本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制領(lǐng)域，具體涉及一種考慮多個(gè)廣域傳輸信號(hào)時(shí)滯影響的廣域附加阻尼控制器的設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
：隨著我國社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)的蓬勃發(fā)展，電力工業(yè)正以空前的規(guī)模和速度擴(kuò)大，中國正在逐步形成“西電東送，南北互供”的戰(zhàn)略格局。目前我國的電力發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入跨區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)，全國電網(wǎng)互聯(lián)之后，我國將形成一個(gè)多區(qū)域互聯(lián)的廣域電力系統(tǒng)。然而，跨區(qū)互聯(lián)電網(wǎng)中的低頻振蕩現(xiàn)象日益嚴(yán)重，影響電網(wǎng)安全和跨區(qū)電能調(diào)度，已威脅到電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。傳統(tǒng)的低頻振蕩抑制方法主要采取提供額外阻尼的措施，多采用電力系統(tǒng)穩(wěn)定器等勵(lì)磁控制。然而，采用本地信號(hào)作為反饋輸入的控制器由于受到可控可觀性影響，對區(qū)間振蕩模式的抑制效果十分有限。隨著互聯(lián)電網(wǎng)規(guī)模的進(jìn)一步擴(kuò)大，區(qū)間振蕩模式對電力系統(tǒng)造成的危害隨電網(wǎng)的復(fù)雜度而加深，僅使用本地信號(hào)設(shè)計(jì)控制器很可能無法確保電力系統(tǒng)的穩(wěn)定。在“互聯(lián)網(wǎng)+”的背景下，隨著電力工業(yè)與信息的深度融合與互聯(lián)網(wǎng)電力的不斷發(fā)展，開發(fā)網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化等技術(shù)，利用廣域測量系統(tǒng)中的廣域反饋信號(hào)中的廣域信息實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)的控制，能有效提高互聯(lián)電網(wǎng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，已成為未來電網(wǎng)的發(fā)展趨勢。廣域測量系統(tǒng)的出現(xiàn)為區(qū)域互聯(lián)電力系統(tǒng)的分布式同步測量、穩(wěn)定分析和廣域優(yōu)化協(xié)調(diào)控制創(chuàng)造了可能，但廣域信息在傳輸、交換與處理等環(huán)節(jié)存在明顯的時(shí)滯，這些延時(shí)可能高達(dá)數(shù)百毫秒，如不妥善處理時(shí)滯問題，阻尼控制器的性能可能會(huì)進(jìn)一步惡化，以致?lián)p害電力系統(tǒng)的廣域安全。因此，深入考慮廣域控制的時(shí)滯環(huán)節(jié)，對優(yōu)化控制器性能與提高電力系統(tǒng)的廣域安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重大意義。針對上述問題，國內(nèi)外學(xué)者開展了一系列研究并取得了豐碩成果。