一种UPFC阻尼控制的定位方法

摘要

本发明公开了一种UPFC阻尼控制的定位方法，依据全系统线性化模型，应用分解阻尼矩阵分析法DTA进行UPFC稳定控制器的定位，使得DTA计算的结果与控制器向电力系统中发电机提供的阻尼转矩和发电机对指定机电振荡模态的参与性联系起来，物理意义更加清晰。本发明的有益效果为：具体的给出了控制器影响指定的电力系统机电振荡模态的过程，从而为选择控制器稳定信号提供物理意义清晰的指导。

权利要求

1.一种UPFC阻尼控制的定位方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)收集数据；收集发电机内部电抗数据、励磁系统数据，通过收据采集和监控系统SCADA系统、能量管理系统EMS获得电力系统稳态数据和静态数据；

(2)计算包含UPFC的开环系统线性化矩阵；

式中，ΔmE,ΔδE,ΔmB,ΔδB为线性化后的UPFC输入控制信号，δ为发电机功角状态变量向量，ω为发电机转速状态变量向量，Eq为励磁电流空载电动势，Efd为发电机励磁电压，VDC为UPFC直流电容电压；Δ为线性化算子，变量加点为微分算子；M为发电机惯性常数对角矩阵，KA与TA分别是自动电压调节器的增益和时间常数，Td'0为励磁绕组时间常数；K1～K9与Kpd、Kqd、Kvd、Kpe、Kpde、Kpb、Kpdb、Kve、Kvde、Kqb、Kqdb、Kvb、Kvdb为线性化系数；

将(1)式中的有关系数写成如下向量

将(1)用分块矩阵表示，则进一步写为：

式中，ω0Ι为对角阵，ω0为额定角速度；δ为发电机功角状态变量向量，ω为发电机转速状态变量向，u为控制器输出信号，j为发电机个数；A21，A22，A23，A31，A32，A33，B2，B3为上述公式中的分块矩阵；Z为除了功角和转速之外的发电机状态变量，还包括UPFC自身的状态变量，不包括附加阻尼控制器的状态变量；

(3)计算全系统线性化模型；假设阻尼控制器传递函数为G(s)，则式中，y为输出变量，C为状态变量到反馈量y的传递函数；

联立式(3)和(4)即可得到全系统线性化方程：

其中，X为系统状态变量，A为系统线性化矩阵，B为控制矩阵，C为输出矩阵；

(4)计算前向通道函数Bj(s)；根据状态方程，控制信号Δu到发电机机电振荡环节的前向通道函数为：Bj(s)＝A23(sI-A33)-1B3+B2   (6)(5)计算阻尼转矩系数Dij；UPFC阻尼控制器针对第i个振荡模态向系统中第j台发电机提供的阻尼转矩系数Dij为：Dij＝M[Bj(λi)γj(λi)G(λi)],j＝1,2,…N   (7)若定义， 则式(7)可表示为：

其中，M为发电机惯性常数对角矩阵；γj(λi)为控制器输入反馈信号用各台发电机转速状态变量重构的重构系数；

(6)计算重构系数γj(λi)；根据线性控制理论，输出信号y是状态变量的组合，即有：y＝γj(s)Δωj,j＝1,2,…N   (10)(7)计算发电机灵敏度Sij；定义模态λi对第j台发电机转矩TDij的灵敏度参数来衡量影响转矩对模态的影响程度为Sij：(8)计算DTA指标 系统第i个振荡模态可表示为：根据式(16)，上式进一步化简为：

UPFC控制器通过两种渠道向第i个振荡模态提供阻尼，首先通过各个机组振荡模态的参与性Sij对模态的阻尼起作用；还通过 对各个机组的机电振荡提供阻尼转矩，因此DTA指标可定义为：(9)选择UPFC阻尼控制器反馈通道；通过输出步骤(7)中得到的DTA指标 并比较其大小即可选择出UPFC阻尼控制器反馈通道。

2.如权利要求1所述的UPFC阻尼控制的定位方法，其特征在于，步骤(6)中计算重构系数的方法如下：根据线性控制理论得，其中，m为状态变量的总个数，ai为状态量初值，则输出变量：而状态变量：

