协同控制理论在电力系统稳定控制中的应用研究

摘要

随着区域电网互联和可再生能源发电的远距离集中并网的不断发展，使得当今电力系统结构日趋复杂，运行方式多变，稳定性问题日益严峻，电力系统稳定控制问题研究一直具有突出的重要意义。如何在电力系统发生故障后施加快速而准确的控制措施以保证系统安全稳定运行是电力工业发展中的一个重要课题。
　　协同控制理论是一种在现代数学和协同学的基础上形成的状态空间方法，它利用系统自身的非线性特性，为非线性系统反馈控制器的设计提供了一种有效手段。采用协同控制的非线性控制系统具有运行在流形上的全局稳定性，且控制器易于工程实现。本文基于协同控制理论，从提高电力系统稳定性的角度，研究了非线性电力系统稳定器（PSS）、同步发电机励磁非线性控制和汽轮发电机组汽门开度的非线性控制问题。全文内容分以下五个部分描述：
　　第1章概括了当前电力系统的发展特点及稳定控制的重要性，介绍了电力系统稳定性问题和现有控制方法，对电力系统稳定控制领域的应用研究现状进行了综述，并阐明了本文的主要研究思路和创新点。
　　第2章介绍了协同控制的理论基础和协同控制器的设计方法，通过线性系统示例阐明了协同控制器的设计步骤和稳定性分析方法，深入分析了旨在提高控制性能的四种协同控制改进流形。
　　第3章基于协同控制理论提出了一种分散的非线性电力系统稳定器SPSS，确定了适用于电力系统稳定器的流形，并根据同步发电机的非线性模型，导出了解析的控制规律。SPSS所有输入均为本地易于测量信号且与网络参数无关，从而容易实现分散控制。仿真结果表明：所提出的SPSS能够有效地抑制电力系统振荡，并且对模型误差不敏感，具有良好的鲁棒性。
　　第4章提出了一种基于协同控制理论的非线性励磁控制方法。设计了一种包含机端电压、有功功率和转子角速度的流形，推导了非线性协同励磁控制器的控制规律。通过分析控制器参数对控制性能的影响，给出了控制器参数的选取原则。为兼顾机端电压调节和稳定控制，提高多机系统中协同励磁控制器的性能，提出了控制器参数自适应调整策略。仿真结果表明：所提出的参数自适应协同励磁控制器无论是在大扰动还是小扰动的情况下，都能够使机端电压快速、准确地跟踪给定值，有效抑制暂态过程中的功率振荡，比常规励磁调节器有更好的性能。此外，该励磁控制器仅需要本地易测信号作为输入，控制器参数少，易于工程实现和参数整定。
　　第5章基于协同控制理论和反馈线性化方法，提出了一种汽轮发电机组汽门开度控制的新方法。设计了一种由转子角偏差、转速偏差和转速加速度三者构成的流形，采用反馈线性化技术，得到了包含主调节汽门系统的发电机精确线性化模型。在上述模型基础上，根据协同控制理论推导了解析的协同控制规律，并通过闭环系统的稳定性分析，得到了系统的稳定条件。根据机组参与电网一次调频的要求，还设计了PI调节器动态跟踪转子角的稳态值。以单机无穷大系统和新英格兰系统为对象进行数字仿真研究，结果表明：所提出的控制器能很好的抑制振荡和提高系统的暂态稳定性，比常规PID控制器具有更好的控制性能，且在不同运行方式下均有很好的鲁棒性。

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1 绪论

1.1研究背景

1.2电力系统稳定性问题

1.3电力系统稳定控制措施

1.4电力系统稳定控制的非线性方法

1.5本文的研究思路和主要创新点

1.6主要研究内容和章节安排

2 协同控制理论及其应用

2.1引言

2.2协同学与协同控制理论

2.3协同控制原理及协同控制器设计方法

2.4协同控制的改进流形

2.5小结

3 基于协同控制的分散非线性PSS

3.1引言

3.2多机电力系统模型

3.3基于协同控制的PSS

3.4仿真分析

3.5小结

4 基于协同控制的非线性励磁控制

4.1引言

4.2固定参数协同励磁控制器

4.3参数自适应协同励磁控制器

4.4仿真分析

4.5小结

5 基于协同控制的汽轮发电机组汽门开度控制

5.1引言

5.2数学模型

5.3汽轮发电机汽门开度非线性协同控制

5.4仿真分析

5.5小结

6 总结与展望

6.1全文总结

6.2研究展望

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间发表的学术论文

附录2 攻读博士学位期间参与的科研项目

附录3 三机六节点系统参数

附录4 四机两区域系统参数

附录5 新英格兰系统参数