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基于軌跡靈敏度技術(shù)的PSS和SVC協(xié)調(diào)優(yōu)化設(shè)計(jì)*

2011-03-15 08:42:36劉明波黃義隆林舜江
關(guān)鍵詞:阻尼靈敏度軌跡

劉明波 黃義隆 林舜江

(華南理工大學(xué)電力學(xué)院∥廣東省綠色能源技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東廣州510640)

電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(PSS)是一個(gè)附加于發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制器的輔助環(huán)節(jié),其作用是提高發(fā)電機(jī)和整個(gè)電力系統(tǒng)的阻尼能力,抑制低頻振蕩,加速功率振蕩的衰減[1].隨著電力電子器件和非線性控制理論的發(fā)展,靜止無功補(bǔ)償器(SVC)已經(jīng)廣泛用來提高系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定性和大干擾穩(wěn)定性[2],SVC的主要作用是為電網(wǎng)提供電壓支撐[3].但是,多臺(tái)SVC和PSS的不協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)往往會(huì)導(dǎo)致電力系統(tǒng)出現(xiàn)不穩(wěn)定或者不能充分發(fā)揮其作用的狀況.電力系統(tǒng)各元件形成一個(gè)密不可分的整體,將各元件單獨(dú)研究忽視了它們之間的聯(lián)系,已不能滿足現(xiàn)代電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制的需要.因此,實(shí)現(xiàn)SVC和PSS之間的協(xié)調(diào)控制,是目前電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)中迫切需要解決的問題[4].文獻(xiàn)[5]中提出了基于多目標(biāo)進(jìn)化算法的PSS和SVC協(xié)調(diào)設(shè)計(jì),考慮了它們之間的協(xié)調(diào)運(yùn)行,但該方法收斂速度較慢.文獻(xiàn)[6]中采用遺傳算法來協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)PSS和SVC,然而該方法沒有充分考慮SVC對(duì)電壓穩(wěn)定的影響,且容易出現(xiàn)早熟收斂和收斂性差的情況.近年來,軌跡靈敏度技術(shù)[7]逐漸受到關(guān)注,已成為研究電力系統(tǒng)穩(wěn)定問題的重要工具[8].文獻(xiàn)[9-11]中分別以擾動(dòng)后發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速衰減最快為目標(biāo),采用軌跡靈敏度技術(shù)設(shè)計(jì)PSS和統(tǒng)一潮流控制器參數(shù),有效地提高了系統(tǒng)的小干擾和大干擾穩(wěn)定性.

文中探討PSS和SVC的多目標(biāo)協(xié)調(diào)優(yōu)化設(shè)計(jì)問題,以各臺(tái)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速平方的時(shí)域累加值和加裝SVC節(jié)點(diǎn)故障后的電壓變化量平方的時(shí)域累加值構(gòu)建兩個(gè)目標(biāo)函數(shù),并將其加權(quán)后建立最終的目標(biāo)函數(shù),在優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)中加入了阻尼功角振蕩和降低電壓波動(dòng)的因素,在增強(qiáng)系統(tǒng)功角穩(wěn)定性的同時(shí),有效地降低故障后的電壓波動(dòng).同時(shí),采用軌跡靈敏度技術(shù)計(jì)算轉(zhuǎn)速和電壓變化量對(duì)PSS參數(shù)和SVC控制器參數(shù)的梯度,從而獲得目標(biāo)函數(shù)對(duì)各參數(shù)的梯度,并采用共軛梯度法優(yōu)化各參數(shù).軌跡靈敏度技術(shù)的應(yīng)用可以對(duì)梯度信息進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤,有利于提高收斂速度,實(shí)現(xiàn)PSS與SVC的協(xié)調(diào)控制在復(fù)雜的大電網(wǎng)中的應(yīng)用.

