新型電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制課件

1、應(yīng)用WAMS信號(hào)的新型電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制 倪以信 甘德強(qiáng) 蔡澤祥 香港大學(xué) 浙江大學(xué) 華南理工大學(xué) 2006年10月第22屆中國(guó)高等院校電力系統(tǒng)自動(dòng)化專業(yè)年會(huì)內(nèi) 容引言非線性自適應(yīng)控制簡(jiǎn)介廣域測(cè)量系統(tǒng)(WAMS) 在電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制中的應(yīng)用原理應(yīng)用WAMS信號(hào)的非線性魯棒自適應(yīng)勵(lì)磁控制應(yīng)用WAMS信號(hào)的交直流互聯(lián)系統(tǒng)直流功率調(diào)制總結(jié)引言:電力系統(tǒng)的復(fù)雜性大規(guī)模，分層分布，高度非線性的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)負(fù)荷不斷隨機(jī)波動(dòng)，而電能不能儲(chǔ)存不可預(yù)見(jiàn)的事故和擾動(dòng)快速的暫態(tài)過(guò)程，系統(tǒng)可在幾秒幾分鐘內(nèi)崩潰復(fù)雜的控制系統(tǒng)及其協(xié)調(diào)要求電力市場(chǎng)：廠網(wǎng)分開(kāi)，追求利潤(rùn)，潮流不確定性和系統(tǒng)整體安全穩(wěn)定裕度可能下降。大停電事故對(duì)社會(huì)

2、政治、經(jīng)濟(jì)沖擊極大。 核心任務(wù)：保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，防止大停電事故出現(xiàn)！這是最重要的質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)問(wèn)題，是滿足負(fù)荷需求的基礎(chǔ)。引言:電力系統(tǒng)發(fā)展的新動(dòng)向系統(tǒng)趨于互聯(lián)：歐洲、美加、中國(guó)。 大規(guī)模ac/dc互聯(lián)電力系統(tǒng)引起新的穩(wěn)定問(wèn)題：區(qū)域間功率振蕩,級(jí)聯(lián)（cascaded,連鎖)故障下的系統(tǒng)穩(wěn)定性。電力市場(chǎng)：潮流多變、系統(tǒng)經(jīng)常重負(fù)荷運(yùn)行、接近穩(wěn)定極限。電力電子技術(shù)應(yīng)用：HVDC、FACTS技術(shù)（快速、靈活和復(fù)雜的控制）其他新技術(shù)應(yīng)用：控制理論、優(yōu)化方法、計(jì)算機(jī)、 AI技術(shù)、通信技術(shù)等等新問(wèn)題、新技術(shù)、新挑戰(zhàn)！引言:傳統(tǒng)穩(wěn)定控制存在的問(wèn)題基于線性控制理論，對(duì)系統(tǒng)在某一運(yùn)行點(diǎn)線性化進(jìn)行控制設(shè)計(jì):不能適

3、應(yīng)系統(tǒng)的非線性，不能適應(yīng)運(yùn)行點(diǎn)的大幅變化。若系統(tǒng)有參數(shù)未知或模型有誤差，控制器對(duì)之適應(yīng)性差。基于就地信息：缺少全局性的關(guān)鍵的動(dòng)態(tài)信息進(jìn)行有效控制。控制器的協(xié)調(diào)差，一般只在典型運(yùn)行點(diǎn)進(jìn)行協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)。多區(qū)域互聯(lián)時(shí)，聯(lián)絡(luò)線穩(wěn)定問(wèn)題突出（區(qū)域間同步運(yùn)行和聯(lián)絡(luò)線功率振蕩問(wèn)題）。當(dāng)出現(xiàn)連鎖（級(jí)聯(lián)）故障時(shí)，傳統(tǒng)穩(wěn)定控制適應(yīng)能力惡化。引言:新型電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制的提出非線性、魯棒、自適應(yīng)控制的必要性。用WAMS（廣域測(cè)量）信號(hào)作全面協(xié)調(diào)的優(yōu)越性：可以證明它對(duì)互聯(lián)系統(tǒng)穩(wěn)定性、連鎖故障適應(yīng)性特別有效！應(yīng)用非線性魯棒自適應(yīng)控制，并應(yīng)用WAMS信號(hào)，分三個(gè)層次解決電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制問(wèn)題（1）先解決緊密聯(lián)系的交流系統(tǒng)（如省網(wǎng)