因此可以得到：

假设只针对第i个振荡模态，则可以选取初值使得aj＝0,(j＝1,2...i-1,i+1,...m)，则上式又可写为：其中Vi为相应于λi的右特征向量， 为Vi中对应于Δωj的分量，j为第j台发电机。

说明书

一种UPFC阻尼控制的定位方法

技术领域

[0001] 本发明涉及控制技术领域，尤其是一种UPFC阻尼控制的定位方法。

背景技术

[0002] 统一潮流控制器(UPFC)是迄今为止功能最为强大的FACTS装置，其主要由一台激励变压器(Excitation Transformer，ET)、一台增压变压器(Boosting Transformer，BT)、2个三相电压源逆变器(Voltage Source Converter，VSC)和一个直流连接电容器组成，其结构如图1所示。mE,mB和δE,δB分别为并联电压源逆变器和串联电压源逆变器的幅值调值比率和相位角，作为UPFC的控制信号输入，通过一定的控制策略分别完成潮流控制、电压调节等不同功能。UPFC每个控制回路都可装设附加阻尼控制器来抑制弱阻尼模态，这一特性为选择附加阻尼控制器回路提供了极大的灵活性，但同时阻尼信号也会极大影响稳定控制的效果。因此，稳定控制器理想阻尼信号的选择，是一个十分值得研究的问题。

[0003] 现有技术中，对于选择和分析UPFC稳定控制器反馈信号通常使用的是源于现代控制理论的分析方法(MA：model analysis)，因为它适合于大型系统计算和分析，编程简单，且利于软件的开发。其中用于分析UPFC阻尼控制定位对系统小干扰下振荡稳定性的影响主要是通过计算模态可控性指标、可观性指标和它们的乘积(残差)进行的。然后由残差Ri计算的模态分析给出的只是UPFC稳定控制器与指定机电振荡模态的数学关系，它实际上是一种黑箱方法。这种模态分析不能表达指标的来源、分配和传递的物理过程，即不能清晰地表示电力系统的物理过程，所以这种模态分析对于分析探索UPFC阻尼控制信号的选择，常常较为困难。

发明内容

[0004] 本发明所要解决的技术问题在于，提供一种UPFC阻尼控制的定位方法，依据全系统线性化模型，应用分解阻尼转矩分析法(DTA)进行UPFC稳定控制器的定位，使得DTA计算的结果与控制器向电力系统中发电机提供的阻尼转矩和发电机对指定机电振荡模态的参与性(灵敏度)联系起来，物理意义更清晰。

[0005] 为解决上述技术问题，本发明提供一种UPFC阻尼控制的定位方法，包括如下步骤：

[0006] (1)收集数据；收集发电机内部电抗数据、励磁系统数据，通过收据采集和监控系统SCADA系统、能量管理系统EMS获得电力系统稳态数据和静态数据；(2)计算包含UPFC的开环系统线性化矩阵；

[0007]

[0008] 式中，ΔmE,ΔδE,ΔmB,ΔδB为线性化后的UPFC输入控制信号，δ为发电机功角状态变量向量，ω为发电机转速状态变量向量，Eq为励磁电流空载电动势，Efd为发电机励磁电压，VDC为UPFC直流电容电压；Δ为线性化算子，变量加点为微分算子；M为发电机惯性常数对角矩阵，KA与TA分别是自动电压调节器的增益和时间常数，Td'0为励磁绕组时间常数；K1～K9与Kpd、Kqd、Kvd、Kpe、Kpde、Kpb、Kpdb、Kve、Kvde、Kvde、Kqb、Kqdb、Kvb、Kvdb为线性化系数；

[0009] 将(1)式中的有关系数写成如下向量

[0010] 将(1)用分块矩阵表示，则进一步写为：

[0011]

[0012] 式中，ω0Ι为对角阵，ω0为额定角速度；δ为发电机功角状态变量向量，ω为发电机转速状态变量，u为控制器输出信号，j为发电机个数；A21，A22，A23，A31，A32，A33，B2，B3为上述公式中的分块矩阵；Z为除了功角和转速之外的发电机状态变量，还包括UPFC自身的状态变量(不包括附加阻尼控制器的状态变量)；

