楊躍

（昆明工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，云南 昆明 650302）

電力系統(tǒng)供電負荷的穩(wěn)定性主要指，在被外界所干擾的情況下比如雷雨天氣時，發(fā)電機組依然能夠保持同步運行能力，并且電力傳輸保持一定的穩(wěn)定性，不會影響到人們生產(chǎn)和生活中的正常用電。在電力行業(yè)的發(fā)展中，逐漸增強了電網(wǎng)區(qū)域的互聯(lián)程度。如今，電網(wǎng)已經(jīng)是多區(qū)域互聯(lián)的電力系統(tǒng)，包括了若干控制區(qū)域。在家庭和工業(yè)供電要求逐漸增多的情況下，遠距離傳輸電力面臨更重的挑戰(zhàn)，基礎(chǔ)性的難題就是供電負荷穩(wěn)定性，導致電壓失穩(wěn)有多方面的原因。在研究負荷時，本文主要從其非線性特征上入手，考慮非線性特性對電力系統(tǒng)供電負荷穩(wěn)定性的影響，從而提出優(yōu)化控制供電負荷穩(wěn)定性的有效措施。所以，控制電力系統(tǒng)供電負荷穩(wěn)定性主要是穩(wěn)定控制頻率和有功功率。

1 優(yōu)化控制電力系統(tǒng)供電負荷穩(wěn)定性的必要性

電力系統(tǒng)負荷會隨時出現(xiàn)變化，負荷擾動的突然出現(xiàn)會導致系統(tǒng)頻率出現(xiàn)偏差。所以，設(shè)計優(yōu)化控制供電負荷以保持其穩(wěn)定性的系統(tǒng)設(shè)計是非常有必要的，主要作用是確保電力系統(tǒng)輸送電能的質(zhì)量和負荷頻率穩(wěn)定?？刂曝摵深l率的任務(wù)主要有兩個：（1）在受到負荷變化的干擾時，確保電力系統(tǒng)負荷頻率出現(xiàn)的偏差是0，同時要確保聯(lián)絡(luò)線交換功率返回一開始的設(shè)定值。（2）針對無法確定的一些參數(shù)、系統(tǒng)模型和外部干擾，控制器在設(shè)計時要保證其有魯棒性能。

2 負荷頻率控制的有關(guān)研究

在設(shè)計和操作電力系統(tǒng)時，只能借助積分控制常規(guī)的負荷頻率是一個重要問題。而積分增益在過大的時候，會導致系統(tǒng)性能降低，系統(tǒng)發(fā)生嚴重振蕩，也可能會有不穩(wěn)定的情況出現(xiàn)。所以，積分增益的設(shè)置要折中，設(shè)置在較小超調(diào)與系統(tǒng)理想暫態(tài)恢復響應(yīng)之間。如今一些文獻已經(jīng)有了不少針對負荷頻率控制積分增益整定的方法。

在增加了電力系統(tǒng)復雜性，擴大了電網(wǎng)規(guī)模的情況下，也增加了系統(tǒng)振蕩導致廣域停止供電的風險。在負荷頻率控制上，一些文獻已經(jīng)提出了一些方法。比如有的文獻對于雙饋風型的電機組，提出了負荷頻率控制的兩種策略，控制下降速率和控制慣性；有的文獻提出了以內(nèi)?？刂坪投杂啥葹榛A(chǔ)整定PID的過程，不過這些文獻都沒有考慮到系統(tǒng)的非線性。在電力系統(tǒng)的實際運行中，普遍存在非線性情況。所以，要以負荷頻率控制系統(tǒng)的非線性基礎(chǔ)，設(shè)計控制器，確保系統(tǒng)控制性能。近幾年，一些文獻也研究了負荷頻率控制系統(tǒng)的非線性情況。比如有的文獻對于負荷頻率控制系統(tǒng)，提出利用FCMCT來生成最優(yōu)模糊規(guī)則；有的文獻通過模糊邏輯控制設(shè)計了直流電機的死區(qū)補償裝置；有的文獻依據(jù)負荷頻率控制中有發(fā)電速率約束存在，提出了控制擴張積分的措施，從而消除控制常規(guī)PI導致的超調(diào)量。

