一种多台SVC阻尼控制器的设计方法

摘要

本发明涉及一种多台SVC阻尼控制器的设计方法，包括下述步骤：（1）针对实际电网选择典型运行方式集，计算系统主导振荡模式信息，确认与主导模式相关的N台SVC作为设计对象；（2）N台SVC阻尼控制器开环条件下，依次计算运行方式集下的控制器开环传递函数集合和方式集下的相角集；（3）基于平衡相位技术计算多运行方式下的目标相位集；（4）使用目标相位集依次完成适应多运行方式变化的N台SVC阻尼控制器时间常数设计；（5）基于遗传算法完成适应多运行方式变化的N台SVC阻尼控制器增益协调设计。该设计方法消除系统安全稳定隐患，实现多台SVC阻尼控制器的协调稳定运行，充分发挥多台SVC的良好阻尼控制性能，有利于提高电力系统安全稳定和灵活运行。

权利要求

1.一种多台SVC阻尼控制器的设计方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：(1)确定电力系统主导振荡模式信息，并确定N台SVC阻尼控制器作为设计对象；

(2)确定SVC阻尼控制器在多运行方式下的开环传递函数特性集合；

(3)使用平衡相位技术确定多运行方式下的目标相位集；

(4)基于目标相位集依次完成适应多运行方式变化的N台SVC阻尼控制器时间常数设计；

(5)基于遗传算法对N台SVC阻尼控制器增益协调进行设计；

所述步骤(2)中，在N台SVC阻尼控制器开环条件下，利用测试信号法确定运行方式集下的SVC阻尼控制器开环传递函数特性集合；所述SVC阻尼控制器开环传递函数特性集合包括开环传递函数集合和运行方式下的相角集合；

利用测试信号法确定多运行方式下的SVC阻尼控制器开环传递函数特性集合包括下述步骤：a、对应第j个运行方式下，设第i台SVC阻尼控制器的输入量为U，在该SVC开环运行条件下，对其输出量Y施加小扰动信号，并提取公共周期内U和Y的变化量ΔU和ΔY；

b、利用数据拟合辨识出传递函数 并辨识出设计SVC阻尼控制器的相位和振荡模式信息；

c、令s＝jω,ω＝0～4pi，计算开环传递函数Gij(jω)和相角Φij(jω)；

d、重复步骤a-c，依次确定多个运行方式下的传递函数，并形成多个运行方式下的开环传递函数集合{Gij(jω)}和相角集合{Φij(jω)}；

所述步骤(3)，所述目标相位集由下述表达式表示：其中：Wij为权重系数，第i台SVC阻尼控制器在M种运行方式下权重系数满足权重系数大小依据运行方式阻尼情况设定；

所述步骤(4)中，基于目标相位集依次完成适应多运行方式变化的N台SVC阻尼控制器超前滞后时间常数设计包括：设第i台SVC阻尼控制器传递函数为： ①；

通过下述表达式确定超前滞后环节参数： ②；

③；

T1i＝αT2i ④；

T3i＝T1i ⑤；

T4i＝T2i ⑥；

其中：KSVCi表示第i台SVC阻尼控制器的增益、T1i、T2i、T3i、T4i分别表示第i台阻尼控制器对应的四个时间常数，α表示SVC阻尼控制器设计过程中的中间变量，φω为SVC阻尼控制器理想补偿相位，φ为SVC阻尼控制器滞后相位，ω为振荡频率；

所述步骤(5)中，基于遗传算法对N台SVC阻尼控制器增益协调进行设计，包括下述步骤：<1>确定决策变量及编码：将N台SVC阻尼控制器的增益作为决策变量，编码方式使用浮点数编码；

个体的每个基因值用某一范围内的一个浮点数来表示，个体的编码长度等于其决策变量的个数，个体的编码长度即为待设计SVC阻尼控制器的台数；

<2>种群初始化，并确定运行参数的约束条件：优化参数约束条件为：

Kmini≤Ki≤Kmaxi，i＝1,2，…N ⑦；

N台SVC阻尼控制器的约束条件为：

⑧；

其中：gii表示第i台SVC阻尼控制器开环情况下的系统传递函数、gPSDCi表示第i台SVC阻尼控制器的传递函数；

Kmini取为零或根据实际情况取最小允许值；

<3>适应值函数设计：

N台SVC阻尼控制器的优化目标函数为： ⑨；

其中，PSVCi(t)、PSVC0分别为第i台SVC阻尼控制器输入的时域响应和稳态值；

则适应值函数为：

⑩；

其中：Cmax是F的最大值估计；

<4>遗传算子设计：

遗传算子包括选择、交叉和变异操作；选择算子选为随机均匀函数，交叉算子选为分散函数，变异算子选为高斯函数；

<5>运行参数选择。

2.如权利要求1所述的多台SVC阻尼控制器的设计方法，其特征在于，所述步骤(1)中，针对实际电网选择典型运行方式集{Case 1，…，Case M}，确定电力系统主导振荡模式信息，包括振荡频率和阻尼比，确认与主导振荡模式联系的N台SVC作为设计对象，M为典型运行方式总数。

