基于協(xié)同控制理論的航空電源車電力穩(wěn)定控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

閆嘉偉 蔣超

關(guān)鍵詞： 航空電源車; 電力系統(tǒng); 協(xié)同控制; 節(jié)能減排; Prony分析; PSS控制

中圖分類號： TN99?34; TM712 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）01?0147?05

Abstract： The current electric power stability control method of aeronautical power supply vehicle has high energy consumption and low accuracy for system control， and has a great influence on the operation of electric power system. Therefore， a cooperative control theory based design method of electric power stability control system for aeronautical power supply vehicle is proposed. The overall framework of electric power system stability control system is designed. The type selection design is carried out for the database of the system according to the system framework. The simulation module of the system and Prony analysis method module with filtering function are described to realize the design of the system module and ensure the speed of data processing. The differential algebraic equation is established for the electric power system. The macro variables are constructed for the rotational speed and active power of the generator in the electric power system. The dynamic equation of the system trajectory tending to manifold is established to determine the PSS control law of the stable control system. The state of the steady?state system is analyzed. The parameters of system PSS control law are calculated to realize the design of electric power stability control system of aeronautical power supply vehicle. The experimental results show that the designed system can meet the requirements of energy saving and emission reduction， accurately monitor the working state of the electric power system of the aeronautical power supply vehicle， and ensure the stable operation of the electric power system of the aeronautical power supply vehicle， and has the advantages of simple calculation process， low energy consumption and high real?time control effect while the system is in steady?state.

Keywords： aeronautical power supply vehicle; electric power system; cooperative control; energy saving and emission reduction; Prony analysis; PSS control

0 ?引 ?言

隨著國家經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展以及科學(xué)技術(shù)水平的提高，人們的生活水平得到了很大的提高，社會各個(gè)行業(yè)和領(lǐng)域也呈現(xiàn)出了巨大的活力[1?2]。但隨之而來的安全問題層出不窮，一定程度上對經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會化進(jìn)程產(chǎn)生阻礙[3]。航空電源車電力系統(tǒng)在生活生產(chǎn)過程中占據(jù)重要地位，航空電源車電力系統(tǒng)的安全問題成為影響人們生活生產(chǎn)的重要因素，因此需要對電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行穩(wěn)定控制，從而保證電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定[4]。目前廣泛使用的電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制方法從一般的安全理念出發(fā)，利用電力系統(tǒng)安全保障體系和電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制體系構(gòu)建電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定綜合防御體系，將電力系統(tǒng)安全保障體系分為三道防線，首先強(qiáng)化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，快速去除電力系統(tǒng)中的故障元件，然后利用最優(yōu)的自動控制系統(tǒng)，穩(wěn)定的控制措施，提高電網(wǎng)安全運(yùn)行水平，最后利用安全的運(yùn)行方式，在電力系統(tǒng)失穩(wěn)時(shí)，防止大面積停電的發(fā)生[5]。

文獻(xiàn)[6]提出電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定預(yù)防控制的在線計(jì)算方法，從實(shí)際工程中電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定問題出發(fā)，對各種預(yù)防控制計(jì)算方法對實(shí)際電力系統(tǒng)在線分析和控制要求的適應(yīng)性進(jìn)行分析對比。在此基礎(chǔ)上，基于安全穩(wěn)定性量化分析理論和方法，構(gòu)建適合的控制性能指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)控制策略的啟發(fā)式搜索以及計(jì)算任務(wù)的分配，從而完成電力系統(tǒng)的安全控制，但采用這種方法進(jìn)行電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制，對電力系統(tǒng)運(yùn)行影響較大，穩(wěn)定控制的效果不好。文獻(xiàn)[7]提出一種電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定控制方法，通過對影響電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定的因素進(jìn)行歸納總結(jié)，確定電力系統(tǒng)交直流協(xié)調(diào)控制問題，并分析各研究熱點(diǎn)的現(xiàn)狀和應(yīng)用，通過對電力系統(tǒng)中影響交互安全的機(jī)理進(jìn)行論述，綜合電力系統(tǒng)中交直流相互作用的現(xiàn)象和本質(zhì)確定穩(wěn)定控制策略，從而實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定控制。但這種方法對電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定控制的效果不明顯，且計(jì)算內(nèi)容較多，能耗較多。文獻(xiàn)[8]提出一種基于廣域響應(yīng)的電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制方法，從受擾軌跡快速預(yù)測、暫態(tài)失穩(wěn)實(shí)時(shí)判別、暫態(tài)穩(wěn)定實(shí)時(shí)控制三方面進(jìn)行論述，通過理論與實(shí)踐相結(jié)合的方法對電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制方法進(jìn)行論述，并分析當(dāng)前控制技術(shù)存在的問題。

針對上述問題，本文提出一種基于協(xié)同控制理論的航空電源車電力系統(tǒng)的穩(wěn)定控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，根據(jù)航空電源車電力系統(tǒng)的穩(wěn)定控制系統(tǒng)框架的設(shè)計(jì)，對實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定控制系統(tǒng)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，為保證控制的準(zhǔn)確度，將協(xié)同控制理論引入穩(wěn)定控制系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，所提方法能夠準(zhǔn)確地對航空電源車電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行控制，且控制的實(shí)時(shí)性較好，控制花費(fèi)的能耗較少。

1 ?航空電源車電力系統(tǒng)的穩(wěn)定控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 ?系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

