以同步量測為基礎之彈性交流輸電系統新型電驛與穩定度控制器之研究(2/2)
A Study on New Relaying Schemes and Stability Controller of Flexible AC
Transmission Systems Based on Synchronized Measurements (2/2)
計劃編號：NSC 93-2213-E-014-001執行期限：93 年 8 月 1 日至 94 年 7 月 31 日 計劃主持人：俞齊山 副教授
計劃參與人員：吳信樺、張仁偉
執行機構及單位名稱：國防大學中正理工學院電機系
摘要：本計劃針對多機電力系統提出一應用於偶發事件的新型 暫態穩定度控制器。一般之電力系統發生故障之後，由於無法預 先知道故障後電力系統的結構，為了簡化控制，均採用角速度的 控制法。但是如此之控制將無法保證穩定後系統的平衡點狀態。
若穩定後控制器的平衡狀態接近其邊界值，則系統之穩定區間將 變小。若有隨之而來的另一次故障事件發生，則暫態控制器將不 再有足夠的能力控制系統，並將導致系統的響應變差或不穩定。
本計劃以相量量測技術為基礎，以發展一種兼顧系統穩定區間的 暫態穩定度控制器。利用此一控制器，可以在不需要知道系統故 障後網路結構的狀態之下，仍能維持系統穩定後的狀態值，尤其 能維持控制器穩定後的設定點。如此將可以維持系統足夠的穩定 區間。以應付後續可能的再一次偶發事故。本計劃利用六機十四 匯排之多機電力系統測試所提出之演算法，由模擬的結果可知，
本計劃所提出之控制架構可以正確而有效的維持系統的暫態響 應，並提供系統足夠的穩定度區間。此外，利用所提出的改良型 最佳目標導向控制架構，亦能任意的調整系統收斂的響應，以維 持系統最佳的響應特性。
關鍵字：偶發事件、暫態穩定度控制、穩定區間、最佳目標導向 策略。
Abstract: This project presents a new transient stability controller for multi-machine contingent event control. For ease of designing, most of the power systems utilize the power angle speed for transient stability control. However, the post-fault equilibrium points can not be specified by that strategy. If the post-fault equilibrium points near the system stability boundary, the stability margin will be reduced. Then the post-fault system can not support enough capabilities for another contingent event. This project develops a phasor measurement units (PMUs) based transient stability controller. By using the proposed controller, although the post-fault power systems structure is not known, the stability margin can be kept. Thus, the proposed controller will have enough capabilities to deal the next contingent event. Six-machine fourteen-bus simulation system is adopted to evaluate the proposed controller. The simulation results indicate the effectiveness and accuracy of the proposed controller. Meanwhile, via the proposed improved optimal-aim-strategy (IOAS) the system performance can be tuned to maintain the optimal performance.
Keyword : Contingent event, transient stability control, stability margin, optimal aim strategy
緣由與目的
