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多类型多功能FACTS元件协调控制方法综述

北极星电力网技术频道    作者:3   2007/12/21 10:24:56   

 关键词:  FACTS 协调控制 控制

0引言  随着电力系统的网络规模的扩大,以及电力市场的发展和用户侧电能质量要求的提高,灵活交流输电技术(FACTS)在电力系统发挥的作用越来越强。FACTS元件基于大功率电力电子技术,实时影响传输系统的电压、电流、电抗和相角,能够提高系统的安全性和灵活性,改进系统稳定性。据专家分析,损失惨重的美加8.14大停电事故是一次典型的快速电压崩溃事故。而FACTS具有的快速无功支撑能力是避免类似事故发生的有效途径,许多国家都预备安装FACTS以提高系统动态电压稳定性。  然而随着越来越多的FACTS的安装也带来了一系列的问题,其中之一就是多种FACTS的相互作用。实际上正如传统器件一样,许多FACTS元件是面向各个不同目标单独设计和安装的,控制目标都是FACTS器件的不同控制功能所一一实现的。文献[1]在多个单个UPFC能发挥较好作用的基础上研究了多个UPFC的相互作用,结果表明,在UPFC不能较好的协调控制的情况下,不但不能发挥作用,反而导致了系统的失稳,因此为了保证FACTS的合作有效性,对FACTS元件相互作用和相互协调的研究就显得非常重要。  协调控制的要害是如何处理好各控制器之间的相互作用。根据对控制器之间相互作用处理方式的不同协调方法可以分为分散控制协调方法、基于合作的协调控制方法、模态协调控制方法、非线性协调控制方法以及综合各种方法优点的分级控制方法等几大类。  1分散协调控制方法  分散控制[2]是大系统理论的一个重要分支,它的研究内容是:在大系统中限定各局部控制器只反馈本地可测的状态变量或输出变量,通过设计这些局部控制器,使系统的总体性能达到一定的指标。  其中,输出反馈最优分散协调控制,属于给定结构约束的分散控制方法,其特点是控制器具有分散控制结构约束。控制器的设计方法是首先给出一个全局的二次性能指标,将系统的数学模型、控制器的结构及相互作用处理为约束条件,通过求解Levine-Athans方程组确定控制器的最优增益。在这种方法中,对控制器间相互作用的处理是通过指定的结构约束强行解耦的。  系统规模很大时,所需求解的Levine-Athans方程阶数过高,出现维数灾的问题,可以采用基于子系统考虑关联作用的分散控制方法。其考虑了电力系统中各个子系统与系统其余部分的关联是可测的,对出口电流交、直流分量的反馈取代对全系统状态量的反馈,并能取得与全系统状态量反馈最优控制相同或者相近的效果。子系统与其他子系统的关联项,只和本机的有关,可以在本机或者本系统测出,而关联项对控制规律的影响表现在反馈之中。  输出反馈最优分散协调控制是以电力系统在某个运行点处线性化的数学模型为基础的。因而,仅适合于运行在状态变化不大,工作在可线性化范围内的系统。另一方面,由于受固定反馈增益的限制,如何适应系统不同运行工况和干扰情况,充分发挥分散控制器对提高系统稳定和改善动态特性的作用仍需进一步研究。  文献[3]针对单机无穷大的系统的STATCOM和发电机励磁的协调控制,应用信息结构约束下的最优协调控制理论与算法,采用了完全分散的信息模式和输出反馈方式,设计了输出反馈的线性二次型(LQ)分散控制规律。  文献[4]针对多机系统(典型两区四机系统)的STATCOM与发电机励磁的协调控制,同样采用分散协调控制算法,设计了分散控制规律。  文献[5]对多机系统中TCSC与发电机励磁的协调控制,在反馈线性化和H。控制理论的基础上,构造出关于TCSC和励磁的分散非线性鲁棒协调控制律。  