说明书

一种多台SVC阻尼控制器的设计方法

技术领域

[0001] 本发明涉及电力系统领域，具体涉及一种多台SVC阻尼控制器的设计方法。

背景技术

[0002] 随着电力系统的发展，灵活交流输电技术(FACTS)在电力系统中得到了广泛的应用。静止无功补偿器(SVC)是目前系统广泛应用的FACTS装置之一，在增强系统稳定性方面发挥了重要作用。最近的研究表明，多个SVC控制器间会有交互影响，这些交互会影响SVC装置的作用效果，甚至导致系统失稳。研究多SVC控制器间的交互影响及协调设计方法具有非常重要的理论意义和实用价值。

[0003] 目前在SVC建模、仿真模拟等方面已有大量报道，已有关于单台SVC高性能阻尼控制器设计方法方面的报道，但关于多台SVC阻尼控制器间协调设计方法研究鲜有报道。

[0004] 随着电网规模的不断扩大，低频振荡问题已成为电力系统稳定问题的一个重要方面，研究使用多台SVC提升系统阻尼，设计性能良好的SVC阻尼控制器，有效抑制系统低频振荡成为重要的研究课题。

发明内容

[0005] 针对现有技术的不足，本发明提供一种多台SVC阻尼控制器的设计方法，该方法解决了多台SVC阻尼控制器同时运行的负交互影响，实现多台SVC阻尼控制器的协调稳定运行，有利于提高电力系统安全稳定和灵活运行。

[0006] 本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

[0007] 本发明提供一种多台SVC阻尼控制器的设计方法，其改进之处在于，所述方法包括下述步骤：

[0008] （1）确定电力系统主导振荡模式信息，并确定N台SVC阻尼控制器作为设计对象；

[0009] （2）确定SVC阻尼控制器在多运行方式下的开环传递函数特性集合；

[0010] （3）使用平衡相位技术确定多运行方式下的目标相位集；

[0011] （4）基于目标相位集依次完成适应多运行方式变化的N台SVC阻尼控制器时间常数设计；

[0012] （5）基于遗传算法对N台SVC阻尼控制器增益协调进行设计。

[0013] 进一步地，所述步骤（1）中，针对实际电网选择典型运行方式集{Case1，…，Case M}，确定电力系统主导振荡模式信息，包括振荡频率和阻尼比，确认与主导振荡模式联系的N台SVC作为设计对象，M为典型运行方式总数。

[0014] 进一步地，所述步骤（2）中，在N台SVC阻尼控制器开环条件下，利用测试信号法确定运行方式集下的SVC阻尼控制器开环传递函数特性集合；所述SVC阻尼控制器开环传递函数特性集合包括开环传递函数集合和运行方式下的相角集合。

[0015] 进一步地，利用测试信号法确定多运行方式下的SVC阻尼控制器开环传递函数特性集合包括下述步骤：

[0016] a、对应第j个运行方式下，设第i台SVC阻尼控制器的输入量为U，在该SVC开环运行条件下，对其输出量Y施加小扰动信号，并提取公共周期内U和Y的变化量ΔU和ΔY；

[0017] b、利用数据拟合辨识出传递函数 并辨识出设计SVC阻尼控制器的相位和振荡模式信息；

[0018] c、令s=jω,ω=0～4pi，计算开环传递函数Gij(jω)和相角Φij(jω)；

[0019] d、重复步骤a-c，依次确定多个运行方式下的传递函数，并形成多个运行方式下的开环传递函数集合{Gij(jω)}和相角集合{Φij(jω)}。

[0020] 需要说明的是与现有技术相比，现有技术是仅针对单个运行方式计算一次系统传递函数特性，而本发明则在现有技术基础上，增加了多个运行方式下的传递函数特性计算，并以此作为控制器参数设计的数据基础，这样做的目的和优点是能够保证频率特性在多方式下的鲁棒性，从而为解决控制器参数的鲁棒性问题奠定基础。

[0021] 进一步地，所述步骤（3），所述目标相位集由下述表达式表示：

[0022]

