PSS和SVC的协同设计的研究

邓 军，王锡淮



PSS和SVC的协同设计的研究

邓 军，王锡淮

（上海海事大学物流工程学院，上海 201306）

本文研究了电力系统稳定器（PSS）和静态无功补偿器（SVC）的协调设计增强电力系统稳定性的问题。以基于非线性的目标函数最小值为优化目标，分析比较PSS和SVC协调设计与单独设计时，系统在三相短路时非线性时间响应。PSS与SVC均采用两个超前滞后控制设计。采用差分进化算法搜索最优控制器参数。非线性仿真结果分析表明，该方法在系统故障条件时的具有较高的有效性和鲁棒性。

暂态稳定 PSS SVC 三相故障 差分进化算法

0 引言

现在的电力系统规模变得越来越庞大，且相互关联。因此，若发生如电压稳定性、频率稳定性和区域间振荡等故障问题，将产生比过去更大的不良影响。

保持同步电机的转子角稳定性问题是最主要的问题[1]。从历史上看，在20世纪40年代和50年代，由于缺乏同步转矩，当电枢反应降低了场磁链时，形成一个非振荡的或非周期的电机问题。通过电力系统稳定器[9](PSS)将调制信号引入到调压器的参考输入，使阻尼力矩的减小，从而解决了这一问题[2]。静态无功补偿器SVC在减少电力传输线中的无功功率方面起着重要作用，也用于提高系统的稳定性[2]。在电力系统中，其励磁系统和其他一些部件，如负载，事实设备都依赖于同步机。因此，同步电机转子的稳定性研究具有重要意义。

在本文中，单机无穷大系统（SMIB）模型，配备了PSS和SVC。在此仿真中，采用IEEE型ST1A和IEEE型PSS1A[3]模型来表示励磁系统和电力系统稳定。

SMIB系统的时域仿真是为了检验励磁系统PSS、SVC对系统暂态稳定性的影响。然后，在SMIB中仿真结果的基础上，在多机电力系统中对该方法进行验证。

1 差分进化算法

差分进化(DE)算法[10,11]是由Price和Storn开发的基于种群的进化算法。它在非可微、非线性和多模态目标函数中工作，能够处理非可微、非线性和多模态目标函数。

DE通过形成一个种群的每个第一代个体的试验向量来产生新的后代。使用三种算子对种群进行迭代改进-交叉、变异和选择。在算法中，有三个命名为控制参数的优化参数也必须调整，分别是微分或突变常数、交叉常数和种群的大小。定义控制变量数量的问题维度是。DE算法的工作步骤如下:

然后，利用初始种群来计算每个向量的目标值，比较得到最佳解。在每一代中，这个值通过比较来更新。

3）交叉。交叉操作旨在提高生成的解决方案的多样性。在这个阶段，复制生成变异向量参数和在原始种群中相应的向量，并根据交叉因子Î[1, 0]，寻找解决方案。对于每一个参数，将一个在[1, 0]范围的随机数字与进行比较，并根据以下表达式选取突变向量与上一代之间的参数值。

4）选择。对新一代种群的最后一步是评估每个路径向量的目标函数，并将其与上一代中的解决方案进行比较，得到更好的结果。

5）停止条件。当新一代产生后，全局最佳状态就会更新。停止标准可能是最大迭代次数或其他用户定义的标准。

2 SMIB的PSS和SVC

如图1所示是一个单机无穷母线系统[5]。发电机配备了PSS，系统在线路中点配有一个SVC，如图1所示。

图1 单机无穷母线系统原理图

图2 具有励磁的PSS超前滞后结构

图3 SVC超前滞后结构图

考虑了如图2所示的IEEE类型的ST1激励系统[3]。它可以被描述为

图3为带超前滞后结构SVC结构示意[4]图。为SVC的电纳，可以表示为

3 目标函数与约束条件

优化问题的目标是最小化基于非线性模型的目标函数[7]，同时满足系统的约束。表示为：

其中=1,2,3,4。这些边界约束与优化有关。同时，在测试系统的MATLAB仿真模型中需要满足其他的系统的约束条件。

4 SMIB仿真结果

表1 差分进化算法优化结果

转子角和转子转速的时间响应如图4a和b所示，在不同的设计情况系统发生三相故障的时间响应。通过图形很明显，PSS和SVC控制器协同作用时比单独PSS或SVC控制器作用时获得更好的系统性能。

5 在多机电力系统中应用

单机电力系统用于检查拟定的方法是否正确，而多机电力系统用于验证该方法的适应性和效率。系统的原理图如图5。

图5 两机电力系统的原理图

在系统输电线的中间位置配备SVC。针对多机的问题提出如下非线性优化的时间响应目标函数，边界约束与单机系统相同。

优化的目的是找到PSS和SVC稳定器协同时控制参数的最优设置。最小化以下目标函数：

图6 双机故障时系统响应时间

由图6可以看出，在系统中发生三相短路故障时，PSS与SVC协同设计的系统响应比单独PSS获SVC的效果快，系统具有更好的性能。

6 结论

在单机无穷大和多机电力系统中，通过比较单独使用SVC或PSS稳定器和协同使用时系统三相故障时系统的时间响应，仿真表明协同设计时电力系统性能得到了改善已成功得到验证。

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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

邓军（1991-），男，硕士研究生。研究方向：电力系统及其自动化。Email: 550626354@qq.com。

王锡淮（1961-）男，教授，博导，研究方向：电力系统及其自动化、控制理论与控制工程。Email: wxh@shmtu.edu.cn。