在電力系統之中，因為嚴重故障所引發在互連電力系統 之間的電機振盪，往往會嚴重的影響電力系統的可靠度並 會負出龎大的經濟與社會成本。近十多年來，利用大功率
電力電子元件所製成的彈性交流輸電系統(Flexible AC Transmission System, FACTS)，由於本身具有可於暫態事 件之中快速響應的特性，所以可提供電力系統暫態控制極 佳的響應。而其中的閘控開關電容器(Thyristor Controlled Switch Capacitors, TCSCs)，由於其可以快速的改變輸電線 的等效阻抗，所以可提供互連電力系統暫態穩定度控制極 佳的選用設備。
當 電力系 統發生偶發 事件並進行 暫態穩定度 控 制 時，非線性控制方法時常是必需的選擇。近年來有許多的 相關研究被發表 [1-8]。在[2]之中，作者提出時間最佳化 的 bang-bang 控制法，該方法可提供系統最快速的暫態響 應控制。但是為了達到時間最佳化的目的，電力工程師必 需針對電力系統各種可能發生的不同偶發事件進行離線 的分析與時間最佳化設計。如此才能在相對應的事件發生 之後，立即選用相對應的控制策略，以令系統達到時間最 佳化的響應。在[3]之中，作者則提出利用能量函數與能量 帶切換的方式，以解決故障事件後系統結構不確定性的問 題。此一控制法則必需另外配合一具有足有衰減能力的小 訊號動態穩定度控制器，方能達成系統較佳的響應特性。
在[4]之中，作者提出一適用於多機電力系統的可觀性解耦 狀態空間(Observation Decoupled State Space, ODSS)模型 法，以進行控制器設計。此一演算法利用不斷的改變平衡 點的方式，可以令系統到達區域(local)的平衡點 [4]。由於 此一控制方法類似於速度控制，所以其最終雖然能令系統 到達穩定，但是不能指定系統到達特定的平衡點。在論文 [5-7] 之 中 ， 作 者 所 提 出 的 最 佳 目 標 策 略 (Optimal Aim Strategy, OAS)演算法，則是藉由非線性的方式令系統的狀 態可達控制器所指定的目標。但是此一方法有以下兩缺 點，(1)系統收斂的響應特性無法控制，(2)若系統在故障後 的結構有改變，則最佳的目標將無法完全決定。因此僅能 進行速度控制。所以其結果將可能如圖一所示，雖然系統 最終可到達到穩定狀態，但是其故障後的設定點可能極為 接近控制器的邊界值。如此一但有另一暫態偶發事件發 生，暫態穩定度控制器將無法提供系統足夠的控制能力。
因此，本計劃提出一種以控制命令為導向，利用改良 型最佳目標策略 [7] 為基礎所設計的偶發事件控制器以 解決以上的問題。利用本計劃所提出之控制器，電力工程 師可以在不知道系統發生偶發事故之後的結構是否有改 變的狀況之下，仍能維持系統在故障後有足夠的穩定區 間。本控制方法基於自我調適兩機等效電路所設計 [8]。
3 Power System
Controller umax
umin Pre-fault
setting Post-fault
setting
Group1 Group2
TCSC
最佳目標策略(Optimal Aim Strategy, OAS)控制之基本 理論如圖三所示。考慮一具有狀態軌跡Γ的系統，OAS 命
variation region of x(t)+f(x(t),u(t),t) x(t)
4
variation region of x(t)+f(x(t),u(t),t) x(t)
5 A) 有效性測試 – 暫時性偶發事件
在本例之中，三相短路故障發生在匯流排 9 與匯流排 10 之間沒有架設 TCSC 的互連輸電線之上。故障發生在 t=0.167sec 的時間，故障在發生後 6 週排除，輸電線亦完 成複閉。
圖六(a)與圖六(b)分別描述δCOI1與δCOI2 的響應。值得 注意的是，以 IOAS 為基礎的偶發事件控制器自動將其控 制目標朝向ωCOI = 0 與 ueq = 0.4p.u。控制器事先並不知道 此為一暫時性的偶發事件或是永久性的偶發事件。很明顯 的 ， 雖 然 控 制 器 事 先 並 不 知 道 系 統 的 平 衡 點δCOI1與
2
δCOI ，IOAS 為基礎的控制器仍能將系統之狀態依我們預 先設定的 K 參數而以預設的響特性朝向故障前的平衡點 前進。所以控制器的暫態穩定度控制能力能夠維持以應付 下一次可能的偶發事件。圖七(a)與圖七(b)則分別代表 COI1 與 COI2 的功率角與功率角速度所表示之狀態平 面軌跡圖之響應。由於此為一暫時性偶發事件，所以系統 之狀態將自動收斂至故障前的平衡點。
圖六、暫時性偶發事件之 COI1 與 COI2 的功率角響應
圖七、暫時性偶發事件 COI1 與 COI2 狀態平面軌跡圖
B) 結構強健性測試 – 永久性偶發事件
