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基于传递控制器的AGC系统研究

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针对传统的控制器在满足控制复杂系统响应快速性、准确性和鲁棒性等方面存在较大不足等问题,通过优化经典控制器增益值,提出一种基于传递函数控制理论的自动发电控制系统控制方法,首先运用动态教与学技术优化控制器参数,控制了频率偏差和区域间联络线净交换功率增量,并缩短了调节时间,然后通过模拟仿真两区、三区及大扰动系统,并与几个经典控制器的性能进行对比分析,控制效果表明传递控制器在自动发电控制系统具有良好的灵敏性和鲁棒性,对于研究自动发电控制具有很好的利用价值.

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第２２卷第４期

２０１８年４月

Ｖｏｌ.２２Ｎｏ.４

Ａｐｒ．２０１８

电

机

与

控

制

学

报

ＥｌｅｃｔｒｉｃＭａｃｈｉｎｅｓａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ

基于传递控制器的 AGC 系统研究

张伟民，张艳霞

（天津大学智能电网教育部重点实验室，天津３０００７２）

摘

要：针对传统的控制器在满足控制复杂系统响应快速性、准确性和鲁棒性等方面存在较大不足

等问题，通过优化经典控制器增益值，提出一种基于传递函数控制理论的自动发电控制系统控制方

法，首先运用动态教与学技术优化控制器参数，控制了频率偏差和区域间联络线净交换功率增量，

并缩短了调节时间，然后通过模拟仿真两区、三区及大扰动系统，并与几个经典控制器的性能进行

对比分析，控制效果表明传递控制器在自动发电控制系统具有良好的灵敏性和鲁棒性，对于研究自

动发电控制具有很好的利用价值。

关键词：传递控制器；自动发电控制；动态教与学优化；多区域电力系统；大扰动系统；鲁棒性

DOI：１０．１５９３８／ｊ．ｅｍｃ．２０１８．０４．００６

中图分类号：ＴＭ７６

文献标志码：Ａ

文章编号：１００７-４４９Ｘ（２０１８）０４-００４２-０９

Reseach on AGC system based on transfer controller

ＺＨＡＮＧＷｅｉꢀｍｉｎ，ＺＨＡＮＧＹａｎꢀｘｉａ

（ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＳｍａｒｔＧｒｉｄｏｆＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ，ＴｉａｎｊｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ３０００７２，Ｃｈｉｎａ）

Abstract：Ｔｈｅｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｈａｓｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｓｈｏｒｔｃｏｍｉｎｇｓｉｎｔｅｒｍｓｏｆｉｔｓｒａｐｉｄｉｔｙ，ａｃｃｕｒａｃｙａｎｄ

ｔｈｅｒｏｂｕｓｔｎｅｓｓｏｆｔｈｅｃｏｍｐｌｅｘｓｙｓｔｅｍｒｅｓｐｏｎｓｅ．Ｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｃｌａｓｓｉｃａｌｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｇａｉｎ

ｖａｌｕｅ，ａｃｏｎｔｒｏｌｍｅｔｈｏｄｏｆｔｈｅａｕｔｏｍａｔｉｃｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｔｒａｎｓｆｅｒｆｕｎｃｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌ

ｔｈｅｏｒｙｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｔｅａｃｈｉｎｇꢀｌｅａｒｎｉｎｇｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓｗｅｒｅａｐｐｌｉｅｄｉｎｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆ

ｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｔｈｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｄｅｖｉａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｉｎｃｒｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅｔｉｅｌｉｎｅｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｎｅｔｉｎｔｅｒ ꢀ

ｃｈａｎｇｅｐｏｗｅｒｗｅｒｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ，ｔｈｅｓｅｔｔｌｉｎｇｔｉｍｅｗａｓａｌｓｏｓｈｏｒｔｅｎｅｄ．Ｔｈｅｎｔｈｅｔｗｏꢀａｒｅａｓ，ｔｈｒｅｅꢀａｒｅａｓａｎｄ

ｌａｒｇｅｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅｓｙｓｔｅｍｗｅｒｅｓｉｍｕｌａｔｅｄ，ａｎｄａｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｗａｓｍａｄｅｉｎｔｅｒｍｓｏｆｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｓｅｖ ꢀ

ｅｒａｌｃｌａｓｓｉｃｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓ．Ｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｅｆｆｅｃｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｔｒａｎｓｆｅｒｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｉｎｔｈｅａｕｔｏｍａｔｉｃｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ

ｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｈａｓｇｏｏｄｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙａｎｄｒｏｂｕｓｔｎｅｓｓ，ａｎｄｉｔｈａｓｇｏｏｄｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｖａｌｕｅｆｏｒｔｈｅｓｔｕｄｙｏｆａｕｔｏ ꢀ

ｍａｔｉｃｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ．

Keywords：ｔｒａｎｓｆｅｒｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ；ａｕｔｏｍａｔｉｃｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌ；ｄｙｎａｍｉｃｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｔｅａｃｈｉｎｇꢀｌｅａｒｎｉｎｇ；

ｍｕｌｔｉꢀａｒｅａｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍｓ；ｌａｒｇｅｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅｓｙｓｔｅｍｓ；ｒｏｂｕｓｔｎｅｓｓ