1 電力系統(tǒng)模型

1.1 勵(lì)磁系統(tǒng)及PSS模型

勵(lì)磁系統(tǒng)及PSS模型[11]如圖1所示,勵(lì)磁系統(tǒng)忽略勵(lì)磁電源的動(dòng)態(tài)行為,采用一階模型.PSS模型由一個(gè)放大環(huán)節(jié)、一個(gè)隔直環(huán)節(jié)、兩個(gè)超前滯后環(huán)節(jié)和一個(gè)限幅環(huán)節(jié)組成.其動(dòng)態(tài)表達(dá)式如下:

式中:ω為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速;Ef為勵(lì)磁電壓;Ka和Ta為勵(lì)磁環(huán)節(jié)的增益和時(shí)間常數(shù);Vref為基準(zhǔn)電壓;Vt為機(jī)端電壓;Vs為PSS的輸出信號(hào);K為PSS的放大倍數(shù);T1、T2、T3、T4、Tw為PSS的時(shí)間常數(shù);X1、X2為PSS模型的中間輸出量.

圖1 勵(lì)磁系統(tǒng)及PSS模型Fig.1 Excitation system and PSS model

1.2 SVC模型

圖2為附加阻尼控制的SVC框圖[5].圖中Δu為輸入信號(hào);KS為阻尼控制器的放大倍數(shù);T1,S、T2,S、T3,S、T4,S、Tw,S為阻尼控制器的時(shí)間常數(shù).其動(dòng)態(tài)表達(dá)式如下:

式中:B為SVC的等效電納;Ka,S、Ta,S分別為控制器增益及時(shí)間常數(shù);Vref,S為基準(zhǔn)電壓;VSVC為SVC節(jié)點(diǎn)電壓;Vs,S為SVC控制器的輸出信號(hào).

圖2 附加阻尼控制的SVC模型Fig.2 SVC model with damping control

2 軌跡靈敏度計(jì)算

軌跡靈敏度[7]是通過研究系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)對(duì)某些參數(shù)或初始條件甚至系統(tǒng)模型的靈敏度來定量分析這些因素對(duì)動(dòng)態(tài)品質(zhì)的影響.軌跡靈敏度是隨時(shí)間變化的,屬于動(dòng)態(tài)靈敏度.

多機(jī)電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程可以用一組微分代數(shù)方程來描述:

式中:x為一組n維的系統(tǒng)狀態(tài)變量;y為一組m維的系統(tǒng)代數(shù)變量;α為PSS和SVC的待優(yōu)化參數(shù);下標(biāo)帶0表示該變量的初值,下同.

式(3)的解為x(t)=φ(x0,α,t),y(t)=ψ(y0,α,t),對(duì)系統(tǒng)的微分方程求積分后,再對(duì)α求偏導(dǎo)數(shù),得

式中:fx=?f(x,y,α)/?x,fy=?f(x,y,α)/?y,fα=?f(x,y,α)/?α.因?yàn)閤0獨(dú)立于α,所以?x0/?α=0;當(dāng)α=α0時(shí),軌跡靈敏度可表示為

同理,求系統(tǒng)代數(shù)方程對(duì)α的導(dǎo)數(shù),得

對(duì)軌跡靈敏度系統(tǒng)(6)-(7)應(yīng)用隱式梯形積分公式,整理可得

通過解線性方程可求得xα0(t+Δt)、yα0(t+Δt).

3 協(xié)調(diào)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型與求解

3.1 優(yōu)化模型

優(yōu)化PSS參數(shù)的目的是使PSS為各種機(jī)電振蕩模式提供最佳阻尼,系統(tǒng)受擾動(dòng)后能以最快的速度恢復(fù)到穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn).優(yōu)化SVC控制器參數(shù)的目的是穩(wěn)定節(jié)點(diǎn)電壓,使故障后節(jié)點(diǎn)電壓盡快恢復(fù)到可接受范圍,附加阻尼控制環(huán)節(jié)阻尼系統(tǒng)振蕩.基于上述考慮,PSS和SVC協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)的多目標(biāo)函數(shù)如下:

式中:t0為仿真開始時(shí)刻;t1為故障消除時(shí)刻;T為仿真時(shí)間;n為系統(tǒng)發(fā)電機(jī)臺(tái)數(shù);N為優(yōu)化的PSS臺(tái)數(shù);M為優(yōu)化的SVC臺(tái)數(shù);ˉωi為在慣性中心框架下第i臺(tái)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速,

coiJ,i機(jī)的慣性時(shí)間常數(shù).

