基于灰預(yù)測設(shè)計電力系統(tǒng)穩(wěn)定器畢業(yè)論文

基于灰預(yù)測設(shè)計電力系統(tǒng)穩(wěn)定器 目 錄 第一章緒論 1.1 研究背景與動機 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1.3 研究方法與目的 1.4 論文主攻方向 第二章混合整數(shù)蟻行混合差分進化法 2.1 前言 2.2 模態(tài)展開理論 2.3 特征結(jié)構(gòu)指定法 2.4 特征結(jié)構(gòu)指定法于電力系統(tǒng)穩(wěn)定器設(shè)計之應(yīng)用 2.5 本 章小結(jié) 第三章適用于電力系統(tǒng)的最佳降階理論 3.1 前言 3.2 最佳降階理論 3.3 最佳降階法于電力系統(tǒng)穩(wěn)定器設(shè)計之應(yīng)用 3.4 本章小結(jié) 第四章 次特征結(jié)構(gòu)指定灰色預(yù)測穩(wěn)定器之設(shè)計 4.1 前言 4.2 次特征結(jié)構(gòu)指定法 4.3 灰色預(yù)測 4.4 模糊預(yù)測步距設(shè)計 4.5 本章小結(jié) 第五章結(jié)論及未來研究方向 5.1 結(jié)論 5.2 未來研究方向 參考文獻(xiàn) 致謝 第一章 1.1研究背景與動機 由于工業(yè)發(fā)展與人口增加，用電需求量大增，為提供良好供電質(zhì)量與提高系統(tǒng)穩(wěn)定度，各電力系統(tǒng)間遂發(fā)展為互聯(lián)電力系統(tǒng)(Interconnected power system)，傳輸距離增長，許多電力系統(tǒng)動態(tài)問題也因而產(chǎn)生，其中以影響動態(tài)穩(wěn)定度之低頻振蕩 (Low-frequency oscillations)最為典型。低頻振蕩是發(fā)電機轉(zhuǎn)軸與電力網(wǎng) 絡(luò)間互動的動態(tài)行為，稱為機電模態(tài) (Electromechanical mode)，當(dāng)發(fā)電廠遠(yuǎn)離負(fù)載中心時系統(tǒng)負(fù)載變動或故障發(fā)生就會容易引發(fā)自發(fā)性低頻振蕩1- 3，頻率約在 0.1Hz2Hz 間；若系統(tǒng)有適當(dāng)阻尼，則振蕩在一段時間后會消失，但若系統(tǒng)阻尼不足，則造成振蕩時間增長甚至在負(fù)阻尼系統(tǒng)中會使振幅增大，導(dǎo)致系統(tǒng)的穩(wěn)定性大幅降低，輕者導(dǎo)致跳線跳機，重則造成系統(tǒng)崩潰解聯(lián)。 1964 年美國太平洋岸 Northwest power pool 與 Southwest power pool 兩系統(tǒng)首次試聯(lián)時產(chǎn)生低 頻振蕩現(xiàn)象 4，當(dāng)時兩系統(tǒng)間之聯(lián)絡(luò)線出現(xiàn)約 0.1Hz 之低頻擺動，在解聯(lián)后兩系統(tǒng)仍有低頻振蕩發(fā)生。臺電于 1984 年首次發(fā)生低頻振蕩現(xiàn)象 5， 1990 年至 1992 年間亦發(fā)生 3 次低頻振蕩，頻率約在 12Hz 間。 電力系統(tǒng)穩(wěn)定度主要分為動態(tài)穩(wěn)定度 (Dynamic stability)與瞬時穩(wěn)定度 (Transient stability)6, 7。研究系統(tǒng)受到小干擾或自發(fā)性振蕩時之行為稱為動態(tài)穩(wěn)定度分析，如負(fù)載變動所引發(fā)之低頻振蕩，此時系統(tǒng)動態(tài)特性可利用線性微分方程式或小訊號線性化系統(tǒng)來描述。 