基于概率法的静止无功补偿器设计.pdf
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1、第 3 7卷 第 2 0期 2 0 0 9 年 1 0月 1 6日 电 力 系统 保 护 与 控 制 P o we r S y s t e m P r o t e c t i o n a n d Co n t r o l VOl _ 37 NO_20 0c t 1 6 2 00 9 基于概率法的静止无功补偿器设计 边晓燕,周歧斌,王克 文,符 杨(1 上海电力学院上海市 电站 自动化技 术重点 实验 室,上海 2 0 0 0 9 O;2 上海市防雷 中心,上海 2 O 1 6 l 5 3 郑州大学电气_T-程学院,河南 郑州 4 5 0 0 0 2)摘要:采用概率论方法对 S V C(静止无功
2、补偿器)的辅助阻尼控制器进行鲁棒设计,电力系统的多运行状态采用概率法进行 描述。首先根据负荷变化曲线求得系统特征根的概率属性,传统的特征根分析法被扩展成为概率特征根分析法。然后推导概 率的特征根灵敏度指标,并成功地用于 S V C阻尼控制器的定位,输入信号选择与参数设计。所提出的方法也通过一个两区域 四机 系统进行检验,证 实了该方法的有效性。关键词:特征根;灵敏度;概率;静止无功补偿器(S V C)Ro bus t SVC c o nt r o l l e r de s i g ne d b y pr o ba bi l i s t i c me t ho d BI AN Xi a o y
3、a n ,ZHOU Qi b i n ,WANG Ke we n ,F U Y a n g (1 S h a n g h a i Un i v e r s i t y o f E l e c t r i c P o w e r,S h a n g h a i K e y L a b o r a t o r y o f P o we r S t ati o n Au t o ma t i o n T e c h n o l o g y S h a n g h a i 2 0 0 0 9 0,Ch i n a;2 S h a n g h a i M u n i c i p a l Li g h t
4、 n i n g P r o t e c t i o n Ce n t e r,S h a n g h a i 2 01 61 5 Ch i n a;3 C o l l e g e o f E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g,Z h e n g z h o u U n i v e r s i ty,Z h e n g z h o u 4 5 0 0 0 2,C h i n a)Ab s t r a c t:An a p p o r a c h f o r r o b u s t S t a t i c Va r C o mp e n s a t
5、o r(S VC)c o n t r o l l e r d e s i g n i s p r e s e n t e d i n t h i s p a p e r,i n w h i c h mu l t i o p e r a t i n g c o n d i t i o n s o f a p o we r s y s t e m i s c o n s i d e r e d b y p r o b a b i l i s t i c t e c h n i q u e C o n v e n t i o n a l e i g e n v a l u e a n a l y s
6、 i s i s e x t e n d e d t o t h e p r o b a b i l i s t i c e n v i r o n me n t i n wh i c h t h e s t a t i s t i c a l n a t u r e o f e i g e n v a l u e s c o r r e s p o n d i n g t o d i f f e r e n t o p e r ati n g c o n d i t i o n s i S d e s c r i b e d b y t h e i r e x p e c t a t i o