4、）的同步運(yùn)行穩(wěn)定（2）再解決互聯(lián)電力系統(tǒng)（如互聯(lián)的省網(wǎng)及互聯(lián)的區(qū)域網(wǎng)）的 同步運(yùn)行穩(wěn)定性，大力推廣應(yīng)用直流輸電和FACTS技術(shù)。（3）實(shí)現(xiàn)全局混成控制：-混成(hybrid)控制：和離散型控制(快關(guān),切機(jī)/切負(fù)荷)相結(jié)合； -全局(global)控制：和中長(zhǎng)期(f 和 V)穩(wěn)定控制相結(jié)合?？梢灶A(yù)見(jiàn)，新的方案比傳統(tǒng)控制有突出的優(yōu)點(diǎn)和質(zhì)的飛躍。非線性自適應(yīng)控制簡(jiǎn)介:動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的自適應(yīng)跟蹤控制自適應(yīng)控制分兩大類：（1）動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的自適應(yīng)跟蹤控制（稱為模型參考自適應(yīng)控制： Model reference adaptive control， MRAC) Plant: 受控物理系統(tǒng)（方程知，但有未知參數(shù)） R

5、eference model: 參考模型，控制組成部分，使ym-ymin（“跟蹤”） Controller：實(shí)現(xiàn)控制使e 0 Adaptive law：根據(jù)e來(lái)動(dòng)態(tài)估計(jì)未知參數(shù)，提供給控制器使用 飛行器控制多屬此類。 : Estimated parametersA model reference adaptive control system Reference modelControllerPlantAdaptation law非線性自適應(yīng)控制簡(jiǎn)介:動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的自適應(yīng)穩(wěn)定控制（2）動(dòng)態(tài)系統(tǒng)自適應(yīng)穩(wěn)定控制（稱為自調(diào)節(jié)控制, self-tuning control, STC) Plant: 受控物

6、理系統(tǒng)（方程知，有未知參數(shù)） Controller:實(shí)現(xiàn)控制使閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定。 Estimator：動(dòng)態(tài)參數(shù)辨識(shí)- 非跟蹤問(wèn)題（無(wú)reference model)；- 電力系統(tǒng)一般認(rèn)為屬此類；- 注意：非線性系統(tǒng)Controller及Estimator分不開(kāi)，且無(wú)一般方法作系統(tǒng)辨識(shí)，難！ControllerPlantEstimator : Estimated parametersA self-tuning control system 非線性自適應(yīng)控制簡(jiǎn)介:自適應(yīng)控制的發(fā)展線性系統(tǒng)的自適應(yīng)控制：在80年代已成熟。非線性系統(tǒng)的自適應(yīng)控制：從90年代起發(fā)展。無(wú)通用的、一般化的方法，基本上基于李氏穩(wěn)定

7、性理論。目前成果均針對(duì)特殊形式的非線性系統(tǒng)（電力系統(tǒng)屬于此類）。SISO的自適應(yīng)控制多， 而MIMO的自適應(yīng)控制難且少。可和魯棒控制結(jié)合，適應(yīng)模型與參數(shù)的誤差：非線性魯棒自適應(yīng)控制。非線性自適應(yīng)控制簡(jiǎn)介:受控系統(tǒng)方程的特殊形式受控系統(tǒng)非線性方程的特殊形式： - 嚴(yán)格三角形： - 弱三角形：上式fj(*)中xjxj+1 - 近似型：未知參數(shù) 出現(xiàn)形式：控制變量 v ：為標(biāo)量或矢量電力系統(tǒng)經(jīng)坐標(biāo)變換，化為上述某類非線性系統(tǒng)方程，應(yīng)用相應(yīng)成果作自適應(yīng)控制設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控制。WAMS信號(hào)在穩(wěn)定控制中的應(yīng)用原理WAMS在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用WAMS=“Wide area measurements”，廣域測(cè)量

