基于復合控制的電力系統穩定器設計

摘要：針對傳統電力系統穩定器(PSS)的缺點，提出一種基于復合控制的電力系統穩定器，可以根據實際的運行情況在模糊和比例積分微分(Fuzzy-PID)控制中進行選擇性的控制，使電力系統穩定器既具有模糊控制簡單有效的非線性控制作用，又具有比例和積分控制的快速性和跟蹤能力。理論分析及仿真結果均表明所提出的方案正確可行并具有良好的性能。

關鍵詞：電力系統穩定器；模糊控制；比例積分微分控制；復合控制

中圖分類號：TM712文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2008)35-2278-02

Design of Power System Stabilizer Based on Compound Control

WANG Yun-jing

(College of Electric Engineering， Yanshan University， Qinhuangdao 066004， China)

Abstract: In order to improve the performance of power system stabilizer (PSS)， a compound controller is designed. The advantages of two control strategies， fuzzy logic and proportion-integration-differential (PID)， are integrated. It has the advantages of fuzzy controller， such as simple and efficient nonlinear control effect， as well as the advantages of PID controller， such as rapidity and accuracy. The validity and good performance of the proposed scheme is verified by both theoretical analysis and simulation results.

Key words: power system stabilizer; fuzzy control; PID control; compound control

1 引言

電力系統的穩定問題是電力系統的根本問題。隨著電力系統聯網進程的加快和電力市場的引入，電力系統的規模越來越大，運行越來越接近于臨界點，使電力系統的振蕩問題越來越引起注目。但是傳統的電力系統穩定器是在電力系統的某個合適的工作點下設計的，其參數是固定的，而電力系統是一個動態平衡的非線性復雜大系統，它的運行方式隨著實際情況的變化經常性的動態變化[1]。

在現有的控制方法中，模糊控制是最有的一種控制方式，模糊表達具有模糊性的語言變量和條件語言控制邏輯是屬于人工智能控制的一種方法，模糊控制具有結構簡單、物理概念清晰、知識表達簡便、實時控制快速及計算量小等優點[2]。

雖然模糊控制的電力系統穩定器有其優點，但是模糊控制的電力系統穩定器沒有積分環節，它很難完全消除穩態誤差，特別是在模糊變量分級不夠多的情況下，常常會在平衡點附近出現微小的振蕩現象，使電力系統不能很快達到穩定。基于復合控制的電力系統穩定器既具有模糊控制的非線性控制作用，又具有比例和積分控制的快速性和跟蹤能力，具有廣闊的前景。

2 電力系統的簡化模型

電力系統中產生持續的或增幅的低頻振蕩的原因是由于系統中產生了負阻尼，抵消了系統的固有的正值阻尼，使系統的總阻尼減至很小或成為負值。電力系統是一個非線性系統，但對電力系統低頻振蕩情況的研究，應用簡化的單機無窮大模型是可行的，且能更清楚地表明低頻振蕩與運行狀態各參數的關系。

3 模糊式電力系統穩定器

模糊控制的基本原理見圖1。

模糊推理是指根據模糊輸入和模糊規則，按照確定好的推理方法進行推理，得到模糊輸出量，其本質是將一個給定輸入空間通過模糊邏輯的方法映射到一個特定的輸出空間的計算過程。一般的一階Sugeno 模型規則的形式為

If x is A and y is B then z = px + qy + r

式中，x和y為輸入語言變量，A和B為推理前件的模糊集合，z為輸出語言變量，p、q、r 為常數。

sugeno 模型中采用單元素輸出隸屬函數，其模糊蘊含即是簡單的乘法，模糊合成即是各單元輸出隸屬函數的簡單包涵，該模型可以極大地提高逆模糊化處理過程的效率。

一般選擇輸入變量誤差E（在本文中即發電機瞬時的速度偏差Δω）和誤差的變化EC（在本文中即發電機瞬時的加速度偏差Δω）[3]，輸出變量為控制量u，因此這是個二維模糊控制器。

對于發電機瞬時的速度偏差及控制量u的模糊集及論域如下：Δω的模糊集為{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}；Δω的模糊集為{ NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB }；U的模糊集為{N6， N5，N4，N3，N2， N1， Z，P1，P2，P3，P4， P5， P6}

確定輸出的論域范圍及語言變量值（為避免反復調試控制規則取得更平滑的控制效果，確定為十三個語言變量即N6， N5，N4，N3，N2， N1， Z，P1，P2，P3，P4， P5， P6）以使控制規則標在同一行或同一列無相同的元素且相鄰的位置控制行為均不同，其隸屬度函數選擇為單點集[4]（分別對應于常數-0.4，-0.3，-0.25，-0.1，-0.05，0，0.05，0.1，0.25，0.3，0.4）。模糊控制規則表如表1所示。

