饱和受扰电力系统稳定性与非线性自适应控制应用研究

摘要

现代电力系统在发展的过程中逐渐具备了大机组、高电压、互联网络等新的特点。分析这种系统的稳定性并寻找提高其稳定水平的措施，一直以来都是电力工作者研究的重点问题之一。本文在电力系统的小扰动稳定性分析和非线性自适应控制应用方面完成了一些研究工作。
　　 在电力系统的小扰动稳定分析方面，提出了利用稳定域作为指标来分析系统稳定性的方法，并且基于二次型Lyapunov函数，给出了当系统中含有扰动和控制器饱和现象时，系统稳定域的估计方法。这方面的具体工作如下：
　　 1．针对含有控制器饱和与扰动的电力系统线性模型，提出了一种基于二次型Lyapunov函数的电力系统实用稳定域估计新方法。首先通过引入死区函数建立了控制器输出饱和，而且存在扰动的闭环电力系统模型；然后给出了估计该系统稳定域的方法。为了减小估计结果的保守性，引入了一个新的自由度，并将二次型Lyapunov函数的选择转化为标准线性矩阵不等式约束优化问题，进一步利用矩阵的Schur补性质对该问题进行了简化，以便于直接利用MATLAB软件进行求解，所提出的方法具有简单实用、严格可靠的优点．
　　 2．利用二次型Lyapunov函数估计的饱和受扰电力系统稳定域存在着保守性强的问题。导致该问题的两个原因分别是：二次型Lyapunov函数的选择仅仅只是稳定域估计的充分条件，估计结果必然偏于保守；另一方面，对于系统中饱和环节的认识不够深入，无法确切了解其特性，也会导致估计结果的保守性。文中以此为出发点，利用凸包的概念对饱和环节进行了重新分析，并获得了该环节的一些新特性，在此基础上构建了估计稳定域的新优化问题。新的优化模型可以大大降低稳定域估计的保守性，具有重要的应用价值。
　　 在利用非线性自适应控制理论提高电力系统稳定性方面，先后利用Back-stepping法为超导储能装置在电力系统稳定控制方面的不同应用，设计了两种鲁棒自适应控制器；然后针对Back-stepping法存在的一些缺陷，提出了一种新的递推设计方法，并用此方法为电力系统设计了新型励磁控制器。这方面的具体工作如下：
　　 1．采用Back-stepping法为超导储能装置设计了鲁棒自适应控制器，控制目标是调节超导储能装置与发电机组之间的有功和无功功率交换，在故障条件下驱使发电机组恢复到故障前的稳定运行点，并保证机端电压维持在合理水平。所设计的控制器能够保证对不确定参数的自适应性，和对建模误差与外部扰动的鲁棒性，并且控制器可以分散化、本地化实现，有利于工程实际应用。
　　 2．改变了以往将超导储能装置安装在发电机端口处的做法，利用其能量交换的灵活性来控制互联电力系统中联络线上的潮流功率。利用Back-stepping法为超导储能装置设计了鲁棒自适应控制器，控制目标由传统的驱使状态变量恢复至扰动前的稳定运行点，改为跟踪系统的惯量中心(COI)。由于COI是系统中所有机组动态特性的集中反映，可以体现系统的整体稳定性水平，因此，以COI为控制跟踪目标所设计的控制器，能在暂态条件下尽快将各子系统拉回同步，并平息故障后联络线上的功率振荡，有利于提高互联电力系统的稳定性，以及故障后传输能力的迅速恢复。
　　 3．针对传统Back-stepping法存在的缺陷，提出了一种同样可以递推实现的非线性自适应控制器设计方法。新方法能够保证对不确定参数的自适应性和对外部扰动等的鲁棒性，而且对于受控对象的形式要求更少，能够给出一般性的设计步骤，有效地避免了控制器结构的复杂化和过度参数化等问题。利用该方法为电力系统设计了新的励磁控制器，该控制器在实际电力系统中的仿真结果表明，新方法行之有效。

目录

文摘

英文文摘

致谢

插图清单

第一章 绪论

1.1 课题背景

1.2 电力系统小扰动稳定分析

1.2.1 小扰动稳定分析的数学模型

1.2.2 小扰动稳定性分析方法

1.2.3 现有方法的不足及解决办法

1.3 电力系统的非线性自适应控制

1.3.1 非线性参数自适应控制

1.3.2 非线性鲁棒自适应控制

1.3.3 非线性智能自适应控制

1.3.4 非线性自适应控制在电力系统中的应用

1.3.5 非线性自适应控制的应用前景分析

1.4 本文的主要工作

第二章 考虑控制器饱和与扰动的电力系统稳定域估计

2.1 数学模型

2.2 稳定域估计及其优化解法

2.2.1 稳定域估计的理论基础

2.2.2 稳定域估计的优化算法

2.2.3 关于估计算法的几点讨论

2.3 算例仿真

2.4 本章小结

第三章 基于凸包的饱和受扰电力系统稳定域估计

3.1 预备知识

3.2 数学模型

3.3 稳定域估计方法

3.3.1 稳定域估计的理论证明

3.3.2 稳定域的优化解法

3.4 数值仿真验证

3.5 本章小结

第四章 超导储能装置的非线性鲁棒自适应控制器设计

4.1 数学模型

4.2 控制器设计

4.2.1 控制律推导

4.2.2 关于控制器的几点说明

4.3 仿真研究

4.4 本章小结

第五章 基于超导储能装置的互联电力系统联络线功率控制

5.1 数学模型

5.1.1 电力系统COI概念及其实现方式

5.1.2 含有SMES的互联电力系统模型

5.2 控制器设计

5.2.1 控制律推导

5.2.2 关于控制器的讨论

5.3 仿真研究

5.4 本章小结

第六章 基于新型Back-stepping法的电力系统励磁控制器设计

6.1 数学模型

6.2 控制器设计

6.2.1 不确定参数的自适应律设计

6.2.2 励磁控制律的推导

6.2.3 对控制器的几点讨论

6.3 仿真研究

6.4 本章小结

第七章 总结与展望

参考文献

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