[0023] 其中：Wij为权重系数，第i台SVC阻尼控制器在M种运行方式下权重系数满足权重系数大小依据运行方式阻尼情况设定。

[0024] 平衡相位技术是本发明的核心技术之一，虽然很简单，但却能解决现有普遍采用的基于单运行方式的技术难以解决的多控制器多运行方式下的适应性问题。

[0025] 进一步地，所述步骤（4）中，基于目标相位集依次完成适应多运行方式变化的N台SVC阻尼控制器超前滞后时间常数设计包括：

[0026] 设第i台SVC阻尼控制器传递函数为：

[0027] ①

[0028] 通过下述表达式确定超前滞后环节参数：

[0029] ②；

[0030] ③；

[0031] T1i=αT2i ④；

[0032] T3i=T1i ⑤；

[0033] T4i=T2i ⑥；

[0034] 其中：KSVCi表示第i台SVC阻尼控制器的增益、T1i、T2i、T3i、T4i分别表示第i台阻尼控制器对应的四个时间常数，α表示SVC阻尼控制器设计过程中的中间变量，φω为SVC阻尼控制器理想补偿相位，φ为SVC阻尼控制器滞后相位，ω为振荡频率。

[0035] 进一步地，所述步骤（5）中，基于遗传算法对N台SVC阻尼控制器增益协调进行设计，包括下述步骤：

[0036] <1>确定决策变量及编码：将N台SVC阻尼控制器的增益作为决策变量，编码方式使用浮点数编码；

[0037] 个体的每个基因值用某一范围内的一个浮点数来表示，个体的编码长度等于其决策变量的个数，本文中个体的编码长度即为待设计SVC阻尼控制器的台数。

[0038] <2>种群初始化，并确定运行参数的约束条件：

[0039] 初始种群的个体要求满足约束条件的可选解。

[0040] 优化参数约束条件为：

[0041] Kmini≤Ki≤Kmaxi，i=1,2，…N ⑦；

[0042] N台SVC阻尼控制器的约束条件为：

[0043] ⑧；

[0044] 其中：gii表示第i台SVC阻尼控制器开环情况下的系统传递函数、gPSDCi表示第i台SVC阻尼控制器的传递函数；

[0045] Kmini取为零或根据实际情况取最小允许值。

[0046] <3>适应值函数设计：

[0047] 适应值函数与优化目标函数密切相关，SVC阻尼控制器的目的是抑制系统中的有功功率、频率等量的振荡，使其保持正常值，因此可选取优化目标函数为：

[0048] N台SVC阻尼控制器的优化目标函数为：

[0049] ⑨；

[0050] 其中，PSVCi（t）、PSVC0分别为第i台SVC阻尼控制器输入的时域响应和稳态值；

[0051] 则适应值函数为：

[0052] ⑩；

[0053] 其中：Cmax是F的最大值估计；

[0054] <4>遗传算子设计：

[0055] 遗传算子包括选择、交叉和变异操作；选择算子选为随机均匀函数，交叉算子选为分散函数，变异算子选为高斯函数；

[0056] <5>运行参数选择。

[0057] 基本遗传算法主要运行参数有群体大小、交叉概率、变异概率、终止代数等。本文算法中取值如下：群体大小为20，交叉概率pc为0.8，变异概率pm为0.2遗传运算终止进化代数为100。

[0058] 与现有技术比，本发明达到的有益效果是：

[0059] 1、常规方法设计SVC控制器时只考虑单个装置的作用，而没有考虑各SVC元件控制作用的交互影响和协调问题，即使每个控制器单独设计成功，也不能保证联合闭环运行时的控制效果，严重情况下甚至导致系统失去稳定。本发明提出了一种多台SVC阻尼控制器的设计方法，解决了多台SVC阻尼控制器同时运行的负交互影响，有利于提高电力系统安全稳定和灵活运行。

[0060] 2、与常规基于遗传算法的控制器设计方法相比，本发明提供的方法特点如下：

[0061] （1）仅将增益作为决策变量，与全参数设计方法决策变量个数减少了80%，且本文方法决策变量为同类变量，大大提高了算法的收敛性能；

[0062] （2）本发明方法基于多SVC阻尼控制器交互作用机理确定了决策变量的约束条件，大大缩小了搜索空间范围，有利于进一步提升算法的效率和收敛性能；

[0063] （3）本发明基于相位平衡技术保证了多控制器参数在多运行方式下的适应性，能解决现有普遍采用的基于单运行方式的技术难以解决的多控制器多运行方式下的适应性问题。

