MATLAB在自適應(yīng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器中的智能優(yōu)化分析

葛俊峰

（集寧師范學(xué)院 科研設(shè)備處， 內(nèi)蒙古 烏蘭察布 012000）

MATLAB在自適應(yīng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器中的智能優(yōu)化分析

葛俊峰

（集寧師范學(xué)院 科研設(shè)備處， 內(nèi)蒙古 烏蘭察布 012000）

為提升電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的使用效果，分析了影響低頻振蕩的因素，并對(duì)自適應(yīng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的相關(guān)配置進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上，并以 MATLAB 為工具，研究了自適應(yīng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器智能調(diào)節(jié)分析的優(yōu)化方法.

電力系統(tǒng)；穩(wěn)定器；自適應(yīng)；智能優(yōu)化

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的不斷發(fā)展，人們對(duì)電力的使用需求越來(lái)越高.為滿足社會(huì)不斷增長(zhǎng)的電力需求，超高壓遠(yuǎn)距離輸電線路及其相應(yīng)的發(fā)電設(shè)備不斷地被開發(fā)出來(lái)，電力系統(tǒng)行業(yè)也逐漸向著長(zhǎng)距離、大容量、高復(fù)雜性的方向發(fā)展.由于電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，相應(yīng)的問題也逐漸顯現(xiàn)，其中最為明顯的是低頻振蕩對(duì)電力系統(tǒng)整體安全造成的威脅.如何對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與改進(jìn)，從而能夠在方便管理的前提下，有效解決電力系統(tǒng)低頻振蕩問題，是目前行業(yè)內(nèi)亟待解決的關(guān)鍵性問題.雖然電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的開發(fā)對(duì)于低頻振蕩有一定的緩解作用，但由于電力系統(tǒng)本身的復(fù)雜性，僅僅依靠人工對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器進(jìn)行整定與控制，一方面缺乏準(zhǔn)確性，另一方面，在安全性、快捷性上也存在諸多方面的不足.

鑒于此，本文就自適應(yīng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器展開研究，并以MATLAB為研究手段，對(duì)其參數(shù)的智能優(yōu)化進(jìn)行了仿真與分析.成果有利于新一代的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的研發(fā).

1 電力系統(tǒng)低頻振蕩探討

在不同的電網(wǎng)之間，發(fā)電機(jī)通過相應(yīng)的輸電線路平行地運(yùn)行.在這種情況下，當(dāng)擾動(dòng)出現(xiàn)時(shí)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子之間會(huì)出現(xiàn)相互的擺動(dòng)現(xiàn)象，這種擺動(dòng)的現(xiàn)象在一定條件下會(huì)引發(fā)持續(xù)的振蕩，進(jìn)而引起低頻振蕩的發(fā)生.電力系統(tǒng)低頻振蕩是較為常見影響電力系統(tǒng)安全性的因素.它主要由以下幾個(gè)方面的因素引起：

（1）電網(wǎng)之間的弱聯(lián)系.兩個(gè)獨(dú)立電網(wǎng)之間聯(lián)絡(luò)回路較少、導(dǎo)線截面較小以及阻抗過大都會(huì)引起電網(wǎng)之間弱聯(lián)系的出現(xiàn).

（2）長(zhǎng)線路、遠(yuǎn)距離輸電的影響.由于供電的需求，長(zhǎng)線路、遠(yuǎn)距離的輸電系統(tǒng)往往在所難免，在這樣的系統(tǒng)中，低頻振蕩是較為常見的現(xiàn)象.

（3）勵(lì)磁系統(tǒng)的影響.低頻振蕩往往更容易發(fā)生在高放大倍數(shù)的勵(lì)磁系統(tǒng)的電力系統(tǒng)中，對(duì)電力系統(tǒng)的安全造成隱患.

歸結(jié)起來(lái)，電力系統(tǒng)產(chǎn)生低頻振蕩的原因?yàn)椋弘娏ο到y(tǒng)機(jī)械模式阻尼較小造成系統(tǒng)振蕩無(wú)法平息，從而引起低頻振蕩；電力系統(tǒng)在勵(lì)磁控制過程中，勵(lì)磁電流對(duì)勵(lì)磁電壓產(chǎn)生的之后作用導(dǎo)致了低頻振蕩的產(chǎn)生；由于勵(lì)磁系統(tǒng)變化時(shí)間過短造成的電力系統(tǒng)擾動(dòng)過大從而引起低頻振蕩；電力系統(tǒng)本身具有非線性特性，這種非線性特性在較小的擾動(dòng)下容易使電力系統(tǒng)特性和狀態(tài)發(fā)生變異，從而導(dǎo)致低頻振蕩的發(fā)生；人為的不適當(dāng)控制引起的電力系統(tǒng)擾動(dòng)，從而誘發(fā)低頻擾動(dòng).

