基于广域测量系统的电力系统动态稳定分析及控制

摘要

随着大区电网的互联和现代电力电子设备的介入，电网的规模日益扩大，电网结构日趋复杂，电力系统的动态行为也越来越复杂。离线的仿真分析和实际的电网监测结果均表明，互联后的大系统产生了严重的动态稳定问题。互联电网整体动态稳定性能的恶化使得局部扰动极易引发全网安全稳定事故，从而限制了区间和区内主要断面的送电能力。广域测量系统的出现为广域电力系统的稳定分析和控制提供了新的契机。广域测量系统可以在同一时间参考坐标下捕捉到大规模互联电力系统各地点的实时动态信息，为整个电力系统的优化控制以及紧急控制提供数据平台。 本文首先介绍了广域测量系统的概念，并从开环和闭环两个方面阐述了基于WAMS的电力系统动态稳定分析及控制的研究现状。然后从开环和闭环两个方面展开本文的研究工作。 在基于WAMS的闭环电力系统动态稳定分析及控制方面，本文主要做了如下工作： 在第二章，本文推导出了一种新的线性多时滞系统稳定判据。该判据采用辐角原理来判定线性多时滞系统的特征方程在复平面的右半平面是否有根。该判据不涉及任何符号计算，对系统阶次和时滞空间的维数不敏感，因此可以判定高阶多时滞系统的稳定性。同时，该判据是线性多时滞系统稳定的充分必要条件，可以无保守地判定高阶多时滞线性系统的稳定性。仿真结果表明，该判据可以方便简洁地判定线性多时滞系统的稳定性。 第三章讨论了线性多时滞系统的稳定时滞域的拓扑和具有随机时滞的线性多时滞系统稳定分析的关系。为了分析具有随机时滞的线性多时滞系统的稳定性，本章构建了一个函数，该函数的全局最小值为零，且与稳定时滞域边界上的点对应。该函数在定义域内连续可微，因此可以通过极小化该函数的值来确定稳定时滞域的边界。然后基于上述的拓扑分析，应用遗传算法，LM算法及填充函数法确定合适的反馈增益矩阵，使得控制器对反馈信号中随机变化的时滞不敏感。基于稳定时滞域拓扑分析的控制器设计方法克服了以往方法对系统阶次的敏感性。 第四章分析了闭环时滞电力系统受扰失稳的动态过程和基于线性化模型的控制器的鲁棒性，分析结果表明：反馈信号中的时滞使得控制器的鲁棒性变差，失稳的形式表现为电力系统的电压失稳；闭环时滞电力系统受扰后能否保持稳定取决于受扰后的初始状态是否具有ω极限集。然后在上述分析的基础上，提出了一种控制策略。该策略的本质为非线性系统的切换镇定。仿真结果表明：该控制策略可以有效解决闭环时滞电力系统中控制器的鲁棒性不足问题，且简单可靠，容易在电力系统中实现。 在第五章，基于前三章的理论分析，针对闭环电力系统的非线性、多时滞且变时滞等特点，本文设计了对异步随机变化的时滞不敏感的广域阻尼控制器。时域仿真结果表明：对于2区4机系统，当区内通讯和区间通讯分别具有不同的时滞及其随机性的情况下，所设计的控制器仍能有效阻尼区间联络线上的低频振荡。 在基于WAMS的开环电力系统动态稳定分析及控制方面，本文在第六章提出了一种利用WAMS的信息监测和控制多机电力系统的非线性振荡（Hopf分岔）的方法。该方法采用乘幂法来计算系统雅可比矩阵的最大实部共轭特征根。当前运行（平衡）点与Hopf分岔面之间的距离可以通过计算系统雅可比矩阵的最大实部共轭特征根进行在线动态监控。当系统的当前运行（平衡）点接近Hopf分岔面时，直接计算Hopf分岔面的近似法矢量，并根据该近似法矢量来调节系统的控制参数，从而达到在线控制系统分岔（发生非线性振荡）的目的。本文在IEEE—14节点的系统上通过调节系统的无功功率验证了上述方法的有效性。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表目录

声明

第1章绪论

1.1课题背景

1.2同步测量单元(PMU)及广域测量系统(WAMS)简介

1.2.1同步测量单元(PMU)简介

1.2.2广域测量系统(WAMS)简介

1.3基于WAMS的电力系统动态稳定分析和控制的研究现状

1.3.1概述

1.3.2基于WAMS的开环电力系统动态稳定分析与控制的研究现状

1.3.3基于WAMS的闭环电力系统动态稳定分析与控制的研究现状

1.4亟待解决的问题及本文的主要工作

1.4.1亟待解决的问题

1.4.2本文的主要创新点

1.4.3本文的章节安排

第2章线性多时滞系统的时滞依赖稳定判据

2.1引言

2.2问题描述

2.3预备定理

2.4主要结果

2.5算例分析

2.6本章小结

第3章稳定时滞域的拓扑分析及其工程应用

3.1引言

3.2问题描述

3.3预备知识

3.4基于稳定时滞域拓扑分析的稳定性分析

3.4.1稳定时滞域及其边界

3.4.2基于稳定时滞域拓扑特征的稳定性分析

3.4.3基于稳定时滞域拓扑分析的稳定性分析

3.5拓扑分析的工程应用

3.5.1具有随机时滞的状态反馈

3.5.2具有随机时滞的输出反馈

3.5.3流程图

3.6算例分析

3.6.1算例(一)

3.6.2算例(二)

3.7本章小结

第4章时滞电力系统受扰失稳的动态过程分析及其控制策略研究

4.1引言

4.2电力系统的数学描述

4.3时滞电力系统的受扰失稳现象

4.4时滞电力系统受扰失稳的动态过程分析

4.4.1非线性系统的ω极限集

4.4.2时滞电力系统失稳的动态过程分析

4.5时滞电力系统的控制策略

4.6算例分析

4.7本章小结

第5章计及WAMS随机时滞影响的广域阻尼控制

5.1引言

5.2电力系统的数学模型

5.3时滞空间中线性多时滞系统的稳定性分析

5.3.1稳定时滞域的概念

5.3.2时滞域上的线性多时滞系统的稳定性判定

5.4考虑随机时滞影响的广域阻尼控制器设计

5.4.1广域阻尼控制器的结构

5.4.2计及反馈信号随机时滞的电力系统多时滞线性模型

5.4.3广域阻尼控制器的优化设计

5.5算例分析

5.5.1算例

5.5.2仿真结果分析

5.6本章小结

第6章基于WAMS的电力系统非线性振荡监测与控制

6.1引言

6.2多参数空间中ODEs系统的Hopf分岔

6.2.1多参数空间中的分岔集

6.2.2多参数空间中ODE系统的Hopf分岔面的法矢量

6.3多参数空间中电力系统的Hopf分岔

6.3.1电力系统的数学模型

6.3.2多参数空间中DAEs系统的分岔

6.3.3多参数空间中DAEs系统Hopf分岔面的法向量

6.4电力系统的Hopf分岔的在线监测

6.4.1当前平衡点位置的计算

6.4.2电力系统中Hopf分岔的监测

6.4.3最大模特征值及相应特征向量的计算

6.4.4流程图

6.5电力系统的Hopf分岔的在线控制

6.5.1参数空间中Hopf分岔面的近似法矢量

6.5.2电力系统Hopf分岔的在线控制

6.6算例分析

6.6.1算例

6.6.2计算结果分析

6.7本章小结

第7章结论与展望

7.1全文工作总结

7.2研究工作展望

参考文献

附录

攻读学位期间主要研究成果

致谢