附图说明

[0064] 图1是本发明的多台SVC阻尼控制器的设计方法的流程图；

[0065] 图2是本发明提供的某实际系统结构示意图；

[0066] 图3是本发明提供的SVC1独立运行阻尼控制效果图一；

[0067] 图4是本发明提供的SVC1独立运行阻尼控制效果图二；

[0068] 图5是本发明提供的SVC2独立运行阻尼控制效果图一；

[0069] 图6是本发明提供的SVC2独立运行阻尼控制效果图二；

[0070] 图7是本发明提供的SVC3独立运行阻尼控制效果图一；

[0071] 图8是本发明提供的SVC3独立运行阻尼控制效果图二；

[0072] 图9是本发明提供的独立设计方法多SVC运行效果图一；

[0073] 图10是本发明提供的独立设计方法多SVC运行效果图二；

[0074] 图11是本发明提供的协调设计方法多SVC在典型运行方式一下的控制效果图一；

[0075] 图12是本发明提供的协调设计方法多SVC在典型运行方式一下的控制效果图二；

[0076] 图13是本发明提供的协调设计方法多SVC在典型运行方式二下的控制效果图一。

[0077] 图14是本发明提供的协调设计方法多SVC在典型运行方式二下的控制效果图二。

具体实施方式

[0078] 下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

[0079] 本发明的多台SVC阻尼控制器的设计方法的流程图如图1所示，包括下述步骤：

[0080] （1）确定电力系统主导振荡模式信息，并确定N台SVC阻尼控制器作为设计对象：

[0081] 针对实际电网选择典型运行方式集{Case1，…，Case M}，确定电力系统主导振荡模式信息，包括振荡频率和阻尼比，确认与主导振荡模式联系的N台SVC作为设计对象，M为典型运行方式总数。

[0082] （2）确定SVC阻尼控制器在多运行方式下的开环传递函数特性集合：

[0083] 在N台SVC阻尼控制器开环条件下，利用测试信号法确定运行方式集下的SVC阻尼控制器开环传递函数特性集合；所述SVC阻尼控制器开环传递函数特性集合包括开环传递函数集合和运行方式下的相角集合。

[0084] 利用测试信号法确定多运行方式下的SVC阻尼控制器开环传递函数特性集合包括下述步骤：

[0085] a、对应第j个运行方式下，设第i台SVC阻尼控制器的输入量为U，在该SVC开环运行条件下，对其输出量Y施加小扰动信号，并提取公共周期内U和Y的变化量ΔU和ΔY；

[0086] b、利用数据拟合辨识出传递函数 并辨识出设计SVC阻尼控制器的相位和振荡模式信息；

[0087] c、令s=jω,ω=0～4pi，计算开环传递函数Gij(jω)和相角Φij(jω)；

[0088] d、重复步骤a-c，依次确定多个运行方式下的传递函数，并形成多个运行方式下的开环传递函数集合{Gij(jω)}和相角集合{Φij(jω)}。

[0089] 需要说明的是与现有技术相比，现有技术是仅针对单个运行方式计算一次系统传递函数特性，而本发明则在现有技术基础上，增加了多个运行方式下的传递函数特性计算，并以此作为控制器参数设计的数据基础，这样做的目的和优点是能够保证频率特性在多方式下的鲁棒性，从而为解决控制器参数的鲁棒性问题奠定基础。

[0090] （3）使用平衡相位技术确定多运行方式下的目标相位集：

[0091] 目标相位集由下述表达式表示：

[0092]

[0093] 其中：Wij为权重系数，第i台SVC阻尼控制器在M种运行方式下权重系数满足权重系数大小依据运行方式阻尼情况设定。

[0094] 平衡相位技术是本发明的核心技术之一，虽然很简单，但却能解决现有普遍采用的基于单运行方式的技术难以解决的多控制器多运行方式下的适应性问题。

[0095] （4）基于目标相位集依次完成适应多运行方式变化的N台SVC阻尼控制器时间常数设计：

[0096] 基于目标相位集依次完成适应多运行方式变化的N台SVC阻尼控制器超前滞后时间常数设计包括：

[0097] 设第i台SVC阻尼控制器传递函数为：

[0098] ①；

[0099] 通过下述表达式确定超前滞后环节参数：

[0100] ②；

[0101] ③；

[0102] T1i=αT2i ④；

[0103] T3i=T1i ⑤；

[0104] T4i=T2i ⑥；

[0105] 其中：KSVCi表示第i台SVC阻尼控制器的增益、T1i、T2i、T3i、T4i分别表示第i台阻尼控制器对应的四个时间常数，α表示SVC阻尼控制器设计过程中的中间变量，φω为SVC阻尼控制器理想补偿相位，φ为SVC阻尼控制器滞后相位，ω为振荡频率。

