基于多层级自适应动态规划的复杂电力系统广域阻尼控制

摘要

随着可再生能源并网容量的增加、大区域电网互联以及大容量远距离输电的推进，电网运行控制日趋复杂，区域间低频振荡给电网的安全稳定运行带来日益严峻的挑战。传统采用本地信号的电力系统稳定器在抑制区域间低频振荡时具有一定局限性，由于广域信号相对于本地信号而言，对区域间振荡具有更高可观度，因此，采用广域信号作为输入信号来设计的广域阻尼控制作为一种有效的抑制区间低频振荡的措施而受到了广泛关注。然而，广域阻尼控制中存在随机通信时滞和通信故障等问题，研究解决这些问题对保障电力系统稳定运行具有重要意义。 由自适应动态规划算法(adaptive dynamic programming，ADP)发展而来的多层级ADP——goal representation heuristic dynamic programming(GrHDP)，具有更强的学习和适应能力，其有效性和收敛性在数学上已被严格证明，目前GrHDP已被应用于电力、交通、物流等多个领域的研究中。因此，可以考虑设计基于GrHDP算法的广域阻尼控制器，以应对广域阻尼控制中存在的电力系统运行工况变化、广域信号时滞和通信故障等问题。 在此背景下，本文将GrHDP算法应用于含不确定性电源的复杂交直流互联电网中，设计了基于GrHDP算法的自适应广域阻尼控制器，该控制器能适应电力系统运行工况的变化、广域信号较大范围内的时变时滞、以及广域通信故障等问题。本文取得的主要进展如下： （1）为了更好地适应电力系统运行工况的变化，在GrHDP输入通道中新增一个并联相位偏移通道，以解决由原神经网络结构造成的输入输出信号同相位问题，起到较大范围的自适应相位补偿和更好的低频振荡抑制效果。 （2）针对广域信号的时变时滞问题，在GrHDP输入通道中新增自适应时滞补偿环节，该环节由若干个权重系数可调的子补偿器构成，并且权重系数仅与当前时滞量有关，因此形成一种能应对较大范围时变时滞的自适应广域阻尼控制器。 （3）针对广域通信故障导致的广域信号丢失问题，将本地信号和广域信号同时作为GrHDP的输入信号，构成GrHDP双层阻尼控制器。当遭遇广域信号丢失时，GrHDP双层阻尼控制器能利用剩余的本地信号，凭借其强大的在线调节能力，仍能起到接近正常通信情况下的良好低频振荡抑制效果。 （4）同样地，针对广域通信故障，将三个广域信号同时作为GrHDP的输入信号，构成采用多通道冗余的GrHDP弹性广域阻尼控制器。同时设计了模糊逻辑环节，广域通信故障期间自适应地调节GrHDP内部网络的学习速率，从而增强其在线学习能力和自适应性。GrHDP弹性阻尼控制器对于任意一回或两回通信通道的故障将具有良好的应对能力。

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摘 要

ABSTRACT

目 录

1 绪 论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 低频振荡产生机理

1.2.2 电力系统稳定器

1.2.3 广域阻尼控制器

1.3 本文主要创新点

1.4 本文主要内容及章节安排

2 多层级自适应动态规划GrHDP算法

2.1 引言

2.2 GrHDP内部网络结构

2.2.1 评价网络

2.2.2 执行网络

2.2.3 目标网络

2.3 GrHDP训练与学习过程

2.4 本章小结

3 基于GrHDP的VSC-HVDC自适应阻尼控制

3.1 引言

3.2 VSC-HVDC阻尼控制原理

3.3 GrHDP VSC-HVDC自适应阻尼控制器结构

3.3.1 新增并联相位偏移通道

3.3.2 改善结构后的GrHDP阻尼控制器效果

3.4 GrHDP VSC-HVDC自适应阻尼控制器设计

3.4.1 含多个弱阻尼模态的10机39节点系统

3.4.2 阻尼控制器设计

3.5 算例分析

3.5.1 情景1：轻载时三相接地短路

3.5.2 情景2：重载时三相接地短路

3.5.3 情景3：重载时母线短路

3.5.4 多种情景下控制效果对比

3.6 本章小结

4 广域信号时滞自适应补偿的GrHDP光伏阻尼控制

4.1 引言

4.2 GrHDP光伏阻尼控制器结构

4.2.1 并网光伏发电系统

4.2.2 自适应时滞补偿环节

4.2.3 考虑时滞的GrHDP阻尼控制器结构

4.3 GrHDP光伏阻尼控制器设计

4.4 算例分析

4.4.2 情景2：不同类型时滞仿真

4.5 本章小结

5 容忍广域通信故障的GrHDP双层阻尼控制

5.1 引言

5.2 GrHDP双层阻尼控制器结构

5.3 GrHDP双层阻尼控制器设计

5.4 算例分析

5.4.1 切负荷扰动及通信故障

5.4.2 三相短路及通信故障

5.5 本章小结

6 采用多通道冗余的GrHDP弹性广域阻尼控制

6.1 引言

6.2 GrHDP弹性阻尼控制器结构

6.3 GrHDP弹性阻尼控制器设计

6.4 算例分析

6.4.1 无通信故障

6.4.2 一回广域信号丢失

6.4.3 两回广域信号丢失

6.4.4 模糊逻辑环节的有效性验证

6.4.5 对运行工况变化的适应性验证

6.5 本章小结

7 总结与展望

7.1 全文总结

7.2 后续研究工作展望

致 谢

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间发表论文及申请专利清单

附录2 攻读硕士学位期间参与的科研项目

附录3 含VSC-HVDC的10机39节点系统参数

附录4 含光伏的16机68节点系统参数