电力系统低频振荡控制技术研究

摘要

随着全球气候的变化和人口的快速增长,在全球范围内人们对电能的需求不断增加,使得电力系统负荷不断加重。同时,电力系统已步入了大电网、大机组、跨区域联网的新阶段,长距离互联线路广泛存在。这些因素容易导致低频振荡的产生,电力系统低频振荡如果得不到有效的抑制,将会引起连锁故障,造成大面积的停电,产生巨大的损失。由于电力系统的不断发展及其本身存在的非线性、时变性、强约束强耦合等特点,使得电力系统的低频振荡控制技术还有很多问题并没有完全解决,值得进一步研究。本文从电力系统的实际需求出发,对电力系统低频振荡的控制技术进行了研究。
　　本文首先对电力系统低频振荡机理进行了研究,深入研究低频振荡的产生机理有助于采取有效的控制方法来抑制系统的低频振荡。文中分析了低频振荡机理研究的现状,对负阻尼机理、共振或谐振机理、非线性机理分别进行了论述,并对各自的特点进行了分析。接着以发电机阻尼系数的解析表达式为基础,对影响发电机阻尼系数的各种因素进行了分析,最后以发电机转子运动方程为基础,提出电力系统低频振荡的阻尼系数机理,得到阻尼系数对低频振荡影响的具体结论。
　　文中对电力系统动态研究的实用模型进行了求解。在研究过程中,从电力系统的基本方程入手,通过对基本方程进行小偏差线性化处理和数学求解,从而求得以本地易测量为状态量的单机无穷大系统三阶状态方程数学模型,并给出了模型求解算法的具体步骤,最后结合实际数据求得了开封电网的数学模型,为基于数学模型的分散控制器的设计打下基础。
　　本文提出了基于系统阻尼比的最优励磁控制器的设计方法。针对常规多变量反馈最优控制存在的不足之处,结合无阻尼机械振荡频率的不变性,求解得到基于系统阻尼比的最优反馈增益矩阵,进而得到基于系统阻尼比的最优励磁控制器设计方法。最后,通过对开封电网和豫东电网的仿真研究说明了所设计控制器具有比常规最优励磁控制器和电力系统稳定器更好的控制效果。
　　结合新一代的智能控制技术,论文对基于Mamdani模糊推理的电力系统智能控制进行了研究。基于比例积分微分(PID)励磁控制原理和模糊PID励磁控制器的组成原理,本文设计了基于Mamdani模糊推理的PID励磁控制器(MFPID),并给出了基于Mamdani模型的模糊逻辑单元的详细设计过程和MFPID控制器的算法实现。进一步地,结合常规电力系统稳定器(PSS)的优点,提出了结合PSS和MFPID的分段切换控制策略。最后通过仿真研究说明了所设计控制器的有效性。

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1 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状和发展趋势

1.3 本文研究内容和研究目标

1.4 本文组织结构

2 基于阻尼系数的电力系统低频振荡机理研究

2.1 引言

2.2 低频振荡机理研究的现状

2.3 发电机阻尼系数的分析和研究

2.4 阻尼系数对系统低频振荡的影响研究

2.5 本章小结

3 电力系统动态研究的实用模型求解

3.1 引言

3.2 电力系统的基本方程

3.3 小偏差线性化过程

3.4 电力系统状态空间实用模型求解

3.5 模型求解的程序实现

3.6 本章小结

4 基于系统阻尼比的最优励磁控制器设计

4.1 引言

4.2 相关研究工作

4.3 基于系统阻尼比的最优励磁控制器设计

4.4 仿真研究

4.5 本章小结

5 基于Mamdani模糊推理的智能励磁控制

5.1 引言

5.2 PID励磁控制原理

5.3 模糊PID控制器的组成原理

5.4 MFPID的设计

5.5 MFPID-PSS分段切换控制策略

5.6 仿真研究

5.7 本章小结

6 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 创新点

6.3 研究展望

致谢

参考文献

附录A 攻读博士学位期间发表的论文目录

附录B 学术论文与博士学位论文的关系

附录C 攻读博士学位期间参与的科研课题