[0013] (3)计算全系统线性化模型；假设阻尼控制器传递函数为G(s)，则

[0014]

[0015] 式中，y为输出变量，C为状态变量到反馈量y的传递函数；

[0016] 联立式(3)和(4)即可得到全系统线性化方程：

[0017]

[0018] 其中，X为系统状态变量，A为系统线性化矩阵，B为控制矩阵，C为输出矩阵；

[0019] (4)计算前向通道函数Bj(s)；根据状态方程，控制信号Δu到发电机机电振荡环节的前向通道函数为：

[0020] Bj(s)＝A23(sI-A33)-1B3+B2  (6)

[0021] (5)计算阻尼转矩系数Dij；UPFC阻尼控制器针对第i个振荡模态向系统中第j台发电机提供的阻尼转矩系数Dij为：

[0022] Dij＝M[Bj(λi)γj(λi)G(λi)],j＝1,2,…N  (7)

[0023] 若定义， 则式(7)可表示为：

[0024]

[0025] 其中，M为发电机惯性常数对角矩阵；γj(λi)为控制器输入反馈信号用各台发电机转速状态变量重构的重构系数；

[0026] (6)计算重构系数γj(λi)；根据线性控制理论，输出信号y是状态变量的组合，即有：

[0027] y＝γj(s)Δωj,j＝1,2,…N  (10)

[0028] (7)计算发电机灵敏度Sij；定义模态λi对第j台发电机转矩TDij的灵敏度参数来衡量影响转矩对模态的影响程度为Sij：

[0029]

[0030] (8)计算DTA指标 系统第i个振荡模态可表示为：

[0031]

[0032] 根据式(16)，上式进一步化简为：

[0033]

[0034] 这表明UPFC控制器通过两种渠道向第i个振荡模态提供阻尼，首先通过各个机组振荡模态的参与性Sij对模态的阻尼起作用；还通过 对各个机组的机电振荡提供阻尼转矩，因此DTA指标可定义为：

[0035]

[0036] (9)选择UPFC阻尼控制器反馈通道；通过输出步骤(7)中得到的DTA指标 并比较其大小即可选择出UPFC阻尼控制器反馈通道。

[0037] 优选的，步骤(6)中计算重构系数的方法如下：根据线性控制理论得，

[0038]

[0039] 其中，m为状态变量的总个数，ai为状态量初值，则输出变量：

[0040]

[0041] 而状态变量：

[0042]

[0043] 因此可以得到：

[0044]

[0045] 假设只针对第i个振荡模态，则可以选取初值使得aj＝0,(j＝1,2...i-1,i+1,...m)，则上式又可写为：

[0046]

[0047] 其中Vi为相应于λi的右特征向量， 为Vi中对应于Δωj的分量，j为第j台发电机。

[0048] 本发明的有益效果为：本发明的UPFC阻尼控制的定位方法，能够具体的给出控制器影响指定的电力系统机电振荡模态的过程，从而为选择控制器稳定信号提供物理意义方面清晰的指导。

附图说明

[0049] 图1是本发明的统一潮流控制器UPFC的结构示意图。

[0050] 图2是本发明的装有UPFC多机系统线性化Phillips-Heffron模型示意图。

[0051] 图3是本发明的UPFC阻尼控制器传递函数框图。

[0052] 图4是本发明的模态分析分解式的物理意义示意图。

[0053] 图5是本发明的装有UPFC及其阻尼控制器的简单四机二区域电力系统结构示意图。

[0054] 图6(a)、图6(b)、图6(c)、图6(d)是本发明的DTA指标计算结果物理意义示意图；图6(a)在调制信号Δmc上附加阻尼控制信号；图6(b)在调制信号Δmb上附加阻尼控制信号；图
6(c)在调制信号Δδc上附加阻尼控制信号；图6(d)在调制信号Δδb上附加阻尼控制信号。