8、技術(shù)；基本組成：基于全球定位系統(tǒng)（GPS）的同步相量測(cè)量單元（PMU）和連接PMU的實(shí)時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)；可提供同一參考時(shí)間框架下的系統(tǒng)實(shí)時(shí)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)信息，以用于實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)，分析和控制。在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用：基波/諧波狀態(tài)估計(jì)：WAMS可獲取節(jié)點(diǎn)電壓幅值和相角動(dòng)態(tài)過(guò)程記錄及分析，進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)視；元件動(dòng)態(tài)模型和參數(shù)的辨識(shí)和校正；故障定位和線路參數(shù)量測(cè)；WAMS信號(hào)在穩(wěn)定控制中的應(yīng)用原理WAMS在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用（續(xù)）在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用（續(xù)）：暫態(tài)穩(wěn)定預(yù)測(cè)和控制（難！）判別失穩(wěn)與否，給于適當(dāng)?shù)那袡C(jī)/切負(fù)荷控制量；失步解列起動(dòng)信號(hào)；V 和 f 穩(wěn)定的監(jiān)護(hù)和控制；低頻振蕩分析和抑制（PSS中作輸入信號(hào)）；全局反饋

9、控制（克服基于本地量測(cè)的反饋控制的不足）。WAMS信號(hào)在穩(wěn)定控制中的應(yīng)用慣量中心(COI)坐標(biāo)：新控制方案核心發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子角 和轉(zhuǎn)速 可用WAMS測(cè)到。相對(duì)負(fù)荷而言：測(cè)點(diǎn)少，精度高（因?yàn)檗D(zhuǎn)動(dòng)慣量大）。定義系統(tǒng)慣性中心（Center of inertia）等值轉(zhuǎn)子角；為：則有COI速度： （ 是與 的偏差）WAMS信號(hào)在穩(wěn)定控制中的應(yīng)用系統(tǒng)慣量中心（COI）的特點(diǎn)（）慣量中心COI 的特點(diǎn)：“濾去”了機(jī)組間的相對(duì)搖擺， 運(yùn)動(dòng)軌跡較“光滑”；反映了全局的（等值中心的）功角和頻率趨勢(shì)；用于作為跟蹤對(duì)象 更利于系統(tǒng)同步穩(wěn)定。 （ 可以大于或小于50HZ，穩(wěn)定域增大，而控制能量減小。）雙機(jī)系統(tǒng)COIWAM

10、S信號(hào)在穩(wěn)定控制中的應(yīng)用系統(tǒng)慣量中心（COI）的特點(diǎn)（）多區(qū)域互聯(lián)電力系統(tǒng)：用各區(qū)域的COI信號(hào)，對(duì)聯(lián)絡(luò)線上動(dòng)態(tài)元件（HVDC或FACTS）進(jìn)行控制（或用于PSS控制），可保持區(qū)域間的同步穩(wěn)定性；當(dāng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變化，有大電廠/大負(fù)荷停運(yùn)，系統(tǒng)COI相應(yīng)變化，跟蹤系統(tǒng)的COI更為合理，易保證系統(tǒng)同步穩(wěn)定（控制能量小，允許穩(wěn)定在非50Hz頻率）。提供全局性信號(hào)，改善只用本地信號(hào)的控制器性能；COI信號(hào) 在大擾動(dòng)下較平穩(wěn)，易良好跟蹤。對(duì)于暫態(tài)穩(wěn)定和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定（平抑機(jī)群間搖擺，阻尼功率振蕩）同時(shí)有效，因?yàn)榭刂聘鳈C(jī)使它和COI同調(diào)/擺。用于區(qū)域間的同步運(yùn)行穩(wěn)定性時(shí)，對(duì)各區(qū)域的復(fù)雜性和變化不敏感，也減少了對(duì)控制

