复杂电力系统非线性动力学行为及其同步控制研究

摘要

电力系统可以看作以发电设备、变电站和高压输电线等为网络的节点和连线，构成的一种规模庞大的复杂网络，它是一种多变量、强耦合、强非线性系统。近年来，随着科技的发展，以分布式风力发电为代表的绿色可再生能源逐步引起了各国政府的高度关注，风力发电机网络与电力网络的互联也成为电力系统发展的必然趋势。而且，随着用电用户的不断增加，使得电力系统的负载数目逐步增多，对其稳定运行带来了极大挑战。已有研究表明，在某些参数和工作条件下电力系统会产生混沌振荡现象，混沌振荡是造成风力发电机网络并网及电力网络与负载互联失稳的重要因素之一。因此，研究电力系统非线性动力学行为及其同步控制对保持电力系统的稳定运行显得尤为重要。论文包括两部分内容：一是以类Kuramoto模型作为电力网模型，以永磁同步风力发电机（PMSG）作为风力发电机网络节点，研究了风力发电机网络与电力网之间的混沌同步控制；二是以永磁同步电动机（PMSM）作为感性负载网络的节点，研究了风力发电机网络与感性负载网络之间的混沌振荡同步控制。论文具体工作安排如下： （1）引入典型的电力网、永磁同步风力发电机、永磁同步电动机的数学模型，绘出PMSG和PMSM单个系统在一定参数条件下出现混沌行为的相图，然后分别以PMSG和PMSM为节点构造风力发电机网络模型和感性负载网络模型并分析网络的非线性行为。 （2）基于李雅普诺夫稳定性理论和有限时间稳定性理论，改进一种非线性控制器，研究了基于WS型小世界风力发电机网络与电力网络之间的混沌振荡同步控制问题。发现改进后的非线性控制器可以使风力发电机网络与电力网络之间达到混沌同步控制，而且通过调节控制器的参数取值，可以改变达到同步的时间，解决了以往提出的控制器控制时间较长的问题，该控制器不仅控制效果较好，而且结构简单，容易实现。 （3）基于李雅普诺夫稳定性理论，研究了具有相互作用的风力发电机网络与感性负载网络之间的混沌同步控制，首先分别以PMSG和PMSM作为两个网络的节点，针对相互作用的PMSG和PMSM网络，设计了一种自适应控制器，实现了对PMSG和PMSM网络的混沌同步控制，该控制器不仅结构简单，而且控制代价小，控制效率高。 （4）以PMSG网络作为驱动系统，以PMSM网络作为响应系统，基于李雅普诺夫稳定性理论和投影同步方法，设计一种非线性混沌控制器并作用于响应系统，研究了基于WS型小世界风力发电机网络与感性负载网络之间的混沌同步控制问题。研究表明该控制器可以实现风力发电机网络与感性负载网络之间的混沌同步控制，而且具有控制速度快，控制效果显著，控制代价小等优点。

目录

第1章 绪论

1.1研究背景与意义

1.2研究现状

1.2.1 永磁同步风力发电机混沌控制的研究现状

1.2.2 永磁同步电动机混沌控制与同步的研究现状

1.3本文的研究内容及结构安排

1.4课题来源

1.5本章小结

第2章 复杂网络、电力系统动力学理论基础及基本模型

2.1复杂网络理论简介

2.1.1 复杂网络的数学模型

2.1.2 小世界网络模型

2.2李雅普诺夫稳定性定义

2.3李雅普诺夫稳定性定理

2.4混沌的定义及其度量方法

2.4.1 混沌的定义

2.4.2 混沌的度量

2.5 PMSG及混沌行为

2.5.1 单台PMSG模型

2.5.2 PMSG网络模型

2.6 PMSM及混沌行为

2.6.1 单个PMSM模型

2.6.2 PMSM网络模型

2.7类Kuramoto电力网模型

2.8本章小结

第3章 分布式发电系统与电力网络混沌同步控制研究

3.1引言

3.2复杂网络全局有限时间同步控制的基础知识

3.3控制器设计

3.4数值仿真与分析

3.5本章小结

第4章 相互作用PMSG和PMSM网络间的自适应混沌同步控制

4.1引言

4.2复杂网络自适应控制的基本概念

4.3混沌自适应控制器的设计

4.4数值仿真与分析

4.5本章小结

第5章 分布式发电系统与感性负载网络的混沌同步控制

5.1引言

5.2复杂网络混沌投影同步控制

5.3分布式发电系统与感性负载网络混沌同步控制器设计及数值仿真

5.4本章小结

第6章 总结与展望

6.1论文工作总结

6.2研究工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间参与的课题研究和取得的学术成果

致谢