基于分岔理论的交直流电力系统电压稳定性分析方法研究

论文摘要

当前电力系统向大电网、高电压和远距离输电发展,高压直流输电技术为这种发展趋势提供了较好的解决方案,但也对电力系统稳定性提出了新的挑战,尤其是与直流端相联的弱交流系统的电压稳定性问题变得日益严重。因此,提出一种适应于交直流电力系统电压稳定性分析的理论模式,指导电力系统规划和安全生产,防患于未然,无疑具有重大的理论意义和实际意义。电力系统是一个大型的、复杂的非线性动态系统,分岔理论是研究非线性动态系统结构稳定性的有力工具。近年来,分岔理论在工程中已经得到广泛应用,在许多研究领域已取得了大量的成果,但它在交直流电力系统电压稳定性分析中的应用仍有待于进一步深入。本文在研究交直流系统潮流算法和分岔点检测的基础上,利用分岔理论,结合小扰动稳定性的特征值分析法,提出了较为系统的交直流电力系统电压稳定性静、动态分岔分析方法,并将其成功地应用于3个典型的交直流互联电力系统中。具体内容如下：首先,本文在给出发电机系统、负荷以及HVDC的数学模型后,基于HVDC的两类数学模型,得出了相应的交直流系统电压稳定性分析所需的微分代数(DAE)模型。其次,在分析当前交直流系统潮流算法的基础上,提出了一种新的潮流计算方法一部分直流变量消除法。该方法不仅兼顾了统一迭代法的优点—收敛性较好,而且克服了直流变量消除法(改进的交替迭代法)在处理各种控制模式切换时程序较复杂的不足。然后,研究了分岔点的检测方法(重点是Hopf分岔)。在比较了常用方法的优缺点、讨论了它们各自适用范围的此基础上,针对传统直接法所解方程维数高的问题,应用分解迭代技术,提出了一种计算Hopf分岔点的简化直接法,提高了计算效率。同时,在应用连续法检测Hopf分岔点时,利用电力系统的分岔特性,提出了以SNB点为起点,逆着平衡解流形鉴别Hopf分岔点的方法。算例表明：在实际工程应用中,该方法可在一定程度上减少计算量。此外,还详细阐述了求解交直流电力系统分岔点的具体步骤。在获得系统潮流和分岔点的基础上,充分利用分岔点计算过程中得到的附加信息,结合小扰动稳定性的特征值分析法,得出了交直流系统静、动态电压稳定性分析方法。为阐明该方法的具体应用过程及验证其有效性,利用本文的方法分析了3个有代表性的交直流电力系统的电压稳定性,并通过追踪特征根轨迹和仿真验证了分析结果的正确性。最后,应用本文的方法分析了直流系统对换流母线电压稳定性的影响。分析表明：为确保交直流系统稳定,必须选择恰当的直流系统控制参数、采用合理的控制模式。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.2 电压稳定性研究综述
• 1.2.1 电压稳定性的定义和分类
• 1.2.2 电压稳定性分析方法和失稳机理研究
• 1.2.3 电压稳定性指标研究
• 1.3 交直流电力系统电压稳定性研究的现状
• 1.3.1 静态分析方法
• 1.3.2 动态分析方法
• 1.4 分岔理论及其在电压稳定性问题中的应用
• 1.4.1 分岔理论基础
• 1.4.2 分岔理论在交流系统电压稳定研究中的应用
• 1.4.3 分岔理论在交直流电力系统电压稳定研究中的应用
• 1.5 本文的主要工作
• 第2章 交直流电力系统数学模型
• 2.1 设备模型
• 2.1.1 发电机系统模型
• 2.1.2 负荷模型
• 2.1.3 高压直流输电系统（HVDC）模型
• 2.2 交直流系统的网络方程
• 2.3 交直流系统的微分—代数方程（DAE）
• 2.3.1 直流系统采用稳态模型
• 2.3.2 直流系统采用准稳态模型
• 2.4 交直流系统的分岔模型
• 2.5 交直流系统的小扰动模型
• 2.6 测试系统
• 2.6.1 3机3母线系统
• 2.6.2 10节点系统
• 2.6.3 新英格兰39节点测试系统
• 2.7 本章小结
• 第3章 交直流系统潮流计算方法
• 3.1 交直流系统潮流分析概述
• 3.1.1 交直流系统潮流算法的研究现状
• 3.1.2 电力系统潮流分析的通用模型
• 3.2 换流器标幺值方程
• 3.3 潮流计算方程
• 3.3.1 直流网络方程
• 3.3.2 节点功率方程
• 3.4 潮流方程的计算
• 3.4.1 牛顿-拉弗逊法
• 3.4.2 P-Q分解法
• 3.4.3 换流变压器分接头调整
• 3.4.4 模式切换
• 3.4.5 潮流计算的流程
• 3.5 算例分析
• 3.5.1 算例1—含一条直流系统
• 3.5.2 算例2—含多端直流系统
• 3.6 本章小结
• 第4章 分岔点检测方法研究
• 4.1 分岔点检测的三种方法
• 4.2 直接法
• 4.2.1 传统直接法
• 4.2.2 简化直接法
• 4.3 连续法
• 4.3.1 SNB点的检测
• 4.3.2 Hopf分岔点的检测
• 4.4 在交直流系统中的应用
• 4.4.1 SNB点检测
• 4.4.2 Hopf分岔点检测
• 4.5 算例
• 4.5.1 算例1
• 4.5.2 算例2
• 4.6 本章小结
• 第5章 交直流系统电压稳定性的分岔分析方法
• 5.1 引言
• 5.2 SNB分岔分析方法
• 5.2.1 SNB分岔分析模型
• 5.2.2 特征向量的特性及计算
• 5.2.3 电压稳定裕度对系统参数的灵敏度
• 5.2.4 SNB分析方法的应用
• 5.3 Hopf分岔分析方法
• 5.3.1 交直流系统Hopf分岔分析模型
• 5.3.2 电压失稳模式系数及电压失稳模式鉴别
• 5.3.3 关于系统参数的灵敏度
• 5.3.4 Hopf分岔分析方法的应用
• 5.4 算例分析
• 5.4.1 算例1
• 5.4.2 算例2
• 5.4.3 算例3
• 5.4.4 算例小结
• 5.5 本章小结
• 第6章 直流系统对换流母线电压稳定的影响
• 6.1 HVDC系统的分岔特性
• 6.1.1 系统的微分代数方程
• 6.1.2 系统的状态雅可比矩阵
• 6.1.3 模型系统的SNB分析
• 6.1.4 模型系统的Hopf分岔分析
• 6.2 HVDC控制系统对换流母线电压稳定的影响
• 6.2.1 HVDC的控制方式对换流母线电压稳定的影响
• 6.2.2 换流变压器调整对换流母线电压的影响
• 6.3 本章小结
• 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文及科研项目
• 附录 测试系统3的数据