戚軍，歐林林，周文委設(shè)計(jì)了一種適用于隨機(jī)時(shí)滯的電力系統(tǒng)廣域pid阻尼控制器(專利號(hào)201510492610.2)，胡志堅(jiān)，張子泳設(shè)計(jì)了基于魯棒控制理論的一種考慮wams信號(hào)實(shí)驗(yàn)的電力系統(tǒng)輸出反饋控制方法(專利號(hào)201310189887.9)，黃柳強(qiáng)，孫華東，易俊等人計(jì)了一種基于自由權(quán)矩陣方法的多facts抗時(shí)滯協(xié)調(diào)控制方法(專利號(hào)201310189887.9)，但三者均未考慮多個(gè)信號(hào)延遲的情況，此外，基于自由權(quán)矩陣的魯棒控制方法需借助智能算法迭代尋找理想控制參數(shù)，步驟復(fù)雜，求解速度較慢。賈宏杰，安海云，余曉丹提出了一種多時(shí)滯電力系統(tǒng)的穩(wěn)定判據(jù)(專利號(hào)：200810151217.7)，但這種方法更側(cè)重時(shí)滯穩(wěn)定域求解，對于如何設(shè)計(jì)使多時(shí)滯電力系統(tǒng)穩(wěn)定的控制器以及對于該控制器的控制效果并未涉及。總體而言，目前針對多時(shí)滯電力系統(tǒng)控制鎮(zhèn)定方面的研究較少，從控制方法上看，時(shí)滯魯棒控制仍然是多時(shí)滯電力系統(tǒng)阻尼控制的主要手段，但求解方法一般較為復(fù)雜，探索多時(shí)滯電力系統(tǒng)魯棒鎮(zhèn)定控制的簡便求解方案具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明針對基于廣域測量系統(tǒng)的多時(shí)滯電力系統(tǒng)低頻振蕩抑制的研究不足以及作為主要控制方法之 一的魯棒控制方法求解參數(shù)步驟復(fù)雜的缺陷，設(shè)計(jì)一種可直接求解控制參數(shù)的多時(shí)滯廣域電力系統(tǒng)阻尼控制器，詳細(xì)地闡述了該控制器的控制結(jié)構(gòu)以及參數(shù)的求取方法。本發(fā)明中的廣域附加阻尼控制器不僅考慮了多個(gè)傳輸信號(hào)延遲的影響，并且克服了傳統(tǒng)魯棒控制方法借助智能算法反復(fù)迭代尋優(yōu)步驟復(fù)雜的缺陷，可直接求解控制參數(shù)，為抑制多時(shí)滯電力系統(tǒng)的低頻振蕩提供一個(gè)新的途徑。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的技術(shù)方案如下：一種基于魯棒控制理論的多時(shí)滯電力系統(tǒng)附加阻尼控制方法，其改進(jìn)之處在于，利用lyapunov-krasovskii泛函理論推導(dǎo)出的多時(shí)滯系統(tǒng)穩(wěn)定判據(jù)，將控制鎮(zhèn)定問題轉(zhuǎn)化為線性矩陣不等式的可行性問題，從而直接求解控制參數(shù)，避免了傳統(tǒng)方法中利用智能算法迭代求解參數(shù)的不便。主要分為以下具體步驟：步驟(1)：將系統(tǒng)在平衡點(diǎn)附近線性化，以獲取電力系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型；步驟(2)：利用可控可觀性，進(jìn)行控制器安裝位置以及輸入信號(hào)的選擇；步驟(3)：求解參數(shù)bi′，其中b1′＝[b10…0]，…，bi′＝[0…0bi0…0]，…，，bq′＝[00…bq]；步驟(4)：判斷時(shí)滯上限是否已知。如已知，則直接進(jìn)入步驟(6)，否則進(jìn)入步驟(5)求解時(shí)滯穩(wěn)定上限；步驟(5)：當(dāng)時(shí)滯上限未知時(shí)，通過假設(shè)時(shí)滯上限并利用電力系統(tǒng)多時(shí)滯穩(wěn)定判據(jù)判斷線性矩陣不等式是否可行的辦法，迭代求取時(shí)滯上限；步驟(6)：利用給定時(shí)滯上限或所求時(shí)滯上限，采用matlab中l(wèi)mitoolbox的feasp求解兩個(gè)線性矩陣不等式，利用求解出的矩陣n和w，利用kc＝nw-1計(jì)算控制矩陣kc；步驟(7)：利用控制矩陣kc計(jì)算求解廣域附加阻尼控制器的增益ki。