基于輸出預(yù)測(cè)和LMI方法的電力系統(tǒng)廣域阻尼控制研究.pdf

1、大規(guī)模電力系統(tǒng)區(qū)域間的低頻振蕩已成為制約互聯(lián)系統(tǒng)傳輸容量的瓶頸和影響安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素?，F(xiàn)有的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(PSS)雖然對(duì)抑制功率振蕩起到了重要作用，但由于局限于本地信號(hào)反饋的約束，不能直接利用相對(duì)角速度或相對(duì)功角構(gòu)成閉環(huán)，不能很好地抑制互聯(lián)電網(wǎng)區(qū)間低頻振蕩。廣域測(cè)量系統(tǒng)(WAMS)的發(fā)展，給電力系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)、分析和控制提供了新的手段，為互聯(lián)電網(wǎng)阻尼控制帶來(lái)了新的契機(jī)。
　　 在采用本地信號(hào)設(shè)計(jì)阻尼控制策略中，由于時(shí)滯較小，

2、忽略時(shí)延的影響是可行的。但是，在地理上廣域分布的互聯(lián)電網(wǎng)，遠(yuǎn)方信息的采集、處理和傳輸?shù)臅r(shí)延可達(dá)幾十甚至數(shù)百毫秒，是不能忽略的。信號(hào)傳輸時(shí)滯往往會(huì)惡化系統(tǒng)性能，降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使控制器達(dá)不到理想的效果。
　　 本文以現(xiàn)代互聯(lián)電力系統(tǒng)中，由于阻尼不足產(chǎn)生的區(qū)間低頻振蕩現(xiàn)象為研究對(duì)象。重點(diǎn)研究計(jì)及時(shí)滯的廣域附加區(qū)間阻尼控制，用現(xiàn)代控制理論的相關(guān)方法如基于模型的預(yù)測(cè)算法與LMI方法，克服廣域信號(hào)的時(shí)滯對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性的不良影響，豐富和

3、拓展抑制系統(tǒng)區(qū)間低頻振蕩的方法。
　　 主要研究工作和取得的創(chuàng)新性成果如下：
　　 1)提出了基于模型預(yù)測(cè)的廣域附加區(qū)間阻尼控制策略，克服無(wú)模型預(yù)測(cè)方法的可靠性差的不足?；诒孀R(shí)得到的系統(tǒng)降階狀態(tài)空間模型，建立狀態(tài)估計(jì)模型，然后以預(yù)測(cè)誤差為校正環(huán)節(jié)的輸入，建立輸出預(yù)測(cè)模型。利用校正環(huán)節(jié)實(shí)時(shí)校正預(yù)測(cè)誤差，由滯后輸出量預(yù)測(cè)得到當(dāng)前時(shí)刻的輸出量，進(jìn)而采用針對(duì)無(wú)時(shí)滯系統(tǒng)的控制理論設(shè)計(jì)反饋控制律。在校正環(huán)節(jié)中，采用固定參數(shù)或動(dòng)態(tài)校

4、正兩種方法，其中動(dòng)態(tài)校正根據(jù)預(yù)測(cè)誤差，采用比例調(diào)節(jié)方法，進(jìn)行誤差校正?；谳敵鲱A(yù)測(cè)模型，提出了基于線性二次最優(yōu)部分輸出反饋的廣域附加區(qū)間阻尼控制策略和基于滑模變結(jié)構(gòu)控制的廣域附加區(qū)間阻尼控制策略，以驗(yàn)證輸出預(yù)測(cè)方法的有效性。本文的輸出預(yù)測(cè)方法實(shí)現(xiàn)了沿系統(tǒng)狀態(tài)軌跡，基于預(yù)測(cè)模型，根據(jù)預(yù)測(cè)誤差，實(shí)時(shí)反饋校正的現(xiàn)代預(yù)測(cè)算法的主要功能。
　　 兩區(qū)域四機(jī)算例系統(tǒng)上的仿真結(jié)果表明，輸出預(yù)測(cè)模型能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)滯后輸出量的預(yù)測(cè)估計(jì)，對(duì)不同的控制策

5、略有較強(qiáng)的適應(yīng)性?；陬A(yù)測(cè)模型的廣域阻尼控制器對(duì)時(shí)滯具有一定的不敏感特性，可以有效地抑制區(qū)間振蕩模式。相對(duì)于僅施加本地PSS，基于預(yù)測(cè)模型的各種控制策略使系統(tǒng)區(qū)間阻尼得到明顯增強(qiáng)。在輸出預(yù)測(cè)模型中，相比于采用固定參數(shù)校正系數(shù)，采用動(dòng)態(tài)校正方法，對(duì)抑制區(qū)間振蕩更為有效。
　　 2)提出了可以直接求解滯后狀態(tài)反饋矩陣的矩陣不等式定理，克服利用時(shí)滯閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性判據(jù)設(shè)計(jì)廣域附加區(qū)間阻尼控制策略的試探性本質(zhì)和計(jì)算量大的不足。由兩個(gè)已知