為了綜合考慮PSS參數(shù)和SVC控制器參數(shù)對(duì)PSS與SVC協(xié)調(diào)優(yōu)化設(shè)計(jì)的影響,將兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行加權(quán),形成最終的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù):

式中:μ1、μ2分別為J1、J2的權(quán)重系數(shù);J1表征了各臺(tái)發(fā)電機(jī)之間的功角搖擺程度,J1越小,各臺(tái)發(fā)電機(jī)越接近同步運(yùn)行;J2表征了各SVC節(jié)點(diǎn)電壓幅值的波動(dòng)程度,J2越小,各節(jié)點(diǎn)電壓的波動(dòng)越小.由于J1、J2的數(shù)值可能不在同一數(shù)量級(jí)上,如果權(quán)重系數(shù)選擇不合適,則可能會(huì)優(yōu)化PSS的效果,但對(duì)SVC的優(yōu)化效果卻不明顯,甚至惡化SVC的效果,也可能兩者的優(yōu)化效果相反.故選擇合適的J1和J2的權(quán)重系數(shù)非常重要,應(yīng)盡量使J1和J2的權(quán)值在同一數(shù)量級(jí)上.

3.2 約束條件處理

令向量α表示所有有待優(yōu)化的參數(shù),式(10)可以簡寫為αmin≤α≤αmax.用ρi表示向量α中的第i個(gè)元素,ρmaxi、ρmini分別表示向量αmax和αmin中的第i個(gè)元素.通過非線性變換[11],有

式中:bi表示向量β中的第i個(gè)元素,其初始值的取值范圍為.由式(14)可知,b在[-∞,i+∞]內(nèi)變化時(shí),ρi的取值范圍為.因此有約束的非線性問題(12)可以轉(zhuǎn)化為無約束的非線性問題minJ(β).目標(biāo)函數(shù)(12)對(duì)參數(shù)α求導(dǎo)數(shù),得到梯度信息表達(dá)式為

式中:VSVCj,x、VSVCj,y是VSVCj在x-y坐標(biāo)下的分量.目標(biāo)函數(shù)(12)對(duì)向量β中任意元素bi求導(dǎo)數(shù),可得

3.3 計(jì)算步驟

采用共軛梯度法來求最優(yōu)解.該方法是在仿真的每一時(shí)步中將已有的梯度信息和搜索方向作線性組合,得到新的搜索方向d,并沿著搜索方向應(yīng)用一維優(yōu)化的方法得到最優(yōu)步長η,最后得到每一時(shí)步的參數(shù)優(yōu)化解.利用共軛梯度法優(yōu)化PSS參數(shù)和SVC控制器參數(shù)的具體步驟如下:

(1)選擇PSS和SVC控制器的初始參數(shù)α(0)=,應(yīng)用式(13)得 β(0);選擇收斂精度ε,令k=0.

(2)利用α(0)解軌跡靈敏度方程得?J(α(0))/?α,g(0)=?J(β(0))/?β;令d(0)=-g(0).

(3)以η=0為初始點(diǎn),選擇h=1,應(yīng)用外推內(nèi)插法確定η(k)的搜索區(qū)間[a(k),b(k)].

(4)在[a(k),b(k)]內(nèi)沿著d(k)方向應(yīng)用黃金分割法進(jìn)行一維優(yōu)化后得η(k).

(5)β(k+1)=β(k)+η(k)d(k),由式(14)得α(k+1).