表1 模糊控制規則表

推理步驟如下：

①輸入的模糊化運算，直接計算輸入對于規則的前提條件部分隸屬度（滿足0～1）；

②對于多前提條件部分的規則模糊運算，包括對“and”和“or”的處理；

③通過模糊蘊含（Implication）推理計算得出輸出模糊集合；對于多條模糊規則的模糊系統，MATLAB需要對“also”進行處理；

④通過各條規則推理結果的合成（Aggregation）來計算“also”關系；對于需要得到非模糊輸出的系統，MATLAB需要進行解模糊化計算；

⑤通過解模糊化方法（Defuzzication）來獲得非模糊輸出。

4 復合控制型電力系統穩定器

基于模糊-比例積分微分(Fuzz-PID) 控制的電力系統穩定器是一種多模態分段控制算法的控制器，它綜合了模糊和比例積分控制器的長處，不僅使系統具有較快的響應速度和抗(適應)參數變化的魯棒性，而且可以實現系統高精度誤差控制。穩定器的輸入信號取發電機的轉速與同步轉速之差 ，及其變化率 ，輸出信號u 作為勵磁機控制信號的一部分。該控制器的特點是在大偏差范圍內利用模糊推理的方法，根據系統的偏差量Δω，在小偏差范圍內轉換成PID控制，兩者的轉換根據事先給定的偏差Ep范圍自動實現，模糊控制和PID控制轉換的設定值為|Ep|=0.01，模態之間的切換規則如下所示：

Fuzzy 控制 當 Ep<|Δω|

PID 控制 當 Ep≥|Δω|

對于本研究的控制系統，要求系統單位階躍響應的最大上升時間為2s，最大調節時間為4s，最大超調量為10％。PID控制要取得好的控制效果，就必須對比例、積分和微分3種控制作用進行調整以形成相互配合、相互制約的關系，這種關系不是簡單的線性組合，而是在變化無窮的非線性組合中找出最佳的關系。經過參數整定，確定PID控制參數Kp=30，KI=1.7，KD=9。

通過Matlab進行仿真研究的框圖如圖2所示。

5 仿真結果與分析

對不含PSS的系統、含有傳統PSS的系統、含有模糊式PSS的系統以及含有復合控制型PSS的系統四種情況進行Matlab仿真，得出Δω和Δω的變化曲線，并對仿真結果進行分析，比較得出結論。由于文章篇幅所限，只給出復合控制型PSS的仿真曲線如圖3所示，圖中橫坐標為時間（t/s），縱坐標為相對幅度量。

四種情況仿真的電力系統性能指標匯總于表2，可以看出，帶有模糊式PSS的系統遇到小的擾動后， 和 曲線的振蕩不僅趨于收斂，而且調整時間明顯加快，比常規PSS的特性要好。而帶有復合控制型PSS的系統遇到小的擾動后，超調量和調整時間都優于帶有模糊式PSS的系統，具有更好的特性。

6 結論

電力系統穩定器能更有效的提高系統的穩定性和保持發電機端電壓的水平，并且模糊式電力系統穩定器具有很強的魯棒性，基于復合控制的電力系統穩定器，可以根據實際運行情況在Fuzzy和PID控制中進行選擇，克服了模糊式電力系統穩定器的不足，即一般模糊邏輯穩定器不具有積分環節，它很難完全消除穩態誤差。復合控制的電力系統穩定器既具有模糊控制的非線性控制作用，又具有比例和積分控制的快速性和跟蹤能力。以單機無窮大系統為例所作的仿真取得了良好的結果，使電力系統穩定器在較短時間內使電力系統穩定，并使超調減小，電力系統的穩定性和動態品質得到了極大提高，在電力系統控制中具有廣闊的應用前景。

參考文獻：

[1] 方思力，朱方.電力系統穩定器的原理及其應用[M].北京：中國電力出版社，1996.

[2] 李士勇.模糊控制，神經控制和智能控制論[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，l996.

[3] Hiyama L， Kugimiya M.Advanced PID type fuzzy logic power system stabilize[J].IEEE Trans On Energy Conversion[J]，1994，(3)

[4] 丁峰，趙書強，袁幫亮.基于Matlab的模糊電力系統穩定器設計與仿真[J].計算機仿真，2003，20(8):58-60.