當(dāng)電力系統(tǒng)機電模態(tài)阻尼不足，遇負(fù)載變動或故障干擾時容易引發(fā)低頻振蕩，欲改善系統(tǒng)阻尼可利用外加的輔助控制器，傳送回授信號到發(fā)電機激磁系統(tǒng)的電壓調(diào)整器 (Voltage regulator)輸入端，即所謂的輔助激磁控制器 (Supplementary excitation controller)，一般稱為電力系統(tǒng)穩(wěn)定器 (Power System Stabilizer, PSS)8-14，裝設(shè)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器被認(rèn)為是改善系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定度經(jīng)濟有效的方法。 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 電力系統(tǒng)穩(wěn)定器被 廣泛用來抑制低頻振蕩， Demello和 Concordia 是最先在頻域上做分析的學(xué)者 15， Byerly 提出修正 16，他們利用相位領(lǐng)先 -落 后 補 償 器 ， 補 償 電壓 調(diào) 整 器 至 發(fā) 電 機 的 相 位 落 后 ， 提 供 正 阻 尼 抑 制 低 頻 振蕩，此領(lǐng)先 -落后補償器設(shè) 計簡單、便宜但 相關(guān)參數(shù)選取困難。 Yu、 Siggers 和 Moussa 提出利用線性最佳控制理論 解 回 授 增 益 之 最 佳 電 力 系 統(tǒng) 穩(wěn) 定 器 17-19，他們利用所 有 狀 態(tài) 變 量 回 授 ， 將 系 統(tǒng) 所 需 之 二 次 式 性 能 指 針(Quadratic performance index)最小化，以求出回授增益將狀態(tài) 變量響應(yīng)最佳化。但因其利用所有狀態(tài)變量回授，部分狀態(tài)無法量測，必須裝設(shè)估測器，增加硬件成本，并降低系統(tǒng)的可靠度。 Hsu 提出次佳控制法 20，在多機系統(tǒng)中利用整體增益方式完成分離式設(shè)計，再利用單機輸出回授求解二次式性能指針最小化，以求出回授增益。但因輸出回授只影響部分特征結(jié)構(gòu)，若未限定輸出變量之物理特性，將無法使機電模態(tài)特征值達(dá)到所欲改善之效果，甚至產(chǎn)生不穩(wěn)定之特征值。 多位學(xué)者提出自調(diào)式 (Self-tuning)穩(wěn)定器 21-25，利用調(diào)適 律 (Adaptive law)來調(diào)整控制增 益，雖可在不同負(fù)載下 自行調(diào)整增益以提供良好的阻尼作用，但在應(yīng)用時須實時取得輸入與輸出信號做系統(tǒng)鑒別，須有快速運算之設(shè)備才可發(fā)揮控制功效?；瑒幽Ｊ娇刂?(Sliding Mode Control, SMC) 又 稱 可 變 結(jié) 構(gòu) 控 制 (Variable Structure System, VSS)，于 1950 年代由前蘇聯(lián)學(xué)者提出，由于系統(tǒng)響應(yīng)快速瞬時特性佳，亦被使用于電力系統(tǒng)穩(wěn)定度控制26-29，但滑動模式中之切換向量選取不易，影響實際應(yīng)用。 Feliach 提出最佳降階理論 30, 31，在保留輸出變量及系統(tǒng)物理特性下將系統(tǒng)模型降階，再利 用降階后之系統(tǒng)簡化模型設(shè)計穩(wěn)定器，如此可使用輸出回授主控系統(tǒng)主極點變化，而對其他非主極點的影響降至最低簡化系統(tǒng)設(shè)計，但因未采用分離式設(shè)計，在多機互聯(lián)時，控制較為復(fù)雜。 Srinath 提出特征結(jié)構(gòu)指法 32， Andery 提出補充 33，其 主 要 概 念 是 利 用 輸 出 回 授 增 益 使 系 統(tǒng) 產(chǎn) 生 指 定 之 特 征結(jié)構(gòu)，滿足設(shè)計者要求。但因輸出變量無法保證能主控系統(tǒng)特性，因此可能產(chǎn)生額外不理想之特征值，使特征結(jié)構(gòu)指定失去意義。 