通過對航空電源車電力系統(tǒng)中應(yīng)用較多信息系統(tǒng)的研究，本文設(shè)計(jì)的穩(wěn)定控制系統(tǒng)主要分為兩個(gè)功能模塊：一個(gè)模塊是數(shù)據(jù)采集分析模塊，該模塊的主要工作內(nèi)容是經(jīng)同步測量單元對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，利用數(shù)據(jù)集中器對數(shù)據(jù)進(jìn)行集成處理，將處理后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)組ySQL數(shù)據(jù)庫中;另一模塊是對MySQL數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行Prony擬合分析[9]，將分析結(jié)果利用PSS進(jìn)行全局結(jié)果整定，具體框架設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1中，同步測量單元利用電流和電壓的互感器實(shí)現(xiàn)對電力系統(tǒng)中瞬時(shí)電流和電壓的測量，將測量結(jié)果進(jìn)行低通濾波，并利用GPS對每個(gè)測量結(jié)果給定一個(gè)時(shí)間標(biāo)簽，從而實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)電壓、電流數(shù)據(jù)的采集和處理，并通過總線將采集和處理后的數(shù)據(jù)傳送到MySQL數(shù)據(jù)庫中。

通過對比幾種常見的數(shù)據(jù)庫，及對文中控制系統(tǒng)功能的分析，本文選用MySQL數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫具有較好的開源性，并且滿足本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)要求，具有結(jié)構(gòu)簡單、容易操作及與MFC有良好交互性的特點(diǎn)。

數(shù)據(jù)庫主要表的設(shè)計(jì)效果直接影響數(shù)據(jù)庫的使用性能，因此需要對數(shù)據(jù)庫主要表進(jìn)行設(shè)計(jì)，本文對數(shù)據(jù)庫主要表的設(shè)計(jì)如表1～表3所示。

表1中，將發(fā)電機(jī)定義為主鍵，通過將表1作為Prony分析模塊數(shù)據(jù)輸入，為電力系統(tǒng)能耗分析提供必要的數(shù)據(jù)信息，其中time屬性由于MySQL定義是帶護(hù)具類型time，無法滿足所需精度，所以采用DOUBLE型，再在程序中實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換。

通過圖2可以看出，在未進(jìn)行穩(wěn)定控制時(shí)，電流和電壓波動較大，使用穩(wěn)定控制系統(tǒng)對航空電源車電力系統(tǒng)電壓、電流進(jìn)行控制后，電流和電壓的波動明顯減小，說明本文所提方法設(shè)計(jì)的系統(tǒng)對電壓、電流控制的效果較好。由于本文在穩(wěn)定控制系統(tǒng)中增加了仿真模塊，能夠有效對PSS參數(shù)進(jìn)行測試和驗(yàn)證，保證系統(tǒng)控制的效果。

在電力系統(tǒng)中，即便采用最簡單的單機(jī)無窮大系統(tǒng)模型，也存在混沌現(xiàn)象。經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用證明，電壓崩塌、低頻振蕩和暫態(tài)穩(wěn)定都有混沌關(guān)系的影響。系統(tǒng)軌跡變化可以通過系統(tǒng)的位圖進(jìn)行表示，通過對比穩(wěn)定控制系統(tǒng)運(yùn)行前后電力系統(tǒng)的位圖變化，確定系統(tǒng)振幅變化。實(shí)際經(jīng)驗(yàn)證明，系統(tǒng)的振幅變化會對系統(tǒng)的能耗產(chǎn)生影響，振幅越大，能耗越多。圖3是本文所提方法設(shè)計(jì)的穩(wěn)定控制系統(tǒng)運(yùn)行前后航空電源車電力系統(tǒng)的位圖變化對比。

通過圖3可以看出，系統(tǒng)未進(jìn)行穩(wěn)定控制時(shí)，系統(tǒng)不規(guī)則振蕩的頻率較高，在本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)穩(wěn)定控制后，系統(tǒng)的不規(guī)則振蕩頻率減少，振蕩的幅度也降低，說明本文所提方法設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠有效抑制航空電源車電力系統(tǒng)的不規(guī)則振蕩，減少電力系統(tǒng)由于不規(guī)則振蕩產(chǎn)生的能耗。

對本文所提方法穩(wěn)定控制的效果進(jìn)行分析，分析結(jié)果如表4所示。

通過表4可以看出，本文所提方法設(shè)計(jì)的系統(tǒng)穩(wěn)定控制延遲時(shí)間較短，計(jì)算耗時(shí)較少，說明本文所提方法設(shè)計(jì)的系統(tǒng)較好地實(shí)現(xiàn)了電力系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制，由于控制的誤差較小，因此本文所提方法控制的效果較好。

綜上所述，本文所提方法設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠有效地對航空電源車電力系統(tǒng)中的電壓、電力進(jìn)行控制，降低電力系統(tǒng)振幅，提高控制效果，并且穩(wěn)定控制的實(shí)時(shí)性較好，能夠較好地解決當(dāng)前電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制方法存在的控制準(zhǔn)確度低，控制的實(shí)時(shí)性較差，控制效果不好的問題。

3 ?結(jié) ?語

為了保證航空電源車電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全，需要對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，本文設(shè)計(jì)的電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制系統(tǒng)主要從以下幾方面進(jìn)行設(shè)計(jì)：

1） 對航空電源車電力系統(tǒng)的穩(wěn)定控制系統(tǒng)總體框架進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，確定系統(tǒng)運(yùn)行流程。對系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對系統(tǒng)的仿真模塊和具有濾波功能的Prony分析方法模塊進(jìn)行闡述，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的模塊設(shè)計(jì)。

2） 通過對航空電源車電力系統(tǒng)建立微分代數(shù)方程，并通過電力系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和有功功率對宏變量進(jìn)行構(gòu)造，確定系統(tǒng)軌跡趨向于流形的動態(tài)方程，從而確定PSS控制規(guī)律，并對穩(wěn)定狀態(tài)下的系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行分析，通過對系統(tǒng)PSS控制規(guī)律中的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，實(shí)現(xiàn)航空電源車電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

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