在本例之中，三相短路故障仍發生在匯流排 9 與匯流排 10 之間沒有架設 TCSC 之互連輸電線之上。故障發生時間 為 t=0.167sec。故障在發生後六週期被清除，故障輸電線 則在故障後維持斷開狀態。所以，針對控制器而言，本故 障後系統成為一結構未知的系統。
圖八(a)與圖八(b)分別表示δCOI1與 δCOI2 之響應。值 得注意的是，以 IOAS 為基礎的偶發事件控制器可將系統 之狀態自動的朝向ωCOI = 0 與 ueq = 0.4p.u 加以控制。而 此一目標符合故障後之系統在保持控制器控制餘裕之 下，經由電力潮流方程式所求得的解(在圖八之中以虛線表 示)，但是本控制器是以即時控制的方式加以實現。此一偶 發事件控制器雖然事先並不知道此一故障的型態，但是仍 能將系統之狀態導向最終的目標點。所以，在論文[2]之中 必需事先針對不同偶發事件事先設計控制器的過程將可 免除。此外，系統之響應亦可將由調整參數 K 加以維持。
圖八、 永久性偶發事件之COI1 與 COI2 的功率角響應
圖九、永久性偶發事件之 COI1 與 COI2狀態平面軌跡圖
圖十、暫時性偶事故並考慮參數不確定性之 ωCOI1 功率角速度 之暫態響應
圖九(a)與圖九(b)分別代表 COI1 與 COI2 的功率角與 功率角速度所表示之狀態平面軌跡圖之響應。由於此為一 永久性偶發事件，所以系統之狀態將自動收斂至故障後新 的平衡點。
C) 參數強健性測試 – 參數不確定性
在本例之中為了簡化討論，我們利用兩個可變參數 kr 與 cPQ 以代表整體電力系統的參數不確定性。兩參數 kr
與 cPQ 的定義如下：
1. kr = R/X, 代表輸電線電阻與電抗之比值 (在正常時 此值 kr=0.1)。
2.
) 0
cPQ (
. 0,
cPQ
PQ 1,
cPQ
為正常狀況
表示 阻抗 代表負載為固定
表示 代表負載為固定
=
⎩⎨
⎧
=
=
參數的強健性測試包含
kr=0, 0.05, 0.1, 0.15, 0.2 與 cPQ=0, 1。
所有在正常時系統的參數如論文[8]之所述相同。
在本計劃之中，在(13)之中所定義的修正項被用以修正 參數不確定性。以下之模擬將比較含有 ΔPspec.修正項與不 含修正項的結果。 圖十(a)與圖十(b) 分別代表功率角速度 ωCOI1 在不同之參數不確定條件之下的暫態將應，其中所 有系統之參數 K 均採用相同的大小。圖十(a)代表沒有修 正項的響應結果(設定 set ΔPspec = 0)。圖十(b)則代表包含修 正項的響應結果(設定 ΔPspec = (13))。模擬的結果指出，由 於加入了修正項，所以系統之響應將不會受到參數不確定
6 性的響應，而仍能將系統依預定的平衡點與響應特性而完 成收斂。
成果自評
本計劃研究內容與原計劃書目標相符，並達成預期之 目標。研究結果兼具實用及學術價值，未來應有應用於實 際台電系統之潛力。而研究成果亦有可能應用至其它之結 構/參數不確定之系統的非線性控制。相關之研究成果已投 稿至國際期刊部分已被接受。
[1] Chi-Shan Yu and Jun-Zhe Yang, "A New Optimal Aim Scheme for TCSC Contingency Control," IEEE PES General Meeting 2005, San Francisco.
[2] Jyh-Cherng Gu, Kun-Yuan Shen, Sun-Li Yu and Chi-Shan Yu,” Removal of DC offset and subsynchronous resonance in current signals for series compensated transmission lines using a novel Fourier filter algorithm,” Accepted by Electric Power Systems Research. (SCI)
[3] Kaiping Lien, Chih-Wen Liu, Chi-Shan Yu and Joe-Air Jiang “ Transmission Network Fault Location Observability with Minimal PMU Placement, ” Accepted by IEEE Transactions on Power Delivery,
[3] Kaiping Lien, Chih-Wen Liu, Chi-Shan Yu and Joe-Air Jiang “ Transmission Network Fault Location Observability with Minimal PMU Placement, ” Accepted by IEEE Transactions on Power Delivery,