利用FACTS控制器增强负荷频率控制系统

《Next Energy》：Enhancement of load frequency control system using FACTS controller

　　

摘要：本文介绍了一种柔性交流输电系统（FACTS）装置——高压直流（HVDC）输电联络线在两区域负荷频率控制系统中的应用。该HVDC与交流输电线路并联连接于互联电力系统的两个区域之间。选择HVDC FACTS的基本特点在于其易于控制、可在较宽的联络线功率范围内工作，且相比其他FACTS装置（如STATCOM、超导磁储能装置）具有更快的响应速度和更小的时间常数。采用元启发式优化算法（如遗传算法（GA）优化和灰狼优化器（GWO））设计PI控制器参数，并进行比较。通过Matlab/Simulink程序包实现了具有最优PI控制器的FACTS控制器的效果。为验证FACTS控制器的有效性，将所提出的系统置于不同扰动下，如负荷扰动、非线性发电速率约束和系统参数偏移。比较了采用GA优化和GWO时系统在频率偏差和联络线功率偏差方面的响应。此外，还分析了有无HVDC FACTS装置时的系统响应。数字结果证明了所提出技术在频率和联络线功率偏差快速响应方面的优势。

论文解读：利用FACTS控制器增强负荷频率控制系统

1. 研究背景与问题
在电力系统运行中，当发电功率与负荷变化不匹配时，系统频率将偏离额定值。负荷频率控制（LFC）系统旨在将电力系统频率维持在50 Hz（容差±0.5 Hz）以内，并保持互联电力系统计划交换功率的稳定。随着现代互联电力系统规模和复杂性的增加，LFC问题的重要性日益凸显。传统比例积分（PI）控制器因其结构简单、易于实现而被广泛用于LFC，但其参数需要随运行点变化进行整定。为快速稳定系统频率和区域间联络线功率，多种装置被接入电力系统。柔性交流输电系统（FACTS）装置的出现为上述问题提供了新途径。本文采用高压直流（HVDC）输电线路作为FACTS装置，与交流联络线并联，以抑制因负荷波动、系统参数变化和非线性发电速率约束等扰动引起的频率偏差。此外，元启发式优化算法（如遗传算法（GA）、灰狼优化器（GWO）等）为PI控制器参数整定提供了有效手段，本文选用GA和GWO两种算法进行对比优化。

2. 研究内容与结论
研究人员针对一个两区域互联热力电力系统，建立含并联交直流联络线的LFC系统线性化动态模型，并推导其状态空间方程。该模型包含调速器、汽轮机、发电机和负荷等典型环节。利用遗传算法（GA）和灰狼优化器（GWO）分别优化PI控制器参数，目标函数采用积分绝对误差（IAE），即两区域频率偏差与交流联络线功率偏差绝对值之和的积分。通过Matlab/Simulink进行仿真，将系统置于负荷扰动、发电速率约束（GRC）和系统参数偏移等不同工况下，比较有/无HVDC FACTS装置以及GA与GWO优化控制器的性能。结果表明：HVDC FACTS与交流联络线并联能显著加快频率和联络线功率偏差的恢复速度，减小超调量；GWO优化算法相比GA具有更快的收敛速度和更好的时域响应特性（如上升时间、调节时间、峰值时间和超调量更低）；系统在参数变化时仍保持良好的稳定性。该研究发表于《Next Energy》。它证明了将HVDC FACTS线路并联于交流联络线可有效增强互联电力系统的负荷频率控制性能，为实际工程中LFC控制器设计和FACTS部署提供了理论依据。

3. 主要技术方法
- 两区域互联电力系统线性化建模，并建立含并联交/直流联络线的状态空间方程。
- 采用遗传算法（GA）和灰狼优化器（GWO）两种元启发式优化算法，以积分绝对误差（IAE）为目标函数优化PI控制器增益。
- 在Matlab/Simulink环境中进行仿真，验证系统在不同扰动下的动态响应。
- 使用特征值分析评估系统稳定性，并比较两种优化算法下的闭环极点分布。

4. 研究结果
4.1 基于GA的PI控制器参数设计
利用GA优化得到PI参数（Kp1=0.0097, Ki1=0.3938, Kp2=0.003, Ki2=0.021）。特征值分析表明，加入FACTS装置后，系统所有特征值均具有负实部，系统稳定。

4.2 基于GWO的PI控制器参数设计
GWO算法快速收敛，优化得到PI参数（Kp1=0, Ki1=0.8809, Kp2=0.3545, Ki2=0.5941）。特征值实部绝对值较大，表明系统状态响应具有更快的阻尼特性。表4对比显示，GWO控制下的特征值实部更大，因此时域响应衰减更快。

4.3 负荷扰动影响
在区域1施加0.01 p.u.负荷扰动时，无FACTS装置的频率偏差响应需较长时间才达到稳态且超调/下冲较大。接入HVDC FACTS后，频率偏差和交流/直流联络线功率偏差响应明显加快，超调量减小。对比GA和GWO，GWO响应速度更快且超调更小。

4.4 非线性发电速率约束（GRC）影响
考虑GRC（0.05和0.015）时，GWO优化控制器的上升时间、调节时间、峰值时间和超调百分比均优于GA（例如在GRC=0.015时，GWO的上升时间0.01183 s、调节时间9.3034 s、超调5.4951%，均小于GA）。这表明GWO在非线性约束下仍具优势。

4.5 系统参数变化影响
当汽轮机时间常数Tt从0.3 s变为0.5 s，或调速器时间常数Tg从0.08 s变为0.1 s时，采用GWO优化控制器的系统特征值仍保持负实部，系统稳定，说明该控制器对参数偏移具有鲁棒性。

5. 讨论与结论
研究结果表明，将HVDC FACTS线路与交流联络线并联，可在系统遭受不同扰动后有效恢复频率，原因在于HVDC FACTS具有快速动作、功率调节范围宽和时间常数小的特点。GA和GWO均可用于优化PI参数，但GWO在响应速度和超调抑制方面更优。数字仿真验证了所提控制策略的有效性，即GWO优化的PI控制器配合HVDC FACTS能显著提高互联电力系统的负荷频率控制性能。该研究为现代电力系统频率稳定控制提供了可行方案，并为优化算法在FACTS协调控制中的应用提供了参考。