葛俊峰

（集寧師范學(xué)院 科研設(shè)備處， 內(nèi)蒙古 烏蘭察布 012000）

MATLAB在自適應(yīng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器中的智能優(yōu)化分析

葛俊峰

（集寧師范學(xué)院 科研設(shè)備處， 內(nèi)蒙古 烏蘭察布 012000）

為提升電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的使用效果，分析了影響低頻振蕩的因素，并對自適應(yīng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的相關(guān)配置進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上，并以 MATLAB 為工具，研究了自適應(yīng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器智能調(diào)節(jié)分析的優(yōu)化方法.

電力系統(tǒng)；穩(wěn)定器；自適應(yīng)；智能優(yōu)化

隨著我國經(jīng)濟(jì)、社會的不斷發(fā)展，人們對電力的使用需求越來越高.為滿足社會不斷增長的電力需求，超高壓遠(yuǎn)距離輸電線路及其相應(yīng)的發(fā)電設(shè)備不斷地被開發(fā)出來，電力系統(tǒng)行業(yè)也逐漸向著長距離、大容量、高復(fù)雜性的方向發(fā)展.由于電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，相應(yīng)的問題也逐漸顯現(xiàn)，其中最為明顯的是低頻振蕩對電力系統(tǒng)整體安全造成的威脅.如何對電力系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計與改進(jìn)，從而能夠在方便管理的前提下，有效解決電力系統(tǒng)低頻振蕩問題，是目前行業(yè)內(nèi)亟待解決的關(guān)鍵性問題.雖然電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的開發(fā)對于低頻振蕩有一定的緩解作用，但由于電力系統(tǒng)本身的復(fù)雜性，僅僅依靠人工對電力系統(tǒng)穩(wěn)定器進(jìn)行整定與控制，一方面缺乏準(zhǔn)確性，另一方面，在安全性、快捷性上也存在諸多方面的不足.

鑒于此，本文就自適應(yīng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器展開研究，并以MATLAB為研究手段，對其參數(shù)的智能優(yōu)化進(jìn)行了仿真與分析.成果有利于新一代的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的研發(fā).

1 電力系統(tǒng)低頻振蕩探討

在不同的電網(wǎng)之間，發(fā)電機通過相應(yīng)的輸電線路平行地運行.在這種情況下，當(dāng)擾動出現(xiàn)時，發(fā)電機轉(zhuǎn)子之間會出現(xiàn)相互的擺動現(xiàn)象，這種擺動的現(xiàn)象在一定條件下會引發(fā)持續(xù)的振蕩，進(jìn)而引起低頻振蕩的發(fā)生.電力系統(tǒng)低頻振蕩是較為常見影響電力系統(tǒng)安全性的因素.它主要由以下幾個方面的因素引起：

（1）電網(wǎng)之間的弱聯(lián)系.兩個獨立電網(wǎng)之間聯(lián)絡(luò)回路較少、導(dǎo)線截面較小以及阻抗過大都會引起電網(wǎng)之間弱聯(lián)系的出現(xiàn).

（2）長線路、遠(yuǎn)距離輸電的影響.由于供電的需求，長線路、遠(yuǎn)距離的輸電系統(tǒng)往往在所難免，在這樣的系統(tǒng)中，低頻振蕩是較為常見的現(xiàn)象.

（3）勵磁系統(tǒng)的影響.低頻振蕩往往更容易發(fā)生在高放大倍數(shù)的勵磁系統(tǒng)的電力系統(tǒng)中，對電力系統(tǒng)的安全造成隱患.

歸結(jié)起來，電力系統(tǒng)產(chǎn)生低頻振蕩的原因為：電力系統(tǒng)機械模式阻尼較小造成系統(tǒng)振蕩無法平息，從而引起低頻振蕩；電力系統(tǒng)在勵磁控制過程中，勵磁電流對勵磁電壓產(chǎn)生的之后作用導(dǎo)致了低頻振蕩的產(chǎn)生；由于勵磁系統(tǒng)變化時間過短造成的電力系統(tǒng)擾動過大從而引起低頻振蕩；電力系統(tǒng)本身具有非線性特性，這種非線性特性在較小的擾動下容易使電力系統(tǒng)特性和狀態(tài)發(fā)生變異，從而導(dǎo)致低頻振蕩的發(fā)生；人為的不適當(dāng)控制引起的電力系統(tǒng)擾動，從而誘發(fā)低頻擾動.

