CN100418284C - 复合型的电力系统稳定器的实现方法 - Google Patents

Abstract

一种复合型的电力系统稳定器的实现方法。复合型的电力系统稳定器是在线性超前滞后电力系统稳定器的基础上添加模糊逻辑控制单元构成，该模糊逻辑控制单元包括相平面比较单元和逻辑推理单元，用以修正线性超前滞后电力系统稳定器的输出信号以改进电力系统稳定器抑制电力系统功率振荡的控制效果。复合型的电力系统稳定器和线性超前滞后电力系统稳定器具有同样的改善系统的小扰动稳定性，阻止系统产生自发功率振荡的特性，同时模糊逻辑控制单元的引入可避免因系统的非线性引起的不适当的阻尼控制，提高了线性超前滞后电力系统稳定器的阻尼控制鲁棒性。复合型的电力系统稳定器只需在线性超前滞后电力系统稳定器上增加模糊逻辑控制单元完成，实现简单经济，对线性超前滞后电力系统稳定器部分的参数整定可沿用已有的成功方法，和线性超前滞后电力系统稳定器技术有承上启下的关系。

Description

复合型的电力系统稳定器的实现方法

【技术领域】：

本发明涉及一种复合型的电力系统稳定器的结构及实现方法。

【背景技术】：

电力系统稳定器是励磁控制系统的一个附加控制器，用于改善电力系统小信号稳定性及提高电力系统抑制低频功率振荡的能力，它以与系统功率振荡有关的信号(如发电机有功输出功率、转速或频率)作为输入，产生的输出信号反馈到励磁调节器中，电力系统稳定器的使用可以避免电力系统小扰动诱发的功率振荡，同时具有阻尼大扰动后电力系统功率振荡的功能，是提高电力系统动态稳定性的重要控制器件之一。

电力系统发电机广泛采用的励磁控制系统及线性超前滞后电力系统稳定器如图6所示，图中上面方框部分表示励磁控制系统，下面方框部分为线性超前滞后电力系统稳定器，其中参数：

K_a、T_a是励磁控制系统的增益系数和时间常数；

K_S是线性超前滞后电力系统稳定器的增益系数；

T_w是线性超前滞后电力系统稳定器隔直流环节的时间常数；

T₁、T₂、T₃和T₄是线性超前滞后电力系统稳定器的超前滞后环节的时间常数；图中其它符号的含义为：

E_fd是励磁控制系统的输出信号，为发电机励磁绕组的电动势；

V_t是励磁控制系统的输入信号，为发电机机端电压；

V_ref是励磁控制系统的参考电压；

Δω是线性超前滞后电力系统稳定器的输入信号，为发电机角速度偏差信号；

V_S是线性超前滞后电力系统稳定器的输出信号，亦为励磁控制系统的附加输入信号。

为使线性超前滞后电力系统稳定器起到理想的控制作用，线性超前滞后电力系统稳定器的参数要根据电力系统的运行情况进行整定。励磁控制系统和电力系统稳定器的连接方式及线性超前滞后电力系统稳定器的工作原理可用图6说明。

线性超前滞后电力系统稳定器的参数整定(或称作参数设计)大多基于电力系统某一运行方式下的线性化模型进行，其参数经整定后一般固定不变。这种固定参数的线性超前滞后电力系统稳定器一般难以在多种不同的电力系统运行方式下(包括因季节不同水力发电变化或发电机检修引起的系统潮流分布变化，或因电网维修引起的电网结构较大变化)同时达到理想的稳定控制效果；另一方面，基于线性化小扰动稳定理论设计的线性超前滞后电力系统稳定器不能很好地适应电力系统大扰动后的非线性特征，难以对具有多种振荡模式的功率振荡取得理想的阻尼控制效果。