文献[6]基于DFL设计SVC和TCSC的控制器,应用线性最优理论和二次准则设计协调控制器。  更一般的方法是将协调控制看成是一个有约束的优化问题,通过遗传或其它优化算法确定控制器的控制作用。  文献[7)在多机电力系统中,固定各FACTS控制器,使之具有经典控制器的结构采取易获得的局部可观测信号分散配置各控制器,并应用遗传算法优化控制器的增益和时间常数相互协调,对所选择的不同系统运行工况都能具有较好的阻尼控制性能。但这种方式未能给出参数最优解的存在条件,而且对复杂系统而言,由于FACTS器件的灵活调控能力,使系统典型工况的选择较为困难,另外由于复杂系统较大的维数,不能进行快速的运算,也就不能进行较快的调节。  总之,FACTS控制器的分散协调方法是一种自顶向下的设计方法,在这种协调的框架下,各控制器的协调是通过寻求问题的最优解完成的,因而是静态的,协调和控制是相互依存的。当有新的FACTS器件需要加入协调时,则需打破原有的相互依存关系,重新设定所有参与协调的控制器的参数,重新调整各控制器的控制利益,以满足全局的最优性或整体利益。  2多代理协调控制方法  现代电力系统处于分布式环境,需要协调运作,系统中的模块相互独立又相互通讯,需要合作或者竞争方式完成任务,在电力市场出现之后,多代理技术开始在电力系统分布式计算和设计、电力市场计算和仿真等各个方面得到了广泛的应用,文献[8]提及了多代理系统在电力系统的应用。  这种方法的基本思想是认为各控制器为系统的成员,能够独立完成相应的任务,而协调是起因于其他控制器局部利益的改变,通过多个控制器的动态交互达成和谐、一致的工作方式,从而维持系统的整体性能。  多代理系统的协调方法,是将控制器视为一个能独立完成某些任务的代理,首先定义出分布自主的代理,然后通过多代理的交互与协作,达成各控制器控制作用的相互协调,实现系统的整体控制目标。  文献[9)以装设有一个SVC和一个STATCOM的单机无穷大系统为例,运用多代理系统的协调方法研究了在系统紧急情况下,AVR,SVC和STATCOM的二次电压协调控制,所采用的协调协议是简单的应答式协议,通过数字仿真说明了该方法的有效性。  文献[10]基于多代理协调机制研究了紧急情况下的二次电压协调控制,拓展了代理的覆盖范围,使其不仅包括代理所在节点,而且包括与代理相邻的节点,改善了紧急情况下系统的电压治理能力。相应地提出了应用有限状态机表示的多代理协调协议。以装设2个SVC和2个STATCOM的新英格兰系统为例进行的数字仿真和有限状态机分析证实了该方法的有效性和灵活性。  和基于约束的协调方法相比,基于多代理系统的协调方法是一种自底向上的设计方法,更适于动态、分布、开放式的环境。  电力系统是一个分布式的动态大系统,各补偿器在系统中不同的地点,安装的时间、所采用的控制规律也大不相同,随着系统发展的需要,也可能还需要装设新的补偿器。在不同的系统运行工况下,电压分布不同,所需控制的节点不同,参与协调的补偿器也不是固定不变的。补偿器的控制和协调处在动态、分布和开放的环境中,因而可以采用多代理协调的方法研究紧急情况下的二次电压协调控制。文献[11]研究了各个TCSC在阻尼控制中的协调控制,通过对局部可观测信号在模态中的可观察能力来决定哪些信号作为TCSC的有效控制信号,而TCSC协调控制是通过模式可控性来决定,即每个TCSC只能对其有较好可控性的模态发生作用。其增益则在满足控制准则的基础上通过线性最优得到。满足的控制准则包括:(1)在不明显恶化其他模式阻尼下使临界模式阻尼增大到可接受的程度;(2)各个不同TCSC:控制器之间的不利相互作用能减少到最小;(3)避免TCSC的饱和现象。  