[0106] （5）基于遗传算法对N台SVC阻尼控制器增益协调进行设计：

[0107] 基于遗传算法对N台SVC阻尼控制器增益协调进行设计，包括下述步骤：

[0108] <1>确定决策变量及编码：将N台SVC阻尼控制器的增益作为决策变量，编码方式使用浮点数编码；

[0109] 个体的每个基因值用某一范围内的一个浮点数来表示，个体的编码长度等于其决策变量的个数，本文中个体的编码长度即为待设计SVC阻尼控制器的台数。

[0110] <2>种群初始化，并确定运行参数的约束条件：

[0111] 初始种群的个体要求满足约束条件的可选解。

[0112] 优化参数约束条件为：

[0113] Kmini≤Ki≤Kmaxi，i=1,2，…N ⑦；

[0114] N台SVC阻尼控制器的约束条件为：

[0115] ⑧；

[0116] 其中：gii表示第i台SVC阻尼控制器开环情况下的系统传递函数、gPSDCi表示第i台SVC阻尼控制器的传递函数；

[0117] Kmini取为零或根据实际情况取最小允许值。

[0118] <3>适应值函数设计：

[0119] 适应值函数与优化目标函数密切相关，SVC阻尼控制器的目的是抑制系统中的有功功率、频率等量的振荡，使其保持正常值，因此可选取优化目标函数为：

[0120] N台SVC阻尼控制器的优化目标函数为：

[0121] ⑨；

[0122] 其中，PSVCi（t）、PSVC0分别为第i台SVC阻尼控制器输入的时域响应和稳态值；

[0123] 则适应值函数为：

[0124] ⑩；

[0125] 其中：Cmax是F的最大值估计；

[0126] <4>遗传算子设计：

[0127] 遗传算子包括选择、交叉和变异操作；选择算子选为随机均匀函数，交叉算子选为分散函数，变异算子选为高斯函数；

[0128] <5>运行参数选择。

[0129] 基本遗传算法主要运行参数有群体大小、交叉概率、变异概率、终止代数等。本文算法中取值如下：群体大小为20，交叉概率pc为0.8，变异概率pm为0.2遗传运算终止进化代数为100。

[0130] 实施例

[0131] 下面以图2所示的某实际系统为例对本发明进一步的详细说明。该系统包含2个电厂，6台600MW机组，经输电线路向远方主网送电，输电线路上装置有补偿度为35%的固定串补用于提升系统的输电容量。原系统在发电厂出口母线1处装设两台SVC，进一步在母线3处装设一台SVC用于提升系统的电压支撑能力和阻尼水平。

[0132] 使用独立设计方法配置三台SVC的阻尼控制器参数，图3-图8给出了三台SVC阻尼控制器独立控制效果，其中虚线表示没有用本发明的协调设计方法，实现表示使用了本发明的协调设计方法；故障类型选择为母线3-4间单回输电线路发生单相瞬时短路故障。从仿真结果不难看出，三台SVC阻尼控制器都能独立稳定运行，且能明显提升系统的阻尼水平。

[0133] 图9和图10分别为三台SVC同时运行时的两种效果，可见可以独立稳定运行的SVC，同时运行情况下，却引发了系统的高频振荡，给系统安全带来了隐患。

[0134] 下面进一步使用本发明设计方法，解决多台SVC的负交互影响问题。设计中，针对系统主导振荡模式考虑了两种典型方式组成典型方式集，图11-图14为使用本发明协调设计方法后的控制器在不同运行方式下的阻尼控制效果，其中虚线表示没有用本发明的协调设计方法，实现表示使用了本发明的协调设计方法。

[0135] 从仿真结果可知，使用本发明协调设计方法后，即实现了多台SVC的协调运行，同时保证了多台SVC阻尼控制器在不同运行方式下的良好控制效果，验证了本发明的有效性。

[0136] 本发明针对实际电网中与主导模式相关较强的N台SVC作为设计对象，基于N台SVC阻尼控制器开环条件下依次计算运行方式集下的控制器开环传递函数集合，进而计算方式集对应的相角集，并基于相位集计算结果完成目标相位集的计算，使用目标相位集依次完成N台SVC阻尼控制器超前滞后时间常数设计，基于增益约束条件完成N台SVC阻尼控制器的增益协调设计，最后基于典型运行方式集进行控制效果校验，确定N台SVC的最终运行参数。本发明提供的设计方法消除系统安全稳定隐患，实现多台SVC阻尼控制器的协调稳定运行，充分发挥多台SVC的良好阻尼控制性能，有利于提高电力系统安全稳定和灵活运行；

[0137] 最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。