一种大型多机电力系统的分散协调分层鲁棒控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种大型多机电力系统的分散协调分层鲁棒控制方法，步骤如下：构建两层分散协调控制方案；设计启动协调控制的暂态稳定评估方法；提出基于扩张状态观测器(ESO)的同步电机三阶补偿模型；提出下层分散控制策略；提出上层协调控制策略；仿真试验验证上述方案的有效性。本发明专利技术为大型多机电力系统提供了具有原创性的在故障干扰下能够保持暂态稳定性能的控制方案。

【技术实现步骤摘要】
一种大型多机电力系统的分散协调分层鲁棒控制方法
本专利技术涉及大电网控制领域，具体涉及一种大型多机电力系统的分散协调分层鲁棒控制的设计方法。
技术介绍
现代电力系统是一个分布散、强耦合和非线性的复杂系统，由此而来的稳定裕度、能源利用率和环境友好型问题亟待解决。因此，实现大电网跨区域互联，更充分地利用电能资源，提高电网遭受大干扰后的暂态稳定性成为重要的研究课题。简单的单机系统已经不能满足互联大系统的要求，所以有必要将大型多机电力系统设为研究对象。关于对象的建模问题，研究表明，在稳定性分析中，并非更加复杂详细的模型就会得到更好的结果。为了简化分析计算，本专利技术建立了同步发电机的三阶数学模型。然而在模型中，仍然存在不可消除的耦合项，因此，处理这些非线性耦合性至关重要。针对模型中的非线性耦合项，现在有许多成熟的处理方法。自适应反演算法给定了一个连续可微非线性函数解耦合，然而在递推的Lyapunov函数选取时仍然没有一个系统的解决方案。滑膜控制在滑模面的选取上有很大困难，还有其自身难以消除的抖振问题。引入辅助环的方法，只适用于对称的故障。其他的非线性处理方法，例如模糊自适应方法由于在控制律中存在不可测变量，在参数优化和可实现性方面存在弊端。本专利技术在原有研究的基础上，提出一个更加合理、更加智能的和易于实现的分散协调分层鲁棒控制技术。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种暂态稳定性能高、合理性强、智能性高、易于实现的大型多机电力系统的分散协调分层鲁棒控制方法。为实现上述目的，采用了以下技术方案：本专利技术所述方法步骤如下：步骤1，构建两层分散协调控制方案；基于系统稳定性评估指标，在系统暂态稳定的情况下，各同步发电机执行分散控制策略；在系统暂态失稳的情况下，触发和执行区域间的协调控制策略，进而保持整个系统在故障条件下的暂态稳定性；步骤2，设计启动协调控制的暂态稳定评估方法；基于时域仿真的暂态稳定终止判据，来判断电力系统的暂态稳定状态，作为分散协调控制策略的基础；步骤3，提出基于扩张状态观测器(ESO)的同步电机三阶补偿模型；构建同步电机三阶模型，在扩张状态观测器的补偿下，消除模型内部的耦合性，保留发电机内部的功角关系，该模型为构建两层分散协调控制策略提供模型基础；步骤4，提出由下层分散控制策略；首先根据暂态稳定评估指标，判断出系统现在的状态是暂态稳定，确定执行分散控制策略；然后根据H∞鲁棒控制方法设计分散控制器；步骤5，提出上层协调控制策略；首先根据系统稳定性评估指标，判断出系统现在的状态是暂态失稳，确定执行区域间的协调控制策略；然后根据H∞鲁棒控制方法设计协调控制器，确保整个系统供电的安全性和稳定性；步骤6，仿真试验验证上述方案的有效性。进一步的，步骤1中，在电力系统中，上层协调控制器的运行状态取决于系统的暂态稳定性状态，即当电力系统暂态失稳时，执行协调控制策略，上层协调控制器接收来自其他同步电机的远程测量信号，同时下层分散控制器接收来自自身同步电机的测量信号反馈到输入端，此时定义协调控制器为激活状态；当电力系统暂态稳定时，执行分散控制策略，只有下层分散控制器接收来自自身同步电机的测量信号反馈到输入端，此时定义协调控制器为未激活状态；与此同时，内环的扩张状态观测器将系统模型中难以处理的耦合项观测出来；通过补偿器，得到去耦后的基于扩张状态观测器的同步电机三阶补偿模型；在上层设有一个协调控制器，主要负责区域间同步电机的协调控制并确保整个系统的暂态稳定性。