Research on adaptive neural fuzzy inference system (anfis) controller for power system stability

ABSTRACT With the rapid development of modern power systems, therefore they have some characteristics, such as large power grids must be connected together, distance transmission is very

stability

By Phan Xuan Le

A dissertation submitted for the degree of

ABSTRACT

With the rapid development of modern power systems, therefore they have some characteristics, such as large power grids must be connected together, distance transmission is very long and fast excitation devices must b e used, etc These characteristics are prerequisites for the development of modern power systems Thus, the damping ability of excitation system can be reduced, leading the low frequency oscillation of power system is inc reased

Currently, the power system stabilizer PSS has shown that its effectiveness

by reducing low frequency oscillations in power systems is the best This is primary method has used by recommending Grid International Association So, the PSS is usually used in power system stability, whi ch has the potential to enhance damping ability of excitation system leading to reduce small signal, suppressing low-frequency oscillations and reducing disturbances All problems above will do steady the power system Th erefore, countries on the world hav e used the power system stability to enhance damping ability of excitation system leading to reduce low frequency oscillations and improve the stability of power systems However, the use of PSS for stable power system is not high effectiveness To improve the performance, the parameters in PSS may be adjustment to adapt to each specific plant Besides, in practical power system, the high nonlinear may be degrade the performance of the PSS Thus, developed

a new controller for power system stability is nece ssary

The main research contents of this thesis can be summarized as follows: (1) The thesis analyzes the phenomenon of low frequency oscillations in the power grid, indicating the faults of low frequency oscillations have occurred

in countries in the world This phenomenon has caused harm to the economy of the countries and as well as causing damage devices in power system Thence, the importance of suppressing low frequency oscillations and reducing disturbance in power systems are necessary

(2) The thesis analyzes excitation system of electrical generator, which

shows a significant impact to dynamic stability and static stability of power systems Excitation system generates damping torque that the variations of it can reduce disturbance Based on this characteristic, researchers have designed

an auxiliary controller with the purpose provide control signal to enhance the damping torque for the excitation system This damping torque may be suppressed low frequency oscill ations as well as disturbances in p ower system (3) The thesis analyzes the power system stability And then, based on Krong-Hnang hydropower plant (in Vietnam) to set the parameters of the PSS2A, whose purpose is to increase the damping capacity of the ex citation system to suppress the low-frequency oscillations on the power system

(4) The thesis studies a new controller to control complex systems The PSS is used very effectively in linear systems, however, with nonlinear systems

is not effective Fuzzy control technique requires human knowledge and experience to set the IF – THEN rules However, this defect can be overcome by combining among fuzzy and neural network This hybrid controller is widely used in the field of automatic control with nonlinear p lants Hence, the study of the ANFIS controller for the problems of the power system stability has great significance Consequently, we design ANFIS controller to replace PSS controller in Krong-Hnang hydropower plant (in Vietnam), which main purpose enhances damping ability of excitation system and suppressing low frequency oscillations in power system

(5) Finally, the use of MATLAB/Simulink software to simulate a single machine infinite bus system by establishing different faults and disturbances Three systems operating mode simulation r esults of the non-PSS, the installation

of PSS2A and the ANFIS controller are compared, analyzed and summarized The results show that the performance of the A NFIS controller to suppress low frequency oscillation is much better than without PSS and PSS2A