7、 n s an d v a r i a n c e s P r o b a b i l i s t i c s e n s i t i v i t y i n d i c e s t o f a c i l i t a t e r o b u s t S VC c o n t r o l l e r s i t e f e e d b a c k s i g n a l s e l e c t i o n a n d p a r a me t e r s a d j u s t i n g a r e t h e n p r o p o s e d T h e e f f e c t i v
8、e n e s s o f t h e p r e s e n t e d a p p r o a c h i s d e mo n s t r a t e d o n a t w o-a r e a f o ur-ma c h i ne s y s t e m Ke y wo r d s:e i g e n v a l u e;s e n s i t i v i ty;p r o b a b i l i ty;s t ati c v a r c o m p e n s a t o r(S V C)中图分类号:T M7 1 文献标识码:A 文章编号:1 6 7 4 3 4 1 5(2 0 0
9、9)2 0 0 0 1 8 0 5 0 引言 当前我 国电力系统正在经历着 区域互连的飞 速发 展,低 频振 荡成 为影 响电 网互连 的关键 因 素_ l。低频振荡不仅给 电力系统运行带来很多限 制,也影响着系统的安全性与经济性,联络线上的 弱阻尼更严重影响可传输容量L 3 J。电力系统稳定器(P S S)是当前解决这一问题 的一种有效方法。电力 电子技术的快速 发展使得研究人 员设计 出来 F AC T S设备得以制造且并不 昂贵,这些F AC T S 设备可用于串联、并联补偿_ 4 J,也为抑制低频振荡 提供另外一种提高系统阻尼的方法。静止无功补偿 器(S VC)是最普通的一种 F AC
10、 T S设备,它最初 基金项目:上海市浦江科技人才计划(0 8 P J 1 4 0 6 0);上海市优青 基金项目(s d l 0 8 0 1 O);上海市教委重点学科建设项目(J 5 1 3 0 1)被 Ba s i n E l e c t r i c P o we r C o o p e r a t i v e 用来 在 we s t e r n Ne b r a s k a 的 l 1 5 k V 网络上提 供 自动 且持续 的 电压 控制。如今,S V C已经被广泛地用在 电力系统里,S VC 的最主要作用是将母线电压保持在预先设定 的值。装有 电压调节器 的 S VC能够提供 同步转
11、矩,却不能提供阻尼转矩L6 J。当安装了辅助 的阻尼控制 器,S VC就可 以为电力系统提供额外的阻尼。研究 证明,S VC提供的阻尼对改善区间振荡尤其有效。目前,国内外的学者对 S VC的阻尼控制器设计 作 了很多研 究工作,例如 p o l e p l a c e me n t 方法 J,阻 尼力矩分析法【7 和特征根灵敏度分析法 J。但是几 乎所有这些方法都是基于某一个运行点对线形化的 电力系统进行分析。当运行点随着负荷的变化而改 变时,根据某一个运行点而设计的 S VC参数将不再 适用。因此研究者提出了对 S V C进行鲁棒设计。例 如 Ho。优化技术被用于鲁棒的 S VC设计,但对
12、Ho o 优化时的权重系数难 以选择,并且由于 H o。需要电 边晓燕,等 基于概率法的静止无功补偿器设计 1 9 力系统与所设计的控制器同阶数【j J,就要求对 电力 系统进行降阶与化简,因此 H o o 方法的应用具有很多 限制。其他鲁棒设计方法对控制器采取在线调节,包括 自适应法,神经 网络法 。然而,电力企业 对在线调节缺乏信心”,仍希望使用 固定结构固定 参数的阻尼控制器。因此,需要设计可应用于较大 运行范围的固定结构固定参数 的 S VC 鲁棒 的阻尼 控制器。1 9 7 8年概率方法首次应用于 电力系统动态稳 定研究【J 引。两机系统特征根的概率属性可以由已知 系统参数的统计属性
