電力系統(tǒng)供電負(fù)荷穩(wěn)定性優(yōu)化控制研究

楊躍

（昆明工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，云南 昆明 650302）

電力系統(tǒng)供電負(fù)荷的穩(wěn)定性主要指，在被外界所干擾的情況下比如雷雨天氣時，發(fā)電機組依然能夠保持同步運行能力，并且電力傳輸保持一定的穩(wěn)定性，不會影響到人們生產(chǎn)和生活中的正常用電。在電力行業(yè)的發(fā)展中，逐漸增強了電網(wǎng)區(qū)域的互聯(lián)程度。如今，電網(wǎng)已經(jīng)是多區(qū)域互聯(lián)的電力系統(tǒng)，包括了若干控制區(qū)域。在家庭和工業(yè)供電要求逐漸增多的情況下，遠(yuǎn)距離傳輸電力面臨更重的挑戰(zhàn)，基礎(chǔ)性的難題就是供電負(fù)荷穩(wěn)定性，導(dǎo)致電壓失穩(wěn)有多方面的原因。在研究負(fù)荷時，本文主要從其非線性特征上入手，考慮非線性特性對電力系統(tǒng)供電負(fù)荷穩(wěn)定性的影響，從而提出優(yōu)化控制供電負(fù)荷穩(wěn)定性的有效措施。所以，控制電力系統(tǒng)供電負(fù)荷穩(wěn)定性主要是穩(wěn)定控制頻率和有功功率。

1 優(yōu)化控制電力系統(tǒng)供電負(fù)荷穩(wěn)定性的必要性

電力系統(tǒng)負(fù)荷會隨時出現(xiàn)變化，負(fù)荷擾動的突然出現(xiàn)會導(dǎo)致系統(tǒng)頻率出現(xiàn)偏差。所以，設(shè)計優(yōu)化控制供電負(fù)荷以保持其穩(wěn)定性的系統(tǒng)設(shè)計是非常有必要的，主要作用是確保電力系統(tǒng)輸送電能的質(zhì)量和負(fù)荷頻率穩(wěn)定?？刂曝?fù)荷頻率的任務(wù)主要有兩個：（1）在受到負(fù)荷變化的干擾時，確保電力系統(tǒng)負(fù)荷頻率出現(xiàn)的偏差是0，同時要確保聯(lián)絡(luò)線交換功率返回一開始的設(shè)定值。（2）針對無法確定的一些參數(shù)、系統(tǒng)模型和外部干擾，控制器在設(shè)計時要保證其有魯棒性能。

2 負(fù)荷頻率控制的有關(guān)研究

在設(shè)計和操作電力系統(tǒng)時，只能借助積分控制常規(guī)的負(fù)荷頻率是一個重要問題。而積分增益在過大的時候，會導(dǎo)致系統(tǒng)性能降低，系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重振蕩，也可能會有不穩(wěn)定的情況出現(xiàn)。所以，積分增益的設(shè)置要折中，設(shè)置在較小超調(diào)與系統(tǒng)理想暫態(tài)恢復(fù)響應(yīng)之間。如今一些文獻已經(jīng)有了不少針對負(fù)荷頻率控制積分增益整定的方法。

在增加了電力系統(tǒng)復(fù)雜性，擴大了電網(wǎng)規(guī)模的情況下，也增加了系統(tǒng)振蕩導(dǎo)致廣域停止供電的風(fēng)險。在負(fù)荷頻率控制上，一些文獻已經(jīng)提出了一些方法。比如有的文獻對于雙饋風(fēng)型的電機組，提出了負(fù)荷頻率控制的兩種策略，控制下降速率和控制慣性；有的文獻提出了以內(nèi)?？刂坪投杂啥葹榛A(chǔ)整定PID的過程，不過這些文獻都沒有考慮到系統(tǒng)的非線性。在電力系統(tǒng)的實際運行中，普遍存在非線性情況。所以，要以負(fù)荷頻率控制系統(tǒng)的非線性基礎(chǔ)，設(shè)計控制器，確保系統(tǒng)控制性能。近幾年，一些文獻也研究了負(fù)荷頻率控制系統(tǒng)的非線性情況。比如有的文獻對于負(fù)荷頻率控制系統(tǒng)，提出利用FCMCT來生成最優(yōu)模糊規(guī)則；有的文獻通過模糊邏輯控制設(shè)計了直流電機的死區(qū)補償裝置；有的文獻依據(jù)負(fù)荷頻率控制中有發(fā)電速率約束存在，提出了控制擴張積分的措施，從而消除控制常規(guī)PI導(dǎo)致的超調(diào)量。