11、器的協(xié)調(diào)要求。COI坐標(biāo)的魯棒自適應(yīng)勵(lì)磁控制同步坐標(biāo)魯棒自適應(yīng)勵(lì)磁控制(1)發(fā)電機(jī)采用3階模型（ ， ， ），N機(jī)系統(tǒng)計(jì)及參數(shù)和模型誤差（ ）的數(shù)學(xué)模型為:模型特點(diǎn):機(jī)端變量用于控制，“分散控制” （不要求協(xié)調(diào)）。考慮模型和參數(shù)的誤差或攝動(dòng)，要求實(shí)現(xiàn)魯棒控制；控制對(duì)未知參數(shù)（Di, (xdi-xdi)有自適應(yīng)性；模型中w0為同步轉(zhuǎn)速，如有WAMS信號(hào)(wCOI), 穩(wěn)定控制可更有效、合理（后面介紹）。COI坐標(biāo)的魯棒自適應(yīng)勵(lì)磁控制同步坐標(biāo)魯棒自適應(yīng)勵(lì)磁控制(2)對(duì)模型作坐標(biāo)變換，規(guī)范化，規(guī)范化后模型為：, . 其中：:(3-2）的虛擬控制量；:未知參數(shù)：有界誤差。：已知函數(shù)；（3-2）的平衡點(diǎn)

12、為原點(diǎn)；應(yīng)用“反步法”和適當(dāng)定義的李雅普諾夫函數(shù)導(dǎo)出ni 的控制規(guī)律使（3-2）穩(wěn)定，則可用它的定義式求出Efd的控制規(guī)律。 (3-2)穩(wěn)定等價(jià)于(3-1)穩(wěn)定， 從而原系統(tǒng)同步穩(wěn)定于50Hz。COI坐標(biāo)的魯棒自適應(yīng)勵(lì)磁控制跟蹤C(jī)OI的魯棒自適應(yīng)勵(lì)磁控制采用COI坐標(biāo)，新?tīng)顟B(tài)變量x定義如(1)；(y, y, y”): COI變量定義如(2)(量測(cè)滯后Dt)；系統(tǒng)規(guī)范化后方程如()。與同步坐標(biāo)相似，對(duì)（）導(dǎo)出魯棒自適應(yīng)勵(lì)磁控制規(guī)律原系統(tǒng)同步穩(wěn)定于：即：發(fā)電機(jī)跟蹤系統(tǒng)慣量中心(COI)，與之同調(diào)(coherent)。COI坐標(biāo)的魯棒自適應(yīng)勵(lì)磁控制計(jì)算仿真結(jié)果（1）400MWGen: 6th ord

13、er, Load: Const-Z Const. Pm, Limit of exc.: 06 pu C1: AVR+PSS, C2: NRAC (50Hz stab.) C3: NRAC (COI tracking)Fault: t=0.3s, line 3-101 3-phase fault, t=0.4s, line 3-101 trip, t=0.45s, line 13-101 mal-trip.COI tracking: the best!跟蹤C(jī)OI:比控制di 在任何故障下必須回到初始運(yùn)行點(diǎn)(w0, di0)更為合理和有效(控制能量小，穩(wěn)定域大），對(duì)TS和SS均有效。dCOI坐標(biāo)的