本文所述步驟(5)中，可具體按以下幾個(gè)分步驟計(jì)算時(shí)滯穩(wěn)定上限：步驟(5-1)：選取一組足夠小的時(shí)滯作為初始值，保證2個(gè)線性矩陣不等式存在可行解，進(jìn)入(5-2)；步驟(5-2)：利用matlablmitoolbox中的feasp方法，判斷l(xiāng)mi是否存在可行解。存在可行解時(shí)轉(zhuǎn)入(5-3)，否則轉(zhuǎn)入(5-4)；步驟(5-3)：存在可行解時(shí)，記錄該解，并使時(shí)滯改為τ1＝τi+10ms，重復(fù)步驟(5-2)；步驟(5-4)：不存在可行解時(shí)，記錄滿足2個(gè)線性不等式的時(shí)滯大小，將其作為時(shí)滯上限，進(jìn)入步驟(6)。本文所述步驟(5)中，采用的多時(shí)滯電力系統(tǒng)穩(wěn)定判據(jù)即為步驟(6)中使用的判據(jù)。本文所述步驟(6)中，多時(shí)滯線性系統(tǒng)表示為如下的形式其中，x(t)為n維狀態(tài)變量，u(t)為q維控制輸入，表示x(t)的初始狀態(tài)，τ1，τ2，…，τn為時(shí)滯常數(shù)，正常數(shù)為時(shí)滯上限，滿足本文所述步驟(6)中，采用的多時(shí)滯電力系統(tǒng)穩(wěn)定判據(jù)為，對于給定的標(biāo)量若存在正標(biāo)量和以及矩陣n和w滿足det(w)≠0，使得如下線性矩陣不等式成立，則這個(gè)多時(shí)滯系統(tǒng)是漸進(jìn)穩(wěn)定的，且使系統(tǒng)穩(wěn)定的控制器參數(shù)表示為kc＝nw-1。其中，線性矩陣不等式為w＞0其中∑12＝[b1nb2n…bqn]θ12＝[awb1n…bqn]t[ii…i]θ14＝diag{wt，nt，…，nt}本發(fā)明所述步驟(7)中，控制矩陣kc計(jì)算求解廣域附加阻尼控制器的增益ki的具體方法為，由kc＝[k1′…ki′…kq′]t找到對應(yīng)的ki′，再由ki＝ki′ci-1求出ki。與現(xiàn)有的技術(shù)方案相比，本發(fā)明的有益效果為：(1)、提供了一種考慮多個(gè)廣域信號(hào)傳輸延遲影響的電力系統(tǒng)阻尼控制設(shè)計(jì)方法，該控制器無論在單個(gè)傳輸延遲下還是多個(gè)傳輸延遲下均擁有良好的控制效果；(2)、本發(fā)明克服了傳統(tǒng)魯棒控制方法借助智能算法反復(fù)迭代尋優(yōu)步驟復(fù)雜的缺陷，可直接求解控制參 數(shù)，簡化了求解步驟。所設(shè)計(jì)的控制器結(jié)構(gòu)簡潔，易于工程實(shí)現(xiàn)；(3)、本發(fā)明中的控制器在給定時(shí)滯上限的范圍內(nèi)均能使電力系統(tǒng)低頻振蕩得到有效抑制，具有很強(qiáng)的適應(yīng)性和魯棒性，為抑制多時(shí)滯電力系統(tǒng)的低頻振蕩提供一個(gè)新的途徑，具有良好的工程應(yīng)用價(jià)值。附圖說明圖1為多時(shí)滯電力系統(tǒng)模型圖2為多時(shí)滯電力系統(tǒng)阻尼控制求解步驟流程圖圖3為2區(qū)域4機(jī)系統(tǒng)圖4為不同通信傳輸延遲下所提控制方法的仿真曲線圖5為大干擾條件下的仿真曲線圖6為給定時(shí)滯下的不同控制方案對比的仿真曲線具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。本發(fā)明針對電力系統(tǒng)在利用遠(yuǎn)方信號(hào)進(jìn)行反饋控制時(shí)信號(hào)存在多個(gè)通信延遲的現(xiàn)象而設(shè)計(jì)一種考慮多時(shí)滯的附加阻尼控制器。此時(shí)，多時(shí)滯電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。