這些文獻提供了不少控制措施來解決負(fù)荷頻率控制問題和負(fù)荷頻率控制的非線性特性，并通過一些算法實施優(yōu)化控制。但控制器的設(shè)計結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，有較大的計算量，應(yīng)用到工業(yè)上的困難比較大。所以，本文對負(fù)荷頻率控制系統(tǒng)的非線性特征，提出了線性自抗擾控制。相比其他控制，線性自抗擾控制有更加簡單的機構(gòu)，并且在非線性的系統(tǒng)中也都能夠適用。這種控制器只要將兩個參數(shù)整定就可以了，整定比較方便，計算也相對簡單，在工業(yè)中也有比較好的應(yīng)用。

3 優(yōu)化控制電力系統(tǒng)供電負(fù)荷穩(wěn)定性的系統(tǒng)模型

針對供電負(fù)荷的非線性，對其穩(wěn)定性進行優(yōu)化控制的系統(tǒng)模型?！鱔G(t)代表調(diào)速器氣門的位置變化，△PG(t)代表汽輪機輸出發(fā)生的變化，△f(t)代表頻率偏差，TG代表調(diào)速器的時間常數(shù)，TT代表汽輪機的時間常數(shù)，TP代表發(fā)電機的時間常數(shù)，KP代表發(fā)電機的增益，△Pd代表負(fù)荷擾動。電力系統(tǒng)由三個組成部分：調(diào)節(jié)閥動態(tài)、電力系統(tǒng)動態(tài)和汽輪機動態(tài)。這三個動態(tài)的計算公式分別是：

調(diào)節(jié)閥動態(tài)Gg(s)=1/(TGs+1)

電力系統(tǒng)動態(tài)Gp(s)=Kp/(Tps+1

汽輪機動態(tài)Gt(s)=1/(TTs+1)

系統(tǒng)模型的表示可以是：△f=G(s)u+Gd(s)△Pd

其中：

R是機組的下降特性。所以，負(fù)荷頻率控制問題主要就是抑制擾動的問題。但是，由于存在限幅限速、發(fā)電速率約束和調(diào)速器的死區(qū)等非線性，惡化了系統(tǒng)性能，使控制的控制難度和復(fù)雜度都有所增加。因此，基于負(fù)荷頻率控制非線性的控制器能將非線性的響應(yīng)有效消除，并且方便計算，結(jié)構(gòu)也比較簡單，應(yīng)用也比較便捷。

4 線性自抗擾控制

在非線性系統(tǒng)中首次提出應(yīng)用自抗擾控制來應(yīng)對抗干擾問題是在1998年。應(yīng)用思想是通過一個觀測擴張狀態(tài)的裝置對系統(tǒng)擾動進行估計，之后采取簡單控制來抑制。這種應(yīng)用思想和反饋線性化有相似之處，不過其結(jié)構(gòu)更加簡單，在不同線性系統(tǒng)中也能夠適應(yīng)。然而，因為非線性的自抗擾控制要對多個參數(shù)進行調(diào)節(jié)，無法廣泛應(yīng)用在實際中。之后有學(xué)者提出簡化非線性的自抗擾控制，提出了線性自抗擾控制，這種控制器只要對兩個參數(shù)進行整定，使整定自抗擾控制的過程得到大幅度簡化，從而有了應(yīng)用在工業(yè)中的可能性。一個線性自抗擾控制要對兩組參數(shù)進行設(shè)計，也就是重積分系統(tǒng)狀態(tài)反饋增益，狀態(tài)觀測器的觀測增益。為了方便調(diào)節(jié)，有文獻提出轉(zhuǎn)化兩組增益整定為觀測器帶寬和控制器帶寬。反饋控制律的增益只要對單個參數(shù)控制器帶寬進行調(diào)節(jié)即可。線性自抗擾控制是和被控對象模型相獨立的一種控制結(jié)構(gòu)，具有普適性，要了解對象相應(yīng)增益和相對階。尤其是線性自抗擾控制只要對兩個參數(shù)進行整定，控制人員也比較好理解。除此之外，線性自抗擾控制自帶積分，所以設(shè)計時就不用再加入額外的積分器。

5 補償誤差的策略

在具有非線性特征的負(fù)荷頻率控制系統(tǒng)中應(yīng)用線性自抗擾控制，從而改善和恢復(fù)系統(tǒng)的性能。不過，線性自抗擾控制是一般性的控制結(jié)構(gòu)，假如系統(tǒng)有非線性特征存在，要把線性自抗擾控制變成高階控制器，不過會對原有控制結(jié)構(gòu)造成破壞，也可能會導(dǎo)致線性自抗擾控制喪失主動抗擾的功能。為了解決這一問題，可以采取誤差補償，在確保線性自抗擾控制能一直主動抗擾的前提下，提升其控制性能。