文献[12]提出了基于感应转距系数的协调算法,首先在没有考虑FACTS情况下取得感爱好的振荡模式然后应用有约束线性优化法求得各个FACTS协调控制的增益。  文献[13]在基于可观和可控的基础上,运用线性化矩阵不平等量约束(LMl)方法,以GPS得到的远方测量信号作为控制反馈信号,进行PSS和FACTS控制器综合协调以增强系统阻尼。  文献[14]基于线性化理论,运用向量补偿法设定控制参数,最优化搜索满足目标函数的增益,以协调SVC阻尼控制和电压控制。  4非线性协调控制方法  电力系统是很强的非线性系统,假如在不进行线性化的基础上,运用非线性方法进行多控制器的协调设计,会具有更好的控制效果。同时非线性协调控制方法复杂,方程阶数高。运算速度慢,如何应用于较大规模的电力系统是非线性控制以后研究的主要方向。  目前在非线性方法中,变结构控制法(VSC:VariableStructureControllers),直接反馈线性化方法、H∞控制都得到了应用。  变结构协调控制方法其核心是对控制器的结构和参数在工作过程中根据某种规律进行调节和切换,以改善全系统的动态性能。对于变结构控制来说,具有完全自适应能力,通过系统状态面切换,VSC能很好的处理系统的非线性动态行为,解决多对象组的均衡问题。因此对于强非线性的电力系统动态,VSC是很好的协调控制方法。而对于含多个FACTS元件的复杂系统来说,采用变结构控制的要害在于切换函数的选择。  文献[15]在研究多机系统的多模态振荡时,通过极点配置在状态空间找到切换函数,在系统方程为线性可控标准型的基础上,得到系统的变结构反馈控制器。因为是以线性模型为基础,当系统的工况发生变化时,其鲁棒性较差。  文献[16]在设计串联补偿器时,以到达稳定平衡点的时间最短为控制目标,通过简化轨迹求解法得到系统的切换函数。  文献[17]以在系统从受到扰动时刻到新的平衡点的整个过程中,机械输入功率与电气功率输出的不平衡量的平方和达到最小作为设计依据,推导出变结构控制的切换面,以协调TSC和TCR的动态行为。  文献[18]在研究FACTS的阻尼控制时,构造了包含FACTS元件的暂态能量函数,并针对各个FACTS元件推导出变结构控制的切换面。所设计控制器的控制信号只需当地可测变量,并对系统变化不敏感,具有良好的鲁棒性。  在文献[19]中利用H。控制理论的干扰抑制方法,提出一种汽轮发电机调速系统附加鲁棒分散控制(GAHDC)策略。利用APe作为输入扰动变量,避免了发电机方程的非线性问题;与发电机的运行状态以及系统参数无关,实现了发电机的分散稳定控制。  文献[20]用直接反馈线性化方法设计SVC与发电机励磁协调非线性控制器。所设计的控制器能实现当地信号控制,并对系统运行点和网络结构的变化具有很强的鲁棒性。  5结束语  目前的FACTS元件协调研究方法都各有自己的特点,如何将各种方法组合起来,取长补短,充分发挥各种方法的特点,是以后研究的重要方向。分级协调控制方法是今后FACTS协调控制的一个重要研究调节能力,在稳态时通过合理调节保证FACTS的经济运行,在事故情况下FACTS能快速调节以保证系统稳定。在稳态时,由于系统实时要求不高,可以采用静态方法(如分散协调控制方法)对其进行分析,强调静态环境下的各个FACTS的协调作用,以提高系统的经济性和静态稳定性。而在突发紧急事故时,对系统实时要求高,时间常数约为1秒到几秒之间可以采用动态方法(如多代理协调方法)对其进行分析,对FACTS紧急控制以提高系统的动态稳定性。然而如何分级、如何结合、采用何种静态方法、何种动态方法都是以后协调控制研究的重点。

来源:2007-12-06
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