2 自適應(yīng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的構(gòu)建

為了更為有效地解決電力系統(tǒng)低頻振蕩問題，從上世紀(jì) 50年代起，自適應(yīng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器就被研發(fā)出來(lái).自適應(yīng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器大致可分為自動(dòng)校正穩(wěn)定器、模型參考自適應(yīng)穩(wěn)定器以及其他類型自適應(yīng)穩(wěn)定器.在這其中，自校正穩(wěn)定器是一種將模型參數(shù)的預(yù)估和控制器參數(shù)的設(shè)計(jì)相結(jié)合起來(lái)的、綜合性的穩(wěn)定器自適應(yīng)技術(shù).這種技術(shù)具有設(shè)計(jì)靈活、操作簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)，在電力系統(tǒng)中得到了較為廣泛的應(yīng)用.

本文所描述的自適應(yīng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器是基于帶有遺忘因子的遞推最小二乘法構(gòu)建的.其方法為在原有遞推運(yùn)算時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的加權(quán)計(jì)算，從而使相應(yīng)的數(shù)據(jù)作用得到突出，從而達(dá)到“遺忘”的目的.其具體的算法為：以 λ（0＜λ＜1）為加權(quán)因子（遺忘因子），在相應(yīng)的數(shù)據(jù)得以測(cè)出時(shí)，以該數(shù)值乘以遺忘因子，以達(dá)到加權(quán)的目的.

2.1 自適應(yīng)穩(wěn)定器的電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

自適應(yīng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的構(gòu)成一般分為：系統(tǒng)模型、控制器與參數(shù)識(shí)別器.在這其中，系統(tǒng)模型是自適應(yīng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的基礎(chǔ)，它是以數(shù)學(xué)方法將電力系統(tǒng)數(shù)值化地表示出來(lái)，并對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)證與檢測(cè)，從而得到相關(guān)數(shù)據(jù).參數(shù)識(shí)別器的主要功能是對(duì)自適應(yīng)穩(wěn)定器的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，在其中，所采用的算法是帶有遺忘因子 λ 的遞推算法.控制器是在不斷調(diào)整極點(diǎn)移動(dòng)配置控制的基礎(chǔ)上開發(fā)的能夠直接對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制的應(yīng)用程序.自適應(yīng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的各個(gè)組成部分不是獨(dú)立地進(jìn)行運(yùn)作，而是作為一個(gè)有機(jī)的整體進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，以達(dá)到降低低頻振蕩的目的.

2.2 自適應(yīng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器系統(tǒng)模型的選擇

電力系統(tǒng)本身是一個(gè)極為復(fù)雜的非線性的體系，在自適應(yīng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器計(jì)算的過程中，必須考慮其參數(shù)的未知性與時(shí)變性.針對(duì)自適應(yīng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的非線性狀況，很難用較為精確的數(shù)值模型對(duì)其進(jìn)行仿真.在模型選擇時(shí)，應(yīng)從部分出發(fā)，將系統(tǒng)的整體分割為不同的小系統(tǒng)，在各個(gè)小系統(tǒng)中利用線性模型進(jìn)行表示.

2.3 自適應(yīng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器閉環(huán)參數(shù)的識(shí)別

就自適應(yīng)穩(wěn)定器而言，其參數(shù)識(shí)別器是在閉環(huán)條件下展開運(yùn)行的.在這種條件下，參數(shù)識(shí)別器接收到的往往是一組特征并不明顯的數(shù)據(jù)，利用這種數(shù)據(jù)，很難對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行估計(jì).因此，在實(shí)際應(yīng)用過程中，往往在電力系統(tǒng)輸入或輸出端口進(jìn)行相應(yīng)的信號(hào)擾動(dòng)，從而使得系統(tǒng)的行為不斷地得到激勵(lì).擾動(dòng)信號(hào)應(yīng)具有足夠的頻率帶，以使其能夠涵蓋系統(tǒng)的頻率.另外，擾動(dòng)信號(hào)應(yīng)不影響系統(tǒng)本身的合理運(yùn)行.因此，擾動(dòng)信號(hào)應(yīng)具有能夠?qū)崟r(shí)調(diào)節(jié)或自動(dòng)調(diào)節(jié)的功能，從而使得參數(shù)識(shí)別器的使用效果更為優(yōu)良.

