微分代数方程Hamilton系统及其在电力系统稳定控制中的应用研究

摘要

随着电力系统规模的不断扩大，系统结构和运行方式的复杂程度也在不断增加，势必使电力系统的安全稳定面临新的挑战。由于柔性交流输电系统(FACTS)的出现为电力系统带来了更多的控制资源，如何实现多种控制装置的协调控制用以改善电力系统的运行性能，成为一个具有理论价值和实际意义的工作。采用非线性微分代数方程描述的电力系统模型能够很好地将多种装置模型结合起来，可以为协调控制的研究提供便利，因此，对微分代数方程进行研究并开发有效的稳定控制策略正在逐渐成为国内外的研究热点。广义Hamilton系统理论从能量的观点出发，在系统稳定性分析、系统镇定以及其他控制问题中日益受到研究者的关注。本文对微分代数方程的广义Hamilton系统进行研究，并将其应用于电力系统的稳定控制。研究工作已经取得了如下主要成果： 1、通过对已有微分代数方程Hamilton实现形式的总结和对电力系统非线性微分代数方程所具有特点的研究，提出了符合电力系统特点而且更易于实现的一种微分代数方程Hamilton系统的实现形式，并给出了Hamilton函数的构造方法。 2、在所提微分代数方程Hamilton实现形式的基础上，给出了直接阻尼注入的反馈镇定控制器以保证系统的渐近稳定性。在此基础上，为了进一步改进闭环系统的稳定性和动态性能，将基于Hamilton系统的连接和阻尼配置-无源控制(IDA-PBC)方法(能量整形方法)推广至微分代数方程组成的系统，对系统的结构矩阵进行重新配置。此外，考虑到系统可能存在的不确定性，为减小干扰的影响，就系统L2增益干扰抑制问题，提出相应的控制律，在保证闭环系统渐近稳定性的同时使其在L2增益意义下是鲁棒的。 3、通过对微分代数方程形式的电力系统结构保持模型物理结构的分析，完成了含有非线性负荷的多机电力系统的耗散Hamilton实现，该Hamilton系统具有直观的物理意义，清晰地表达了系统与外部的互联以及内部的互联结构。根据Hamilton函数所具有的能量函数性质，从能量函数角度研究了E'q动态对暂态稳定性的影响。分析了所得Hamilton系统的结构矩阵中存在的不足，用所提出的微分代数方程的能量整形IDA-PBC方法，重新配置结构矩阵，加入机电耦合项，整形系统能量。所得的励磁控制策略对改善含有非线性负荷的电力系统的暂态稳定性有很大帮助。 4、研究了多机电力系统中励磁和静止无功补偿器(SVC)的协调控制问题，以克服多种可控设备之间可能存在的不良交互影响。在完成含有SVC的多机电力系统Hamilton实现基础上，经由能量整形IDA-PBC方法，设计了励磁和SVC的协调控制器，增进系统的暂态稳定与阻尼特性，同时保证了电压稳定效果。仿真结果验证了所提方法的有效性。 5、考虑到电力系统随时可能受到外界干扰的影响，根据所提的微分代数方程的L2增益干扰抑制控制器设计方法，提出了励磁和静止同步补偿器(STATCOM)的协调控制器。仿真结果表明协调控制律不仅可以确保系统渐近稳定，而且能有效抑制干扰。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1概述

1.2电力系统非线性控制的研究现状

1.3 Hamilton系统相关理论的发展及研究现状

1.4电力系统数学模型

1.5本文的主要研究内容及章节安排

第2章微分代数方程Hamilton系统研究

2.1引言

2.2无源理论

2.3广义Hamilton系统的相关理论

2.4微分代数方程Hamilton系统

2.5本章小结

第3章基于能量整形的多机电力系统励磁控制器设计

3.1引言

3.2电力系统结构保持模型

3.3结构保持电力系统的Hamilton实现

3.4 E'q对暂态稳定的影响

3.5基于能量整形IDA-PBC方法的励磁控制器设计

3.6仿真分析

3.7本章小结

第4章多机系统励磁与SVC协调控制研究

4.1引言

4.2 SVC基本原理和数学模型

4.3多SVC协调控制研究

4.4多机系统励磁与SVC协调控制研究

4.5本章小结

第5章多机系统励磁与STATCOM干扰抑制控制研究

5.1引言

5.2 STATCOM基本原理和数学模型

5.3励磁与STATCOM干扰抑制控制器设计

5.4仿真研究

5.5本章小结

第6章结论与展望

参考文献

附录

致 谢

攻读博士学位期间发表的学术论文

攻读博士学位期间参加的主要科研项目