一种抑制超低频振荡的多直流协调控制器设计方法技术

本发明专利技术提供一种抑制超低频振荡的多直流协调控制器设计方法，所述设计方法首先建立开环系统的状态空间模型，接着随机生成一系列的待选控制器，求取闭环系统矩阵及其特征值，并通过特征值筛选稳定闭环系统矩阵，对稳定闭环系统矩阵再求取其所有模态中的最小阻尼比，通过比较可找出稳定闭环系统矩阵最小阻尼比的最大者。为优化控制器性能，应用差分进化算法来生成新一代待检验的控制器，通过循环迭代实现闭环系统最小阻尼比的最大化，从而提高包括超低频模式在内所有振荡模式的阻尼。本发明专利技术可在一套算法中即可实现集中式、分散式、基于超前‑滞后补偿器结构的分散式等三种结构的多直流协调控制器设计，方便对比各种结构的协调控制器性能。

【技术实现步骤摘要】
一种抑制超低频振荡的多直流协调控制器设计方法
本专利技术涉及电力系统
，具体而言，涉及一种抑制超低频振荡的多直流协调控制器设计方法。
技术介绍
为应对气候变化，以水电为代表的清洁能源装机在电力系统中的比重越来越高，但是当水电比重达到一定规模，系统也出现了频率低于0.1Hz的超低频振荡现象。根据报道，超低频振荡常出现于以水电为主的小型电网或孤立电网，如国内的臧中电网、云广、锦苏直流孤岛系统；或通过直流互联的异步联网系统，如2016年云南电网与南方主网实施异步联网、2018年西南与华中实施异步联网的调试过程中均出现了超低频现象。根据目前研究，系统发生超低频振荡，主要原因电网中的水电机组调速器参数不合理和水锤效应，使得水轮机的功率调节与系统频率振荡的波形相位相差接近90°，水轮机有近一半的振荡周期处于反调节状态，即在系统频率升高时机组出力反而增加，从而加剧系统频率振荡。调速器比例常数过小、积分常数过大，或是水锤效应时间常数过大，都不利于系统稳定。基于上述认识，目前针对超低频振荡抑制措施研究的文献主要集中在如何优化水电机组调速器或电力系统稳定器参数上。实际系统中因调速系统的阻尼特性、调节性能受到液压系统、水轮机固定参数以及系统一次调频能力的限制，对调速器参数进行优化并不能理想的解决系统频率稳定性存在的问题。根据对西南电网的研究，仅将超低频振荡模态的阻尼提高到2％，即需要对网内138台机组调速器参数进行优化，这是一个巨大的工作量。随着研究的深入，人们逐渐认识到发电机功率与系统负荷功率不平衡是高水电占比系统频率振荡的直接原因。在系统异步互联后，负荷功率取决于直流输送功率和本地负荷两部分，当本地负荷或直流系统输送功率发生变化时，当本地负荷或直流系统输送功率发生变化时，产生对系统频率的扰动，如果系统水电占比较高，同样会诱发超低频振荡。因此，针对通过直流异步互联电网出现的超低频振荡现象，利用直流的附加控制功能提高阻尼，也是工程技术人员关注的潜在方案。多回直流协调控制系统的结构存在两种方式，一种是集中式，系统中装设中央控制器，其采集来自系统的多个广域信号，并向各回直流发出功率调制指令，如图1所示；另一种是分散式，系统中不装设中央控制器而在各回直流设置单独的控制器，根据自身接收的输入信号对本回直流输送功率进行调制，如图2所示。基于反馈信号的不同，控制系统又可划分为状态反馈和输出反馈两类。纵观目前已有多直流协调控制器，存在以下问题：(1)无论是集中式协调控制或是分散式协调控制，给出的控制器结构与实际采用的比例积分或超前-滞后的控制器结构大不相同，难以被工程技术人员所采纳；(2)多数是基于状态反馈，但是实际系统状态不是全部可观测，难以在实际系统中推广应用。从已有成果来看，基于状态反馈的多直流协调控制系统已有较为成熟设计方法。但是，电力系统的部分状态变量如交轴暂态电势等是不容易测量的，所以很难实现本机组的全状态量反馈，基于状态变量实现的方法在实际应用中易受模型精度的影响。交直流系统通常方便地获取的本地输出反馈量包括发电机功角、转速、励磁电压、电磁功率及机端电压和电流等，而PMU的普及，使得基于包含远方输入信号的输出反馈控制也能相对容易地实现，这使得基于输出反馈的设计方法在电力系统中更具实用价值。