为克服上述线性超前滞后电力系统稳定器的缺点，国内外电力工业界研究了基于非线性控制原理的电力系统稳定器和人工智能控制电力系统稳定器。但由于电力系统属于超大规模非线性系统，同时具有离散及连续动态的混杂性和系统负荷类型的不确定性，上述电力系统稳定器的研究成果大多未获得真正意义上的推广应用。其中和本发明相关的一类基于模糊逻辑人工智能方法的电力系统稳定器近十年来获得了较大的关注。基于模糊逻辑控制的电力系统稳定器的结构由图7描述，图中上面方框部分表示励磁控制系统，下面方框部分为模糊逻辑控制电力系统稳定器，其中符号A/D和D/A分别表示模拟信号至数字信号和数字信号至模拟信号的转换器，其它励磁控制系统的参数、输入输出信号及模糊逻辑电力系统稳定器的输入输出信号的含义和图6所示相同，模糊逻辑控制电力系统稳定器具有自适应性及控制鲁棒性强的特点，所以能够有效地阻尼系统大扰动后的功率振荡。模糊逻辑控制电力系统稳定器的缺点是不能改善系统的小扰动稳定性以防止系统小扰动诱发的功率振荡，上述缺点影响了它的推广应用。

【发明内容】：

本发明的目的是在保留线性超前滞后电力系统稳定器控制功能的前提下，解决以下技术问题：克服线性超前滞后电力系统稳定器难以适应系统大扰动后的非线性特征的缺点，对含有多种振荡模式的功率振荡提供理想的阻尼控制；提高线性超前滞后电力系统稳定器的控制鲁棒性，使其具有自适应控制的特点；提供一种复合型的电力系统稳定器的实现方法。

本发明提供的复合型的电力系统稳定器的实现方法，是在励磁控制系统与线性超前滞后电力系统稳定器之间插入一个模糊逻辑控制单元构成，其结构如图1所示，图中虚线方框部分为上述模糊逻辑控制单元。该模糊逻辑控制单元包括相平面比较单元和逻辑推理单元；

相平面比较单元的输入包括离散化的发电机角速度偏差信号Δω及离散化的发电机功角偏差信号Δδ；

以输入信号Δω和Δδ分别为纵坐标和横坐标的平面称作相平面，相平面以纵坐标为界分成左半平面和右半平面；φ为复合型的电力系统稳定器需要整定的一个待定参数，取值范围在0到10度之间；则纵坐标轴连同通过坐标原点且与横坐标轴正方向夹角为45度和φ度的直线将相平面分作A、B、C、D、E、F六个区域；其中纵坐标轴的正半轴与通过坐标原点且与横坐标轴正方向夹角为φ的直线间位于左半平面部分为区域A，纵坐标轴的负半轴与通过坐标原点且与横坐标轴正方向夹角为φ的直线间位于右半平面部分为区域D；纵坐标轴的负半轴与通过坐标原点且与横坐标轴正方向夹角为45度的直线间位于左半平面部分为区域E，纵坐标轴的正半轴与通过坐标原点且与横坐标轴正方向夹角为45度的直线间位于右半平面部分为区域B；通过坐标原点且与横坐标轴正方向夹角为45度和φ度的两条直线间位于第四象限部分为区域F，位于第一象限部分为区域C；

同一采样时刻下的一对离散信号Δω和Δδ对应相平面上的一个相点，相点的位置可以用直角坐标形式的复数Δδ+jΔω或极坐标形式的复数d∠β表示，极坐标形式的复数确定了当前发电机转子在摇摆中的状态，其中d表示相点至相平面原点的距离；β用以确定相点位于相平面上六个区域中的哪一个区域；

相平面比较单元输出的离散信号为d和β，每一采样时刻相平面比较单元的一对离散输入信号Δω和Δδ对应于同一采样时刻的一对离散输出信号d和β；

逻辑推理单元的输入信号包括相平面比较单元的离散输出信号d，β和线性超前滞后电力系统稳定器输出的离散电压信号V_S；逻辑推理单元的输出信号为离散化的比例控制系数K_M；同一采样时刻下的比例控制系数K_M与线性超前滞后电力系统稳定器输出的离散电压信号V_S相乘得到复合型的电力系统稳定器输出信号V′_S。

