新型电力系统稳定控制

》Estimator：动态参数辨识
--- 非跟踪问题（无reference model)；
--- 电力系统一般认为属此类；
--- 注意：非线性系统Controller及 Estimator分不开，且无一般方法 作系统辨识，难！
aˆ Estimator
aˆ : Estimated parameters
（PMU）和连接PMU的实时通信网络； ▪ 可提供同一参考时间框架下的系统实时的稳态和动态信息，
以用于实时监护，分析和控制。 ▪ 在电力系统中的应用：
» 基波/谐波状态估计：WAMS可获取节点电压幅值和相角 » 动态过程记录及分析，进行动态监视； » 元件动态模型和参数的辨识和校正； » 故障定位和线路参数量测；
▪ 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.
引言:新型电力系统稳定控制的提出
▪ 非线性、鲁棒、自适应控制的必要性。 ▪ 用WAMS（广域测量）信号作全面协调的优越性：可以证明它
对互联系统稳定性、连锁故障适应性特别有效！
▪ 应用非线性鲁棒自适应控制，并应用WAMS信号，分三个层次
解决电力系统稳定控制问题
（1）先解决紧密联系的交流系统（如省网）的同步运行稳定 （2）再解决互联电力系统（如互联的省网及互联的区域网）的
, i 12
,i 21
：已知函数；
d
i1
,
d
i
：有界误差。
2
（3-2）的平衡点为原点；应用“反步法”和适当定义的李雅普诺夫函数
导出i 的控制规律使（3-2）稳定，则可用它的定义式求出Efd的控制规律。
(3-2)稳定等价于(3-1)稳定， 从而原系统同步稳定于50Hz。
i i0 , i i0 , i 0.
WAMS信号在稳定控制中的应用
惯量中心(COI)坐标：新控制方案核心
▪ 发电机转子角 (i ) 和转速 (i ) 可用WAMS测到。相对负荷而
言：测点少，精度高（因为转动惯量大）。
▪ 定义系统惯性中心（Center of inertia）等值转子角；为：
Mii
COI
i
MT
( Mii Pacc,i , MT Mi ) i
COI坐标的鲁棒自适应励磁控制
跟踪COI的鲁棒自适应励磁控制
采用COI坐标，新状态变量x 定义如(1)；(y, y’, y”): COI变量定义如(2)(量测滞 后Dt)；系统规范化后方程 如(３)。
与同步坐标相似，对（３） 导出鲁棒自适应励磁控制规律
原系统同步稳定于：
(i i0 ) (COI COI ,0 ),
i COI , i COI .
即：发电机跟踪系统惯量中心 (COI)，与之同调(coherent)。
x ( y ) ( y )
i1
i
r
i0
r0
x y
i2
i
r
x
0 (P
P)
D i
y
(1)
M i 3
mi
ei
Mi
r
i
i
y (t) (t Dt), y(t) (t Dt)
r
COI
) xn
,
)
( j 1, ...,(n 1))
x：n 维状态变量，v：控制变量，：未知参数
-- 弱三角形：上式fj(*)中xjxj+1
--
近似型：
x j x j1
xn v fn( x,
)
( j 1, ...,(n 1))
▪ 未知参数 出现形式： 'fT ( x) '：（线性出现）
'f ( x , )'：（非线性出现）
极限。
▪ 电力电子技术应用：HVDC、FACTS技术（快速、灵活和复
杂的控制）
▪ 其他新技术应用：控制理论、优化方法、计算机、 AI技
术、通信技术等等 —新问题、新技术、新挑战！
引言:传统稳定控制存在的问题
▪ 基于线性控制理论，对系统在某一运行点线性化进行控制设计:
不能适应系统的非线性，不能适应运行点的大幅变化。
▪ 若系统有参数未知或模型有误差，控制器对之适应性差。 ▪ 基于就地信息：缺少全局性的关键的动态信息进行有效控制。 ▪ 控制器的协调差，一般只在典型运行点进行协调设计。 ▪ 多区域互联时，联络线稳定问题突出（区域间同步运行和联络
线功率振荡问题）。
▪ 当出现连锁（级联）故障时，传统稳定控制适应能力恶化。