采用線性化狀態(tài)空間模型的多時(shí)滯電力系統(tǒng)的狀態(tài)方程為其中，y(t)為可測輸出信號(hào)，yi(t)為時(shí)滯輸出信號(hào)，u(t)為控制信號(hào)，正數(shù)τi為第i條wams傳輸鏈路上的信號(hào)傳輸延遲，i＝1，2，…q，q為傳輸鏈路的個(gè)數(shù)。圖1中，為時(shí)滯環(huán)節(jié)。對于如上的多時(shí)滯線性電力系統(tǒng)，設(shè)計(jì)如下的附加反饋控制器其中，i＝1，…，q，q為控制鏈路的個(gè)數(shù)?？紤]多時(shí)滯的電力系統(tǒng)阻尼控制器的參數(shù)選取步驟如圖2所示，具體如下：步驟(1)：將系統(tǒng)在平衡點(diǎn)附近線性化，以獲取電力系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型；步驟(2)：利用可控可觀性，進(jìn)行控制器安裝位置以及輸入信號(hào)的選擇；步驟(3)：求解參數(shù)bi′，其中b1′＝[b10…0]，…，bi′＝[0…0bi0…0]，…，bq′＝[00…bq]；步驟(4)：判斷時(shí)滯上限是否已知。如已知，則直接進(jìn)入步驟(6)，否則進(jìn)入步驟(5)求解時(shí)滯穩(wěn)定上限；步驟(5)：當(dāng)時(shí)滯上限未知時(shí)，通過假設(shè)時(shí)滯上限并利用電力系統(tǒng)多時(shí)滯穩(wěn)定判據(jù)判斷線性矩陣不等式是否可行的辦法，迭代求取時(shí)滯上限；步驟(6)：利用給定時(shí)滯上限或所求時(shí)滯上限，采用matlab中l(wèi)mitoolbox的feasp求解兩個(gè)線性矩陣不等式，利用求解出的矩陣n和w，利用kc＝nw-1計(jì)算控制矩陣kc；步驟(7)：利用控制矩陣kc計(jì)算求解廣域附加阻尼控制器的增益ki。各步驟中的具體內(nèi)容已在說明書中進(jìn)行了詳細(xì)的說明，這里不再一一具體說明。本發(fā)明的關(guān)鍵在于步驟(7)中阻尼控制器增益ki的導(dǎo)出，下面對該求解方法進(jìn)行詳細(xì)的推導(dǎo)說明。為求取控制器參數(shù)ki，需將電力系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達(dá)式轉(zhuǎn)化為適用于本發(fā)明中判據(jù)中的形式。為此，將圖1中的每條控制鏈路的控制反饋信號(hào)寫為ui(t-τi)＝kiyi(t-τi)＝kicix(t-τi)＝ki′x(t-τi)，并帶入到原電力系統(tǒng)的表達(dá)式，可得再對上式改造，有式中，kc＝[k1′…ki′…kq′]t，b1′＝[b10…0]，…，bi′＝[0…0bi0…0]，…，bq′＝[00…bq]。通過上面的推導(dǎo)，可以將多時(shí)滯電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成鎮(zhèn)定判據(jù)所使用的系統(tǒng)。由此，可通過步驟(7)的方法方便地求解出控制參數(shù)。下面通過仿真實(shí)例對本發(fā)明所設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行驗(yàn)證。為了驗(yàn)證本文提出的考慮多時(shí)滯的電力系統(tǒng)附加阻尼控制器的控制性能，使用4機(jī)2區(qū)域電力系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。如圖3所示的4機(jī)2區(qū)域電力系統(tǒng)，每個(gè)區(qū)域有兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組成，不考慮調(diào)速系統(tǒng)的影響。在運(yùn)行點(diǎn)附近進(jìn)行線性化，其中，同步發(fā)電機(jī)采用3階模型，勵(lì)磁系統(tǒng)采用1階模型，x(t)＝[δδ1，δω1，δe′q1，δeqe1，…，δδ4，δω4，δe′q4，δeqe4]t。