[0055] 图7是本发明的阻尼稳定器对模态的传递单向通道示意图。

[0056] 图8是本发明的调制通道选择仿真的结果。

具体实施方式

[0057] 如图所示，一种UPFC阻尼控制的定位方法，包括如下步骤：

[0058] (1)收集数据；收集发电机内部电抗数据、励磁系统数据，通过收据采集和监控系统SCADA系统、能量管理系统EMS获得电力系统稳态数据和静态数据；

[0059] (2)计算包含UPFC的开环系统线性化矩阵；

[0060]

[0061] 式中，ΔmE,ΔδE,ΔmB,ΔδB为线性化后的UPFC输入控制信号，δ为发电机功角状态变量向量，ω为发电机转速状态变量向量，Eq为励磁电流空载电动势，Efd为发电机励磁电压，VDC为UPFC直流电容电压；Δ为线性化算子，变量加点为微分算子；M为发电机惯性常数对角矩阵，KA与TA分别是自动电压调节器的增益和时间常数，Td'0为励磁绕组时间常数；K1～K9与Kpd、Kqd、Kvd、Kpe、Kpde、Kpb、Kpdb、Kve、Kvde、Kvde、Kqb、Kqdb、Kvb、Kvdb为线性化系数；

[0062] 将(1)式中的有关系数写成如下向量

[0063] 如图2所示，为式(1)所示线性化模型的传递函数框图；

[0064] 将(1)用分块矩阵表示，则进一步写为：

[0065]

[0066] 式中，ω0Ι为对角阵，ω0为额定角速度；δ为发电机功角状态变量向量，ω为发电机转速状态变量向，u为控制器输出信号，j为发电机个数；A21，A22，A23，A31，A32，A33，B2，B3为上述公式中的分块矩阵；Z为除了功角和转速之外的发电机状态变量，还包括UPFC自身的状态变量(不包括附加阻尼控制器的状态变量)；

[0067] (3)计算全系统线性化模型；假设阻尼控制器传递函数为G(s)，则

[0068]

[0069] 式中，y为输出变量，C为状态变量到反馈量y的传递函数；

[0070] 联立式(3)和(4)即可得到全系统线性化方程：

[0071]

[0072] 其中，X为系统状态变量，A为系统线性化矩阵，B为控制矩阵，C为输出矩阵；

[0073] (4)计算前向通道函数Bj(s)；根据状态方程，可得传递函数框图如图3所示，控制信号Δu到发电机机电振荡环节的前向通道函数为：

[0074] Bj(s)＝A23(sI-A33)-1B3+B2  (6)

[0075] (5)计算阻尼转矩系数Dij；UPFC阻尼控制器针对第i个振荡模态向系统中第j台发电机提供的阻尼转矩系数Dij为：

[0076] Dij＝M[Bj(λi)γj(λi)G(λi)],j＝1,2,…N  (7)

[0077] 若定义， 则式(7)可表示为：

[0078]

[0079] 其中，M为发电机惯性常数对角矩阵；γj(λi)为控制器输入反馈信号用各台发电机转速状态变量重构的重构系数；

[0080] (6)计算重构系数γj(λi)；根据线性控制理论，输出信号y是状态变量的组合，即有：

[0081] y＝γj(s)Δωj,j＝1,2,…N  (10)

[0082] 根据线性控制理论，可得：

[0083]

[0084] 其中，m为状态变量的总个数，ai为状态量初值，则输出变量：

[0085]

[0086] 而状态变量：

[0087]

[0088] 因此可以得到：

[0089]

[0090] 假设只针对第i个振荡模态，则可以选取初值使得aj＝0,(j＝1,2...i-1,i+1,...m)，则上式又可写为：

[0091]

[0092] 其中Vi为相应于λi的右特征向量， 为Vi中对应于Δωj的分量，j为第j台发电机；

[0093] (7)计算发电机灵敏度Sij；定义模态λi对第j台发电机转矩TDij的灵敏度参数来衡量影响转矩对模态的影响程度为Sij：

[0094]

[0095] (8)计算DTA指标 系统第i个振荡模态可表示为：

[0096]