▪ 控制变量 v ：为标量或矢量
▪ 电力系统经坐标变换，化为上述某类非线性系统方程，应
用相应成果作自适应控制设计，实现稳定控制。
WAMS信号在稳定控制中的应用原理
WAMS在电力系统中的应用
▪ WAMS=“Wide area measurements”，广域测量技术； ▪ 基本组成：基于全球定位系统（GPS）的同步相量测量单元
WAMS信号在稳定控制中的应用原理
WAMS在电力系统中的应用（续）
▪ 在电力系统中的应用（续）： » 暂态稳定预测和控制（难！） –判别失稳与否，给于适当的切机/切负荷控制量； –失步解列起动信号；
» V 和 f 稳定的监护和控制；
» 低频振荡分析和抑制（PSS中作输入信号）； » 全局反馈控制（克服基于本地量测的反馈控制的不足）。
动态系统的自适应跟踪控制
▪ 自适应控制分两大类：
（1）动态系统的自适应跟踪控制（称
y Reference
m
model
为模型参考自适应控制： Model
reference adaptive control， MRAC) 》Plant: 受控物理系统（方程知，但
r
u y Controller
Plant
第22届中国高等院校电力系统自动化专业年会
应用WAMS信号的 新型电力系统稳定控制
倪以信
香港大学
甘德强 蔡泽祥
浙江大学 华南理工大学
2006年10月
内容
1. 引言 2. 非线性自适应控制简介 3. 广域测量系统(WAMS) 在电力系统稳定控制中的
应用原理 4. 应用WAMS信号的非线性鲁棒自适应励磁控制 5. 应用WAMS信号的交直流互联系统直流功率调制 6. 总结
— 核心任务：保证系统安全稳定运行，防止大停电事故出现！ 这是最重要的质量和经济问题，是满足负荷需求的基础。
引言:电力系统发展的新动向
▪ 系统趋于互联：欧洲、美－加、中国。
—大规模ac/dc互联电力系统引起新的稳定问题：区域间 功率振荡,级联（cascaded,连锁)故障下的系统稳定性。
▪ 电力市场：潮流多变、系统经常重负荷运行、接近稳定
,.
xi1
xi
2
xi 3
其中： i
xi 2 xi 3
T i
fi
1
xi3
di1 (t )
0
Mi
( Pmi
Pei )
(i 1 ~ N ) (3 2)
0
Mi
i
f
T i
fi
2
di 2 (t )
(E fi ) :(3-2）的虚拟控制量；
i
Di
xdi
-
xd' i
:未知参数
i 11
,i 22
同步运行稳定性，大力推广应用直流输电和FACTS技术。 （3）实现全局混成控制：
--混成(hybrid)控制：和离散型控制(快关,切机/切负荷)相结合； --全局(global)控制：和中长期(f 和 V)稳定控制相结合。
▪ 可以预见，新的方案比传统控制有突出的优点和质的飞跃。
非线性自适应控制简介:
e
有未知参数）
》Reference model: 参考模型，控制 组成部分，使ym-ymin（“跟踪”）
aˆ Adaptation
law
》Controller：实现控制使e 0 》Adaptive law：根据e来动态估计
aˆ : Estimated parameters
未知参数，提供给控制器使用
A model reference adaptive
i
0
Mi
( Pmi
Pei )
Di Mi
( i
0 ) i1
(i 1 ~ N ) (3 1)
Eq' i
1 T'
d 0,i
( E fi
Eq' i
( xdi
xd' i )Idi ) i 2
模型特点:
»机端变量用于控制，“分散控制” （不要求协调）。
»考虑模型和参数的误差或摄动，要求实现鲁棒控制；
r
COI
y(t) (t Βιβλιοθήκη BaiduDt), d (t) d (t Dt)
r
COI _ f
i3
i3
y (t) y(t), y(t) y(t) d (t) (2)
r
r
r
r
i3
x x
i1
i2
x x D
i2
i3
i1
x v D
(3)
i3
i
i2
功角摇摆曲线/度
1 10
G No.1