這些文獻提供了不少控制措施來解決負荷頻率控制問題和負荷頻率控制的非線性特性，并通過一些算法實施優(yōu)化控制。但控制器的設(shè)計結(jié)構(gòu)比較復雜，有較大的計算量，應(yīng)用到工業(yè)上的困難比較大。所以，本文對負荷頻率控制系統(tǒng)的非線性特征，提出了線性自抗擾控制。相比其他控制，線性自抗擾控制有更加簡單的機構(gòu)，并且在非線性的系統(tǒng)中也都能夠適用。這種控制器只要將兩個參數(shù)整定就可以了，整定比較方便，計算也相對簡單，在工業(yè)中也有比較好的應(yīng)用。

3 優(yōu)化控制電力系統(tǒng)供電負荷穩(wěn)定性的系統(tǒng)模型

針對供電負荷的非線性，對其穩(wěn)定性進行優(yōu)化控制的系統(tǒng)模型。△XG(t)代表調(diào)速器氣門的位置變化，△PG(t)代表汽輪機輸出發(fā)生的變化，△f(t)代表頻率偏差，TG代表調(diào)速器的時間常數(shù)，TT代表汽輪機的時間常數(shù)，TP代表發(fā)電機的時間常數(shù)，KP代表發(fā)電機的增益，△Pd代表負荷擾動。電力系統(tǒng)由三個組成部分：調(diào)節(jié)閥動態(tài)、電力系統(tǒng)動態(tài)和汽輪機動態(tài)。這三個動態(tài)的計算公式分別是：

調(diào)節(jié)閥動態(tài)Gg(s)=1/(TGs+1)

電力系統(tǒng)動態(tài)Gp(s)=Kp/(Tps+1

汽輪機動態(tài)Gt(s)=1/(TTs+1)

系統(tǒng)模型的表示可以是：△f=G(s)u+Gd(s)△Pd

其中：

R是機組的下降特性。所以，負荷頻率控制問題主要就是抑制擾動的問題。但是，由于存在限幅限速、發(fā)電速率約束和調(diào)速器的死區(qū)等非線性，惡化了系統(tǒng)性能，使控制的控制難度和復雜度都有所增加。因此，基于負荷頻率控制非線性的控制器能將非線性的響應(yīng)有效消除，并且方便計算，結(jié)構(gòu)也比較簡單，應(yīng)用也比較便捷。

4 線性自抗擾控制

在非線性系統(tǒng)中首次提出應(yīng)用自抗擾控制來應(yīng)對抗干擾問題是在1998年。應(yīng)用思想是通過一個觀測擴張狀態(tài)的裝置對系統(tǒng)擾動進行估計，之后采取簡單控制來抑制。這種應(yīng)用思想和反饋線性化有相似之處，不過其結(jié)構(gòu)更加簡單，在不同線性系統(tǒng)中也能夠適應(yīng)。然而，因為非線性的自抗擾控制要對多個參數(shù)進行調(diào)節(jié)，無法廣泛應(yīng)用在實際中。之后有學者提出簡化非線性的自抗擾控制，提出了線性自抗擾控制，這種控制器只要對兩個參數(shù)進行整定，使整定自抗擾控制的過程得到大幅度簡化，從而有了應(yīng)用在工業(yè)中的可能性。一個線性自抗擾控制要對兩組參數(shù)進行設(shè)計，也就是重積分系統(tǒng)狀態(tài)反饋增益，狀態(tài)觀測器的觀測增益。為了方便調(diào)節(jié)，有文獻提出轉(zhuǎn)化兩組增益整定為觀測器帶寬和控制器帶寬。反饋控制律的增益只要對單個參數(shù)控制器帶寬進行調(diào)節(jié)即可。線性自抗擾控制是和被控對象模型相獨立的一種控制結(jié)構(gòu)，具有普適性，要了解對象相應(yīng)增益和相對階。尤其是線性自抗擾控制只要對兩個參數(shù)進行整定，控制人員也比較好理解。除此之外，線性自抗擾控制自帶積分，所以設(shè)計時就不用再加入額外的積分器。

