[论文解读] Implementation of an Innovative Bio Inspired GA and PSO Algorithm for Controller design considering Steam GT Dynamics

R. Shivakumar, R. Lakshmipathi|arXiv (Cornell University)|Feb 5, 2010

Power System Optimization and StabilityEngineering参考文献 16被引用 19

一句话总结

本文提出一种基于遗传算法（GA）和粒子群优化（PSO）的新型生物启发式控制器设计方法，用于增强含汽轮机-调速器（GT）动态特性的电力系统中低频振荡的阻尼。通过基于系统阻尼比的优化准则，该方法计算出最优控制器参数，并在非线性时域仿真中表现出优于传统超前-滞后控制器的稳定性与鲁棒性。

ABSTRACT

The Application of Bio Inspired Algorithms to complicated Power System Stability Problems has recently attracted the researchers in the field of Artificial Intelligence. Low frequency oscillations after a disturbance in a Power system, if not sufficiently damped, can drive the system unstable. This paper provides a systematic procedure to damp the low frequency oscillations based on Bio Inspired Genetic (GA) and Particle Swarm Optimization (PSO) algorithms. The proposed controller design is based on formulating a System Damping ratio enhancement based Optimization criterion to compute the optimal controller parameters for better stability. The Novel and contrasting feature of this work is the mathematical modeling and simulation of the Synchronous generator model including the Steam Governor Turbine (GT) dynamics. To show the robustness of the proposed controller, Non linear Time domain simulations have been carried out under various system operating conditions. Also, a detailed Comparative study has been done to show the superiority of the Bio inspired algorithm based controllers over the Conventional Lead lag controller.

研究动机与目标

• 解决大扰动后电力系统中的低频振荡问题，若阻尼不足可能导致系统失稳。
• 开发一种基于生物启发式算法的系统化优化控制器设计方法。
• 在控制器设计过程中整合同步发电机及汽轮机-调速器（GT）动态特性的详细建模。
• 在多种运行条件下评估所提控制器的鲁棒性。
• 证明基于生物启发式GA与PSO的控制器在阻尼性能方面优于传统超前-滞后控制器。

提出的方法

• 基于系统阻尼比提升的优化准则，以指导控制器参数的选择。
• 集成包含汽轮机-调速器（GT）动态特性的同步发电机综合数学模型。
• 应用遗传算法（GA）与粒子群优化（PSO）搜索最优控制器参数，以最大化阻尼比。
• 采用非线性时域仿真，验证控制器在多种系统运行条件下的性能。
• 通过仿真性能指标，将所提生物启发式控制器与传统超前-滞后控制器进行对比。
• 采用多目标优化框架，以在控制器设计中平衡稳定性与动态响应。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何有效应用GA与PSO等生物启发式优化算法，设计出能增强电力系统低频振荡阻尼的控制器？
• RQ2 在模型中引入详细的汽轮机-调速器（GT）动态特性对控制器性能与稳定性有何影响？
• RQ3 所提出的基于GA与PSO的控制器在阻尼比与暂态响应方面相较于传统超前-滞后控制器表现如何？
• RQ4 所提控制器在不同系统运行条件下的鲁棒性特征是什么？
• RQ5 基于系统阻尼比的优化准则是否能有效指导最优控制器参数的选择？

主要发现

• 所提出的基于GA与PSO的控制器相比传统超前-滞后控制器，显著提升了系统的阻尼比。
• 非线性时域仿真结果证实，所提控制器在多种运行条件下均表现出良好的鲁棒性。
• 在模型中引入详细的汽轮机-调速器（GT）动态特性，提高了控制器设计的精度与有效性。
• PSO方法在优化过程中收敛速度优于GA，表明其具有更高的计算效率。
• 对比研究结果表明，生物启发式算法可实现更优的阻尼性能与更快的暂态响应。
• 基于阻尼比的优化准则能有效指导最优控制器参数的计算，从而提升系统稳定性。