Keywords: Power system stability, PSS2A, ANFIS

目录

摘 要 ··· I ABSTRACT ··· III

第 一 章 绪论 ··· 1

1.1 研 究 的 目 的 及 意 义 1

1.2 电 力 系 统 稳 定 性 的 综 述 1

1.2.1 电 力 系 统 稳 定 性 的 定 义 和 分 类 1

1.2.2 电 力 系 统 小 扰 动 稳 定 性 的 研 究 现 状 4

1.3 电 力 系 统 低 频 振 荡 分 析 的 基 本 理 论 5

1.3.1 低 频 振 荡 的 概 念 及 分 类 5

1.3.2 低 频 振 荡 的 产 生 机 理 7

1.3.3 低 频 振 荡 的 抑 制 措 施 9

1.4 越 南 的 电 力 系 统 的 综 述 14

1.4.1 越 南 的 电 力 系 统 基 本 结 构 14

1.4.2 电 力 系 统 控 制 15

1.5 论 文 的 主 要 研 究 内 容 19

第 二 章 自 适 应 神 经 模 糊 推 理 系 统 分 析 ··· 21

2.1 引 言 21

2.2 模 糊 系 统 和 神 经 网 络 的 异 同 22

2.3 自 适 应 神 经 模 糊 推 理 系 统 的 结 构 24

2.3.1 MAMDANI 型 ANFIS 24

2.3.2 TAKAGI-SUGENO 型 ANFIS 26

2.4 ANFIS 的 学 习 算 法 28

2.5 本 章 小 结 33

第 三 章 同 步 发 电 机 的 励 磁 控 制 系 统 对 低 频 振 荡 的 影 响 ··· 35

3.1 引 言 35

3.2 三 相 同 步 发 电 机 36

3.2.1 同 步 发 电 机 的 基 本 原 理 与 结 构 36

3.2.2 同 步 发 电 机 的 分 类 及 特 点 38

3.3 同 步 发 电 机 的 励 磁 系 统 39

3.3.1 励 磁 系 统 的 概 念 及 作 用 39

3.3.2 励 磁 系 统 数 学 模 型 41

3.4 发 电 机 的 励 磁 系 统 对 电 力 系 统 稳 定 性 的 影 响 43

3.4.1 电 力 系 统 低 频 振 荡 分 析 模 型 43

3.4.2 励 磁 控 制 系 统 对 低 频 振 荡 的 影 响 46

3.4.3 抑 制 低 频 振 荡 的 原 理 50

3.5 越 南 的 KRONG-HNANG 发 电 厂 的 参 数 与 系 统 的 实 际 响 应 52

3.5.1 越 南 的 KRONG-HNANG 发 电 厂 的 参 数 52

3.5.2 系 统 的 响 应 当 无 PSS 时 54

3.6 本 章 小 结 55

第 四 章 电 力 系 统 稳 定 器 (PSS)的 研 究 ··· 57

4.1 引 言 57

4.2 电 力 系 统 稳 定 器 的 研 究 背 景 58

4.2.1 PSS 参 数 设 计 问 题 综 述 58

4.2.2 PSS 优 化 设 计 方 法 综 述 60

4.2.3 PSS 选 址 问 题 综 述 62

4.3 PSS 模 型 发 展 62

4.3.1 IEEE PSS1A 63

4.3.2 IEEE PSS2A 64

4.3.3 IEEE PSS2B 64

4.3.4 IEEE PSS3B 65

4.3.5 IEEE PSS4B 66

4.4 PSS2A 的 参 数 设 置 67

4.5 电 力 系 统 稳 定 器 PSS2A 在 MATLAB-SIMULINK 仿 真 模 型 71

4.5.1 负 载 突 变 时 72

4.5.2 三 相 短 路 故 障 76

4.6 本 章 小 结 79

第 五 章 自 适 应 神 经 模 糊 推 理 系 统 在 电 力 系 统 的 稳 定 控 制 中 的 应 用 ··· 81

5.1 引 言 81

5.2 电 力 系 统 稳 定 控 制 中 的 ANFIS 结 构 81

5.2.1 单 机 无 穷 大 系 统 性 化 模 型 当 有 补 偿 信 号 UANFIS 81

5.2.2 设 计 ANFIS 控 制 器 82

5.3 仿 真 结 果 91

5.3.1 负 载 突 变 91

5.3.2 励 磁 参 考 电 压 突 变 94

5.3.3 三 相 短 路 故 障 97

5.3.4 机 械 功 率 突 变 99

5.4 本 章 小 结 102

第 六 章 结论 ··· 103

6.1 本 文 研 究 成 果 与 创 新 点 103

6.2 对 未 来 工 作 的 展 望 104

致 谢 ··· 105

参 考 文 献 ··· 107

附 录 ··· 117

第一章 绪论 1.1 研究的目的及意义

大 扰 动 功 角 稳 定 也 称 为 暂 态 稳 定 ，是 指 当 电 力 系 统 受 到 大 扰 动 后 各 发 电

控 制 器 振 荡

模 式 (Control mode)

