大规模电力系统低频振荡分析与广域自适应控制研究

摘要

随着“西电东送”战略的实施，我国电网通过一系列的联网工程形成了两大长链式同步交流电网。近年来，我国国家电网公司提出了建设“以特高压电网为骨干网架、各级电网协调发展”的战略目标。2009年1月6日，中国自主研发、设计和建设的1000kV晋东南-南阳-荆门特高压交流试验示范工程正式建成投运。根据规划，到“十二五”初期，我国将建成“两纵两横”特高压骨干电网，从而形成超大规模的华北-华中-华东特高压交流同步电网。到2020年前后，国家电网特高压网架将形成以华北、华中、华东为核心，联结各大区域电网、大煤电基地、大水电基地和主要负荷中心的坚强电网结构。 在我国特高压电网建设过程中，高低压电磁环网和重载的长距离特高压送电通道，都可能导致电网发生低频功率振荡。大规模电力系统规模巨大且运行方式多变，对现有的低频振荡分析和控制方法都提出了挑战。因此，开展大规模电力系统低频振荡分析和广域自适应控制，解决现有分析和控制方法在大规模电力系统应用中存在的不足，对于丰富和拓展电力系统低频振荡的分析和控制理论，防止大停电事故和提高区域电网间的输电能力都具有重要的理论意义和应用价值。在广泛阅读小干扰功角稳定机理、分析和控制方法方面相关文献的基础上，论文在大规模电力系统低频振荡的分析和广域自适应控制方面，进行了深入的研究和有益的探讨。论文的主要研究工作和创新性成果如下： 1）针对传统特征值分析方法仅适用于中小规模电力系统的局限性，结合Prony和稀疏特征值算法，提出了一种大规模互联电网区间低频振荡分析的实用方法。稀疏特征值分析方法，充分利用大规模电力系统小干扰稳定性分析中所形成的增广状态矩阵稀疏性的特点，能够计算系统全部特征值中我们所关心的特征子集，可分析任意规模的电力系统。利用Prony分析的结果作为稀疏特征值算法的初始位移点，从而可以快速、准确地计算出所关心的部分特征值和特征向量，避免了初始参数选取不当对稀疏特征值算法计算速度和收敛性能的不利影响。利用提出的方法，以逆迭代转Rayleigh商迭代和隐式重启动Arnoldi两种稀疏特征值算法为例，分别对东北-华北互联电力系统和华北-华中-华东特高压同步电网进行了低频振荡分析，得到了关键的区间低频振荡模式，在东北-华北互联电力系统配置了PSS以提高系统的阻尼，对华北-华中-华东特高压同步电网区间低频振荡模式的影响因素进行了深入分析。 东北-华北互联电力系统的低频振荡分析结果表明：系统存在山东电网机组相对于东北电网机组的弱阻尼区间低频振荡模式。对华北-华中-华东特高压同步电网进行低频振荡分析后，得到以下结论：系统主要存在六个区间低频振荡模式。山东电网机组相对于蒙西电网机组的振荡模式的阻尼随着华北主网向山东电网输送功率的增加而增强，并且在山东电网与华北主网之间的第二个联网工程（黄骅-滨州500kV双回线路）的投运而显著降低。在极端情况下，华北主网需要山东电网提供紧急功率支援时，该振荡模式的阻尼下降尤为严重。蒙西电网向华北主网输送功率的增加，有利于提高蒙西电网机组参与的区间低频振荡模式的阻尼。福建电网机组相对于系统的弱阻尼区间低频振荡模式的阻尼，随着福建电网向华东主网输送功率的增加而增强，且该模式的阻尼在杭北变电站失去所有的特高压线路后得到显著增加。安徽、浙江电网机组相对于江苏电网和阳城厂机组的振荡模式的阻尼，在杭北变电站失去所有的特高压线路后急剧减弱。石家庄特高压变电站的失去与否对系统区间低频振荡模式的阻尼影响很小。 2）在电力系统阻尼控制研究中，系统模型是进行控制器设计的前提和基础。针对现代互联电力系统规模巨大和运行方式复杂多变的特点，首次提出了阻尼控制中的在线递推闭环子空间辨识算法，着眼于解决“现辩现控”思想中的“辩”。在闭环情况下，利用由系统“过去的”输入和输出Hankel矩阵形成的辅助变量消除系统的输入输出测量噪声和过程噪声，并通过矩阵正交投影得到系统扩展可观性矩阵的列张成的子空间。借助奇异值分解和扩展可观性矩阵的转移不变特性得到系统矩阵A和C的实现，进而由最小二乘计算系统矩阵B和D。在新的采样数据到来时，利用扩展辅助变量投影估计子空间跟踪算法递推更新A和C，并由递推最小二乘算法更新B和D。论文还从系统模型的闭环可辨识性、持续激励信号的选择以及采样数据的尺度变换方面，对在线递推闭环子空间辨识算法应用于电力系统阻尼控制时应注意的问题，进行了探讨。在基于自校正原理的广域自适应阻尼控制系统结构下，利用在线递推闭环子空间辨识算法，设计了线性二次最优部分输出反馈的广域附加阻尼控制器。 利用电网的动态响应来辨识包含主导低频振荡模式的降阶模型，避开了实际系统模型阶次很高且不易获得的难题。在线递推闭环子空间辨识算法具有较好的数值稳定性和较低的时间复杂度，为实现“现辩现控”思想中的“控”打下基础。 中国电科院8机36节点系统的仿真结果表明，所提出的在线递推闭环子空间模型辨识算法，能够有效地辨识和跟踪包含系统的主导低频振荡模式的状态空间模型，并实现附加阻尼控制器参数的在线调整。基于广域信息的附加阻尼控制器能有效地抑制系统的区间低频振荡。 3）针对最优控制不能在优化求解过程中考虑控制约束的不足，提出了基于模型预测理论的广域阻尼控制策略，用以实现“现辩现控”思想中的“控”。在辨识得到的系统模型的基础上，用输出扰动对系统状态进行增广，得到系统的输出扰动模型，以防止系统输出产生静态偏差。通过Kalman滤波器得到输出扰动模型状态的估计值。在利用辨识模型得到闭环形式的预测方程后，分别建立表征在无限时域内系统响应偏离参考轨迹的代价和施加阻尼控制的代价的目标函数。考虑到控制输入的约束，最优控制量通过求解以当前系统状态为初始状态的最优控制问题得到。在线模型辨识和控制量的优化求解在有限时间间隔内反复进行。该控制策略是在线模型辨识和控制器参数在线更新的有机结合，实现了电力系统低频振荡的自适应控制，因此克服了基于离线辨识设计的固定参数控制器的固有缺点，解决了由于运行方式复杂多变和参数的不确定性与时变性引起的控制性能降低问题。采用模型预测、滚动优化和反馈校正策略可以预知系统在控制措施下的演化轨迹，避免了控制的负效应。 中国电科院8机36节点系统仿真结果表明，系统状态空间模型和模型预测控制律更新的最大耗时小于采样时间间隔，控制器能够满足在线应用的要求。控制器可以有效地抑制系统的区间低频振荡模式，并且具有与PSS和其他模型预测阻尼控制器相互协调和适应系统运行方式变化的能力。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪 论