(6)利用 α(k+1)解軌跡靈敏度方程得?J(α(k+1))/?α,g(k+1)=?J(β(k+1))/?β;

4 仿真分析

4.1 3機(jī)9節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)

3機(jī)9節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的接線如圖3所示.故障條件設(shè)為8號(hào)母線上0.2s時(shí)刻發(fā)生三相短路故障,0.3s時(shí)刻故障消失.仿真時(shí)間為10 s,仿真步長設(shè)為h= 0.01s.發(fā)電機(jī)采用三階模型,為了抑制增幅性低頻振蕩和阻尼聯(lián)絡(luò)線大擾動(dòng)后的低頻振蕩,在3臺(tái)發(fā)電機(jī)上都安裝了PSS,在4號(hào)節(jié)點(diǎn)上裝設(shè)SVC,PSS和SVC控制器的初始參數(shù)設(shè)置如表1所示,優(yōu)化后的控制器參數(shù)值如表2所示,優(yōu)化參數(shù)的取值范圍是根據(jù)IEEE Std 421.2—1990的典型范圍適當(dāng)放寬后得到的.優(yōu)化1、2、3號(hào)機(jī) PSS和 SVC控制器參數(shù)后的搖擺曲線如圖4所示,優(yōu)化前后節(jié)點(diǎn)4的電壓如圖5所示,優(yōu)化前后機(jī)電模式特征根的變化如圖6所示.圖6中ξ為阻尼比,ω為復(fù)數(shù)特征根的虛部,σ為復(fù)數(shù)特征根的實(shí)部.

圖3 3機(jī)9節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)Fig.3 3-machine 9-bus system

表1 PSS和SVC控制器參數(shù)Table 1 Parameters of PSS and SVC

表2 3機(jī)9節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)優(yōu)化后的PSS和SVC控制器參數(shù)Table 2 Parameters of PSS and SVC after optimization of 3-machine 9-bus sgstem

圖4 3機(jī)9節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)優(yōu)化前后1、2和3號(hào)發(fā)電機(jī)的搖擺曲線Fig.4 Swing curves of Generators 1,2 and 3 before and after optimization of 3-machine 9-bus sgstem

圖5 優(yōu)化前后節(jié)點(diǎn)4的電壓Fig.5 Voltage at Bus 4 before and after optimization

優(yōu)化參數(shù)的取值范圍如下:

從圖4和5中可以看出,優(yōu)化后的PSS和SVC控制器不僅能有效地阻尼大干擾引起的系統(tǒng)振蕩,而且能降低故障后的電壓波動(dòng),使發(fā)電機(jī)功角和節(jié)點(diǎn)電壓盡快恢復(fù)到正常水平.從圖6可以觀察到,優(yōu)化后系統(tǒng)的機(jī)電模式特征值大幅度向復(fù)平面的左半平面移動(dòng),阻尼比等也顯著增大,說明了基于軌跡靈敏度技術(shù)的PSS和SVC控制器參數(shù)的協(xié)調(diào)優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)于提高系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定性也有顯著作用.

圖6 3機(jī)9節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)優(yōu)化前后機(jī)電模式特征根的變化Fig.6 Eigenvalues corresponding to electromechanical modes before and after optimization of 3-machine 9-bus system

4.2 10機(jī)39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)

10機(jī)39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)接線如圖7所示,故障條件為3號(hào)母線上0.2s時(shí)刻發(fā)生三相短路故障,0.3s時(shí)刻故障消失.仿真時(shí)間為 10 s,仿真步長設(shè)為h=0.01s.發(fā)電機(jī)采用三階模型,為了抑制增幅性低頻振蕩和阻尼聯(lián)絡(luò)線大擾動(dòng)后的低頻振蕩,根據(jù)機(jī)電模式λi和狀態(tài)量Δωi(j=1,2,…,n)的相關(guān)因子,選擇PSS的安裝地點(diǎn),在1號(hào)機(jī)(節(jié)點(diǎn)39)和10號(hào)機(jī)(節(jié)點(diǎn)30)上安裝PSS,在5號(hào)節(jié)點(diǎn)上安裝SVC,PSS和SVC的參數(shù)設(shè)置和參數(shù)約束條件與3機(jī)9節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)相同,表3為優(yōu)化后的控制器參數(shù)值.