发电机角速度偏差信号Δω及发电机功角偏差信号Δδ通过如下方法获得：

采集发电机输出电磁功率信号P_e；

P_e的负值除以发电机转子转动惯量再乘以发电机的极对数后所得的信号通过隔直流滤波器和积分器I后，即发电机转子角速度偏差信号Δω；

发电机角速度偏差信号Δω通过积分器I和隔直流滤波器后得到发电机功角偏差信号Δδ。

对应图1相平面中A、B、C、D、E、F六个区域的发电机阻尼模糊逻辑控制规则如下：

发电机阻尼模糊逻辑控制规则要求在区域A控制器对发电机实施强减速控制；在区域B和区域F对发电机实施弱减速控制；在区域D控制器实施强加速控制；在区域C和区域E实施弱加速控制；

实施减速控制的方法是提高发电机的电动势，即令复合型的电力系统稳定器输出信号V′_S大于零；实施加速控制的方法是减小发电机的电动势，即令复合型的电力系统稳定器输出信号V′_S小于零。

每一采样时刻相平面中的相点与相平面原点的距离d和离散输出信号β的计算方法如下：d等于发电机角速度偏差信号Δω与发电机功角偏差信号Δδ的平方和的平方根；β等于发电机功角偏差信号Δδ除以发电机角速度偏差信号Δω后的反正切函数值。

模糊逻辑推理单元产生比例控制系数K_M的逻辑描述如下：

ε为复合型的电力系统稳定器的一个参数，ε＝π/36；

若相点距相平面原点的距离d小于ε，无论相点位于哪一区，取K_M＝1。说明：d小于ε，表明当时发电机摇摆的程度非常小；K_M＝1等价于忽略模糊逻辑控制单元的作用。

若相点距相平面原点的距离d大于等于ε，当相点位于A区且V_S小于零或相点位于D区且V_S大于零时，取K_M＝-1。说明：d大于等于ε，表明当时发电机摇摆的程度已经比较大，此时相点位于A区且V_S小于零相当于在应实施强减速控制的情况下实施的是加速控制，而相点位于D区且V_S大于零相当于在应实施强加速控制的情况下实施的是减速控制，上述两种情况控制信号V_S的符号都不符合发电机阻尼模糊逻辑控制规则；取K_M＝-1相当于采取反向措施来修正线性超前滞后电力系统稳定器的输出信号V_S；

若相点距相平面原点的距离d大于等于ε，当相点位于B区或F区且V_S小于零，或相点位于C区或E区且V_S大于零时，取K_M＝0。说明：d大于等于ε情况，表明当时发电机摇摆的程度已经比较大，此时相点位于B区或F区，且有V_S小于零相当于在应实施弱减速控制的情况下实施的是加速控制，而相点位于C区或E区，且有V_S大于零相当于在应实施弱加速控制的情况下实施的是减速控制，上述两种情况控制信号V_S的符号都不符合发电机阻尼模糊逻辑控制规则；取K_M＝0相当于采取屏蔽措施阻止线性超前滞后电力系统稳定器的输出信号V_S至励磁控制系统的电压比较环节；

若相点距相平面原点的距离d大于等于ε，当相点位于A区、B区或F区且VS大于零，或相点位于D区、C区或E区且V_S小于零时，取K_M＝1。说明：d大于等于ε情况，表明当时发电机摇摆的程度已经比较大，此时相点位于A区、B区或F区，且有V_S大于零相当于在应实施减速控制的情况下实施的是减速控制，而相点位于D区、C区或E区，且V_S小于零相当于在应实施加速控制的情况下实施的是加速控制，，上述两种情况控制信号V_S的符号都符合发电机阻尼模糊逻辑控制规则；取K_M＝1相当于允许线性超前滞后电力系统稳定器的输出信号V_S至励磁控制系统的电压比较环节。