务，在预防电网瓦解事故、维持系统稳定和提高电能

0 引言

质量等方面都起着重要作用^［１］。ＡＧＣ的主要目标

是确保电力系统频率在允许偏差范围之内，保证网

络发电机出力与负荷平衡，并控制区域间联络线功

率交易值^［２］。

随着电力体制改革的深入，几个独立的电力实

体已在激烈的市场中竞争挑战。自动发电控制（ａｕꢀ

ｔｏｍａｔｉｃｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌ，ＡＧＣ）这个重要的辅助服

收稿日期：２０１７-０３-１８

作者简介：张伟民（１９７９—），男，博士研究生，研究方向为电力系统及其自动化；

张艳霞（１９６２—），女，教授，博士生导师，研究方向为电力系统及其自动化。

万方数据

通信作者：张伟民

第４期

张伟民等：基于传递控制器的ＡＧＣ系统研究

４３

目前，国内外学者针对ＡＧＣ的研究，已经取得

其中：T_１２为发电机的同步力矩系数；s 为发电机同步

功率系数。传递控制器将 e（t）及其衍生函数作为

了丰硕的成果。文献［３］运用细菌觅食优化算法解

决常规的ＡＧＣ问题，并证明了该算法的有效性，但

是，文中方法对于处理多区域ＡＧＣ系统问题还需要

进一步深入研究。文献［４］运用遗传算法模糊控制

器，为多区域ＡＧＣ系统的研究提供了一种解决方

案，虽然遗传算法比传统的方法有效，但是随着研究

的深入，发现遗传算法还是存在着不能很好解决大

规模计算量问题、容易陷入“早熟”的缺陷。文献

［５］考虑到动力学的双边合同效果，采用模糊逻辑

算法优化控制器增益参数，但该方法在检查模糊逻

辑控制器的规则库时，需要大量计算时间。文献

［６］提出了一种最优输出反馈控制的方法，利用降

阶观测器解决电力市场环境下的负荷频率控制问

题，但该方法也不能保证控制器在约束条件下的最

佳动态响应。

输入信号，其输出量 ^·V_ｏｕｔ作为电力系统的输入控制

变量。传递控制器的输入因子 τ和 δ可为任何实

数，传递函数由公式（３）、式（４）和式（５）给出

V_τ（f）

V_τ∠φ

T_τ（f）= = =T_τ∠φ，（３）

V_δ（f）

V_δ∠φ

T_τ=V_τ／V_δ，

（４）

（５）

φ=φ-φ。

其中：V_τ（f）和 V_δ（f）分别为控制器输入端和输出端

的频率算子；V_τ∠φ和 V_δ∠φ分别为控制器输入端

和输出端的电压相角。

控制器电压输出向量 ^·V_ｏｕｔ

为

V_ｏｕｔ=T_ｋ^·V_ｉｎ。

（６）

其中：V_ｉｎ是控制器的电压输入向量；T_ｋ是广义形式

的频率传递矩阵，它是一个３×３阶对角矩阵，由公

式（７）给出

如今，经典控制器如积分控制器（Ｉ）^［７］、比例积

分控制器（ＰＩ）^［８］及比例 -积分 -微分控制器

（ＰＩＤ）^［９］技术已日趋成熟，并得到广泛应用。文献

［１０］在比较几种经典控制器性能的基础上，研究了

系统电压和频率的自动调节问题，分析了经典控制

器对于提高系统鲁棒性的不确定性。迄今为止还没

有文献对高阶系统的扰动问题进行分析。

δA

τA

δA

τA

δB

τB

δC

τC

δC

T ∠φ T_τB∠φ T ∠φ

_τC］。

T_k=ｄｉａｇ［

（７）

δA

δB

δC

其中：T_τA∠φ、T_τB∠φ和 T_τC∠φ 分别为Ａ、Ｂ、

τA

τB

τC

Ｃ三相的自传递函数，表示输入端和输出端之间的

电压传输关系，且它们都是频率 f 的函数。

本文在优化经典控制器的增益值基础上，提出

了一种传递控制器的数学模型，并运用动态教与学

技术优化控制器的多个参数，与文献［１１］中的几种

经典控制器相比较，该控制器较好地控制了频率偏

差和区域间联络线净交换功率增量，并缩短了调节

时间。最后，通过模拟仿真两区^［１２］、三区^［１３］及大扰

动^［１４］系统，研究传递控制器的最优参数及其鲁

棒性。

传递控制器具有可调整的估计参数，利用高斯

函数计算频率的估计值如下

２

-［（f -μ）／τ］

１

T_ｐ（f）= δ_i·e

。（８）

∑

i =１

其中：N 为样本总数；μ为频率的待估计系数。

为了有效地控制频率振荡并获得最优的控制器

参数，构建误差平方矩的积分型（ｉｎｔｅｇｒａｌｏｆｔｉｍｅ

ｗｅｉｇｈｔｅｄｓｑｕａｒｅｄｅｒｒｏｒｓ，ＩＴＳＥ）目标函数为

ｓｉｍ

２

J［e（t）］= （｜Δf_１｜＋｜Δf_２｜＋｜ΔP_ｔｉｅ｜）tｄt 。

∫

０

1 传递控制器

（９）

其中：T_ｓｉｍ为仿真时间，通过目标函数对控制参数的

优化，可以减小频率偏差和区域间联络线净交换功

率增量，并缩短调节时间。最小化 J［e（t）］的目标

函数如下

本文所提出的传递控制器，基本原理是运用传

递函数控制频率偏差和区域间联络线净交换功率增

量，最大限度地缩短调节时间。控制器在各自区域

的控制偏差（ａｒｅａｃｏｎｔｒｏｌｅｒｒｏｒ，ＡＣＥ）可按公式（１）

进行计算

ｍｉｎJ［e（t）］=ｍｉｎ（J_Δf，J_ΔP，t）=

ｔｉｅ

e（t）=τΔf ＋δΔP_ｔｉｅ。

其中：τ为区域控制频率偏差系数； f 为系统频率

偏差；δ为调速器的速度可调谐系数； P_ｔｉｅ为区域

（１）

ｍｉｎ［T_τ（f）-T_ｐ（f）］^２。（１０）

△

调度中心依据传递控制器输出的最优参数值，

追踪实际负荷的功率变化，负荷节点的有功功率计

算方法由公式（１１）、式（１２）、式（１３）给出。负荷节

点复功率的共轭值为

间联络线净交换功率增量，可按公式（２）进行计算

２πT_１２

ΔP_ｔｉｅ= （Δf_１-Δf_２）。（２）

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