次 同 步 谐 振 模

式 (Sub synchronous oscillation)

的 传 统 方 法 有 多 种 ，振 荡 模 式 分 析 法 是 最 常 见 的 一 种 方 法 。这 种 方 法 通 过 模

态 分 析 确 定 各 机 组 对 某 振 荡 模 式 的 相 关 程 度 ，把 PSS 配 置 于 与 该 振 荡 模 式 相

关 性 最 强 的 机 组 。 PSS 的 选 址 和 参 数 设 计 还 有 留 数 法 、 阻 尼 力 矩 系 数 法 、 特

征 根 灵 敏 度 分 析 法 等 。 另 外 ， 文 中 提 出 了 一 种 新 的 低 频 抑 制 措 施 ， 即 基 于ANFIS 的 电 力 系 统 稳 定 控 制 器 。

PSS 设 计 的 传 统 方 法 基 于 线 性 化 模 型 且 常 基 于 单 一 运 行 方 式 ， 而 电 力 系

统 的 运 行 方 式 和 参 数 不 断 变 化 且 具 有 非 线 性 特 性 。

1.3.3.1 加 装 PSS

的 配 置 和 参 数 协 调 整 定 等 方 面 ； 用 于 PSS 设 计 的 控 制 方 法 经 历 了 从 传 统 的PID 控 制 到 最 优 控 制 、 非 线 性 控 制 、 模 糊 控 制 、 神 经 网 络 、 鲁 棒 控 制 、 自 适

图 1.4 一 个 电 力 系 统 的 基 本 要 素

Figure 1.4 B a s i c e l e m e n t s o f a p o w e r s y s t e m 1.4.2 电力系统控 制

电 力 系 统 的 运 行 可 分 五 类 状 态 ，分 别 为 正 常 运 行 状 态 、警 报 状 态 、紧 急

状 态 、故 障 、恢 复 状 态 ，如 图 1.4 所 示 。该 图 表 示 ，各 种 运 行 状 态 间 的 相 互

作 用 。 根 据 发 生 的 不 同 种 状 态 ， 而 选 择 合 适 的 运 行 方 式[3 ]。

图 1.4 电 力 系 统 的 运 行 状 态 Figure 1.4 Power system operating state

（ 1） 正 常 运 行 状 态 ： 所 有 电 力 系 统 变 量 均 在 额 定 范 围 ， 且 无 设 备 过 载 。 因

此 ， 当 偶 然 性 事 件 突 发 时 ， 电 力 系 统 仍 可 安 全 与 稳 定 的 运 行 。

（ 2） 警 报 状 态 ： 若 电 力 系 统 的 安 全 度 小 于 稳 定 限 制 值 （ definitely limit value） 或 电 力 系 统 被 天 气 因 素 干 扰 ， 则 电 力 系 统 进 入 警 报 状 态 。 当 警 报 状

布 置 在 发 电 站 的 各 种 控 制 器 包 括 两 个 基 本 部 分 ， 分 别 为 负 载 频 率 控 制

器 、励 磁 系 统 控 制 器 。负 载 频 率 控 制 器（ LFC - Load Frequency Controller）

的 任 务 为 调 整 系 统 的 频 率 达 到 额 定 值（ 如 50HZ）。因 为 负 载 平 率 控 制 器 (LFC)

具 有 大 时 间 常 数 ，所 以 不 能 改 善 快 系 统 的 稳 定 度 。励 磁 系 统 控 制 器 能 快 速 工

作 ， 原 因 是 它 的 时 间 常 数 非 常 小 。

布 置 在 输 电 线 路 的 各 种 控 制 器 包 括 机 械 控 制 器 （ mechanical controller） 与 柔 性 交 流 输 电 系 统 （ FACTS -Flexible Alternating Current Transmission System）。 机 械 控 制 器 有 慢 时 间 的 操 作 。 柔 性 交 流 输 电 系 统 由