6、的作為時(shí)滯系統(tǒng)穩(wěn)定性判據(jù)的LMI定理，分別推導(dǎo)得到可以直接解出反饋控制律的矩陣不等式定理，對(duì)矩陣不等式中的非線性項(xiàng)做線性化處理，轉(zhuǎn)化為L(zhǎng)MI形式，進(jìn)而將滯后狀態(tài)反饋矩陣的求解轉(zhuǎn)化為隸屬于LMI的錐補(bǔ)問(wèn)題，采用錐補(bǔ)線性化迭代算法進(jìn)行求解。采用的兩個(gè)LMI定理中，第二個(gè)LMI定理所含未知矩陣變量更少、算法計(jì)算量小、更易于收斂。
　　 基于上述求解滯后狀態(tài)反饋矩陣的錐補(bǔ)算法，提出采用滯后狀態(tài)觀測(cè)器的滯后狀態(tài)反饋廣域附加區(qū)間阻尼控制策略

7、。考慮廣域輸出量的時(shí)滯，改進(jìn)并設(shè)計(jì)了滯后狀態(tài)觀測(cè)器，得到滯后狀態(tài)估計(jì)，構(gòu)建滯后狀態(tài)反饋，并證明了閉環(huán)系統(tǒng)極點(diǎn)分離性的成立。由推導(dǎo)得到的第一個(gè)矩陣不等式定理，得到滯后狀態(tài)反饋矩陣。提出了滯后狀態(tài)直接反饋的廣域附加區(qū)間阻尼控制策略。采用滯后狀態(tài)直接反饋方法，直接推得滯后狀態(tài)向量，構(gòu)建滯后狀態(tài)反饋；由推導(dǎo)得到的第二個(gè)矩陣不等式定理，得到滯后狀態(tài)反饋矩陣。
　　 基于錐補(bǔ)算法的廣域阻尼控制策略是實(shí)現(xiàn)直接利用滯后的廣域信息進(jìn)行附加區(qū)間阻尼

8、控制的一種有效手段。兩區(qū)域四機(jī)算例系統(tǒng)的仿真結(jié)果表明：基于錐補(bǔ)線性化迭代算法的廣域阻尼控制器對(duì)時(shí)滯具有一定的不敏感特性，可以有效地抑制區(qū)間振蕩。相對(duì)于僅施加本地PSS，控制器使系統(tǒng)區(qū)間阻尼得到明顯增強(qiáng)。
　　 3)提出了一種時(shí)滯電力系統(tǒng)建模方法，以及廣域附加區(qū)間阻尼控制的兩層控制策略。克服目前在考慮時(shí)滯影響的電力系統(tǒng)廣域附加區(qū)間阻尼控制研究中，通常將電力系統(tǒng)建模為一個(gè)無(wú)時(shí)滯系統(tǒng)，不能直接應(yīng)用時(shí)滯系統(tǒng)控制理論的局限性。第一層控制即

9、內(nèi)層控制，對(duì)無(wú)時(shí)滯電力系統(tǒng)施加計(jì)及時(shí)滯的輸出反饋控制，形成時(shí)滯閉環(huán)系統(tǒng)。第二層控制即外層控制，利用時(shí)滯系統(tǒng)的控制理論，進(jìn)行反饋控制。在外層控制中，提出了動(dòng)態(tài)輸出反饋的控制策略，將狀態(tài)反饋和狀態(tài)觀測(cè)器的設(shè)計(jì)統(tǒng)一考慮。依據(jù)一種時(shí)滯系統(tǒng)的二次型矩陣不等式形式的穩(wěn)定性判據(jù)，采用LMI方法，求解動(dòng)態(tài)輸出反饋控制中狀態(tài)反饋矩陣和觀測(cè)器增益矩陣。提出了滯后狀態(tài)直接反饋的控制策略，采用狀態(tài)直接反饋方法，直接由滯后輸出量得到滯后狀態(tài)向量，進(jìn)而依據(jù)一種時(shí)滯

10、系統(tǒng)的二次型矩陣不等式形式的穩(wěn)定性判據(jù)，采用LMI方法，求解得到滯后狀態(tài)反饋矩陣。
　　 兩層控制策略能夠直接應(yīng)用時(shí)滯系統(tǒng)控制理論，克服廣域信號(hào)的時(shí)滯對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性的不良影響，與將電力系統(tǒng)建模為一個(gè)無(wú)時(shí)滯系統(tǒng)，在反饋環(huán)節(jié)中處理時(shí)滯影響的單層控制策略相比，目的性更強(qiáng)、控制手段更直接。
　　 兩區(qū)域四機(jī)系統(tǒng)和10機(jī)39節(jié)點(diǎn)算例系統(tǒng)的仿真結(jié)果表明：基于兩層控制策略的廣域阻尼控制器對(duì)時(shí)滯具有一定的不敏感特性，可以有效地抑制區(qū)間