2 自適應(yīng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的構(gòu)建

為了更為有效地解決電力系統(tǒng)低頻振蕩問題，從上世紀(jì) 50年代起，自適應(yīng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器就被研發(fā)出來.自適應(yīng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器大致可分為自動校正穩(wěn)定器、模型參考自適應(yīng)穩(wěn)定器以及其他類型自適應(yīng)穩(wěn)定器.在這其中，自校正穩(wěn)定器是一種將模型參數(shù)的預(yù)估和控制器參數(shù)的設(shè)計相結(jié)合起來的、綜合性的穩(wěn)定器自適應(yīng)技術(shù).這種技術(shù)具有設(shè)計靈活、操作簡單的優(yōu)勢，在電力系統(tǒng)中得到了較為廣泛的應(yīng)用.

本文所描述的自適應(yīng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器是基于帶有遺忘因子的遞推最小二乘法構(gòu)建的.其方法為在原有遞推運算時，對數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的加權(quán)計算，從而使相應(yīng)的數(shù)據(jù)作用得到突出，從而達(dá)到“遺忘”的目的.其具體的算法為：以 λ（0＜λ＜1）為加權(quán)因子（遺忘因子），在相應(yīng)的數(shù)據(jù)得以測出時，以該數(shù)值乘以遺忘因子，以達(dá)到加權(quán)的目的.

2.1 自適應(yīng)穩(wěn)定器的電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

自適應(yīng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的構(gòu)成一般分為：系統(tǒng)模型、控制器與參數(shù)識別器.在這其中，系統(tǒng)模型是自適應(yīng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的基礎(chǔ)，它是以數(shù)學(xué)方法將電力系統(tǒng)數(shù)值化地表示出來，并對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗證與檢測，從而得到相關(guān)數(shù)據(jù).參數(shù)識別器的主要功能是對自適應(yīng)穩(wěn)定器的參數(shù)進(jìn)行計算，在其中，所采用的算法是帶有遺忘因子 λ 的遞推算法.控制器是在不斷調(diào)整極點移動配置控制的基礎(chǔ)上開發(fā)的能夠直接對系統(tǒng)進(jìn)行控制的應(yīng)用程序.自適應(yīng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的各個組成部分不是獨立地進(jìn)行運作，而是作為一個有機的整體進(jìn)行運轉(zhuǎn)，以達(dá)到降低低頻振蕩的目的.

2.2 自適應(yīng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器系統(tǒng)模型的選擇

電力系統(tǒng)本身是一個極為復(fù)雜的非線性的體系，在自適應(yīng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器計算的過程中，必須考慮其參數(shù)的未知性與時變性.針對自適應(yīng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的非線性狀況，很難用較為精確的數(shù)值模型對其進(jìn)行仿真.在模型選擇時，應(yīng)從部分出發(fā)，將系統(tǒng)的整體分割為不同的小系統(tǒng)，在各個小系統(tǒng)中利用線性模型進(jìn)行表示.

2.3 自適應(yīng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器閉環(huán)參數(shù)的識別

就自適應(yīng)穩(wěn)定器而言，其參數(shù)識別器是在閉環(huán)條件下展開運行的.在這種條件下，參數(shù)識別器接收到的往往是一組特征并不明顯的數(shù)據(jù)，利用這種數(shù)據(jù)，很難對系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行估計.因此，在實際應(yīng)用過程中，往往在電力系統(tǒng)輸入或輸出端口進(jìn)行相應(yīng)的信號擾動，從而使得系統(tǒng)的行為不斷地得到激勵.擾動信號應(yīng)具有足夠的頻率帶，以使其能夠涵蓋系統(tǒng)的頻率.另外，擾動信號應(yīng)不影響系統(tǒng)本身的合理運行.因此，擾動信號應(yīng)具有能夠?qū)崟r調(diào)節(jié)或自動調(diào)節(jié)的功能，從而使得參數(shù)識別器的使用效果更為優(yōu)良.