如图1所示，比较电压信号V_out通过下述公式确定：

V_out＝V_ref-V_t+V′_S

其中：V_ref是励磁控制系统参考电压；V_t是发电机机端电压；V′_S是复合型的电力系统稳定器的输出信号。

【附图说明】：

图1是本发明励磁控制系统及复合型的电力系统稳定器结构示意图；

图2用32位微处理器(DSP)实现复合型的电力系统稳定器示意图；

图3是复合型的电力系统稳定器在进行仿真计算时所用的IEEE四机系统；

图4是IEEE四机系统中4号发电机安装线性超前滞后电力系统稳定器后的仿真曲线；

图5是IEEE四机系统中4号发电机安装复合型的电力系统稳定器后的仿真曲线，其中线性超前滞后电力系统稳定器部分的参数和图4使用的相同；

图6是励磁控制系统及线性超前滞后电力系统稳定器的结构示意图；

图7是励磁控制系统及模糊逻辑电力系统稳定器的结构图示意图。

【具体实施方式】：

实施例1：

本发明提供的复合型的电力系统稳定器的实现方法，是在励磁控制系统与线性超前滞后电力系统稳定器之间插入模糊逻辑控制单元构成，其结构如图1所示，图中虚线方框部分为模糊逻辑控制单元。该模糊逻辑控制单元包括相平面比较单元和逻辑推理单元。

相平面比较单元的输入信号包括离散化的发电机角速度偏差信号Δω及离散化的发电机功角偏差信号Δδ。

φ为复合型的电力系统稳定器需要整定的一个待定参数，取值范围在0到10度之间，在以输入信号Δω为纵坐标和Δδ为横坐标的相平面上，纵坐标轴连同通过坐标原点与横坐标轴夹角为45度和φ度的直线将相平面分作A、B、C、D、E、F六个区域，如图1所示。

同一采样时刻下的一对离散信号Δω和Δδ对应相平面上的一个相点，相点的位置可以用直角坐标形式的复数Δδ+jΔω或极坐标形式的复数d∠β来表示，极坐标形式的复数确定了当前发电机转子在摇摆中的状态，其中d表示相点至相平面原点的距离；β用以确定相点位于上述相平面上六个区域的哪一个区域；

如图1所示，相平面比较单元输出的离散信号为d和β，每一采样时刻相平面比较单元的一对离散输入信号Δω和Δδ对应同一采样时刻的一对离散输出信号d和β；

如图1所示，逻辑推理单元的输入信号包括相平面比较单元输出的离散信号d，β和线性超前滞后电力系统稳定器输出的离散电压信号V_S；逻辑推理单元输出信号为离散化的比例控制系数K_M，同一采样时刻下的比例控制系数K_M与超前滞后电力系统稳定器输出信号V_S相乘得到复合型的电力系统稳定器输出信号V′_S；

上述发电机角速度偏差Δω及功角的偏差Δδ信号通过如下方法获得：

采集发电机输出电磁功率信号P_e；

P_e的负值除以发电机转子转动惯量再乘以发电机的极对数后所得的信号通过隔直流滤波器和积分器I后，即发电机转子角速度偏差信号Δω；

发电机角速度偏差信号Δω通过积分器I和隔直流滤波器后得到发电机功角偏差信号Δδ。

对应图1相平面中A、B、C、D、E、F六个区域，模糊逻辑推理单元产生比例控制系数K_M的逻辑描述如下：

ε为复合型的电力系统稳定器的一个参数，ε＝π/36，V_S为线性超前滞后电力系统稳定器输出的离散电压信号，d为相平面比较单元输出的离散信号；

若d＜ε，无论相点位于哪一区域，取K_M＝1；

若d≥ε，当V_S＜0且相点位于A区，或V_S＞0且相点位于D区时，取K_M＝-1；

若d≥ε，当V_S＜0且相点位于B区或F区，或V_S＞0且相点位于C区或E区时，取K_M＝0；

若d≥ε，V_S＞0且相点位于A区、B区或F区或V_S＜0且相点位于D区、C区或E区时，取K_M＝1；

于是如图1所示，修正后电力系统稳定器的输出电压为：

V′_S＝K_M×V_S

为了说明相平面比较单元及逻辑推理单元的输出V′_S的过程，结合图3所示的IEEE四机系统上的部分仿真结果说明。仿真条件为：四台发电机均采用带快速励磁控制的双轴模型；仅4号发电机装有线性超前滞后电力系统稳定器；仿真采用的扰动为母线7上发生三相短路，0.1s后消失。