圖7 10機(jī)39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)Fig.7 10-machine 39-bus system

表3 10機(jī)39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)優(yōu)化后的PSS和SVC控制器參數(shù)Table 3 Parameters of PSS and SVC after optimization of 10-machine 39-bus system

3機(jī)9節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)J由初始值8.850×10-5經(jīng)第1次優(yōu)化后下降為5.391×10-5,經(jīng)第2次優(yōu)化后降為3.088×10-5,再經(jīng)第3次優(yōu)化后,目標(biāo)函數(shù)變化很小,已達(dá)到收斂精度(ε取10-7).10機(jī)39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)中經(jīng)兩次優(yōu)化后目標(biāo)函數(shù)值明顯下降,從初始值2.055×10-4減小為1.440× 10-4,并在第3次優(yōu)化后下降很小,達(dá)到收斂精度,可以看出,該方法在更復(fù)雜的多機(jī)系統(tǒng)中,相同收斂精度下優(yōu)化次數(shù)并沒有明顯增大,優(yōu)化次數(shù)均為3.這主要是因?yàn)橐胲壽E靈敏度技術(shù)后得到了目標(biāo)函數(shù)對(duì)于待優(yōu)化參數(shù)的較準(zhǔn)確導(dǎo)數(shù)值,再用共軛梯度法根據(jù)這些實(shí)時(shí)變化的梯度信息對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,可以加快優(yōu)化求解的收斂速度,更好地逼近目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)值.從兩個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)化次數(shù)可以看出,軌跡靈敏度技術(shù)的引入使PSS與SVC的協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)可以在多機(jī)系統(tǒng)中得到很好的應(yīng)用.

圖8為系統(tǒng)優(yōu)化前后的搖擺曲線圖,圖9為優(yōu)化前后節(jié)點(diǎn)5的電壓圖.從圖8、9中可以看出,文中方法在復(fù)雜的多機(jī)系統(tǒng)中同樣能有效地阻尼系統(tǒng)振蕩,提高暫態(tài)穩(wěn)定性,并降低故障后節(jié)點(diǎn)電壓的波動(dòng),使電壓盡快恢復(fù)到正常范圍.圖10為優(yōu)化前后機(jī)電模式特征根的變化圖,從圖中可以看出大部分機(jī)電模式特征根向復(fù)平面的左半平面移動(dòng),這種現(xiàn)象可以用文獻(xiàn)[12]中提到的借阻尼現(xiàn)象來解釋,文中方法提供給機(jī)電模式的阻尼比大部分是從非機(jī)電模式中轉(zhuǎn)移而來,僅小部分是從其它機(jī)電模式中轉(zhuǎn)移而來,但總的來說,這種方法增大了系統(tǒng)機(jī)電模式的阻尼比,從而提高了系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定性.

圖8 10機(jī)39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)優(yōu)化前后的搖擺曲線Fig.8 Swing curves before and after optimization of 10-machine 39-bus system

圖9 優(yōu)化前后節(jié)點(diǎn)5的電壓Fig.9 Voltage at Bus 5 before and after optimization

圖10 10機(jī)39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)優(yōu)化前后機(jī)電模式特征根的變化Fig.10 Eigenvalues corresponding to electromechanical modes before and after optimization of 10-machine 39-bus system

5 結(jié)語

文中提出了一種基于時(shí)域仿真和軌跡靈敏度技術(shù)相結(jié)合的多目標(biāo)PSS和SVC協(xié)調(diào)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法.在優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)中加入了阻尼功角振蕩和降低電壓波動(dòng)的因素,在增強(qiáng)了系統(tǒng)功角穩(wěn)定性的同時(shí),有效地降低了故障后的電壓波動(dòng).軌跡靈敏度技術(shù)的應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)了對(duì)梯度信息的實(shí)時(shí)跟蹤,加快了優(yōu)化求解的收斂速度,使目標(biāo)函數(shù)快速逼近最優(yōu)值.在3機(jī)9節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)和10機(jī)39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)上的仿真結(jié)果表明,該方法能有效抑制低頻振蕩,提高暫態(tài)穩(wěn)定性和小干擾穩(wěn)定性,并降低故障后的電壓波動(dòng),采用文中方法的PSS和SVC協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)在多機(jī)系統(tǒng)中具有較快的收斂速度.

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