进一步的，步骤2中，忽略阻尼作用，第i台发电机的转子运动方程为其中，δi(t)为发电机的转子角，ωi(t)为转子角速度，ω0为同步角速度，Δωi＝ωi-ω0，Mi为惯性时间常数，Pmi为机械输入功率，Pei为电磁输出功率；首先，根据广域测量系统计算更新当前状态的功角值δi(t+ΔT)＝δi(t)+100π[ωi(t)+ΔPei(t)·ΔT/2Mi]ΔT(2)其中，ΔPei(t)＝Pei(t)-Pmi(t)，ΔT为测量的时间间隔；然后，将得到的功角值按照降序进行排序，并计算相邻功角差，选择出功角差最大的值来划分临界机群S和剩余机群A；完成了临界机群的识别过程，得到等效双系统的转子运动方程其中，δS＝MS-1∑i∈SMiδi，ωS＝MS-1∑i∈SMiωi，MS＝∑i∈SMi，δA＝MA-1∑i∈AMiδi，MA＝∑i∈AMi，ωA＝MA-1∑i∈AMiωi；根据集成扩展等面积准则，将系统等值为单机无穷大系统其中，Mg＝MSMA/(MS+MA)，Pa＝Peg-Pmg，δg＝δS-δA，ωg＝ωS-ωA，Pmg＝M(MS-1∑i∈SPmi-MA-1∑j∈APmj)，Peg＝M(MS-1∑i∈SPei-MA-1∑j∈APej)；下面计算群间动能和群内动能，分析得到单机无穷大系统的同调性指标，分别为其中，S∈(-1,1)，显然S越接近1，同调性越高；定义1-S≤ε，ε为充分小的正数，为了不失精确性，取0＜ε≤0.2，此时可以认为系统满足同调性指标；时域仿真的暂态稳定终止评估分析：在满足同调性指标的前提下，当系统到达动态鞍点(DSP)，可以提前判定系统暂态失稳；当系统到达最远点(FEP)，可以提前判定系统暂态稳定；其他情况继续时域仿真，根据等面积准则判断系统的暂态稳定性，即若满足ωg(tr)＝0，Pa(tr)＜0，系统在t＝tr可判定为稳定；若满足ωg(tu)＞0，Pa(tu)＞0且dPa(tu)/dt＞0，系统在t＝tu可判定为失稳；可提前终止时域仿真计算，大大节省了电力系统暂态稳定性判断的时间，为分散协调控制策略的执行提供前提条件。进一步的，步骤3中，同步电机的三阶模型如下：其中，i＝1,2,…,n；ui(t)＝Iqi(t)ufi(t)-Pmi-T′d0iQei(t)ωi(t)-(Xdi-X′di)Idi(t)Iqi(t)；εi包含系统的扰动和不确定性；δij(t)＝δi(t)-δj(t)为发电机i和发电机j的转子角度差，ufi(t)为励磁设备控制电压，Di为阻尼系数，T′d0i为励磁绕组的暂态时间常数，Bij、Gij分别为机组间的电纳和电导，Xdi和X′di为d轴的暂态电抗和次暂态电抗，Eqi(t)为发电机空载电势，E′qi(t)为暂态电势；则控制输入定义xi＝[x1ix2ix3i]T＝[δiΔωiΔPei]T，那么公式(8)可以转化为其中，a1i＝Di/2Mi，a2i＝ω0/2Mi，bi＝1/T′d0i，显然，di(t)中含有比较难处理的耦合非线性项，这里采用扩张状态观测器来观测公式(10)的第三式；令扩张状态x4i＝di(t)，用z4i来估计，z3i来估计x3i，e3i为z3i→x3i的观测误差，那么其中，β3，β4为大于零的观测器参数，fal(e,α,σ)是非线性函数，其表达式如下其中，0＜α＜1，σ＞0，其作用是为了防止高频震颤，在范围|e|≤σ及设置线性反馈，其他范围为指数形式的非线性反馈；既可以有效避免控制量饱和，稳定性较高，还有利于大误差时快速提高控制量；分析ESO的收敛性和精度；假设x4i＝di(t)，e3i＝z3i-x3i，e4i＝z4i-x4i；由公式(10