[0097] 根据式(16)，上式进一步化简为：

[0098]

[0099] 这表明UPFC控制器通过两种渠道向第i个振荡模态提供阻尼，首先通过各个机组振荡模态的参与性Sij对模态的阻尼起作用；还通过 对各个机组的机电振荡提供阻尼转矩，这一关系的物理意义如图4所示，因此DTA指标可定义为：

[0100]

[0101] (9)选择UPFC阻尼控制器反馈通道；通过输出步骤(7)中得到的DTA指标 并比较其大小即可选择出UPFC阻尼控制器反馈通道。

[0102] 如图4所示，为装有UPFC及其阻尼控制器的简单四机二区域电力系统，DTA分析的内容是比较在UPFC四个控制信号me,mB,δe,δb上加设阻尼控制器的阻尼效果。

[0103] 四机二区域电力系统的参数为：

[0104] 稳态时，发电机1～4的输出功率均为900MW；母线7和9的负荷为967MW和1767MW；UPFC的参数为：Cdc＝1，vdc0＝1，xE＝0.02，xB＝0.005；发电机、输电线路详细参数分别见表1和表2：

[0105] 表1四机两区系统的发电机参数

[0106]发电机 TJ Xd Xq X'd T′d0 D KA TA
G1 13 1.8 1.7 0.3 8 0 20 0.5
G2 13 1.8 1.7 0.3 8 0 20 0.5
G3 12.35 1.8 1.7 0.3 8 0 20 0.5
G4 12.35 1.8 1.7 0.3 8 0 20 0.5

[0107] 表2四机两区系统的线路参数

[0108]

[0109]

[0110] 根据式(5)求得全系统线性化模型的模态为：

[0111] 其中第一个模态为局部振荡模态(G1-G2)；第二个模态为局部振荡模态(G3-G4)；第三个模态为区域振荡模态(G1G2-G3G4)，以下针对区域间模态λ3对区域模态的振荡进行分析；针对区域间模态λ3，根据式(6)计算控制信号到发电机机电振荡环节的前向通道函数Bi(s)，计算结果列于表3；根据式(12)计算UPFC控制器的输入反馈信号用各台发电机转速状态变量重构的重构系数γj(λ3),j＝1,2,3,4，计算结果列于表3；

[0112] 表3 Bj(s)与γj(λ3)计算结果

[0113]

[0114]

[0115] 根据式(8)计算 计算结果列于表4；根据式(16)计算系统中各台发电机相应于指定振荡模态的灵敏系数Sij，计算结果列于表4；由步骤(6)和步骤(7)中得到的结果，由式(19)即可计算DTA指标 计算结果列于表4，其结果的物理意义示意图如图4所示。

[0116] 表4 DTA指标分析结果及验证

[0117]

[0118]

[0119] 通过比较DTA指标 大小可以发现，应该选择调制信号me以构成UPFC阻尼控制器信号的最优反馈通道。另外，以抑制四机两区域系统区域间振荡的效果为根据，四个调制信号作为反馈信号的优先级应依次为me、δe、mb、δb。

[0120] UPFC阻尼控制器对模态的阻尼传递通道如图7所示，可以利用相位补偿法对UPFC阻尼控制器参数进行整定，使得稳定器传递函数

[0121]

[0122] 参数的整定结果列于表5，系统仿真结果如图8所示。

[0123] 表5 UPFC阻尼控制器参数结果

[0124]调制信号 me δe mb δb
Kw 3.6462 713.6518 34.3731 20.2430
T1 1.4147 0.09 0.4523 5.2422
T2 0.06 0.9910 0.09 0.04
T3 1.4147 0.09 0.4523 5.2422
T4 0.06 0.9910 0.09 0.04

[0125] 显然，由图8所示，系统仿真结果与DTA指标计算结果得出的结论想一致，即UPFC阻尼控制器最优反馈信号是me。

[0126] 尽管本发明就优选实施方式进行了示意和描述，但本领域的技术人员应当理解，只要不超出本发明的权利要求所限定的范围，可以对本发明进行各种变化和修改。