14、魯棒自適應(yīng)勵(lì)磁控制計(jì)算仿真結(jié)果（2）系統(tǒng)傳輸極限比較(SB=100MW):C14.0，C24.9，C36.2；C3比C1大55%，比C2大27%。 - 跟蹤C(jī)OI的先進(jìn)性。 機(jī)端電壓（C1C3）： 穩(wěn)態(tài)：0.95 - 1.1 pu, 動(dòng)態(tài)：1.2 pu: AcceptableCOI信號(hào)滯后對(duì)功角振蕩的影響（比較Dt對(duì)d14的影響）：-Dt在200ms以內(nèi)時(shí)較理想，300ms可以接受，400ms以上則可能造成系統(tǒng)失去穩(wěn)定。隨著WAMS技術(shù)的發(fā)展，上述要求是可以達(dá)到的。 機(jī)端電壓 (C3: COI tracking)d14COI坐標(biāo)的魯棒自適應(yīng)勵(lì)磁控制小結(jié)電力系統(tǒng)非線性魯棒自適應(yīng)分散勵(lì)磁控制及其先

15、進(jìn)性；跟蹤系統(tǒng)慣量中心思想的先進(jìn)性：COI信號(hào)較光滑，易跟蹤。控制能量小，穩(wěn)定域大（允許穩(wěn)態(tài)于非50Hz）；對(duì)暫態(tài)穩(wěn)定和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定都有利，減少控制協(xié)調(diào)要求；有利于適應(yīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變化和級(jí)連（聯(lián)鎖）故障。計(jì)算機(jī)仿真顯示了新控制器的有效性和優(yōu)越性。今后工作：優(yōu)化安裝問(wèn)題； 機(jī)端量的量測(cè)問(wèn)題；非線性控制器中的參數(shù)優(yōu)化，防止控制輸出的高頻抖動(dòng)；級(jí)聯(lián)故障（SEP變化較大變化）的適應(yīng)性；如何和切機(jī)/切負(fù)荷結(jié)合，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控制（因?yàn)樵诖髷_動(dòng)下，由于控制限幅，用上述控制不能保證穩(wěn)定）。應(yīng)用WAMS信號(hào)的交直流互聯(lián)系統(tǒng)直流功率調(diào)制：直流功率調(diào)制原理交直流互聯(lián)系統(tǒng)中，可利用直流功率調(diào)制來(lái)阻尼區(qū)域間功率振蕩，和PSS原理相

16、似。美國(guó)加州太平洋聯(lián)絡(luò)線采用，明顯提高功率輸送極限。傳統(tǒng)直流功率調(diào)制：線性控制理論為基礎(chǔ)，控制性能差。用 Pac 或 (q1-q2) 為信號(hào)，而非area-COI為信號(hào).應(yīng)用WAMS信號(hào)的交直流互聯(lián)系統(tǒng)直流功率調(diào)制:COI動(dòng)態(tài)模型（1）（5-1）（5-2）若取dc動(dòng)態(tài)近似一階慣性（定功率控制，加調(diào)制）（Td 取0.2秒考慮WAMS信號(hào)滯后）由(5-1)和(5-2)可得互聯(lián)系統(tǒng)COI坐標(biāo)下的方程：未知參數(shù)(自適應(yīng)性)； ：誤差(魯棒性)； ：控制變量。(5-3)應(yīng)用WAMS信號(hào)的交直流互聯(lián)系統(tǒng)直流功率調(diào)制:COI動(dòng)態(tài)模型（）送受端系統(tǒng)可為任意復(fù)雜系統(tǒng)，對(duì)其元件模型無(wú)限制。控制器目標(biāo)：使 從而使送

