞PID参数分布范围（KP，KD，K1)为（K Pl，S1),其 中 i = 0、1、2、......、F〇7. 如权利要求1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， 其特征在于：所述步骤（6)中，在KpKpK 1三维坐标系中，由步骤（5)计算所得时滞PID参 数分布范围（KPl，S1)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。8. 如权利要求1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， 其特征在于：所述步骤（7)中，将步骤（6)中所选的X组PID参数分别加入电力系统，既可 以采取电力系统小干扰稳定特征根分析，也可以采取电力系统动态仿真辨识技术，确定电 力系统的低频振荡模式的特征根、振荡频率和阻尼值；将区间低频振荡模式所对应阻尼值 最大的那组PID参数作为所设计的具有高阻尼值的时滞PID控制器的最终参数。
【专利摘要】电力系统低频振荡广域阻尼控制器设计方法,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以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。本发明不仅适用于广域反馈PMU信号存在时滞的情形、抑制区间低频振荡效果突出，而且所设计的控制器具有简洁的结构、易于工程实现。
【IPC分类】H02J3/24
【公开号】CN105140935
【申请号】CN201510492671
【发明人】戚军, 欧林林, 翁国庆
【申请人】浙江工业大学
【公开日】2015年12月9日
【申请日】2015年8月12日