t(s)	Δω(rad/s)	Δδ(rad)	Vs	V′s	d	β(rad)	区域	K<sub>M</sub>
									0.82	-0.0951796	0.0451665	-0.0045788	-0.0045788	0.10535	5.1555	D	1
1.18	-0.499274	-0.0666015	-0.0654014	-0.0654014	0.5037	4.5798	E	1
									1.72	-0.252351	-0.28773	-0.0833237	0	0.38271	3.8616	F	0
1.9	-0.0351084	-0.295648	-0.0590005	-0.0590005	0.29773	3.2598	A	1
									2	0.0769799	-0.283825	-0.0412324	0.0412324	0.29408	2.8767	A	-1
2.8	0.487616	0.0799075	0.0715122	0.0715122	0.49412	1.4084	B	1
									3.12	0.116763	0.167752	0.0408009	0	0.20439	0.60807	C	0
3.22	-0.0126651	0.167217	0.0239494	-0.0239494	0.1677	6.2076	D	-1

表1IEEE四机系统仿真中一个摇摆周期内的8个时间点的相平面比较单元及逻辑推理单元的输入与输出数据

表1列写了IEEE四机系统的4号发电机在一个摇摆周期内的8个时间点的数据。第一列为数据采集时间；第二列和第三列为对应时刻的Δω和Δδ；第四列是对应时刻线性超前滞后电力系统稳定器输出的信号V_S；第五列是对应时刻本发明复合型的电力系统稳定器输出的信号V′_S；第六列和第七列为相平面比较单元输出的信号d和β；第八列是根据β确定的相点所在的区域；第九列是模糊逻辑推理单元产生的比例控制系数K_M；

实施例2：

本发明的复合型的电力系统稳定器可采用32位微处理器及数字信号处理器(DSP)实现，如图2所示。而图1中所示复合型的电力系统稳定器的组件，例如隔直流滤波器、积分器、超前滞后及增益放大等常规环节的实现已属于成熟的技术，皆可通过C语言编程在DSP上进行浮点计算实现；

为表明复合型的电力系统稳定器的阻尼控制效果，上述复合型的电力系统稳定器在图3所示的IEEE四机系统上进行了仿真计算。仿真条件为：四台发电机均采用带快速励磁控制的双轴模型；仅4号发电机装有线性超前滞后电力系统稳定器或复合型的电力系统稳定器；仿真采用的扰动为母线7发生三相短路，0.1s后消失，扰动后图3所示IEEE四机系统区域I和区域II间的联络线功率振荡为典型的区域振荡模式；图4所示曲线为4号发电机装有线性超前滞后电力系统稳定器的仿真结果，其中曲线V_S(单位为标幺值)为附加阻尼控制信号曲线，曲线Δω(单位为rad/s)为4号发电机角速度增量曲线，曲线δ₄₁(单位为弧度)为4号发电机相对1号发电机的功角摇摆曲线，横坐标为时间轴，符号cycle的单位为0.02秒；图5所示曲线为4号发电机装有复合型的电力系统稳定器的仿真结果，其中曲线V′_S(单位为标幺值)为附加阻尼控制信号曲线；曲线Δω，δ₄₁和横坐标符号cycle的含义与图4所示曲线相同。

由图4可见，扰动发生后线性超前滞后电力系统稳定器对发电机区域振荡模式呈现较弱的阻尼，发电机功角摇摆经历了近20秒才平息下来。同时在图4和图5切出了一个窗口对比模糊逻辑控制单元对V_S的修正，对比结果表明采用复合型的电力系统稳定器后发电机功角摇摆经历了8秒就完全平息下来，显然复合型的电力系统稳定器对发电机转子间摇摆的阻尼控制效果大大加强了。

Claims (5)

1. 一种复合型的电力系统稳定器实现方法，其特征是该复合型的电力系统稳定器是在励磁控制系统与线性超前滞后电力系统稳定器之间插入模糊逻辑控制单元构成；该模糊逻辑控制单元包括相平面比较单元和逻辑推理单元；

