[论文解读] Decentralized Robust Control for Damping Inter-area Oscillations in Power Systems

Jianming Lian, Shaobu Wang+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 8, 2017

Power System Optimization and Stability参考文献 26被引用 8

一句话总结

本文提出一种去中心化鲁棒控制策略，通过汽轮机调速系统直接调节有功功率，以增强区域间振荡的阻尼。该方法仅使用本地信号，在不同运行条件和系统拓扑下均表现出鲁棒性能，使测试系统中的阻尼比最高提升8.5%，从而在不依赖广域信号或复杂协调机制的前提下，实现更高的功率传输能力和增强的输电系统利用率。

ABSTRACT

As power systems become more and more interconnected, the inter-area oscillations has become a serious factor limiting large power transfer among different areas. Underdamped (Undamped) inter-area oscillations may cause system breakup and even lead to large-scale blackout. Traditional damping controllers include Power System Stabilizer (PSS) and Flexible AC Transmission System (FACTS) controller, which adds additional damping to the inter-area oscillation modes by affecting the real power in an indirect manner. However, the effectiveness of these controllers is restricted to the neighborhood of a prescribed set of operating conditions. In this paper, decentralized robust controllers are developed to improve the damping ratios of the inter-area oscillation modes by directly affecting the real power through the turbine governing system. The proposed control strategy requires only local signals and is robust to the variations in operation condition and system topology. The effectiveness of the proposed robust controllers is illustrated by detailed case studies on two different test systems.

研究动机与目标

• 解决传统PSS和FACTS控制器在运行条件和系统拓扑变化下抑制区域间振荡的局限性。
• 开发一种去中心化控制策略，通过不依赖广域测量或集中协调的方式提升阻尼比。
• 仅通过本地反馈确保对系统应力水平、N-1开断和参数变化的鲁棒性。
• 通过增强小信号稳定性，实现更高的功率传输能力，提升互联电力系统的输电利用效率。

提出的方法

• 所提出的控制器在汽轮机调速系统中引入辅助控制信号，以在发电机转子上产生额外的机械转矩，直接调节有功功率输出。
• 控制设计基于鲁棒控制理论，特别是H∞或μ-综合技术，以确保在多种运行点和系统配置下的稳定性。
• 仅使用本地信号（如转子转速和机械功率），消除了对广域测量系统（WAMS）或全局信号的依赖。
• 控制器在每个发电机处独立实现，适用于带汽门调速器的系统，实现无需与其他控制器协调的去中心化运行。
• 通过在不同应力水平和N-1开断情景下的特征值分析和小信号稳定性评估，验证了该方法的有效性。
• 该方法扩展至增加发电机的改进系统，以测试在系统拓扑变化下的鲁棒性，并确保阻尼改善的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于本地信号的去中心化控制策略是否能有效提升区域间振荡的阻尼，而无需依赖广域测量？
• RQ2 所提出的控制器在不同系统应力水平和运行条件下表现如何？
• RQ3 系统拓扑变化（如线路跳闸）对控制器有效性及阻尼比有何影响？
• RQ4 当应用于不同类型的发电机（如带汽门调速器的发电机）时，控制器是否能保持鲁棒性能？
• RQ5 与传统PSS和基于FACTS的控制器相比，该控制器在鲁棒性和稳定裕度方面表现如何？

主要发现

• 在17机系统中，所提出的去中心化鲁棒控制器将0.40 Hz区域间模式的阻尼比从仅使用PSS时的0.86%提升至7.72%（在G18发电机处加装控制器后）。
• 在增加G18处额外鲁棒控制器的改进17机系统中，0.40 Hz模式的阻尼比在基准工况下达到8.21%，表明对系统应力具有鲁棒性。
• 在51种涉及线路跳闸的N-1开断情况下，0.40 Hz模式的阻尼比仍保持在6.56%以上，证实了对拓扑变化的鲁棒性。
• 控制器在所有测试的系统应力水平下均保持有效阻尼，且在不同负载或网络配置下性能无退化。
• 即使原始系统在关键区域缺乏控制器，该方法仍实现了稳定的阻尼改善，凸显了在弱阻尼区域间联络线中战略性部署的重要性。
• 结果表明，通过汽轮机调速器直接调节有功功率，可提供一种成本效益高、可扩展且鲁棒的替代方案，优于PSS和基于FACTS的阻尼解决方案。