电力系统供电负荷稳定性优化控制研究

电力系统供电负荷稳定性优化控制研究

白浩杰

(锡林郭勒电业局西乌珠穆沁供电分局内蒙古锡林郭勒盟西乌珠穆沁旗026200)

摘要：在当前社会经济不断发展和人们生活水平得以明显提高的情况下，人们对于供电的质量要求也越来越高，随着时代的不断发展电力为人们带来的越来越重要的影响也使其成为了人们生活中重要的内容。在对供电负荷的稳定性进行优化的主要目的在于使电力系统的稳定性和电能的质量得到有效的保障。但是，在进行实际工业控制的过程中常常会伴有调速器死区或者发电速率约束以及限幅限速等问题，这些问题的出现就使系统的本身性能受到了严重的影响，在系统性能发生恶化的情况下甚至发生系统不稳定的问题。本文主要针对电力系统供电负荷稳定性的优化控制进行研究。

关键词：电力系统；供电负荷；稳定性；优化控制

1导言

电力系统供电负荷的稳定性主要指，在被外界所干扰的情况下比如雷雨天气时，发电机组依然能够保持同步运行能力，并且电力传输保持一定的稳定性，不会影响到人们生产和生活中的正常用电。在电力行业的发展中，逐渐增强了电网区域的互联程度。如今，电网已经是多区域互联的电力系统，包括了若干控制区域。在家庭和工业供电要求逐渐增多的情况下，远距离传输电力面临更重的挑战，基础性的难题就是供电负荷稳定性，导致电压失稳有多方面的原因。在研究负荷时，本文主要从其非线性特征上入手，考虑非线性特性对电力系统供电负荷稳定性的影响，从而提出优化控制供电负荷稳定性的有效措施。所以，控制电力系统供电负荷稳定性主要是稳定控制频率和有功功率。

2优化控制电力系统供电负荷稳定性的必要性

控制负荷频率的任务主要有两个：（1）在受到负荷变化的干扰时，确保电力系统负荷频率出现的偏差是0，同时要确保联络线交换功率返回一开始的设定值。（2）针对无法确定的一些参数、系统模型和外部干扰，控制器在设计时要保证其有鲁棒性能。

3负荷频率控制的有关研究

在设计和操作电力系统时，只能借助积分控制常规的负荷频率是一个重要问题。而积分增益在过大的时候，会导致系统性能降低，系统发生严重振荡，也可能会有不稳定的情况出现。所以，积分增益的设置要折中，设置在较小超调与系统理想暂态恢复响应之间。如今一些文献已经有了不少针对负荷频率控制积分增益整定的方法。

在增加了电力系统复杂性，扩大了电网规模的情况下，也增加了系统振荡导致广域停止供电的风险。在负荷频率控制上，一些文献已经提出了一些方法。比如有的文献对于双馈风型的电机组，提出了负荷频率控制的两种策略，控制下降速率和控制惯性；有的文献提出了以内模控制和二自由度为基础整定PID的过程，不过这些文献都没有考虑到系统的非线性。在电力系统的实际运行中，普遍存在非线性情况。所以，要以负荷频率控制系统的非线性基础，设计控制器，确保系统控制性能。近几年，一些文献也研究了负荷频率控制系统的非线性情况。比如有的文献对于负荷频率控制系统，提出利用FCMCT来生成最优模糊规则；有的文献通过模糊逻辑控制设计了直流电机的死区补偿装置；有的文献依据负荷频率控制中有发电速率约束存在，提出了控制扩张积分的措施，从而消除控制常规PI导致的超调量。这些文献提供了不少控制措施来解决负荷频率控制问题和负荷频率控制的非线性特性，并通过一些算法实施优化控制。但控制器的设计结构比较复杂，有较大的计算量，应用到工业上的困难比较大。所以，本文对负荷频率控制系统的非线性特征，提出了线性自抗扰控制。相比其他控制，线性自抗扰控制有更加简单的机构，并且在非线性的系统中也都能够适用。这种控制器只要将两个参数整定就可以了，整定比较方便，计算也相对简单，在工业中也有比较好的应用。