)和公式(11)得到误差方程其中，fc2(e3i)＝fal(e3i,α,σ)，fc1(e3i)＝e3本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种大型多机电力系统的分散协调分层鲁棒控制方法，其特征在于，所述方法步骤如下：步骤1，构建两层分散协调控制方案；基于系统稳定性评估指标，在系统暂态稳定的情况下，各同步发电机执行分散控制策略；在系统暂态失稳的情况下，触发和执行区域间的协调控制策略，进而保持整个系统在故障条件下的暂态稳定性；步骤2，设计启动协调控制的暂态稳定评估方法；基于时域仿真的暂态稳定终止判据，来判断电力系统的暂态稳定状态，作为分散协调控制策略的基础；步骤3，提出基于扩张状态观测器(ESO)的同步电机三阶补偿模型；构建同步电机三阶模型，在扩张状态观测器的补偿下，消除模型内部的耦合性，保留发电机内部的功角关系，该模型为构建两层分散协调控制策略提供模型基础；步骤4，提出由下层分散控制策略；首先根据暂态稳定评估指标，判断出系统现在的状态是暂态稳定，确定执行分散控制策略；然后根据H∞鲁棒控制方法设计分散控制器；步骤5，提出上层协调控制策略；首先系统稳定性评估指标，判断出系统现在的状态是暂态失稳，确定执行区域间的协调控制策略；然后根据H∞鲁棒控制方法设计协调控制器，确保整个系统供电的安全性和稳定性；步骤6，仿真试验验证上述方案的有效性。...

【技术特征摘要】
1.一种大型多机电力系统的分散协调分层鲁棒控制方法，其特征在于，所述方法步骤如下：步骤1，构建两层分散协调控制方案；基于系统稳定性评估指标，在系统暂态稳定的情况下，各同步发电机执行分散控制策略；在系统暂态失稳的情况下，触发和执行区域间的协调控制策略，进而保持整个系统在故障条件下的暂态稳定性；步骤2，设计启动协调控制的暂态稳定评估方法；基于时域仿真的暂态稳定终止判据，来判断电力系统的暂态稳定状态，作为分散协调控制策略的基础；步骤3，提出基于扩张状态观测器(ESO)的同步电机三阶补偿模型；构建同步电机三阶模型，在扩张状态观测器的补偿下，消除模型内部的耦合性，保留发电机内部的功角关系，该模型为构建两层分散协调控制策略提供模型基础；步骤4，提出由下层分散控制策略；首先根据暂态稳定评估指标，判断出系统现在的状态是暂态稳定，确定执行分散控制策略；然后根据H∞鲁棒控制方法设计分散控制器；步骤5，提出上层协调控制策略；首先系统稳定性评估指标，判断出系统现在的状态是暂态失稳，确定执行区域间的协调控制策略；然后根据H∞鲁棒控制方法设计协调控制器，确保整个系统供电的安全性和稳定性；步骤6，仿真试验验证上述方案的有效性。2.根据权利要求1所述的一种大型多机电力系统的分散协调分层鲁棒控制方法，其特征在于：步骤1中，在电力系统中，上层协调控制器的运行状态取决于系统的暂态稳定性状态，即当电力系统暂态失稳时，执行协调控制策略，上层协调控制器接收来自其他同步电机的远程测量信号，同时下层分散控制器接收来自自身同步电机的测量信号反馈到输入端，此时定义协调控制器为激活状态；当电力系统暂态稳定时，执行分散控制策略，只有下层分散控制器接收来自自身同步电机的测量信号反馈到输入端，此时定义协调控制器为未激活状态；与此同时，内环的扩张状态观测器将系统模型中难以处理的耦合项观测出来；通过补偿器，得到去耦后的基于扩张状态观测器的同步电机三阶补偿模型；在上层设有一个协调控制器，主要负责区域间同步电机的协调控制并确保整个系统的暂态稳定性。3.