相平面比较单元的输入信号包括离散化的发电机角速度偏差信号Δω及离散化的发电机功角偏差信号Δδ；

以输入信号Δω和Δδ分别为纵坐标和横坐标的平面称作相平面，相平面以纵坐标为界分成左半平面和右半平面；φ为复合型的电力系统稳定器需要整定的一个待定参数，取值范围在0到10度之间；则纵坐标轴连同通过坐标原点且与横坐标轴正方向夹角为45度和φ度的直线将相平面分作A、B、C、D、E、F六个区域；其中纵坐标轴的正半轴与通过坐标原点且与横坐标轴正方向夹角为φ的直线间位于左半平面部分为区域A，纵坐标轴的负半轴与通过坐标原点且与横坐标轴正方向夹角为φ的直线间位于右半平面部分为区域D；纵坐标轴的负半轴与通过坐标原点且与横坐标轴正方向夹角为45度的直线间位于左半平面部分为区域E，纵坐标轴的正半轴与通过坐标原点且与横坐标轴正方向夹角为45度的直线间位于右半平面部分为区域B；通过坐标原点且与横坐标轴正方向夹角为45度和φ度的两条直线间位于第四象限部分为区域F，位于第一象限部分为区域C；

同一采样时刻下的一对离散信号Δω和Δδ对应相平面上的一个相点，相点的位置可以用直角坐标形式的复数Δδ+jΔω或极坐标形式的复数d∠β表示，极坐标形式的复数确定了当前发电机转子在摇摆中的状态，其中d表示相点至相平面原点的距离；β用以确定相点位于相平面上六个区域中的哪一个区域；

相平面比较单元输出的离散信号为d和β，每一采样时刻相平面比较单元的一对离散输入信号Δω和Δδ对应于同一采样时刻的一对离散输出信号d和β；

逻辑推理单元的输入信号包括相平面比较单元的离散输出信号d，β和线性超前滞后电力系统稳定器输出的离散电压信号V_S；逻辑推理单元的输出信号为离散化的比例控制系数K_M；同一采样时刻下的比例控制系数K_M与线性超前滞后电力系统稳定器输出的离散电压信号VS相乘得到复合型的电力系统稳定器输出信号V′_S。

2. 根据权利要求1所述复合型的电力系统稳定器的实现方法，其特征是发电机角速度偏差信号Δω及发电机功角偏差信号Δδ通过如下方法获得：

采集发电机输出电磁功率信号P_e；

P_e的负值除以发电机转子转动惯量再乘以发电机的极对数后所得的信号通过隔直流滤波器和积分器I后，即发电机转子角速度偏差信号Δω；

发电机角速度偏差信号Δω通过积分器I和隔直流滤波器后得到发电机功角偏差信号Δδ。

3. 根据权利要求1所述复合型的电力系统稳定器的实现方法，其特征是相平面中A、B、C、D、E、F六个区域的发电机阻尼模糊逻辑控制规则如下：

发电机阻尼模糊逻辑控制规则要求在区域A控制器对发电机实施强减速控制；在区域B和区域F对发电机实施弱减速控制；在区域D对发电机实施强加速控制；在区域C和区域E对发电机实施弱加速控制；

实施减速控制的方法是提高发电机的电动势，即令复合型的电力系统稳定器输出信号V′_S大于零；实施加速控制的方法是减小发电机的电动势，即令复合型的电力系统稳定器输出信号V′_S小于零。

4. 根据权利要求1所述复合型的电力系统稳定器的实现方法，其特征是每一采样时刻相平面中的相点与相平面原点的距离d和离散输出信号β的计算方法如下：d等于发电机角速度偏差信号Δω与发电机功角偏差信号Δδ的平方和的平方根；β等于发电机功角偏差信号Δδ除以发电机角速度偏差信号Δω后的反正切函数值。

5. 根据权利要求1所述复合型的电力系统稳定器的实现方法，其特征是逻辑推理单元产生比例控制系数K_M的逻辑描述如下：

ε为复合型的电力系统稳定器的一个参数，ε＝π/36；

若相点与相平面原点的距离d小于ε，则无论相点位于哪一区，取K_M＝1；

若相点与相平面原点的距离d大于等于ε，则：

当相点位于A区且Vs＜0或相点位于D区且有Vs＞0时，取K_M＝-1；

当相点位于B区或F区且Vs＜0，或相点位于C区或E区且Vs＞0时，取K_M＝0；

当相点位于A区、B区或F区且Vs＞0，或相点位于C区、D区或E区且Vs＜0时，取K_M＝1。

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