1.1目的和意义

1.2小干扰功角稳定机理的研究现状

1.2.1负阻尼机理

1.2.2强迫振荡机理

1.2.3强谐振机理

1.2.4分岔与混沌振荡机理

1.2.5复合模式机理

1.3小干扰功角稳定性分析方法的研究现状

1.3.1特征值分析法

1.3.2时域仿真法

1.3.3基于辨识的方法

1.3.4基于正规形理论的方法

1.3.5分岔分析方法

1.4小干扰功角稳定控制的研究现状

1.4.1提高系统小干扰功角稳定性的措施

1.4.2控制理论在阻尼控制中的应用

1.4.3基于广域信息的阻尼控制

1.5本文的学术思想和主要工作

第2章 大规模电力系统区间低频振荡分析的实用方法

2.1引言

2.2稀疏特征值算法

2.2.1稀疏特征值问题描述

2.2.2逆迭代转Rayleigh商迭代算法

2.2.3隐式重启动Anoldi算法

2.2.4算法的稀疏实现

2.3大规模电力系统区间低频振荡分析的实用方法

2.3.1 Prony算法

2.3.2区间低频振荡分析的实用方法

2.4东北-华北互联电网低频振荡分析

2.4.1 Prony分析

2.4.2特征值分析

2.5华北-华中-华东特高压同步电网低频振荡分析

2.5.1 Prony分析

2.5.2特征值分析

2.5.3低频振荡模式影响因素分析

2.6小结

第3章 阻尼控制中的在线递推闭环子空间辨识

3.1引言

3.2广域自适应阻尼控制系统的结构

3.3闭环子空间模型辨识

3.3.1问题的描述

3.3.2子空间辨识中的一些矩阵

3.3.3系统矩阵A和C的辨识

3.3.4系统矩阵B和D的辨识

3.4递推闭环子空间辨识

3.4.1 EIV-PAST算法

3.4.2矩阵A和C的递推更新

3.4.3矩阵B和D的递推更新

3.4.4算法的时间复杂度分析

3.5阻尼控制中在线递推闭环子空间辨识

3.5.1模型的闭环可辨识性

3.5.2激励信号的选择

3.5.3采样数据的尺度变换

3.5.4广域阻尼控制器设计

3.5.5系统辨识和控制器设计流程

3.6仿真算例

3.6.1系统主导低频振荡模式的辨识

3.6.2信号的测量值和辨识估计值比较

3.6.3大扰动仿真

3.7小结

第4章 电力系统模型预测阻尼控制

4.1引言

4.2模型预测控制

4.3输出扰动模型与Kalman滤波

4.3.1输出扰动模型

4.3.2 Kalman滤波

4.4模型预测阻尼控制

4.4.1预测方程

4.4.2目标函数

4.4.3约束条件

4.4.4系统辨识和控制器设计流程及时间复杂度分析

4.5仿真算例

4.5.1基本运行方式

4.5.2新运行方式

4.6小结

第5章 结 论

5.1论文的主要工作和结论

5.2进一步研究工作的展望

附 录

参考文献

致 谢

作者在攻读博士学位期间的研究成果

发表论文1

发表论文2