13、决定,例如转子的转角与机械 阻尼,所考虑的不确定性是在某一符合条件下的测 量、估计与预测错误。文献 1 3 中首次提出了概率 稳定的概念,用以研究单机系统的动态稳定运行极 限。文献 1 4 中首次考虑了系统运行条件 的变化。节点电压作为基本的随机 变量 由概率潮流计算求 得,特征根的概率属性通过节点电压的概率属性获 得,通过假设随即变量的正态分布,将特征根表示 为它的期望与方差。这一方法 已成功地应用于多运 行条件下的电力系统稳定研究。本文对文献 1 4 1 中的概率方法进行扩展,用于 研究 S V C的阻尼控制器鲁棒设计方法。一阶、二阶 特征根灵敏度的计算方法将在第 2节详细叙述。基 于这些
14、灵敏度的计算,概率的特征根与特征灵敏度 分析方法将分别在第 3与第 4节中介绍,这些概率 的特征根灵敏度将用于 S V C阻尼控制器的定位、输 入信号选择与参数 的调节。在第 5节,所提出的方 法通过算例系统进行验证。1 特征根灵敏度 发电机,系统元件(例如 S V C)与相关的控制 设备都可以表达成 由两种基本传输模块(一阶与零 阶)构成的模型 I 5 o J。用于获得 A矩阵的偏微分方 程与代数方程可以表述为 K a+p)X=K b+p Kf)(L X+L 3 M)l a 三 一上。M=0 (1 b)其中:和 分别是状态与非状态变量,凰 和 是含有一阶传输块参数对角矩阵。工1和 上 3是
15、由 1 和 0构成的关联子矩阵,而 三 7和 9表述 了 和 M 之间的数字关系。线性化了的网络方程A ir=Y AV里的 y矩阵以 四个子矩阵的形式直接插入。阵里,并用另外四个 等价导纳阵代表负荷特性。消去公式(1)中的非状 态变量,矩阵可表述为 A=S(X F K (2)其中:S=r J K,F=工 1+L 3 I l L 7 和 日=I 4。和 分别是左右特征 向量,并且满足=1,t c ii 和 代表参数变量,则特征值()一阶与二阶灵敏度可 以推导 获得为 02,:a a (3 a)蕞=+等等 +等鼍 。(3 b)其中左特征向量 的偏导是所有特征向量的 线性组和,对一个有 个特征根的系
16、统,该偏导可 以表述为:K=毫(鲁 )(4 i a 一 a 2 概率特征根分析 本文的 目的是研究电力系统的多运行状态,负 荷的不确定性通过负荷 曲线来描述,从而可 以求得 负荷的均值与方差。所有的节点电压(,节点注 入(5 和特征根(都被认为是随即变量,本节的 目 的是确定系统特征根 的均值与方差。在一个 节点 的系统,当将实部与虚部分开写,有个 2 N电压变量,节电注入 可 以由这些变量 的二阶函数来描述 S=G(,)(5)由于 G 是-2 阶函数,-S=a(V。一V +c ,+,-一,2 V2 +c 2 N,2N)(6)其 中:,=a v A ,是电压问的协方差。到此,电压的均值与协方差
17、仍然未知。然而,正如前面所 述,阵中对应负荷的子矩阵的统计属性是知道的,因此可 以推导并求解出概率潮流公式(6),从而获 得节点电压的均值与协方差。具体 的方法如下,将 V取一初值并代入公式(6),所得的结果 s与特解 的差值定义为 ,可 以写成如下公式:j=J A V(7 a I=()=()C b)(7 a)用于计算 的修正量,(7 b)用于计算 电压协方差矩阵(节点注入的协方差 可以通过负 荷变化曲线求得,是在 处求得雅克比矩阵)。2 O 电力 系统保护 与控制 这些值再代 回公式(6),从而计算概率潮流程序,进行叠代,求得最后的概率潮流结果。现在可 以计算特征根的均值与协方差矩阵。如果
18、阵是线性系统动态方程的状态矩阵,则它 的均值 可以通过以下公式求得:+(厶 fj=l c J v 其中:_ n 是在 一V处求得的,而 是特征根矩阵 相对 于 电压 的一 阶偏 导矩 阵。3 用于控制器定位和参数设计 的概率灵敏 度指标 P S I s 对于某个特征根=0 j屈,的期望和标准 方差分别写成 和 盯 (,是公式(9)的对角 阵的平方根)。在区域 一 o。,+4 o-的概 率非 常接近于 1 近 O 9 9 9 9 6 _ 4 J。这个分布区域的上 限,写成(如公式(1 0)所示),可以认为十多运行 条件下用来衡量系统鲁棒稳定的新的阻尼系数,定 义为扩展阻尼系数:+4 (1 0)相
