基于WAMS考虑相互作用的低频振荡分散控制器设计方法技术

本发明专利技术公开了可用于电力系统低频振荡控制的一种基于WAMS考虑相互作用的低频振荡分散控制器设计方法。该方法综合多次辨识结果求取模态信息；利用状态子空间模型辨识法(N4SID)辨识可控可观性，确定控制器安装位置和候选反馈信号；根据MIMO传递函数矩阵定义逐列辨识求解，利用分枝定界法在线求取高可控、低交互作用控制环组合，将复杂的多控制器协调设计问题转化为简单的分散控制器独立设计问题；针对地区模式采用基于辨识的极点配置法设计PSS，针对区间模式采用模型预测控制法设计控制器。两类独立设计控制器的良好控制效果验证了发明专利技术的有效性。本发明专利技术为基于辨识协调设计多阻尼控制器提供了一种新思路。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电力系统低频振荡分析和控制应用领域，尤其涉及一种基于WAMS多信号辨识求解系统控制特性，并确定可观可控度高、交互作用小的控制环组合的电力系统低频振荡协调阻尼控制方法。
技术介绍
随着电力系统区域互联规模扩大，区域间电力交换愈加频繁，电网运行方式更为复杂，低频振荡已成为影响电网稳定运行、制约电网传输能力的重要因素。因此，为保证电力系统安全稳定运行，研究互联大电网中低频振荡的协调控制具有重要的应用价值。传统的低频振荡分析多采用模态分析法，该方法要求系统结构参数已知，其模型的阶数受系统规模制约，且高阶系统会引发“维数灾”问题；其结果的准确性依赖于元件模型及参数的准确性。因此，基于实测数据辨识频率、阻尼比等模态信息，分析低频振荡系统特性更有实际价值。可控性可观性是安装低频振荡控制器时需考虑的重要因素。传统的可控性可观性求取多要求系统状态空间参数已知，这一点在复杂的互联大电网中极难实现。因此，将辨识与低频振荡控制相结合，研究基于实测数据辨识分析低频振荡的控制特性具有重要意义。互联大电网低频振荡控制中需提高阻尼的模式通常不止一个，而多控制器间由于“阻尼竞争”、“借阻尼”等交互作用现象，多个独立设计的控制器的共同作用效果可能受到严重恶化。所以研究低频振荡多控制器协调控制具有极大应用价值。一种常见的低频振荡控制器协调设计方法是同时优化设计所有控制器的参数，使得这些控制器能够最大限度地提高所有关键模式的阻尼。这种多控制器参数优化方法不但要求已知所有的系统建模参数，而且计算量及耗时受制于参数个数，这在互联大电网中是极不实用的。所以，亟待研究不依赖于全部模型参数的快速有效的多控制器协调设计方法。
技术实现思路
鉴于互联大电网建模困难，以及低频振荡多控制器间的交互作用与各控制器所在控制环的选择有关，为快速有效协调设计多控制器，本专利技术提供一种根据WAMS实测数据辨识结果，合理选择多控制器控制环组合，达到多控制器协调设计效果的方法。由于本专利技术所选择的控制环组合不但具有良好可控可观性，而且控制器间交互作用足够小，因此多控制协调设计问题可以转化为简单的各控制器独立设计问题。1.基于WAMS考虑相互作用的低频振荡分散控制器设计方法，所述方法包括以下步骤：步骤1：依据广域测量系统WAMS的扰动信号和功角或功率响应信号，采用状态子空间(N4SID)模型辨识方法辨识系统低频振荡模式，根据阻尼比小于0.03选出需要抑制的弱阻尼和负阻尼模式，按照“控制器与待抑制模式一一对应”的原则确定控制器个数；步骤2：辨识系统降阶模型，针对每个需要抑制的模式，求取参与机组的可控度和可观度，分别根据可控度和可观度确定控制器安装位置及候选反馈信号；步骤3：采用分支定界法，考虑可控度和交互作用两个指标，求取可控度高、交互作用小的控制环组合Pareto最优集，然后按需加权求最优解的方法：根据具体情况确定可控度和交互作用的权重，根据控制环组合Pareto最优集所有元素的加权值，确定最适控制环组合；步骤4：根据选择的控制环组合，独立设计各控制环下的控制器；针对地区模式，采用极点配置法安装PSS；针对区间模式，采用模型预测控制法(MPC)安装MPC控制器。步骤5：根据步骤3选择的交互作用小的控制环和步骤4设计的控制器，在考虑控制器协调的基础上实现了控制器的独立设计，实现了电力系统低频振荡的分散协调控制。本专利技术所述步骤1中基于N4SID的可控可观性辨识，按照“先可控后可观”的准则先根据可控性确定控制器的安装位置，并在其基础上有针对性的进行可观性辨识，确定候选反馈信号，既准确确定了安装位置和候选反馈信号，又避免了大量计算。本专利技术所述步骤3中基于分枝定界法确定高可控可观低交互控制环组合Pareto最优集的方法：分枝定界法的决策树采用“以层为控制环，以点为候选反馈信号，安装位置已定”的形式；分枝定界法的指标采用可控度指标——最小奇异值(MSV)和交互指标——μ-IM指标，其中μ-IM指标采用采用μ的上界来代替μ值：其中，μ是具有对角结构Δ的结构奇异值，G是MIMO传递函数矩阵，由MIMO传递函数的定义采用N4SID法逐列求得，I为单位阵。分枝定界法流程包括分支(branching)、剪枝(pruning)、更新(updating)三个步骤，其中剪枝采用如下上界来衡量当前分支趋势的最优MSV值：J‾σ(s)=max(σ‾(GFi),σ‾(GS))]]>其中，G是MIMO传递函数矩阵，Fi代表决策树当前分支已遍历部分，S代表从决策树当前分支当前节点出发所有可能形成的支；σ(·)为求奇异值运算。以及如下下界来衡量当前分支趋势的μ-IM指标最优值：J‾μ(s)=ρ(GFG~F-1-I)]]>其中，ρ是谱半径，G是MIMO传递函数矩阵。本专利技术基于辨识采用分枝定界方法确定高可控可观、低交互作用的控制环组合，从而将多控制器协调设计转化为简单的各控制器独立设计，增加了控制器对运行方式的适应性，减少了控制器对元件模型及参数的依赖性以及控制器设计的复杂度，同时由于控制环间的相互作用最小，在独立设计的各分散控制器间实现了参数的协调，为低频振荡的协调抑制提供了一种新思路。在设计区间控制器时，本专利技术采用了控制效果更好的预测控制方法。附图说明图1为基于WAMS和考虑相互作用的低频振荡分散控制器设计方法流程图图2为两个控制器五个候选反馈信号的决策树示例图3为分支定界法求控制环组合Pareto最优集的流程图图4为约束MPC控制器的流程图图5为四机两区域测试系统图6为本专利技术设计的分散控制器的控制效果图具体实施方式下面结合附图，对本专利技术方法做进一步说明，包括系统模态参数辨识、关键模式确定、可控可观性计算、控制环组合Pareto最优集求解以及最适控制环组合下各控制器的设计。步骤1：基于N4SID方法辨识系统模态参数及确定关键模式及控制器个数。由于单输入单输出辨识结果误差较大，本专利技术基于N4SID方法，利用WAMS采集多组扰动信号及各机组的功角、角速度或有功信号，逐组辨识单输入多输出系统的降阶状态矩阵，满足辨识结果的适应度函数值大于90％，综合多个辨识结果求得系统降阶状态矩阵A。根据该降阶状态矩阵A，采用模态分析法，得到低频振荡模式、阻尼比、频率等模态信息。根据该本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于WAMS考虑相互作用的低频振荡分散控制器设计方法，所述方法包括以下步骤：步骤1：依据广域测量系统WAMS的扰动信号和功角或功率响应信号，采用状态子空间(N4SID)模型辨识方法辨识系统低频振荡模式，根据阻尼比小于0.03选出需要抑制的弱阻尼和负阻尼模式，按照“控制器与待抑制模式一一对应”的原则确定控制器个数；步骤2：辨识系统降阶模型，针对每个需要抑制的模式，求取参与机组的可控度和可观度，分别根据可控度和可观度确定控制器安装位置及候选反馈信号；步骤3：采用分支定界法，考虑可控度和交互作用两个指标，求取可控度高、交互作用小的控制环组合Pareto最优集，然后按需加权求最优解的方法：根据具体情况确定可控度和交互作用的权重，根据控制环组合Pareto最优集所有元素的加权值，确定最适控制环组合；步骤4：根据选择的控制环组合，独立设计各控制环下的控制器；针对地区模式，采用极点配置法安装PSS；针对区间模式，采用模型预测控制法(MPC)安装MPC控制器。步骤5：根据步骤3选择的交互作用小的控制环和步骤4设计的控制器，在考虑控制器协调的基础上实现了控制器的独立设计，实现了电力系统低频振荡的分散协调控制。...