4线性自抗扰控制

在非线性系统中首次提出应用自抗扰控制来应对抗干扰问题是在1998年。应用思想是通过一个观测扩张状态的装置对系统扰动进行估计，之后采取简单控制来抑制。这种应用思想和反馈线性化有相似之处，不过其结构更加简单，在不同线性系统中也能够适应。然而，因为非线性的自抗扰控制要对多个参数进行调节，无法广泛应用在实际中。之后有学者提出简化非线性的自抗扰控制，提出了线性自抗扰控制，这种控制器只要对两个参数进行整定，使整定自抗扰控制的过程得到大幅度简化，从而有了应用在工业中的可能性。一个线性自抗扰控制要对两组参数进行设计，也就是重积分系统状态反馈增益，状态观测器的观测增益。为了方便调节，有文献提出转化两组增益整定为观测器带宽和控制器带宽。反馈控制律的增益只要对单个参数控制器带宽进行调节即可。线性自抗扰控制是和被控对象模型相独立的一种控制结构，具有普适性，要了解对象相应增益和相对阶。尤其是线性自抗扰控制只要对两个参数进行整定，控制人员也比较好理解。除此之外，线性自抗扰控制自带积分，所以设计时就不用再加入额外的积分器。

5补偿误差的策略

在具有非线性特征的负荷频率控制系统中应用线性自抗扰控制，从而改善和恢复系统的性能。不过，线性自抗扰控制是一般性的控制结构，假如系统有非线性特征存在，要把线性自抗扰控制变成高阶控制器，不过会对原有控制结构造成破坏，也可能会导致线性自抗扰控制丧失主动抗扰的功能。为了解决这一问题，可以采取误差补偿，在确保线性自抗扰控制能一直主动抗扰的前提下，提升其控制性能。

以线性自抗扰控制为基础的误差补偿措施设计。设计思想是把汽轮机的实际输出和理论输出误差都当成外部扰动，将负荷频率控制加入进去再估计。如此一来，线性自抗扰控制就能够将非线性的影响有效消除，迅速改善和恢复系统控制性能。

6 电力系统被干扰后负荷的失稳特性

之所以会出现电荷失稳现象，主要是因为以下一些情况：（1）在电压较低的时候，负荷元件失去了稳定性。（2）感应电动机出现失速甚至是堵转问题，比如冰箱、热泵、空调等带有压缩机的感应电动机发生堵转和失速、荧光灯突然熄灭等等问题。在负荷元件出现失稳现象之后，无功功率和有功功率都会出现急剧变化，在严重的情况下，甚至会对整个系统电压的稳定性造成严重影响。之所以出现负荷失稳，其原因主要是负载失稳之后会吸收线路中的电流，导致电流无功功率增加，增大了线路电压降落，减小了负荷电压，导致线路电压不稳。所以，电动机出现保护性的停转、荧光灯的熄灭等都是为系统出现不足的无功功率做缓解，在电压稳定后再继续工作。出现负荷失稳现象之后，可以分析电压稳定因静态负荷而导致的影响。其中静态负荷的特性主要指电压的变化稳定之后，负荷功率和电压间的关系。比如在单机系统中，系统负荷达到极限值后，假如继续提升，系统会出现不稳定。在分析静态电压的稳定控制时，采取的方法是静态模型来对负荷进行描述，从静态角度对电压发生崩溃的原理做解释。采取代数方法计算系统运行当前的极限点距离，对管理电力系统运行的工作人员来说，系统运行功率的极限是最为直观的。在运行负荷比较高时，通过改变负荷来控制功率运行的不稳定状态，也就是在降低负荷阻抗时降低功率。电压和电力系统能不能保持稳定状态很大程度上取决于负荷特点，所以电力行业的人员要积极研究电力系统供电负荷的稳定性，通过提高负荷稳定性，提高电力系统整体运行的稳定性，从而为人们提供更好的电力服务。

结束语

由于电力系统具有非线性的特性，在优化控制供电负荷稳定性中采取线性自抗扰控制方法。同时为了使线性自抗扰控制系统的性能得到有效提升，需要采取误差补偿措施，从而将非线性特性所造成的影响尽快消除掉。

参考文献:

[1]聂龑.转型背景下中国电力系统协同演化机理及路径研究[D].中国矿业大学,2017.

[2]梁博淼.电力系统运行风险管控与恢复策略研究[D].浙江大学,2017.

[3]胡臻.基于耦合特性的电力系统稳定性分析方法及应用[D].湖南大学,2017.