3 基于 MATLAB 的自適應(yīng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器優(yōu)化分析

作為一種具備精確計算與數(shù)值仿真功能的高性能交互式計算機語言平臺，MATLAB為電力系統(tǒng)的運算與仿真提供了專有的 SimPowerSystems模型庫，主要由電源庫、電機模型和測量元件等相關(guān)部分組成.在 SimPowerSystems模型運算過程中，用戶可將不同的元件進(jìn)行連接，并通過相應(yīng)地語言進(jìn)行控制，以達(dá)到模擬仿真的目的.

3.1 帶 λ 參數(shù)識別器的實現(xiàn)

本文中，以三階離散模型對電力系統(tǒng)進(jìn)行表征.在模型中，引入權(quán)值遺忘因子 λ，并采用 S-Function Builder工具對相應(yīng)的識別器函數(shù)進(jìn)行編寫.在此基礎(chǔ)上，將編譯完成的S-Function進(jìn)行封裝.為保證自適應(yīng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器仿真過程中參數(shù)識別器計算仿真的準(zhǔn)確性，本文在 MATLAB的基礎(chǔ)上研發(fā)了相應(yīng)的計算驗證程序.驗證結(jié)果表明，當(dāng)時間為0.09s時，識別器能夠?qū)?shù)進(jìn)行識別，模型識別參數(shù)與實際參數(shù)的相關(guān)性良好.

3.2 極點移動配置控制器的實現(xiàn)

自適應(yīng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器 MATLAB仿真中機電移動配置控制器由參數(shù)估計值確定，其設(shè)計控制律如式（1）所示.

在式（1）的基礎(chǔ)上，通過數(shù)值運算，得到控制器的控制量如式（2）所示.

在 MATLAB中，自適應(yīng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器極點移動配置控制器由 MATLAB中的 Fen模塊構(gòu)建，并最終封裝成一個控制模型.

3.3 移動因子自動調(diào)節(jié)控制仿真

不同的移動因子參數(shù)輸入能夠獲得不同的控制仿真效果.當(dāng)移動因子為1時，控制器無輸出；而當(dāng)移動因子為0.9995-0.9998時，控制器的輸出對于改良低頻振蕩能夠取得較為良好的效果.由此看來，移動因子的微小變化對控制器有較大的影響.本文在此基礎(chǔ)上，研究了移動因子的自動調(diào)節(jié)控制方法，以控制相應(yīng)的參數(shù)數(shù)值在一定范圍以內(nèi)，從而達(dá)到抑制低頻振蕩的目的.在 MATLAB仿真中，將移動因子設(shè)定在一定合理的范圍，當(dāng)自適應(yīng)穩(wěn)定器輸出超出范圍后，通過程序的自動識別，可將移動因子進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，以完成對輸出結(jié)果控制的目的.

4 結(jié)語

自適應(yīng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器是抑制低頻振蕩的較為直接也較為有效的方法.為提升電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的使用效果與操控效果，本文在對低頻振蕩產(chǎn)生因素進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，對自適應(yīng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的相關(guān)參數(shù)與配置進(jìn)行了構(gòu)建，并以MATLAB為工具，研究分析了自適應(yīng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器智能調(diào)節(jié)分析的優(yōu)化方法.成果有利于自適應(yīng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的不斷完善與推廣應(yīng)用.

〔1〕王海風(fēng),韓禎祥,B.W.Hogg.自適應(yīng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器設(shè)計的頻域方法[J].中國電機工程學(xué)報,1992（06）:3-12.

〔2〕楊祉涵,張雪霞,李奇,鄧美玉.基于自適應(yīng)差分算法的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器參數(shù)設(shè)計[J].四川電力技術(shù),2011（03）:26-28+72.

〔3〕楊敏虹.電力系統(tǒng)穩(wěn)定器參數(shù)選擇和優(yōu)化分析[J].電工技術(shù),2001（09）:42.

〔4〕劉楊名,嚴(yán)正.基于自適應(yīng)遺傳算法的系統(tǒng)PSS參數(shù)優(yōu)化[J].中國農(nóng)村水利水電,2007（11）:129-132+136.

〔5〕溫嘉斌,湯偉.基于MATLAB的PSS的仿真分析[J].信息技術(shù),2010（04）:75-78.

TM44

A

1673-260X（2014）08-0040-02

內(nèi)蒙古教育廳科研項目（NJZC14292)階段性成果