3 基于 MATLAB 的自適應(yīng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器優(yōu)化分析

作為一種具備精確計(jì)算與數(shù)值仿真功能的高性能交互式計(jì)算機(jī)語(yǔ)言平臺(tái)，MATLAB為電力系統(tǒng)的運(yùn)算與仿真提供了專有的 SimPowerSystems模型庫(kù)，主要由電源庫(kù)、電機(jī)模型和測(cè)量元件等相關(guān)部分組成.在 SimPowerSystems模型運(yùn)算過程中，用戶可將不同的元件進(jìn)行連接，并通過相應(yīng)地語(yǔ)言進(jìn)行控制，以達(dá)到模擬仿真的目的.

3.1 帶 λ 參數(shù)識(shí)別器的實(shí)現(xiàn)

本文中，以三階離散模型對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行表征.在模型中，引入權(quán)值遺忘因子 λ，并采用 S-Function Builder工具對(duì)相應(yīng)的識(shí)別器函數(shù)進(jìn)行編寫.在此基礎(chǔ)上，將編譯完成的S-Function進(jìn)行封裝.為保證自適應(yīng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器仿真過程中參數(shù)識(shí)別器計(jì)算仿真的準(zhǔn)確性，本文在 MATLAB的基礎(chǔ)上研發(fā)了相應(yīng)的計(jì)算驗(yàn)證程序.驗(yàn)證結(jié)果表明，當(dāng)時(shí)間為0.09s時(shí)，識(shí)別器能夠?qū)?shù)進(jìn)行識(shí)別，模型識(shí)別參數(shù)與實(shí)際參數(shù)的相關(guān)性良好.

3.2 極點(diǎn)移動(dòng)配置控制器的實(shí)現(xiàn)

自適應(yīng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器 MATLAB仿真中機(jī)電移動(dòng)配置控制器由參數(shù)估計(jì)值確定，其設(shè)計(jì)控制律如式（1）所示.

在式（1）的基礎(chǔ)上，通過數(shù)值運(yùn)算，得到控制器的控制量如式（2）所示.

在 MATLAB中，自適應(yīng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器極點(diǎn)移動(dòng)配置控制器由 MATLAB中的 Fen模塊構(gòu)建，并最終封裝成一個(gè)控制模型.

3.3 移動(dòng)因子自動(dòng)調(diào)節(jié)控制仿真

不同的移動(dòng)因子參數(shù)輸入能夠獲得不同的控制仿真效果.當(dāng)移動(dòng)因子為1時(shí)，控制器無(wú)輸出；而當(dāng)移動(dòng)因子為0.9995-0.9998時(shí)，控制器的輸出對(duì)于改良低頻振蕩能夠取得較為良好的效果.由此看來(lái)，移動(dòng)因子的微小變化對(duì)控制器有較大的影響.本文在此基礎(chǔ)上，研究了移動(dòng)因子的自動(dòng)調(diào)節(jié)控制方法，以控制相應(yīng)的參數(shù)數(shù)值在一定范圍以內(nèi)，從而達(dá)到抑制低頻振蕩的目的.在 MATLAB仿真中，將移動(dòng)因子設(shè)定在一定合理的范圍，當(dāng)自適應(yīng)穩(wěn)定器輸出超出范圍后，通過程序的自動(dòng)識(shí)別，可將移動(dòng)因子進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，以完成對(duì)輸出結(jié)果控制的目的.

4 結(jié)語(yǔ)

自適應(yīng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器是抑制低頻振蕩的較為直接也較為有效的方法.為提升電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的使用效果與操控效果，本文在對(duì)低頻振蕩產(chǎn)生因素進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，對(duì)自適應(yīng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的相關(guān)參數(shù)與配置進(jìn)行了構(gòu)建，并以MATLAB為工具，研究分析了自適應(yīng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器智能調(diào)節(jié)分析的優(yōu)化方法.成果有利于自適應(yīng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的不斷完善與推廣應(yīng)用.

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TM44

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1673-260X（2014）08-0040-02

內(nèi)蒙古教育廳科研項(xiàng)目（NJZC14292)階段性成果