多直流控协调制器为多输入多输出的MIMO问题，加入阻尼比约束，基于输出反馈的控制器设计问题就表现为双线性矩阵不等式问题，这是一个NP难度的问题，控制器求解十分困难，虽然有道路跟随、射影变换、同伦变换等方法可将其变换为易于求解的线性矩阵不等式。根据本专利技术人的应用经验，该类方法一般只适用于较低阶数的系统，如十余阶的系统，而且能否求解成功也具有一定的不确定性。工程实践上，控制器设计阶段需要对多种控制器结构型式的控制效果进行对比，因此希望能有一种统一的协调控制器设计方法达到以下目标：(1)控制器是基于输出反馈类型的，以便于实现；(2)设计方法可方便对比集中式、分散式结构的协调控制器性能，包括在分散式结构中的子控制器中采用基于图3所示的超前-滞后这一常用控制器结构；(3)设计方法可指定控制器阶数，以避免控制器降阶带来的性能劣化问题；(4)设计方法可应用于相对较大规模的系统。从已有文献报道来看，能够同时实现4个目标的多直流协调控制器设计方法尚未见报道。实现上述目标的瓶颈在于输出反馈控制器求解的困难，原因在于应用矩阵不等式方法求解时，存在未知的系统矩阵和未知的控制器矩阵的乘积形式，因而是双线性矩阵不等式，这十分难以求解，但是如果随机生成控制器矩阵，再去检验此时已转换为LMI的不等式，将大大简化求解思路。
技术实现思路
本专利技术旨在提供一种抑制超低频振荡的多直流协调控制器设计方法，以解决高水电比重系统的超低频振荡问题的问题。本专利技术提供的一种抑制超低频振荡的多直流协调控制器设计方法，所述设计方法包括如下步骤：步骤1：输入电力系统模型状态空间模型参数A、B、C，D；输入、输出信号维数nu、ny；设置待求多直流协调控制器阶数、直流回路数nd；待求多直流协调控制器结构类型，包括集中式、分散式或基于超前-滞后补偿器结构的分散式三种类型；初始化差分进化参数，包括缩放因子F、交叉概率常数CR、种群规模Np；最大迭代次数gmax；迭代误差限ε，令初始迭代次数g＝1；步骤2：根据待求多直流协调控制器结构类型，计算决策变量数nv，并随机产生包括有Np个控制器个体的待求多直流协调控制器初始种群矩阵该初始种群矩阵的第i个行向量表示第i个控制器个体Ki；步骤3：根据待求多直流协调控制器结构类型选择相应的方法将Np个控制器个体Ki转换为待求控制器状态空间方程的矩阵参数，并生成对应的闭环系统矩阵Aci；步骤4：计算各闭环系统矩阵Aci的特征值，并通过特征值判断闭环系统矩阵Aci是否稳定，对稳定闭环系统矩阵Aci进入步骤5；如果Bp个控制器个体对应的闭环系统矩阵均不稳定，则返回步骤2；步骤5：计算闭环系统矩阵Aci各模态阻尼比，求出该控制器个体Ki对应的最小阻尼比ρmin_i作为该控制器个体Ki的适应值；步骤6：重复步骤4～5直至完成本代所有控制器个体的适应值计算，通过比较运算求得本代最小阻尼比的最优解以及与该最优解对应的控制器个体步骤7：对本代中Np控制器个体按进行交叉、变异及选择操作，生成新一代控制器个体令g＝g+1；步骤8：如果g≤gmax或返回步骤3；否则，进入步骤9；步骤9：输出最小阻尼比的最优解以及与该最优解对应的控制器个体进一步的，步骤1中所述待求多直流协调控制器阶数确定方法如下：(1)当待求多直流协调控制器结构类型为集中式多直流协调控制器时，输入的待求多直流协调控制器阶数表示为nk；(2)当待求多直流协调控制器结构类型为分散式多直流协调控制器时，输入的待求多直流协调控制器阶数表示为ndnk；(3)当待求多直流协调控制器结构类型为基于超前-滞后补偿器结构的分散式多直流协调控制器时，输入的待求多直流协调控制器阶数表示为4nd。进一步的，步骤2中根据待求本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种抑制超低频振荡的多直流协调控制器设计方法，其特征在于，所述设计方法包括如下步骤：/n步骤1：输入电力系统模型状态空间模型参数A、B、C，D；输入、输出信号维数n

