沈力 沈媛 周浩

時變時滯電力系統(tǒng)魯棒鎮(zhèn)定控制器設計

沈力1沈媛2周浩2

(1. 江蘇省規(guī)劃設計集團有限公司市政規(guī)劃與工程設計院 南京 210036；2. 中國電子科技集團公司第二十八研究所 南京 210007)

為考慮時滯系統(tǒng)的不確定性，在常時滯電力系統(tǒng)模型基礎(chǔ)上建立不確定時滯電力系統(tǒng)模型。構(gòu)建新的增廣型Lyapunov-Krasovskii泛函，引用Bessel-Legendre不等式方法處理所提Lyapunov-Krasovskii泛函導數(shù)中的積分項，計算得到不確定時滯穩(wěn)定判據(jù)。通過和現(xiàn)有文獻對比，驗證所提方法的優(yōu)越性。根據(jù)得到的穩(wěn)定判據(jù)，應用參數(shù)調(diào)整法及線性矩陣不等式技術(shù)設計出無記憶狀態(tài)反饋控制器和有記憶狀態(tài)反饋控制器，通過典型二階時滯系統(tǒng)、單機無窮大系統(tǒng)分析驗證了兩種控制器的鎮(zhèn)定作用。

電力系統(tǒng)；時變時滯；魯棒鎮(zhèn)定控制器

1 引言

隨著智能電網(wǎng)發(fā)展，現(xiàn)代電力系統(tǒng)更加趨向于多互聯(lián)，大規(guī)模方向發(fā)展，因此僅依賴傳統(tǒng)的區(qū)域信號控制方法將無法滿足系統(tǒng)對性能的要求。近些年，隨著同步相量測量裝置技術(shù)，全球定位系統(tǒng)技術(shù)和現(xiàn)代電力通信技術(shù)的廣域測量系統(tǒng)的應用，使得將本地電力系統(tǒng)信息同步采樣并傳送至遠程控制中心成為可能，這就可以通過廣域控制器對電力系統(tǒng)進行協(xié)調(diào)控制[1]。但是，電網(wǎng)廣域監(jiān)測系統(tǒng)(Wide area measurement system, WAMS)的應用將電力系統(tǒng)變成了一個時滯系統(tǒng)，各類廣域控制信道中難免存在時滯，直接影響到電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，研究電力系統(tǒng)所能承受的時滯穩(wěn)定裕度是很有意義的。此外，為了保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行，研究電力系統(tǒng)時滯鎮(zhèn)定器的設計也具有非常重要的意義。

文章基于常時滯電力系統(tǒng)模型基礎(chǔ)上，建立了時變時滯(即時滯不確定)電力系統(tǒng)模型，構(gòu)建新的增廣LK泛函，應用文獻[21]中Bessel-Legendre不等式估計該泛函的導數(shù)，以改善時變時滯電力系統(tǒng)的最大時滯上界。再應用參數(shù)調(diào)整法[22]進行時變時滯電力系統(tǒng)魯棒鎮(zhèn)定控制器設計，通過典型二階時滯系統(tǒng)和單機無窮大電力系統(tǒng)進行實例驗證、模型仿真，證明了文章方法的實用性和優(yōu)越性。

2 系統(tǒng)模型

在進行時滯電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析時，通常建立簡單的系統(tǒng)模型，達到對系統(tǒng)基本性能和概念的理解。本文主要從單機無窮大系統(tǒng)著手研究，以此為基礎(chǔ)，從而可以分析更加復雜的大型網(wǎng)絡系統(tǒng)。

單機無窮大系統(tǒng)模型主要由一個發(fā)電機組(原動機、發(fā)電機以及勵磁系統(tǒng)等)、變壓器、輸電線路以及理想化的無窮大母線端構(gòu)成。單機無窮大系統(tǒng)簡化模型見圖1。

圖1 單機無窮大系統(tǒng)

本節(jié)主要討論三階矩陣模型的單機無窮大電力系統(tǒng)，常用的模型方程如下

其中

發(fā)電機的機端電壓為

其中

文章討論基于自動電壓調(diào)節(jié)勵磁控制系統(tǒng)的時滯相關(guān)魯棒性，假定在機組電壓測量時存在時滯，得到下列狀態(tài)方程

式(7)轉(zhuǎn)變?yōu)橄铝袝r變時滯線性電力系統(tǒng)模型

考慮給系統(tǒng)設計反饋控制器

3 穩(wěn)定判據(jù)

為了得到文章定理判據(jù)，下面介紹幾種引理。

引理1[21]：定義是在區(qū)間[,]?R上的可導函數(shù)，對于適當維數(shù)實對稱矩陣＞0，任意適當維數(shù)矩陣，有積分不等式(11)成立

其中

為得到文章的判據(jù)，首先定義向量、矩陣如下

=1, 2

基于Bessel-Legendre不等式并結(jié)合自由權(quán)矩陣方法，得到時變時滯電力系統(tǒng)的穩(wěn)定判據(jù)如下。

證明：根據(jù)Lyapunov穩(wěn)定理論，構(gòu)建新的增廣型LK泛函如下

由引理1得

對于適當維數(shù)任意矩陣，有以下等式成立

考慮到適當維數(shù)任意矩陣(=1, 2, 3)，有以下等式成立

結(jié)合式(16)～(20)，得

4 控制器設計

4.1 無記憶反饋控制器設計

式中，表示適當維數(shù)的常數(shù)矩陣。

其中

其他各項參考定理1。

4.2 有記憶反饋控制器設計

式中，表示適當維數(shù)的常數(shù)矩陣。

其中

其他各項參考定理2。

5 算例分析

5.1 典型二階系統(tǒng)