對其開環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)分析得到表1，可知該系統(tǒng)有兩個(gè)地區(qū)模式(模式2和模式3)和一個(gè)區(qū)間模式(模式1)。其中，模式1為弱阻尼，分析參與因子可知發(fā)電機(jī)g1和g3為主導(dǎo)機(jī)組。表1低頻振蕩模式分析模式特征值阻尼比參與機(jī)組類型1-0.1000±3.9639i0.02521，2.3，4區(qū)間模式2-1.0101±7.0561i0.14173，4地區(qū)模式3-0.7630±7.2479i0.10471，2地區(qū)模式為提升區(qū)間模式阻尼比，需加入廣域附加阻尼控制器。本發(fā)明廣域附加阻尼器選取發(fā)電機(jī)的角速度作為廣域反饋控制信號(hào)以抑制區(qū)間模式的低頻振蕩，控制器輸出作用在發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)上。仿真實(shí)驗(yàn)一：本發(fā)明所提控制方案在不同時(shí)滯下的仿真驗(yàn)證本發(fā)明提出的考慮多時(shí)滯的廣域附加阻尼控制器記為控制方案1。通過可控可觀性方法進(jìn)行選址和輸入信號(hào)的選擇，最終采用發(fā)電機(jī)g1與g3的角速度差δω13、g2與g4的角速度差δω24作為反饋控制的輸入信號(hào)，分別作用在g1、g2的勵(lì)磁系統(tǒng)上，即u1＝δeqe1，u2＝δeqe2?？紤]兩路傳輸信號(hào)延遲，記為τ13、τ24。待求控制器增益為kc1_1、kc1_2，有控制器增益kc的形式為其中k1＝[0kc1_100]，k2＝[0kc1_200]，kc∈r2×16，k1，k2∈r1×4。由于實(shí)際電力系統(tǒng)的延時(shí)一般不會(huì)超過0.1s。因此首先給定電力系統(tǒng)通信傳輸延遲為τi＝0.1s，計(jì)算此時(shí)控制的參數(shù)。經(jīng)計(jì)算，當(dāng)τ13＝τ24＝0.1s時(shí)，通過matlablmitoolbox的feasp函數(shù)求解，判斷出系統(tǒng)此時(shí)存在可行解，此時(shí)控制方案1中的增益kc1_1＝-2.0894，kc1_2＝-6.8671。所以當(dāng)0＜τ＜0.1s時(shí)，系統(tǒng)均能漸進(jìn)穩(wěn)定。對所求得的反饋控制器進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。小干擾故障設(shè)置為g2的勵(lì)磁電壓在1.1s時(shí)產(chǎn)生5％的階躍擾動(dòng)，并于1.2s時(shí)恢復(fù)正常，此時(shí)電力系統(tǒng)的仿真結(jié)果如圖4所示?？芍到y(tǒng)在不加任何控制時(shí)是穩(wěn)定的，但需要超過15s的時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)，系統(tǒng)存在著區(qū)間模式的低頻振蕩，阻尼很弱。對本發(fā)明所提控制方案在不同時(shí)滯下進(jìn)行仿真驗(yàn)證，系統(tǒng)的仿真結(jié)果如圖5所示。可知，隨著信號(hào)傳輸時(shí)延τ的增大，所得控制器的控制效果逐漸變差。系統(tǒng)在無延遲、當(dāng)τ13＝0.05s，τ24＝0.1s及τ13＝τ24＝0.1s的情況下均能保持穩(wěn)定，且控制效果依次減弱，當(dāng)τ13＝τ24＝0.15s時(shí)系統(tǒng)處于臨界穩(wěn)定的狀態(tài)，當(dāng)τ13＝τ24＝0.2s時(shí)系統(tǒng)已無法保持穩(wěn)定。仿真表明了本文提出的方法可適應(yīng)時(shí)滯上限以內(nèi)的時(shí)間延遲，具有合理性及有效性。