第二章 自适应神经模糊推理系统分析 2.1 引言

2.3 自适应神经模糊推理系统的结构

Mamdani 型 模 糊 推 理 和 Takagi-Sugeno 型 模 糊 推 理 各 有 其 优 点 。Mamdani 型 模 糊 推 理 ， 由 于 其 规 则 的 形 式 符 合 人 们 思 维 和 语 言 表 达 的 习 惯 ，

y y

B U

B U

a a

该 模 型 相 应 等 效 的 ANFIS 结 构 如 图 2.3 所 示 。此 ANFIS 结 构 由 五 层 组 成 ，

同 一 层 节 点 具 有 相 同 节 点 函 数 。各 层 之 间 的 连 接 权 系 数 通 过 给 定 样 本 的 输 入/输 出 数 据 进 行 自 适 应 的 调 节 ，使 所 得 到 的 结 构 很 好 的 反 映 实 际 系 统 的 模 型 。

整 个 网 络 结 构 详 细 描 述 如 下[51 , 52 ]：

图 2.3 ANFIS 结 构 图 Figure 2.3 A N F I S s t r u c t u r e m o d e l

1

i

i i

x c a

 =

−+

（ 1） Gradient Descent only： 所 有 参 数 都 用 梯 度 下 降 法 进 行 更 新 。

（ 2） GradientDescent and Once Pass of LSE： 最 小 二 乘 法 仅 用 一 次 ，

即 只 在 最 开 始 时 用 以 得 到 初 始 的 结 论 参 数 ，然 后 就 只 用 梯 度 下 降 法 来 更 新 所

有 的 参 数 。

（ 3） GradientDescent and LSE： 梯 度 下 降 法 和 最 小 二 乘 法 。

（ 4） Sequential (Apporoximate) LSE Only： 即 仅 用 递 推 （ 近 似 ） 最

到 图 2.3 的 第 四 层 ， 结 论 参 数p q r 出 最 小 乘 估 计 法 （ Least Squares i, i, i

Estimate） 简 称 LSE 求 得 。 通 过 反 向 学 习 （ Backward Pass） 的 梯 度 下 降 法

（ Gradient Descent Approach）， 固 定 输 出 层 参 数 不 变 ， 向 减 少 误 差 的 方 向

a E

b E c

k E

第三章 同步发电机的励磁控制系统对低频振荡的影响 3.1 引言

大 型 同 步 发 电 机 通 常 用 汽 轮 机 或 水 轮 机 作 为 原 动 机 来 拖 动 ，故 前 者 称 为

(2) 水 电 发 电 机

由 发 电 机 的 旋 转 速 度 、水 电 厂 的 流 速 及 水 柱 的 高 度 可 知 ，水 电 发 电 机 具

有 转 速 较 慢 的 特 点 。 目 前 ， 水 电 发 电 机 的 速 度 通 常 介 于 60 750 rpm[62 ] 具

体 来 说 ， 若 一 组 水 电 发 电 机 速 度 为 120 rpm, 则 发 电 机 的 极 对 数 为 :

p = 25

120

50.60.60

( ) ( )

dt T d

e d

d

K K K K G M

E

K G

A d

K K K T K

/1

e

d t

个 量 推 导 出 其 他 的 量 ，通 常 使 用 功 率 和 电 压 。标 幺 制 主 要 用 于 电 力 系 统 的 研

究 ；然 而 ，由 于 变 压 器 、电 动 机 、发 电 机 的 参 数 都 是 用 标 幺 值 来 表 示 的 ，所

以 在 电 力 系 统 计 算 中 ， 熟 悉 pu 的 概 念 是 很 重 要 的 。

表 3.2 发 电 机 的 参 数 被 转 换 成 标 幺 值 Figure 3.2 Parameters of the generator are converted to per unit system

图 3.15 电 功 率 的 响 应

Figure 3.15 Response of electric power

励 磁 控 制 系 统 对 低 频 振 荡 的 影 响 ,得 出 在 电 力 系 统 远 距 离 重 负 荷 输 电 的 情 况

下 ,励 磁 控 制 系 统 会 减 弱 系 统 阻 尼 。

（ 2） 本 章 收 集 了 越 南 的 Krong-Hnang 水 电 厂 的 参 数 ， 分 析 了 电 力 系 统

低 频 振 荡 的 影 响 ， 针 对 非 PSS 时 系 统 的 仿 真 结 果 已 在 上 面 给 出 。