電力系統供電負荷穩定性優化控制研究

楊躍

（昆明工業職業技術學院，云南 昆明 650302）

電力系統供電負荷的穩定性主要指，在被外界所干擾的情況下比如雷雨天氣時，發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定性，不會影響到人們生產和生活中的正常用電。在電力行業的發展中，逐漸增強了電網區域的互聯程度。如今，電網已經是多區域互聯的電力系統，包括了若干控制區域。在家庭和工業供電要求逐漸增多的情況下，遠距離傳輸電力面臨更重的挑戰，基礎性的難題就是供電負荷穩定性，導致電壓失穩有多方面的原因。在研究負荷時，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供電負荷穩定性的影響，從而提出優化控制供電負荷穩定性的有效措施。所以，控制電力系統供電負荷穩定性主要是穩定控制頻率和有功功率。

1 優化控制電力系統供電負荷穩定性的必要性

電力系統負荷會隨時出現變化，負荷擾動的突然出現會導致系統頻率出現偏差。所以，設計優化控制供電負荷以保持其穩定性的系統設計是非常有必要的，主要作用是確保電力系統輸送電能的質量和負荷頻率穩定。控制負荷頻率的任務主要有兩個：（1）在受到負荷變化的干擾時，確保電力系統負荷頻率出現的偏差是0，同時要確保聯絡線交換功率返回一開始的設定值。（2）針對無法確定的一些參數、系統模型和外部干擾，控制器在設計時要保證其有魯棒性能。

2 負荷頻率控制的有關研究

在設計和操作電力系統時，只能借助積分控制常規的負荷頻率是一個重要問題。而積分增益在過大的時候，會導致系統性能降低，系統發生嚴重振蕩，也可能會有不穩定的情況出現。所以，積分增益的設置要折中，設置在較小超調與系統理想暫態恢復響應之間。如今一些文獻已經有了不少針對負荷頻率控制積分增益整定的方法。

在增加了電力系統復雜性，擴大了電網規模的情況下，也增加了系統振蕩導致廣域停止供電的風險。在負荷頻率控制上，一些文獻已經提出了一些方法。比如有的文獻對于雙饋風型的電機組，提出了負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模控制和二自由度為基礎整定PID的過程，不過這些文獻都沒有考慮到系統的非線性。在電力系統的實際運行中，普遍存在非線性情況。所以，要以負荷頻率控制系統的非線性基礎，設計控制器，確保系統控制性能。近幾年，一些文獻也研究了負荷頻率控制系統的非線性情況。比如有的文獻對于負荷頻率控制系統，提出利用FCMCT來生成最優模糊規則；有的文獻通過模糊邏輯控制設計了直流電機的死區補償裝置；有的文獻依據負荷頻率控制中有發電速率約束存在，提出了控制擴張積分的措施，從而消除控制常規PI導致的超調量。

這些文獻提供了不少控制措施來解決負荷頻率控制問題和負荷頻率控制的非線性特性，并通過一些算法實施優化控制。但控制器的設計結構比較復雜，有較大的計算量，應用到工業上的困難比較大。所以，本文對負荷頻率控制系統的非線性特征，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，并且在非線性的系統中也都能夠適用。這種控制器只要將兩個參數整定就可以了，整定比較方便，計算也相對簡單，在工業中也有比較好的應用。

3 優化控制電力系統供電負荷穩定性的系統模型

針對供電負荷的非線性，對其穩定性進行優化控制的系統模型。△XG(t)代表調速器氣門的位置變化，△PG(t)代表汽輪機輸出發生的變化，△f(t)代表頻率偏差，TG代表調速器的時間常數，TT代表汽輪機的時間常數，TP代表發電機的時間常數，KP代表發電機的增益，△Pd代表負荷擾動。電力系統由三個組成部分：調節閥動態、電力系統動態和汽輪機動態。這三個動態的計算公式分別是：

調節閥動態Gg(s)=1/(TGs+1)

電力系統動態Gp(s)=Kp/(Tps+1

汽輪機動態Gt(s)=1/(TTs+1)

系統模型的表示可以是：△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、發電速率約束和調速器的死區等非線性，惡化了系統性能，使控制的控制難度和復雜度都有所增加。因此，基于負荷頻率控制非線性的控制器能將非線性的響應有效消除，并且方便計算，結構也比較簡單，應用也比較便捷。

4 線性自抗擾控制

在非線性系統中首次提出應用自抗擾控制來應對抗干擾問題是在1998年。應用思想是通過一個觀測擴張狀態的裝置對系統擾動進行估計，之后采取簡單控制來抑制。這種應用思想和反饋線性化有相似之處，不過其結構更加簡單，在不同線性系統中也能夠適應。然而，因為非線性的自抗擾控制要對多個參數進行調節，無法廣泛應用在實際中。之后有學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，從而有了應用在工業中的可能性。一個線性自抗擾控制要對兩組參數進行設計，也就是重積分系統狀態反饋增益，狀態觀測器的觀測增益。為了方便調節，有文獻提出轉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控制器帶寬進行調節即可。線性自抗擾控制是和被控對象模型相獨立的一種控制結構，具有普適性，要了解對象相應增益和相對階。尤其是線性自抗擾控制只要對兩個參數進行整定，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荷頻率控制系統中應用線性自抗擾控制，從而改善和恢復系統的性能。不過，線性自抗擾控制是一般性的控制結構，假如系統有非線性特征存在，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構造成破壞，也可能會導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的誤差補償措施設計。設計思想是把汽輪機的實際輸出和理論輸出誤差都當成外部擾動，將負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將非線性的影響有效消除，迅速改善和恢復系統控制性能。

6 電力系統被干擾后負荷的失穩特性

負荷失穩主要指的是因為運行電壓偏低，負荷元件必須要采取保證能量轉化功效正常的一些措施，或者是因為電壓在運行時過低，導致內部的核心裝備被損壞，也可能因為要進行電力系統的保護行為而將電源暫時切斷。之所以會出現電荷失穩現象，主要是因為以下一些情況：（1）在電壓較低的時候，負荷元件失去了穩定性。（2）感應電動機出現失速甚至是堵轉問題，比如冰箱、熱泵、空調等帶有壓縮機的感應電動機發生堵轉和失速、熒光燈突然熄滅等等問題。在負荷元件出現失穩現象之后，無功功率和有功功率都會出現急劇變化，在嚴重的情況下，甚至會對整個系統電壓的穩定性造成嚴重影響。

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

7 結語

由于電力系統具有非線性的特性，在優化控制供電負荷穩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.電力系統供電負荷穩定性優化控制研究[J].計算機仿真,2016,33(11):87-91.