【技术特征摘要】
1.一种抑制超低频振荡的多直流协调控制器设计方法，其特征在于，所述设计方法包括如下步骤：
步骤1：输入电力系统模型状态空间模型参数A、B、C，D；输入、输出信号维数nu、ny；设置待求多直流协调控制器阶数、直流回路数nd；设置待求多直流协调控制器结构类型，包括集中式、分散式或基于超前-滞后补偿器结构的分散式三种类型；初始化差分进化参数，包括缩放因子F、交叉概率常数CR、种群规模Np；最大迭代次数gmax；迭代误差限ε，令初始迭代次数g＝1；
步骤2：根据待求多直流协调控制器结构类型，计算决策变量数nv，并随机产生包括有Np个控制器个体的待求多直流协调控制器初始种群矩阵该初始种群矩阵的第i个行向量表示第i个控制器个体Ki；
步骤3：根据待求多直流协调控制器结构类型选择相应的方法将该待求多直流协调控制器转换为状态空间矩阵，并根据其Np个控制器个体Ki对应的系统矩阵参数生成对应的闭环系统矩阵Aci；
步骤4：计算各闭环系统矩阵Aci的特征值，并通过特征值判断闭环系统矩阵Aci是否稳定，对稳定闭环系统矩阵Aci进入步骤5；如果Np个控制器个体对应的闭环系统矩阵均不稳定，则返回步骤2；
步骤5：计算闭环系统矩阵Aci各模态阻尼比，求出该控制器个体Ki对应的最小阻尼比ρmin_i作为该控制器个体Ki的适应值；
步骤6：重复步骤4～5直至完成本代所有控制器个体的适应值计算，通过比较运算求得本代最小阻尼比的最优解以及与该最优解对应的控制器个体
步骤7：对本代中Np控制器个体进行交叉、变异及选择操作，生成新一代控制器个体令g＝g+1；
步骤8：如果g≤gmax或返回步骤3；否则，进入步骤9；
步骤9：输出最小阻尼比的最优解以及与该最优解对应的控制器个体


2.根据权利要求1所述的抑制超低频振荡的多直流协调控制器设计方法，其特征在于，步骤1中所述待求多直流协调控制器阶数如下：
(1)当待求多直流协调控制器结构类型为集中式多直流协调控制器时，输入的待求多直流协调控制器阶数表示为nk；
(2)当待求多直流协调控制器结构类型为分散式多直流协调控制器时，输入的待求多直流协调控制器阶数表示为ndnk；
(3)当待求多直流协调控制器结构类型为基于超前-滞后补偿器结构的分散式多直流协调控制器时，输入的待求多直流协调控制器阶数表示为4nd。


3.根据权利要求2所述的抑制超低频振荡的多直流协调控制器设计方法，其特征在于，步骤2中根据待求多直流协调控制器结构类型，计算决策变量数nv的方法为：
(1)当待求多直流协调控制器结构类型为集中式多直流协调控制器时，计算决策变量数nv的公式表示为：



(2)当待求多直流协调控制器结构类型为分散式多直流协调控制器时，计算决策变量数nv的公式表示为：



(3)当待求多直流协调控制器结构类型为基于超前-滞后补偿器结构的分散式多直流协调控制器时，计算决策变量数nv的公式表示为：nv＝7nd。


4.根据权利要求1所述的抑制超低频振荡的多直流协调控制器设计方法，其特征在于，步骤3中选择如下方法建立该待求多直流协调控制器状态空间矩阵：
(1)当待求多直流协调控制器结构类型为集中式多直流协调控制器时，该集中式多直流协调控制器的状态空间矩阵表示形式为：



式中，
(2)当待求多直流协调控制器结构类型为分散式多直流协调控制器时，该分散式多直流协调控制器的状态空间矩阵表示形式为：



式中，
(3)当待求多直流协调控制器结构类型为基于超前-滞后补偿器结构的分散式多直流协调控制器时，设第l回直流的子控制器的传递函数为：

【专利技术属性】
技术研发人员：伍文城，王晓茹，曾雪松，李文帆，李天鸷，陈谦，李彬，邹朋，杨帆，
申请(专利权)人：中国电力工程顾问集团西南电力设计院有限公司，西南交通大学，
类型：发明
国别省市：四川;51