基于灰預測設計電力系統穩定器 目 錄 第一章緒論 1.1 研究背景與動機 1.2 國內外研究現狀 1.3 研究方法與目的 1.4 論文主攻方向 第二章混合整數蟻行混合差分進化法 2.1 前言 2.2 模態展開理論 2.3 特征結構指定法 2.4 特征結構指定法于電力系統穩定器設計之應用 2.5 本 章小結 第三章適用于電力系統的最佳降階理論 3.1 前言 3.2 最佳降階理論 3.3 最佳降階法于電力系統穩定器設計之應用 3.4 本章小結 第四章 次特征結構指定灰色預測穩定器之設計 4.1 前言 4.2 次特征結構指定法 4.3 灰色預測 4.4 模糊預測步距設計 4.5 本章小結 第五章結論及未來研究方向 5.1 結論 5.2 未來研究方向 參考文獻 致謝 第一章 1.1研究背景與動機 由于工業發展與人口增加，用電需求量大增，為提供良好供電質量與提高系統穩定度，各電力系統間遂發展為互聯電力系統(Interconnected power system)，傳輸距離增長，許多電力系統動態問題也因而產生，其中以影響動態穩定度之低頻振蕩 (Low-frequency oscillations)最為典型。低頻振蕩是發電機轉軸與電力網 絡間互動的動態行為，稱為機電模態 (Electromechanical mode)，當發電廠遠離負載中心時系統負載變動或故障發生就會容易引發自發性低頻振蕩1- 3，頻率約在 0.1Hz2Hz 間；若系統有適當阻尼，則振蕩在一段時間后會消失，但若系統阻尼不足，則造成振蕩時間增長甚至在負阻尼系統中會使振幅增大，導致系統的穩定性大幅降低，輕者導致跳線跳機，重則造成系統崩潰解聯。 1964 年美國太平洋岸 Northwest power pool 與 Southwest power pool 兩系統首次試聯時產生低 頻振蕩現象 4，當時兩系統間之聯絡線出現約 0.1Hz 之低頻擺動，在解聯后兩系統仍有低頻振蕩發生。臺電于 1984 年首次發生低頻振蕩現象 5， 1990 年至 1992 年間亦發生 3 次低頻振蕩，頻率約在 12Hz 間。 電力系統穩定度主要分為動態穩定度 (Dynamic stability)與瞬時穩定度 (Transient stability)6, 7。研究系統受到小干擾或自發性振蕩時之行為稱為動態穩定度分析，如負載變動所引發之低頻振蕩，此時系統動態特性可利用線性微分方程式或小訊號線性化系統來描述。 當電力系統機電模態阻尼不足，遇負載變動或故障干擾時容易引發低頻振蕩，欲改善系統阻尼可利用外加的輔助控制器，傳送回授信號到發電機激磁系統的電壓調整器 (Voltage regulator)輸入端，即所謂的輔助激磁控制器 (Supplementary excitation controller)，一般稱為電力系統穩定器 (Power System Stabilizer, PSS)8-14，裝設電力系統穩定器被認為是改善系統動態穩定度經濟有效的方法。 1.2 國內外研究現狀 電力系統穩定器被 廣泛用來抑制低頻振蕩， Demello和 Concordia 是最先在頻域上做分析的學者 15， Byerly 提出修正 16，他們利用相位領先 -落 后 補 償 器 ， 補 償 電壓 調 整 器 至 發 電 機 的 相 位 落 后 ， 提 供 正 阻 尼 抑 制 低 頻 振蕩，此領先 -落后補償器設 計簡單、便宜但 相關參數選取困難。 Yu、 Siggers 和 Moussa 提出利用線性最佳控制理論 解 回 授 增 益 之 最 佳 電 力 系 統 穩 定 器 17-19，他們利用所 有 狀 態 變 量 回 授 ， 將 系 統 所 需 之 二 次 式 性 能 指 針(Quadratic performance index)最小化，以求出回授增益將狀態 變量響應最佳化。但因其利用所有狀態變量回授，部分狀態無法量測，必須裝設估測器，增加硬件成本，并降低系統的可靠度。 Hsu 提出次佳控制法 20，在多機系統中利用整體增益方式完成分離式設計，再利用單機輸出回授求解二次式性能指針最小化，以求出回授增益。