常見的二階系統(tǒng)如下所示

若使用無記憶狀態(tài)反饋控制器鎮(zhèn)定時，所得時滯穩(wěn)定裕度為h=0.691 6 s，此時控制器的反饋增益[K1]= [0.598 8-2.208 3]，圖2為該系統(tǒng)狀態(tài)變量響應曲線。

若使用有記憶狀態(tài)反饋控制器鎮(zhèn)定時，所得時滯穩(wěn)定裕度為=0.691 6 s，此時控制器的反饋增益如下，此時的狀態(tài)變量響應曲線如圖3所示。

通過對比文獻[23]獲得的時滯上界=0.656 9 s，體現(xiàn)出所提方法有一定的優(yōu)越性。雖然無記憶控制器和有記憶控制器求得的最大時滯上界相同，但是可以從圖2、3中看出，有記憶反饋控制器在收斂速度上明顯優(yōu)于無記憶控制器。

5.2 單機無窮大系統(tǒng)

考慮單機無窮大系統(tǒng)時，參照文獻[23]，系統(tǒng)矩陣參數(shù)、1和分別為

若使用無記憶狀態(tài)反饋控制器鎮(zhèn)定時，所得時滯穩(wěn)定裕度為=0.143 2 s，此時控制器的反饋增益圖4為該系統(tǒng)狀態(tài)變量響應曲線。

若使用有記憶狀態(tài)反饋控制器鎮(zhèn)定時，所得時滯穩(wěn)定裕度為=0.143 2 s，此時控制器的反饋增益如下，此時的狀態(tài)變量響應曲線如圖5所示。

圖5 有記憶控制器作用下的系統(tǒng)仿真結(jié)果

通過對比文獻[23]的時滯上界=0.140 7 s，體現(xiàn)出所提方法有一定的優(yōu)越性。

當取0.1 s/0.01 s/0.001 s時，在無記憶控制器作用下，求得控制器增益參數(shù)見表1，單機無窮大系統(tǒng)的仿真結(jié)果如圖6所示。

表1 不同h值下的無記憶控制器參數(shù)

圖6 不同h值下無記憶控制器作用下的仿真結(jié)果

當取0.1 s/0.01 s/0.001 s時，在有記憶控制器作用下，求得控制器增益參數(shù)見表2，單機無窮大系統(tǒng)的仿真結(jié)果如圖7所示。

表2 不同h值下的有記憶控制器參數(shù)

由圖6、7可知，在單機無窮大系統(tǒng)中，無論是記憶狀態(tài)反饋控制器還是有記憶狀態(tài)反饋控制器，在不同時滯中的鎮(zhèn)定控制效果差異不大。

圖7 不同h值下有記憶控制器作用下的仿真結(jié)果

由圖8可知，在=0.143 2 s時，有記憶狀態(tài)反饋控制器和無記憶狀態(tài)反饋控制器對系統(tǒng)鎮(zhèn)定控制作用幾乎相同；但是沒有控制器作用時，單機無窮大系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。

圖8 有控制器與無控制器的系統(tǒng)響應曲線

6 結(jié)論

(1) 建立了時變時滯(即時滯不確定)電力系統(tǒng)模型，考慮時滯情況比較全面。

(2) 通過構(gòu)建合適的增廣Lyapunov泛函，應用Bessel-Legendre不等式處理泛函導數(shù)中的積分項，大大提高了時變時滯電力系統(tǒng)的時滯上界。

(3) 再應用參數(shù)調(diào)整法進行時變時滯電力系統(tǒng)無記憶和有記憶魯棒鎮(zhèn)定控制器設計，通過分析和比較，兩種實例驗證、模型仿真證明了文章方法的優(yōu)越性和實用性。

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Robust Stabilization Controller Design for Power Systems with Time Varying Delay

SHEN Li1SHEN Yuan2ZHOU Hao2

(1. Municipal Planning and Engineering Design Institute of Jiangsu Provincial Planning and Design Group, Nanjing 210036;2. The 28thResearch Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Nanjing 210007)

For the uncertain time-delay systems, the uncertain time-delay power system model is established based on the constant time-delay power system model. By using Bessel-Legendre inequality method to deal with the integral term in the derivative of the new augmented Lyapunov-Krasovskii functional, an uncertain delay stability criterion with less conservativeness is obtained. Compared with the existing literature, the superiority of the proposed method is verified. According to the obtained stability criteria, the memoryless feedback controller and the feedback controller with memory are designed by parameter adjustment method and LMI technology. The stabilization of the controllers is verified by the analysis of the typical second-order delay system and the single machine infinite bus system.

Power systems；time-varying delay；robust controller

10.11985/2021.04.022

TM712

20201228收到初稿，20211101收到修改稿

沈力，男，1992年生，碩士，工程師。主要研究方向為電力系統(tǒng)穩(wěn)定性、市政電力規(guī)劃。E-mail：18219920108@163.com

沈媛(通信作者)，女，1989年生，碩士，工程師。主要研究方向為信息系統(tǒng)總體與集成技術(shù)。E-mail：shenyuan1989@126.com

周浩，男，1989年生，碩士，工程師。主要研究方向為信號與信息系統(tǒng)、系統(tǒng)集成方向。E-mail：563361587@qq.com