2 20
G No.2
120
» SISO的自适应控制多， 而MIMO的自适应控制难且少。 » 可和鲁棒控制结合，适应模型与参数的误差：非线性鲁
棒自适应控制。
非线性自适应控制简介:
受控系统方程的特殊形式
▪ 受控系统非线性方程的特殊形式：
--
严格三角形：
xj xn
x
j1 f j ( x1 , ..., x j , ( x, )v fn ( x1, ...,
▪
则有COI速度：
COI
d COI
dt
M i i
i
MT
（ i 是与 0 的偏差）
WAMS信号在稳定控制中的应用
系统惯量中心（COI）的特点（１）
▪ 惯量中心COI (COI , COI ) 的特点：
» “滤去”了机组间的相对摇摆， 运动轨迹较“光滑”；
双机系统COI
(t)
COI
M11 M 22 M1 M2
▪ 当系统结构变化，有大电厂/大负荷停运，系统COI相应变化，跟 踪系统的COI更为合理，易保证系统同步稳定（控制能量小，允 许稳定在非50Hz频率）。
▪ 提供全局性信号，改善只用本地信号的控制器性能；
▪ COI信号 (COI ,COI )在大扰动下较平稳，易良好跟踪。 ▪ 对于暂态稳定和动态稳定（平抑机群间摇摆，阻尼功率振荡）同
A self-tuning control system
非线性自适应控制简介:
自适应控制的发展
▪ 线性系统的自适应控制：在80年代已成熟。 ▪ 非线性系统的自适应控制：从90年代起发展。
» 无通用的、一般化的方法，基本上基于李氏稳定性理论。 » 目前成果均针对特殊形式的非线性系统（电力系统属于
此类）。
100
80
60
40
20 0
-20 0
COI坐标的鲁棒自适应励磁控制
计算仿真结果（1）
400MW
3 101 13
110 11
G No.3
120 12
G No.4
１４
C1 C2
C3
▪Gen: 6th order, Load: Const-Z
Const. Pm, Limit of exc.: 0~6 pu
——飞行器控制多属此类。
control system
非线性自适应控制简介:
动态系统的自适应稳定控制
（2）动态系统自适应稳定控制（称
为自调节控制, self-tuning control,
STC)
r
u
y
》Plant: 受控物理系统（方程知，
Controller
Plant
有未知参数）
》Controller:实现控制使闭环系统 稳定。
» 反映了全局的（等值中心的）功角
和频率趋势；
1
▪ 用于作为跟踪对象
i i
COI COI
0 0
2
更利于系统同步稳定。
（ COI 可以大于或小于50HZ，稳定
域增大，而控制能量减小。）
(t)
WAMS信号在稳定控制中的应用
系统惯量中心（COI）的特点（２）
▪ 多区域互联电力系统：用各区域的COI信号，对联络线上动态元 件（HVDC或FACTS）进行控制（或用于PSS控制），可保持区域间 的同步稳定性；
»控制对未知参数（Di, (xdi-x’di))有自适应性； »模型中0为同步转速，如有WAMS信号(COI),
稳定控制可更有效、合理（后面介绍）。
COI坐标的鲁棒自适应励磁控制
同步坐标鲁棒自适应励磁控制(2)
对模型作坐标变换，规范化， xi1 i i0
规范化后模型为：
xi2 i 0
时有效，因为控制各机使它和COI同调/摆。
▪ 用于区域间的同步运行稳定性时，对各区域的复杂性和变化不敏 感，也减少了对控制器的协调要求。
COI坐标的鲁棒自适应励磁控制
同步坐标鲁棒自适应励磁控制(1)
▪ 发电机采用3阶模型（ ， ，Eq' ），N机系统计及参数和模型
误差（ ）的数学模型为:
i i 0
引言:电力系统的复杂性
▪ 大规模，分层分布，高度非线性的动态系统 ▪ 负荷不断随机波动，而电能不能储存 ▪ 不可预见的事故和扰动 ▪ 快速的暂态过程，系统可在几秒—几分钟内崩溃 ▪ 复杂的控制系统及其协调要求 ▪ 电力市场：厂网分开，追求利润，潮流不确定性和系统整体安
全稳定裕度可能下降。
▪ 大停电事故对社会政治、经济冲击极大。