5 補償誤差的策略

在具有非線性特征的負荷頻率控制系統(tǒng)中應(yīng)用線性自抗擾控制，從而改善和恢復系統(tǒng)的性能。不過，線性自抗擾控制是一般性的控制結(jié)構(gòu)，假如系統(tǒng)有非線性特征存在，要把線性自抗擾控制變成高階控制器，不過會對原有控制結(jié)構(gòu)造成破壞，也可能會導致線性自抗擾控制喪失主動抗擾的功能。為了解決這一問題，可以采取誤差補償，在確保線性自抗擾控制能一直主動抗擾的前提下，提升其控制性能。

以線性自抗擾控制為基礎(chǔ)的誤差補償措施設(shè)計。設(shè)計思想是把汽輪機的實際輸出和理論輸出誤差都當成外部擾動，將負荷頻率控制加入進去再估計。如此一來，線性自抗擾控制就能夠?qū)⒎蔷€性的影響有效消除，迅速改善和恢復系統(tǒng)控制性能。

6 電力系統(tǒng)被干擾后負荷的失穩(wěn)特性

負荷失穩(wěn)主要指的是因為運行電壓偏低，負荷元件必須要采取保證能量轉(zhuǎn)化功效正常的一些措施，或者是因為電壓在運行時過低，導致內(nèi)部的核心裝備被損壞，也可能因為要進行電力系統(tǒng)的保護行為而將電源暫時切斷。之所以會出現(xiàn)電荷失穩(wěn)現(xiàn)象，主要是因為以下一些情況：（1）在電壓較低的時候，負荷元件失去了穩(wěn)定性。（2）感應(yīng)電動機出現(xiàn)失速甚至是堵轉(zhuǎn)問題，比如冰箱、熱泵、空調(diào)等帶有壓縮機的感應(yīng)電動機發(fā)生堵轉(zhuǎn)和失速、熒光燈突然熄滅等等問題。在負荷元件出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象之后，無功功率和有功功率都會出現(xiàn)急劇變化，在嚴重的情況下，甚至會對整個系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定性造成嚴重影響。

之所以出現(xiàn)負荷失穩(wěn)，其原因主要是負載失穩(wěn)之后會吸收線路中的電流，導致電流無功功率增加，增大了線路電壓降落，減小了負荷電壓，導致線路電壓不穩(wěn)。所以，電動機出現(xiàn)保護性的停轉(zhuǎn)、熒光燈的熄滅等都是為系統(tǒng)出現(xiàn)不足的無功功率做緩解，在電壓穩(wěn)定后再繼續(xù)工作。出現(xiàn)負荷失穩(wěn)現(xiàn)象之后，可以分析電壓穩(wěn)定因靜態(tài)負荷而導致的影響。其中靜態(tài)負荷的特性主要指電壓的變化穩(wěn)定之后，負荷功率和電壓間的關(guān)系。比如在單機系統(tǒng)中，系統(tǒng)負荷達到極限值后，假如繼續(xù)提升，系統(tǒng)會出現(xiàn)不穩(wěn)定。在分析靜態(tài)電壓的穩(wěn)定控制時，采取的方法是靜態(tài)模型來對負荷進行描述，從靜態(tài)角度對電壓發(fā)生崩潰的原理做解釋。采取代數(shù)方法計算系統(tǒng)運行當前的極限點距離，對管理電力系統(tǒng)運行的工作人員來說，系統(tǒng)運行功率的極限是最為直觀的。在運行負荷比較高時，通過改變負荷來控制功率運行的不穩(wěn)定狀態(tài)，也就是在降低負荷阻抗時降低功率。電壓和電力系統(tǒng)能不能保持穩(wěn)定狀態(tài)很大程度上取決于負荷特點，所以電力行業(yè)的人員要積極研究電力系統(tǒng)供電負荷的穩(wěn)定性，通過提高負荷穩(wěn)定性，提高電力系統(tǒng)整體運行的穩(wěn)定性，從而為人們提供更好的電力服務(wù)。

7 結(jié)語

由于電力系統(tǒng)具有非線性的特性，在優(yōu)化控制供電負荷穩(wěn)定性中采取線性自抗擾控制方法。同時為了使線性自抗擾控制系統(tǒng)的性能得到有效提升，需要采取誤差補償措施，從而將非線性特性所造成的影響盡快消除掉。

參考文獻：

[1]常帥兵,譚文.電力系統(tǒng)供電負荷穩(wěn)定性優(yōu)化控制研究[J].計算機仿真,2016,33(11):87-91.