[发明专利]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。

主权项

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；$\begin{array}{c}\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}\stackrel{\·}{\mathrm{\δ}}\\ \mathrm{\Δ}\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}\\ \mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{E}}_q\\ \mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{E}}_{fd}\\ \mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{V}}_{DC}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{ccccc}0& {\mathrm{\ω}}_{0}I& 0& 0& 0\\ -M^{-1}{K}_1& -M^{-1}D& -M^{-1}{K}_2& 0& -M^{-1}{K}_{pd}\\ -{T^{\′}}_{d0}^{-1}{K}_4& 0& -{T^{\′}}_{d0}^{-1}{K}_3& {T^{\′}}_{d0}^{-1}& -{T^{\′}}_{d0}^{-1}{K}_{qd}\\ -T_A^{-1}{K}_A{K}_5& 0& -T_A^{-1}{K}_A{K}_6& -T_A^{-1}& -T_A^{-1}{K}_A{K}_{vd}\\ K_7& 0& K_8& 0& -K_9\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}\mathrm{\δ}\\ \mathrm{\Δ}\mathrm{\ω}\\ {\mathrm{\ΔE}}_q\\ {\mathrm{\ΔE}}_{fd}\\ {\mathrm{\ΔV}}_{DC}\end{array}\right]\\ +\left[\begin{array}{cccc}0& 0& 0& 0\\ -M^{-1}{K}_{pe}& -M^{-1}{K}_{pde}& -M^{-1}{K}_{pb}& -M^{-1}{K}_{pdb}\\ -{T^{\′}}_{d0}^{-1}{K}_{ve}& -{T^{\′}}_{d0}^{-1}{K}_{vde}& -{T^{\′}}_{d0}^{-1}{K}_{qb}& -{T^{\′}}_{d0}^{-1}{K}_{qdb}\\ -T_A^{-1}{K}_A{K}_{ve}& -T_A^{-1}{K}_A{K}_{vde}& -T_A^{-1}{K}_A{K}_{vb}& -T_A^{-1}{K}_A{K}_{vdb}\\ K_{ce}& K_{c\mathrm{\δ}e}& K_{cb}& K_{c\mathrm{\δ}b}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Δm}}_E\\ {\mathrm{\Δ\δ}}_E\\ {\mathrm{\Δm}}_B\\ {\mathrm{\Δ\δ}}_B\end{array}\right]\end{array}---\left(1\right)$式中，Δm_E,Δδ_E,Δm_B,Δδ_B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，E_q为励磁电流空载电动势，E_fd为发电机励磁电压，V_DC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，K_A与T_A分别是自动电压调节器的增益和时间常数，T_d'₀为励磁绕组时间常数；K₁～K₉与K_pd、K_qd、K_vd、K_pe、K_pde、K_pb、K_pdb、K_ve、K_vde、K_vde、K_qb、K_qdb、K_vb、K_vdb为线性化系数；将(1)式中的有关系数写成如下向量$\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}n=\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\ΔV}}_{DC}& {\mathrm{\Δu}}_k\end{array}\right]\\ K_v=\left[\begin{array}{c}{T}_A^{-1}{K}_A{K}_{vd}\\ T_A^{-1}{K}_A{K}_{vuk}\end{array}\right]\\ K_P=\left[\begin{array}{c}{M}^{-1}{K}_{pd}\\ M^{-1}{K}_{puk}\end{array}\right],K_q=\left[\begin{array}{c}{T^{\′}}_{d0}^{-1}{K}_{qd}\\ {T^{\′}}_{d0}^{-1}{K}_{quk}\end{array}\right]\end{array}---\left(2\right)$将(1)用分块矩阵表示，则进一步写为：$\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{\mathrm{\δ}}}_j\\ \mathrm{\Δ}{\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_j\\ \mathrm{\Δ}\stackrel{\·}{Z}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}0& {\mathrm{\ω}}_{0}I& 0\\ -A_{21}& -A_{22}& A_{23}\\ A_{31}& A_{32}& A_{33}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Δ\δ}}_j\\ {\mathrm{\Δ\ω}}_j\\ \mathrm{\Δ}Z\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}0\\ B_2\\ B_3\end{array}\right]\mathrm{\Δ}u---\left(3\right)$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$\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}u=G\left(s\right){\mathrm{\Δy}}_c\\ \mathrm{\Δ}y=C^T\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\δ}}_j\\ {\mathrm{\Δ\ω}}_j\\ Z\end{array}\right]\end{array}---\left(4\right)$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：$\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}\stackrel{\·}{X}=A\mathrm{\Δ}X+B\mathrm{\Δ}u\\ \mathrm{\Δ}y=C\mathrm{\Δ}X\end{array}---\left(5\right)$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B_j(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：B_j(s)＝A₂₃(sI‑A₃₃)^‑1B₃+B₂   (6)(5)计算阻尼转矩系数D_ij；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D_ij为：D_ij＝M[B_j(λ_i)γ_j(λ_i)G(λ_i)],j＝1,2,…N (7)若定义，j＝1,2,…N(8)，则式(7)可表示为：其中，M为发电机惯性常数对角矩阵；(6)计算重构系数γ_j(λ_i)；根据线性控制理论，输出信号y是状态变量的组合，即有：y＝γ_j(s)Δω_j,j＝1,2,…N   (10)其中，γ_j(λ_i)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；(7)计算发电机灵敏度S_ij；定义模态λ_i对第j台发电机转矩T_Dij的灵敏度参数来衡量影响转矩对模态的影响程度为S_ij：$S_{ij}=\frac{\∂{\mathrm{\λ}}_i}{\∂D_{ij}}---\left(16\right)$(8)计算DTA指标系统第i个振荡模态可表示为：${\mathrm{\Δ\λ}}_i=\underset{j=1}{\overset{N}{\Σ}}\frac{\∂{\mathrm{\λ}}_i}{\∂D_{ij}}{D}_{ij}---\left(17\right)$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S_ij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。