仿真實(shí)驗(yàn)二：本發(fā)明所提控制方案在大干擾下的仿真驗(yàn)證為驗(yàn)證本發(fā)明所提的多時(shí)滯附加阻尼控制器在大擾動(dòng)情況下的控制效果，設(shè)置故障為母線7在0.1s時(shí)發(fā)生三相短路故障，經(jīng)0.1s后自動(dòng)重合閘成功。電力系統(tǒng)的仿真曲線如圖5所示。可見，在系統(tǒng)發(fā)生三相短路等大擾動(dòng)的情況下，未加控制器的電力系統(tǒng)持續(xù)低頻振蕩，無法恢復(fù)穩(wěn)定，而加入本發(fā)明所提的多時(shí) 滯附加阻尼控制后，區(qū)間低頻振蕩得到了抑制，系統(tǒng)快速恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，本發(fā)明所提的多時(shí)滯廣域附加阻尼控制器在大干擾情況下仍然具有良好的控制效果。仿真實(shí)驗(yàn)三：本發(fā)明所提控制方案與其他控制方案在給定時(shí)滯下的控制效果對比為證明發(fā)明所提控制方案的有效性，下面采用2種控制方案進(jìn)行對比仿真驗(yàn)證。不考慮多時(shí)滯的廣域附加阻尼控制的控制方案記為控制方案2，其選址與控制器結(jié)構(gòu)與控制方案1一致，參數(shù)通過粒子群算法求出，目標(biāo)函數(shù)設(shè)計(jì)為區(qū)間模式阻尼比最大。待求控制器增益為kc2_1、kc2_2，有考慮單時(shí)滯的廣域附加阻尼控制方案記為控制方案3，采用g1與g3的角速度差δω13作為反饋控制器的輸入，作用在g1的勵(lì)磁系統(tǒng)上。待求控制器增益待求控制器增益為kc3_1，有u1(t-τ1)＝kc3_1δω13(t-τ1)參數(shù)整定方法為本文提出的考慮多時(shí)滯的阻尼控制方案，此時(shí)時(shí)滯為單個(gè)?？刂破髟鲆鎘c的形式為kc＝k′1＝[00k10]k1＝[0kc3_100]kc∈r2×16，k1∈r1×4經(jīng)計(jì)算，對于不考慮時(shí)滯的控制方案2，其控制參數(shù)kc2_1＝-59.6532，kc2_2＝-7.4969。對于考慮τ13＝0.1s單時(shí)滯的控制方案3，其控制參數(shù)kc3_1＝-6.7927。下面對所求得的反饋控制器進(jìn)行對比仿真實(shí)驗(yàn)。小干擾故障設(shè)置與仿真實(shí)驗(yàn)一中相同，電力系統(tǒng)的仿真曲線如圖6所示。可知，系統(tǒng)在不加任何控制時(shí)是穩(wěn)定的，但需要超過15s的時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)，系統(tǒng)存在著區(qū)間模式的低頻振蕩，阻尼很弱。當(dāng)采用廣域控制方案抑制電力系統(tǒng)的區(qū)間低頻振蕩時(shí)，控制方案1和控制方案3都能對系統(tǒng)產(chǎn)生阻尼作用，使使功角和轉(zhuǎn)子角速度在10s內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定，驗(yàn)證了本文所提出方法的具有適應(yīng)性及有效性。而采用考慮多時(shí)滯的阻尼控制方案1后振蕩平息得時(shí)間更短，阻尼效果更強(qiáng)，比僅考慮單時(shí)滯的阻尼控制方案3效果更好。而不考慮時(shí)滯而進(jìn)行控制設(shè)計(jì)的控制方案2無法適應(yīng)信號(hào)存在傳輸時(shí)滯的情況，系統(tǒng)無法穩(wěn)定。最后應(yīng)當(dāng)說明的是：以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本
技術(shù)領(lǐng)域：
的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。當(dāng)前第1頁12