大型光伏电站阻尼电力系统低频振荡控制策略研究

摘要

近年来，我国积极推进电力系统跨区联网建设，长距离输送电能的任务日益艰巨。与此同时，为优化能源结构，新能源发电得到了大力发展，特别是大型光伏电站无论在容量还是渗透率等方面与十年前相比都不可同日而语。长距离输电与大规模光伏并网都会显著地改变电力系统特性，使得低频振荡更易发生。在此背景下，为了加强电力系统稳定性控制的能力，同时充分发掘光伏电站自身的功率调节能力，本论文研究了利用光伏电站抑制低频振荡的可行性，并提出了相应的阻尼控制方案。
　　基于含光伏电站接入的单机无穷大系统和多机系统机电暂态模型，本文运用李雅普诺夫线性化理论和特征分析方法，研究了光伏并网对电力系统稳定性的影响，并针对电力系统弱阻尼以及大扰动引发低频振荡等问题提出了相应的解决方案，为大型光伏电站参与电力系统稳定控制的后续研究奠定了基础。
　　首先，在光伏并网单机无穷大系统中研究了光伏并网对电力系统稳态和暂态的影响、光伏阻尼控制性能限制及控制器设计。基于以光伏有功和无功功率为输入、功角和并网点电压为输出的多输入多输出系统小信号模型，分析了在并网点电压控制下并网点位置对系统稳态和暂态的影响；研究了由于多输入多输出系统方向性导致的阻尼控制性能限制；设计了同时实现功角阻尼控制与并网点电压控制的分散控制器，并在频域和时域中对控制性能进行了分析。
　　其次，将研究对象扩展到多机系统当中。通过搭建光伏电站并网的四机两区域系统和16机68母线系统，比较了光伏电站接入系统前后系统阻尼发生的变化。研究结果表明光伏电站对系统阻尼的影响可好可坏，不仅光伏渗透率会影响到系统的阻尼，在同样的光伏渗透率下不同负荷特性以及发电机的不同出力分配方式也会影响到系统阻尼。
　　再次，研究了混合灵敏度阻尼控制方法，在增加低频振荡模式阻尼比至特定值的同时减少了光伏功率调节达到饱和的概率。在线性矩阵不等式框架中求解H∞控制问题可以解决具有特定闭环阻尼比控制目标的控制设计问题，结合极点配置可以把附加的特定设计需求转化为约束条件进行求解。在四机两区域系统和16机68母线系统中分析和比较了光伏电站采用传统留数法和S/KS混合灵敏度H∞控制设计的阻尼控制器，结果表明采用留数法只能针对一个模式进行控制，而混合灵敏度法设计的控制器可以同时对多个弱阻尼模式进行调节。此外，在四机两区域系统算例中，发现采用混合灵敏度阻尼控制后会产生一个新的低频区间振荡模式，该模式发生在光伏电站与另一区域的同步发电机群之间，且频率比一般发电机之间的区间模式更低。
　　最后，针对混合灵敏度阻尼控制等基于单一工作点设计的控制器均无法应对大扰动后工作点偏离过大的情形，提出了多模型自适应阻尼控制策略。采用K-medoids算法，以低频振荡模式为多维特征点对运行状态对应的线性模型进行聚类，并基于各类的中心模型分别设计阻尼控制器。通过比较实际系统与模型的输出动态响应差异，用贝叶斯方法实时计算每一个模型匹配当前实际系统的概率，据此更新各阻尼控制器输出权重，各控制器输出的加权平均作为最终控制信号附加于光伏无功控制的参考指令中。在光伏并网四机两区域系统中的时域仿真结果表明，无需系统受扰后状态的先验知识，该策略仍然可以有效抑制非预期扰动引发的低频振荡，并在反馈信号时延和光照随机扰动下均保持良好的鲁棒控制性能，在满足相近控制性能的前提下也具有比传统单一控制器更低的控制强度。

目录

1 绪 论

1.1 研究背景和意义

1.2 低频振荡的稳定性理论基础

1.3 传统阻尼控制研究现状

1.4 大型光伏电站并网对低频振荡的影响研究现状

1.5 光伏阻尼控制研究现状

1.6 主要研究内容

2 光伏并网对电力系统小信号稳定性的影响

2.1 含光伏接入单机无穷大系统模型

2.2 光伏并网对系统稳态的影响

2.3 光伏并网对系统暂态的影响

2.4 阻尼控制性能的限制

2.5 分散控制器的顺序设计

2.6 控制性能分析

2.7 小结

3 多机系统中光伏并网对低频振荡的影响

3.1 多机系统动态数学模型

3.2 理论分析工具

3.3 多机测试系统简介

3.4 算例分析

3.5 小结

4 基于线性矩阵不等式的混合灵敏度阻尼控制方法

4.1 传统阻尼控制

4.2 混合灵敏度控制

4.3 算例分析

4.4时域仿真验证

4.5 控制失效的情况

4.6 小结

5 多模型自适应阻尼控制策略

5.1 贝叶斯方法基础

5.2 多模型自适应控制（MMAC）策略框架

5.3 模块一：模型库

5.4 模块二：控制器库

5.5 模块三：权重计算模块

5.6 仿真验证与分析

5.7 小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读博士学位期间发表的论文

B. 作者在攻读博士学位期间已授权的专利

C. 作者在攻读博士学位期间参研的项目