17、受端同步運(yùn)行（假設(shè)送受區(qū)域內(nèi)部是同步的）。要求導(dǎo)出直流功率調(diào)制的非線性魯棒自適應(yīng)控制律。注意：只對(duì)變量 而言，穩(wěn)定！不要求和PSS協(xié)調(diào)。應(yīng)用WAMS信號(hào)的交直流互聯(lián)系統(tǒng)直流功率調(diào)制: COI動(dòng)態(tài)模型的特點(diǎn)應(yīng)用WAMS信號(hào)的交直流互聯(lián)系統(tǒng)直流功率調(diào)制：計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果（1）測(cè)試系統(tǒng) case1, case2, case3(設(shè)計(jì)工況)（負(fù)荷，故障跳線）CMC: 540MW,RAMC: 620MW (+15%)應(yīng)用WAMS信號(hào)的交直流互聯(lián)系統(tǒng)直流功率調(diào)制：計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果（2）Case1：Pac320MW（設(shè)計(jì)工況），母線3三相故障，0.1秒消失（平衡點(diǎn)不變）, 功角動(dòng)態(tài):- 二者性能均良好，RAMC略

18、好：因?yàn)橛?jì)及非線性。Case2：Pac450MW，母線3三相故障，0.1秒跳線3101,功角動(dòng)態(tài):RAMC阻尼性能好，適應(yīng)平衡點(diǎn)變化，且擾動(dòng)前后SEP功角變化小，有利于同步運(yùn)行穩(wěn)定性。總結(jié)和今后工作（）提出了同步穩(wěn)定控制的跟蹤思想。突出優(yōu)點(diǎn)在于：有利于同步穩(wěn)定（暫穩(wěn)和動(dòng)穩(wěn)）控制的全局協(xié)調(diào)。有利于適應(yīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行點(diǎn)變化?？刂颇芰繙p少，穩(wěn)定域增大。軌跡較光滑，易實(shí)現(xiàn)良好跟蹤。和非線性魯棒自適應(yīng)控制結(jié)合，可大大提高總體控制性能。且有利于適應(yīng)互聯(lián)系統(tǒng)和級(jí)聯(lián)故障。對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)，直流輸電，F(xiàn)ACTS裝置(TCSC)的初步仿真研究表明其有效性和優(yōu)越性。隨著WAMS技術(shù)的發(fā)展, 系統(tǒng)COI動(dòng)態(tài)軌跡(dCOI,

19、wCOI)信息可望實(shí)時(shí)獲得?；贑OI 跟蹤的非線性魯棒自適應(yīng)控制可大大促進(jìn)靈活交流-多饋入直流多區(qū)域互聯(lián)電力系統(tǒng)的同步運(yùn)行穩(wěn)定性。電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制將進(jìn)入一個(gè)新的階段。連續(xù)型和離散型（切機(jī)，切負(fù)荷）的非線性控制必須結(jié)合，才能確保同步運(yùn)行穩(wěn)定性 (控制器輸出極限造成）。 (混成控制，Hybrid control)基于COI 跟蹤的非線性魯棒自適應(yīng)控制還可望在頻率和電壓長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)穩(wěn)定控制中發(fā)揮重要作用。(全局控制，Global control)總結(jié)和今后工作（）同步坐標(biāo)的非線性魯棒自適應(yīng)勵(lì)磁控制：電機(jī)工程學(xué)報(bào)接收?；贑OI跟蹤的非線性魯棒自適應(yīng)勵(lì)磁控制：電力系統(tǒng)自動(dòng)化發(fā)表。交直流互聯(lián)系統(tǒng)COI坐標(biāo)的魯棒自適應(yīng)直流功率調(diào)制：電力系統(tǒng)自動(dòng)化接收。交直流互聯(lián)系統(tǒng)基于COI跟蹤的魯棒自適應(yīng)勵(lì)磁和直流功率調(diào)制：電網(wǎng)技術(shù)接收。發(fā)表文章讓我們共同努力,為建設(shè)國(guó)際一流的高效優(yōu)質(zhì)安全可靠和可持續(xù)發(fā)展的電力系統(tǒng)而奮斗！謝謝！樹(shù)立質(zhì)量法制觀念、提高全員質(zhì)量意識(shí)。7月-227月-22Wednesday, July 27, 202