【技术特征摘要】
1.基于WAMS考虑相互作用的低频振荡分散控制器设计方法，所述方法包
括以下步骤：
步骤1：依据广域测量系统WAMS的扰动信号和功角或功率响应信号，采
用状态子空间(N4SID)模型辨识方法辨识系统低频振荡模式，根据阻尼比小于
0.03选出需要抑制的弱阻尼和负阻尼模式，按照“控制器与待抑制模式一一对
应”的原则确定控制器个数；
步骤2：辨识系统降阶模型，针对每个需要抑制的模式，求取参与机组的可
控度和可观度，分别根据可控度和可观度确定控制器安装位置及候选反馈信号；
步骤3：采用分支定界法，考虑可控度和交互作用两个指标，求取可控度高、
交互作用小的控制环组合Pareto最优集，然后按需加权求最优解的方法：根据
具体情况确定可控度和交互作用的权重，根据控制环组合Pareto最优集所有元
素的加权值，确定最适控制环组合；
步骤4：根据选择的控制环组合，独立设计各控制环下的控制器；针对地区
模式，采用极点配置法安装PSS；针对区间模式，采用模型预测控制法(MPC)
安装MPC控制器。
步骤5：根据步骤3选择的交互作用小的控制环和步骤4设计的控制器，在
考虑控制器协调的基础上实现了控制器的独立设计，实现了电力系统低频振荡
的分散协调控制。
2.根据权利要求1所述的基于WAMS考虑相互作用的低频振荡分散控制器
设计方法，其特征在于：所述的步骤(2)中基于N4SID的可控可观性辨识，按
照“先可控后可观”的准则先根据可控性确定控制器的安装位置，并在...

【专利技术属性】
技术研发人员：马燕峰，周一辰，赵书强，胡永强，
申请(专利权)人：华北电力大学保定，
类型：发明
国别省市：河北;13