PSS和SVC的協同設計的研究

鄧 軍，王錫淮

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PSS和SVC的協同設計的研究

鄧 軍，王錫淮

（上海海事大學物流工程學院，上海 201306）

本文研究了電力系統穩定器（PSS）和靜態無功補償器（SVC）的協調設計增強電力系統穩定性的問題。以基于非線性的目標函數最小值為優化目標，分析比較PSS和SVC協調設計與單獨設計時，系統在三相短路時非線性時間響應。PSS與SVC均采用兩個超前滯后控制設計。采用差分進化算法搜索最優控制器參數。非線性仿真結果分析表明，該方法在系統故障條件時的具有較高的有效性和魯棒性。

暫態穩定 PSS SVC 三相故障 差分進化算法

0 引言

現在的電力系統規模變得越來越龐大，且相互關聯。因此，若發生如電壓穩定性、頻率穩定性和區域間振蕩等故障問題，將產生比過去更大的不良影響。

保持同步電機的轉子角穩定性問題是最主要的問題[1]。從歷史上看，在20世紀40年代和50年代，由于缺乏同步轉矩，當電樞反應降低了場磁鏈時，形成一個非振蕩的或非周期的電機問題。通過電力系統穩定器[9](PSS)將調制信號引入到調壓器的參考輸入，使阻尼力矩的減小，從而解決了這一問題[2]。靜態無功補償器SVC在減少電力傳輸線中的無功功率方面起著重要作用，也用于提高系統的穩定性[2]。在電力系統中，其勵磁系統和其他一些部件，如負載，事實設備都依賴于同步機。因此，同步電機轉子的穩定性研究具有重要意義。

在本文中，單機無窮大系統（SMIB）模型，配備了PSS和SVC。在此仿真中，采用IEEE型ST1A和IEEE型PSS1A[3]模型來表示勵磁系統和電力系統穩定。

SMIB系統的時域仿真是為了檢驗勵磁系統PSS、SVC對系統暫態穩定性的影響。然后，在SMIB中仿真結果的基礎上，在多機電力系統中對該方法進行驗證。

1 差分進化算法

差分進化(DE)算法[10,11]是由Price和Storn開發的基于種群的進化算法。它在非可微、非線性和多模態目標函數中工作，能夠處理非可微、非線性和多模態目標函數。

DE通過形成一個種群的每個第一代個體的試驗向量來產生新的后代。使用三種算子對種群進行迭代改進-交叉、變異和選擇。在算法中，有三個命名為控制參數的優化參數也必須調整，分別是微分或突變常數、交叉常數和種群的大小。定義控制變量數量的問題維度是。DE算法的工作步驟如下:

然后，利用初始種群來計算每個向量的目標值，比較得到最佳解。在每一代中，這個值通過比較來更新。

3）交叉。交叉操作旨在提高生成的解決方案的多樣性。在這個階段，復制生成變異向量參數和在原始種群中相應的向量，并根據交叉因子?[1, 0]，尋找解決方案。對于每一個參數，將一個在[1, 0]范圍的隨機數字與進行比較，并根據以下表達式選取突變向量與上一代之間的參數值。

4）選擇。對新一代種群的最后一步是評估每個路徑向量的目標函數，并將其與上一代中的解決方案進行比較，得到更好的結果。

5）停止條件。當新一代產生后，全局最佳狀態就會更新。停止標準可能是最大迭代次數或其他用戶定義的標準。

2 SMIB的PSS和SVC

如圖1所示是一個單機無窮母線系統[5]。發電機配備了PSS，系統在線路中點配有一個SVC，如圖1所示。

圖1 單機無窮母線系統原理圖

圖2 具有勵磁的PSS超前滯后結構

圖3 SVC超前滯后結構圖

考慮了如圖2所示的IEEE類型的ST1激勵系統[3]。它可以被描述為

圖3為帶超前滯后結構SVC結構示意[4]圖。為SVC的電納，可以表示為

3 目標函數與約束條件

優化問題的目標是最小化基于非線性模型的目標函數[7]，同時滿足系統的約束。表示為：

其中=1,2,3,4。這些邊界約束與優化有關。同時，在測試系統的MATLAB仿真模型中需要滿足其他的系統的約束條件。

4 SMIB仿真結果

表1 差分進化算法優化結果

轉子角和轉子轉速的時間響應如圖4a和b所示，在不同的設計情況系統發生三相故障的時間響應。通過圖形很明顯，PSS和SVC控制器協同作用時比單獨PSS或SVC控制器作用時獲得更好的系統性能。

5 在多機電力系統中應用

單機電力系統用于檢查擬定的方法是否正確，而多機電力系統用于驗證該方法的適應性和效率。系統的原理圖如圖5。

圖5 兩機電力系統的原理圖

在系統輸電線的中間位置配備SVC。針對多機的問題提出如下非線性優化的時間響應目標函數，邊界約束與單機系統相同。

優化的目的是找到PSS和SVC穩定器協同時控制參數的最優設置。最小化以下目標函數：

圖6 雙機故障時系統響應時間

由圖6可以看出，在系統中發生三相短路故障時，PSS與SVC協同設計的系統響應比單獨PSS獲SVC的效果快，系統具有更好的性能。

6 結論

在單機無窮大和多機電力系統中，通過比較單獨使用SVC或PSS穩定器和協同使用時系統三相故障時系統的時間響應，仿真表明協同設計時電力系統性能得到了改善已成功得到驗證。

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Research on Collaborative Design of PSS and SVC

Deng Jun, Wang Xihuai

(Shanghai maritime university, Shanghai 201306 China)

TM732

A

1003-4862（2018）09-0061-04

2018-05-02

鄧軍（1991-），男，碩士研究生。研究方向：電力系統及其自動化。Email: 550626354@qq.com。

王錫淮（1961-）男，教授，博導，研究方向：電力系統及其自動化、控制理論與控制工程。Email: wxh@shmtu.edu.cn。