1.3 研究方法與目的 本文之研究方法如下： 分析特征結(jié)構(gòu)的意義，并研究特征結(jié)構(gòu)指定理論于電力系統(tǒng)中之應(yīng)用 。 研究最佳降階理論，探討輸出變量主控系統(tǒng)主極點之可行性。 研究經(jīng)由最佳降階理論限制輸出變量特性，推導(dǎo)出不會產(chǎn)生額外不良特征值之次特征結(jié)構(gòu)指定法。 研究灰色理論預(yù)測性，并探討其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。 推導(dǎo)輸出回授最佳化分離設(shè)計理論，使多機系統(tǒng)在利用輸出回授建立整體增益后，能達(dá)成采單機回授控制之分離式設(shè)計目的。 研 究 次 特 征 結(jié) 構(gòu) 指 定 法 應(yīng) 用 于 滑 動 模 式 切 換 向 量選取之可行性。 應(yīng) 用 前 六 項 之 結(jié) 論 設(shè) 計 次 特 征 結(jié) 構(gòu) 指 定 灰 色 預(yù) 測穩(wěn) 定 器 與 分 離 式 滑 動 模 式 灰 色 預(yù) 測 穩(wěn) 定 器 兩 種 灰 預(yù) 測 穩(wěn)定器，并利用多機系統(tǒng)探討其動態(tài)穩(wěn)定 度。 研究目的如下 研究次特征結(jié)構(gòu)指定法，利用最佳降階理論使輸出變 量 具 備 掌 控 系 統(tǒng) 主 極 點 能 力 ， 可 有 效 指 定 所 需 特 征 結(jié)構(gòu)，又可避免產(chǎn)生不良之特征值。 將灰色理論導(dǎo)入電力系統(tǒng)穩(wěn)定器設(shè)計中，應(yīng)用灰色預(yù)測器預(yù)估系統(tǒng)狀態(tài)，抵消因取樣、信號傳送、計算等造成之時間延遲，提高穩(wěn)定器控制信號準(zhǔn)確度。 應(yīng)用模糊理論調(diào)整預(yù)測步距，使預(yù)測器在不同狀態(tài)下可得到適當(dāng)?shù)念A(yù)測步距，提高預(yù)測之準(zhǔn)確度，使整體控制性能更加完善。 1.4 論文主攻方向 分析各種穩(wěn)定器設(shè)計的主要缺點為：狀態(tài)回授若只考慮主極點位置，未顧及特征向量， 則無法滿足大型電廠內(nèi)各機組間振蕩模態(tài)協(xié)調(diào)與設(shè)定的要求 ；若未使用輸出回授，就必須設(shè)置狀態(tài)估測器，將提高設(shè)備成本并降低系統(tǒng)可靠度 ；使用輸出回授時若輸出變量無法主控系統(tǒng)特性，容易產(chǎn)生額外不理想主極點，影響系統(tǒng)響應(yīng) ；傳統(tǒng)特征結(jié)構(gòu)指定法雖可完全指定系統(tǒng)所需特征結(jié)構(gòu)，卻可能產(chǎn)生主控系統(tǒng)之振蕩模態(tài)，使原指定之特征結(jié)構(gòu)失去意義 ；若無有效實用之設(shè)計法則選取滑動模式之切換增益，則會影響滑動模式在電力系統(tǒng)中之實用性 ；區(qū)域互聯(lián)系統(tǒng)各發(fā)電廠間互動關(guān)系復(fù)雜，若未使用分離式設(shè)計，則會增加設(shè)計難度并降低設(shè)計的實用性 ；回授訊號經(jīng) 取樣回饋至穩(wěn)定器，再經(jīng)穩(wěn)定器運算產(chǎn)生控制信號至激磁系統(tǒng)，所經(jīng) 歷 之 時 間 延 遲 將 使 控 制 信 號 無 法 滿 足 系 統(tǒng) 狀 態(tài) 實 際 需求。 綜合以上穩(wěn)定器設(shè)計缺失，理想的穩(wěn)定器設(shè)計需能夠滿足下列要求 :區(qū)域互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)須采分離式設(shè)計，使各機組可使用自己的回授信號設(shè)計穩(wěn)定器，解決信號傳送的問題，簡化設(shè)計程序 ；使用輸出回授且確定輸出變量能主控系