但因輸出回授只影響部分特征結構，若未限定輸出變量之物理特性，將無法使機電模態特征值達到所欲改善之效果，甚至產生不穩定之特征值。 多位學者提出自調式 (Self-tuning)穩定器 21-25，利用調適 律 (Adaptive law)來調整控制增 益，雖可在不同負載下 自行調整增益以提供良好的阻尼作用，但在應用時須實時取得輸入與輸出信號做系統鑒別，須有快速運算之設備才可發揮控制功效。滑動模式控制 (Sliding Mode Control, SMC) 又 稱 可 變 結 構 控 制 (Variable Structure System, VSS)，于 1950 年代由前蘇聯學者提出，由于系統響應快速瞬時特性佳，亦被使用于電力系統穩定度控制26-29，但滑動模式中之切換向量選取不易，影響實際應用。 Feliach 提出最佳降階理論 30, 31，在保留輸出變量及系統物理特性下將系統模型降階，再利 用降階后之系統簡化模型設計穩定器，如此可使用輸出回授主控系統主極點變化，而對其他非主極點的影響降至最低簡化系統設計，但因未采用分離式設計，在多機互聯時，控制較為復雜。 Srinath 提出特征結構指法 32， Andery 提出補充 33，其 主 要 概 念 是 利 用 輸 出 回 授 增 益 使 系 統 產 生 指 定 之 特 征結構，滿足設計者要求。但因輸出變量無法保證能主控系統特性，因此可能產生額外不理想之特征值，使特征結構指定失去意義。 1.3 研究方法與目的 本文之研究方法如下： 分析特征結構的意義，并研究特征結構指定理論于電力系統中之應用 。 研究最佳降階理論，探討輸出變量主控系統主極點之可行性。 研究經由最佳降階理論限制輸出變量特性，推導出不會產生額外不良特征值之次特征結構指定法。 研究灰色理論預測性，并探討其在電力系統中的應用。 推導輸出回授最佳化分離設計理論，使多機系統在利用輸出回授建立整體增益后，能達成采單機回授控制之分離式設計目的。 研 究 次 特 征 結 構 指 定 法 應 用 于 滑 動 模 式 切 換 向 量選取之可行性。 應 用 前 六 項 之 結 論 設 計 次 特 征 結 構 指 定 灰 色 預 測穩 定 器 與 分 離 式 滑 動 模 式 灰 色 預 測 穩 定 器 兩 種 灰 預 測 穩定器，并利用多機系統探討其動態穩定 度。 研究目的如下 研究次特征結構指定法，利用最佳降階理論使輸出變 量 具 備 掌 控 系 統 主 極 點 能 力 ， 可 有 效 指 定 所 需 特 征 結構，又可避免產生不良之特征值。 將灰色理論導入電力系統穩定器設計中，應用灰色預測器預估系統狀態，抵消因取樣、信號傳送、計算等造成之時間延遲，提高穩定器控制信號準確度。 應用模糊理論調整預測步距，使預測器在不同狀態下可得到適當的預測步距，提高預測之準確度，使整體控制性能更加完善。 1.4 論文主攻方向 分析各種穩定器設計的主要缺點為：狀態回授若只考慮主極點位置，未顧及特征向量， 則無法滿足大型電廠內各機組間振蕩模態協調與設定的要求 ；若未使用輸出回授，就必須設置狀態估測器，將提高設備成本并降低系統可靠度 ；使用輸出回授時若輸出變量無法主控系統特性，容易產生額外不理想主極點，影響系統響應 ；傳統特征結構指定法雖可完全指定系統所需特征結構，卻可能產生主控系統之振蕩模態，使原指定之特征結構失去意義 ；若無有效實用之設計法則選取滑動模式之切換增益，則會影響滑動模式在電力系統中之實用性 ；區域互聯系統各發電廠間互動關系復雜，若未使用分離式設計，則會增加設計難度并降低設計的實用性 ；回授訊號經 取樣回饋至穩定器，再經穩定器運算產生控制信號至激磁系統，所經 歷 之 時 間 延 遲 將 使 控 制 信 號 無 法 滿 足 系 統 狀 態 實 際 需求。 綜合以上穩定器設計缺失，理想的穩定器設計需能夠滿足下列要求 :區域互聯網絡須采分離式設計，使各機組可使用自己的回授信號設計穩定器，解決信號傳送的問題，簡化設計程序 ；使用輸出回授且確定輸出變量能主控系