19、对 于参数的灵敏度系数 表 明该参数对 调节的有效程度,也表明正确的调节方向,从而 提高系统阻尼。因此公式(I i)定义的特征根灵敏 度指标 P S I s可以用来做控制器参数的设计。阶灵敏度求得。为了计算 的概率灵敏度,特征根 的协方 差,麒,嘶和 可 以通过 公式(7 b)的 C 求得,求解方法如公式(1 3)所示,其中(,)代表 a k*A的四个组合。cM =3aY k bar A c ,根据公式(1 3),协方差相对于控制器参数 的灵敏度可以表达为=瓷器(1 4)考虑到 0-2=c ,和,标准方差 的灵敏度可以通过公式(1 5)求得。:1 a 2 a 在公式(1 3)、(1 4)和(1
20、 5)中,特征根对 节点电压的一阶灵敏度可以由公式(3 a)获得,通 过将(3 a)里的鹭换成 或。特征根对节点电压 和 S VC控制器参数 的二阶灵敏度(1 4)可 以根据 公式(3 b)计算,其中酶替换成 或,替换成 :萼+4 (1 1)4算 例 分 析 ,a a a 在传统的阻尼控制器设计方法(只考虑某个运 行点的情况下)里,阻尼控制器的定位于信号选择 可以通过开环模式下的留数指标获得 2 。但仅考虑 一个反馈时,实际上留数指标等价于阻尼控制器在 增益等于零时求得 的特征根灵敏度系数 J。在多运 行条件下,当由公式(1 0)来确定小干扰稳定性时,阻尼控制器增益等于零时对应的概率特征根灵敏
21、度 P S I可以看成是传统的留数指标在概率情况下的扩 展,因此可以被用来确定控制器的安装位置和输入 信号。IG=o(12)公式(1 1)、(1 2)中的 灵敏度可以通过公式(3 a)获 得,这跟 传统 的特 征根 灵敏 度方 法类 似,但 的灵敏度需要通过公式(3 b)的二 本文采用的算例是一个两区域,含四台发电机 的系统,如图 1 所示。发电机 l 与 2装有快速励磁,发 电机 3与 4装有慢速励磁。发电机及网络数据同 文献 1 。在本研究中,负荷的概率 曲线如图 3所示,发 电机的节点电压的变化采用图 4所示 曲线。在假 设正态分布的情况下,节点功率与 P V 母线电压的 正常运行值取他
22、们的均值,如下:SL 6=9 8+1 p u,S L 7:1 6 4 8+1 p u 1=6 6 p u,2=6 1 p u,3=6 p u l=1 0 2(p u),2=1 0 1(p u)3=1 0 3(p u),4=1 O 1 Z O。(p u)该系统的这些运行状态的统计属性通过第三节 所介绍的概率特征根求得。表 1 列出了复特征根的 概率结果(为了简化,具有足够稳定性的实特征根 没有列出)。对特征根期望值 的模式分析u 8 J 表 明本 边晓燕,等 基于概率法的静止无功补偿器设计 一 2 l _ 系统有三个机电模式,即特征根 3到 5,其 中特征 根 3与 4分别是两个区间里的区内振荡
23、,而特征根 5是区间振荡。该区间振荡的阻尼常数 小于零的 概率只有 0 3 5 9,所 以阻尼不足。因此选择安装 S VC 来改善该区间振荡的阻尼。本节将讨论 S VC安装位 置及输入信号的选择,S V C 阻尼控制器参数的设 计,从而实现鲁棒 的阻尼控制。图 1算例 系统 F i g 1 T e s t s y s t e m 4 1 S V C安装位置及输入信号的选择 本研究 中采用 的 S VC结构如图 2所示 j,S VC 由晶闸管控制的电抗器,及固定 电容器组成,并通 过降压变压器与母线相连,其 中 坼 是变压器 的阻 抗,B c 和 分别是电容器与电感器的电纳。由于 电压调节器所能
24、提供的阻尼力矩很小,所以 S vC需 要辅助的阻尼控制器。表 1 未加装 S VC时系统复特征根 T a b 1 Co mp l e x e i g e n v a l u e s wi t h o u t S VC 注:特征 根 期望:=j ,标准 方差:,概 率:=P 0)图2 S VC的结构图 F i g 2 Co n fi g u r a t i o n o f t h e S VC 如算例系统 图 1所示,任何母线都可以选为 S V C的安装位置,但 由于线路 6 5 7是联络线,所 安装的 S VC用来改善区间震荡模式的阻尼,所以母 线 5,6,7 作为 S VC的备选安装位置,就
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