根据权利要求1所述的一种大型多机电力系统的分散协调分层鲁棒控制方法，其特征在于：步骤2中，忽略阻尼作用，第i台发电机的转子运动方程为其中，δi(t)为发电机的转子角，ωi(t)为转子角速度，ω0为同步角速度，Δωi＝ωi-ω0，Mi为惯性时间常数，Pmi为机械输入功率，Pei为电磁输出功率；首先，根据广域测量系统计算更新当前状态的功角值δi(t+ΔT)＝δi(t)+100π[ωi(t)+ΔPei(t)·ΔT/2Mi]ΔT(2)其中，ΔPei(t)＝Pei(t)-Pmi(t)，ΔT为测量的时间间隔；然后，将得到的功角值按照降序进行排序，并计算相邻功角差，选择出功角差最大的值来划分临界机群S和剩余机群A；完成了临界机群的识别过程，得到等效双系统的转子运动方程其中，δS＝MS-1∑i∈SMiδi，ωS＝MS-1∑i∈SMiωi，MS＝∑i∈SMi，δA＝MA-1∑i∈AMiδi，MA＝∑i∈AMi，ωA＝MA-1∑i∈AMiωi；根据集成扩展等面积准则，将系统等值为单机无穷大系统其中，Mg＝MSMA/(MS+MA)，Pa＝Peg-Pmg，δg＝δS-δA，ωg＝ωS-ωA，Pmg＝M(MS-1∑i∈SPmi-MA-1∑j∈APmj)，Peg＝M(MS-1∑i∈SPei-MA-1∑j∈APej)；下面计算群间动能和群内动能，分析得到单机无穷大系统的同调性指标，分别为其中，S∈(-1，1)，显然S越接近1，同调性越高；定义1-S≤ε，ε为充分小的正数，为了不失精确性，取0＜ε≤0.2，此时可以认为系统满足同调性指标；时域仿真的暂态稳定终止评估分析：在满足同调性指标的前提下，当系统到达动态鞍点(DSP)，可以提前判定系统暂态失稳；当系统到达最远点(FEP)，可以提前判定系统暂态稳定；其他情况继续时域仿真，根据等面积准则判断系统的暂态稳定性，即若满足ωg(tr)＝0，Pa(tr)＜0，系统在t＝tr可判定为稳定；若满足ωg(tu)＞0，Pa(tu)＞0且dPa(tu)/dt＞0，系统在t＝tu可判定为失稳；可提前终止时域仿真计算，大大节省了电力系统暂态稳定性判断的时间，为分散协调控制策略的执行提供前提条件。4.根据权利要求1所述的一种大型多机电力系统的分散协调分层鲁棒控制方法，其特征在于，步骤3中，同步电机的三阶模型如下：其中，i＝1，2，…，n；ui(t)＝Iqi(t)ufi(t)-Pmi-T′d0iQei(t)ωi(t)-(Xdi-X′di)Idi(t)Iqi(t)；εi包含系统的扰动和不确定性；δij(t)＝δi(t)-δj(t)为发电机i和发电机j的转子角度差，ufi(t)为励磁设备控制电压，Di为阻尼系数，T′d0i为励磁绕组的暂态时间常数，Bij、Gij分别为机组间的电纳和电导，Xdi和X′di为d轴的暂态电抗和次暂态电抗，Eqi(t)为发电机空载电势，E′qi(t)为暂态电势；则控制输入定义xi＝[x1ix2ix3i]T＝[δiΔωiΔPei]T，那么公式(8)可以转化为其中，a1i＝Di/2Mi，a2i＝ω0/2Mi，bi＝1/T′d0i，显然，di(t)中含有比较难处理的耦合非线性项，这里采用扩张状态观测器来观测公式(10)的第三式；令扩张状态x4i＝di(t)，用z4i来估计，z3i来估计x3i，e3i为z3i→x3i的观测误差，那么其中，β3，β4为大于零的观测器参数，fal(e，α，σ)是非线性函数，其表达式如下其中，0＜α＜1，σ＞0，其作用是为了防止高频震颤，在范围|e|≤σ及设置线性反馈，其他范围为指数形式的非线性反馈；既可以有效避免控制量饱和，稳定性较高，还有利于大误差时快速提高控制量；分析ESO的收敛性和精度；假设x4i＝di(t)，e3i＝z3i-x3i，e4i＝z4i-x4i；由公式(10)和公式(11)得到误差方程其中，fc2(e3i)＝fal(e3i，α，σ)，fc1(e3i)＝e3i，efcj(e)＞0，fcj(0)＝0，j∈1，2；取线性变换变换后的误差方程为

【专利技术属性】
技术研发人员：窦春霞，宗媛媛，李峰磊，张博，张亚民，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：河北,13