以線性自抗擾控制為基礎(chǔ)的誤差補償措施設(shè)計。設(shè)計思想是把汽輪機的實際輸出和理論輸出誤差都當(dāng)成外部擾動，將負(fù)荷頻率控制加入進去再估計。如此一來，線性自抗擾控制就能夠?qū)⒎蔷€性的影響有效消除，迅速改善和恢復(fù)系統(tǒng)控制性能。

6 電力系統(tǒng)被干擾后負(fù)荷的失穩(wěn)特性

負(fù)荷失穩(wěn)主要指的是因為運行電壓偏低，負(fù)荷元件必須要采取保證能量轉(zhuǎn)化功效正常的一些措施，或者是因為電壓在運行時過低，導(dǎo)致內(nèi)部的核心裝備被損壞，也可能因為要進行電力系統(tǒng)的保護行為而將電源暫時切斷。之所以會出現(xiàn)電荷失穩(wěn)現(xiàn)象，主要是因為以下一些情況：（1）在電壓較低的時候，負(fù)荷元件失去了穩(wěn)定性。（2）感應(yīng)電動機出現(xiàn)失速甚至是堵轉(zhuǎn)問題，比如冰箱、熱泵、空調(diào)等帶有壓縮機的感應(yīng)電動機發(fā)生堵轉(zhuǎn)和失速、熒光燈突然熄滅等等問題。在負(fù)荷元件出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象之后，無功功率和有功功率都會出現(xiàn)急劇變化，在嚴(yán)重的情況下，甚至?xí)φ麄€系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定性造成嚴(yán)重影響。

之所以出現(xiàn)負(fù)荷失穩(wěn)，其原因主要是負(fù)載失穩(wěn)之后會吸收線路中的電流，導(dǎo)致電流無功功率增加，增大了線路電壓降落，減小了負(fù)荷電壓，導(dǎo)致線路電壓不穩(wěn)。所以，電動機出現(xiàn)保護性的停轉(zhuǎn)、熒光燈的熄滅等都是為系統(tǒng)出現(xiàn)不足的無功功率做緩解，在電壓穩(wěn)定后再繼續(xù)工作。出現(xiàn)負(fù)荷失穩(wěn)現(xiàn)象之后，可以分析電壓穩(wěn)定因靜態(tài)負(fù)荷而導(dǎo)致的影響。其中靜態(tài)負(fù)荷的特性主要指電壓的變化穩(wěn)定之后，負(fù)荷功率和電壓間的關(guān)系。比如在單機系統(tǒng)中，系統(tǒng)負(fù)荷達到極限值后，假如繼續(xù)提升，系統(tǒng)會出現(xiàn)不穩(wěn)定。在分析靜態(tài)電壓的穩(wěn)定控制時，采取的方法是靜態(tài)模型來對負(fù)荷進行描述，從靜態(tài)角度對電壓發(fā)生崩潰的原理做解釋。采取代數(shù)方法計算系統(tǒng)運行當(dāng)前的極限點距離，對管理電力系統(tǒng)運行的工作人員來說，系統(tǒng)運行功率的極限是最為直觀的。在運行負(fù)荷比較高時，通過改變負(fù)荷來控制功率運行的不穩(wěn)定狀態(tài)，也就是在降低負(fù)荷阻抗時降低功率。電壓和電力系統(tǒng)能不能保持穩(wěn)定狀態(tài)很大程度上取決于負(fù)荷特點，所以電力行業(yè)的人員要積極研究電力系統(tǒng)供電負(fù)荷的穩(wěn)定性，通過提高負(fù)荷穩(wěn)定性，提高電力系統(tǒng)整體運行的穩(wěn)定性，從而為人們提供更好的電力服務(wù)。

7 結(jié)語

由于電力系統(tǒng)具有非線性的特性，在優(yōu)化控制供電負(fù)荷穩(wěn)定性中采取線性自抗擾控制方法。同時為了使線性自抗擾控制系統(tǒng)的性能得到有效提升，需要采取誤差補償措施，從而將非線性特性所造成的影響盡快消除掉。

參考文獻：

[1]常帥兵,譚文.電力系統(tǒng)供電負(fù)荷穩(wěn)定性優(yōu)化控制研究[J].計算機仿真,2016,33(11):87-91.