含FACTS的电力系统微分－代数模型非线性控制策略研究

论文摘要

现代电力系统迅速发展,以大机组、超高压、长距离、重负荷、大区互联和交直流联合输电为特点,是一个典型的强非线性、高维、动态大系统。随着大型电力系统的互联以及各种新设备的使用,在使发电、输电更经济、高效的同时也增加了电力系统的规模和复杂性,从而提出很多有关电力系统安全和经济运行的问题。长期以来,国内外的专家学者对如何保证和提高电力系统的安全稳定性进行了大量的研究工作,并且至今仍为电力系统的重要研究课题。本文针对结构保持多机电力系统的暂态稳定控制,FACTS设备控制策略的设计,以及FACTS器件的合理配置等方面进行了研究。主要成果归纳如下:考虑到大多数电力系统模型是采用非线性微分-代数方程的形式,本文提出将Hamilton系统理论引入微分-代数系统的定义和实现方法,以及控制策略的设计。证明了采用该控制策略可以增大系统的渐近稳定域范围。最后以一个简单算例以系统的相图和Hamilton函数水平值示意图说明了所提出理论的正确性。在结构保持多机电力系统中,应用上述微分-代数系统的广义Hamilton理论,研究了计及非线性负荷的多机电力系统的广义Hamilton实现方法,提出非线性励磁控制策略镇定该系统。对两机系统的仿真验证了所提出方法的正确性和有效性。考虑到系统受外界干扰的影响以及建模中不确定性,本文应用鲁棒控制理论和无源系统理论,研究了结构保持模型下系统的L2-增益扰动抑制问题,提出非线性、分散、扰动抑制的励磁控制律,以提高系统在L2意义下对外界扰动的鲁棒性。以四机系统为例,并与常规的电力系统稳定器（PSS）比较,仿真结果说明了本文提出的非线性励磁控制器较常规PSS对提高系统的暂态稳定性和对外部干扰的鲁棒性更有效。临界切除时间（CCT）的计算说明该励磁控制器可以一定程度上增大系统的稳定域范围（以临界切除时间衡量的）。研究基于微分-代数系统广义Hamilton理论的统一潮流控制器（UPFC）设计。基于功率注入模型,建立按Hamilton理论进行设计的UPFC数学模型。首先设计了单机无穷大系统的UPFC控制器,并进行了仿真分析。然后,推导了多机系统的UPFC控制器设计方法,并对一个典型三机系统进行仿真,验证所提出的控制规律的正确性。提出了一种新颖的UPFC装设地点及参数优化模型,目标是对于给定数量的UPFC控制器,在满足系统安全运行约束及UPFC自身控制约束的前提下,通过优化UPFC的装设地点及参数以充分提高现有系统的输电能力。该模型是一个非线性优化问题,本文采用了一种改进的进化规划方法-自适应进化规划来求解,该算法具有较强的自适应性、通用性及逃脱局部极值的全局优化能力,而且运算量小。解算时对基因链的构造、约束项的处理及适合度函数的选取等问题作了进一步的探讨。仿真结果验证了所提出的模型的正确性及算法的有效性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 电力系统稳定控制技术的发展和研究现状
• 1.2.1 电力系统稳定控制技术的发展
• 1.2.2 国内外研究现状
• 1.3 FACTS控制技术
• 1.3.1 FACTS简介
• 1.3.2 FACTS的系统应用
• 1.3.3 FACTS的稳定控制及策略
• 1.4 电力系统结构保持模型
• 1.5 论文主要研究内容及章节安排
• 第2章 微分-代数系统的广义Hamilton理论基础
• 2.1 概述
• 2.2 Hamilton系统的基本理论
• 2.2.1 辛结构与传统Hamilton系统
• 2.2.2 广义Poisson括号与广义Hamilton系统
• 2.2.3 受控耗散Hamilton系统
• 2.3 广义Hamilton实现的概念及简单性质
• 2.4 微分-代数系统的广义Hamilton实现
• 2.4.1 微分-代数系统（DAE）的模型及性质
• 2.4.2 微分-代数系统的广义Hamilton实现（一）
• 2.4.3 微分-代数系统的广义Hamilton实现（二）
• 2.5 控制律对系统渐近稳定域的影响
• 2.5.1 渐近稳定域的基本概念
• 2.5.2 控制策略对系统渐近稳定域的影响
• 2.5.3 算例分析
• 2.6 小结
• 第3章 结构保持多机电力系统非线性励磁控制器设计
• 3.1 概述
• 3.2 多机电力系统的数学模型
• 3.2.1 电力系统经典模型
• 3.2.2 电力系统结构保持模型
• 3.3 结构保持多机电力系统的广义Hamilton实现
• 3.3.1 广义Hamilton实现（一）
• 3.3.2 广义Hamilton实现（二）
• 3.3.3 仿真分析
• 3.4 多机电力系统L2 增益扰动抑制励磁控制器设计
• 3.4.1 耗散性与L2 性能准则
• 3.4.2 多机电力系统L2 增益扰动抑制励磁控制器设计
• 3.4.3 仿真分析
• 3.5 小结
• 第4章 基于广义Hamilton理论的统一潮流控制器设计
• 4.1 概述
• 4.2 UPFC基本原理和数学模型
• 4.2.1 UPFC的基本原理
• 4.2.2 UPFC的功率注入模型
• 4.3 SMIB系统中UPFC控制律的设计
• 4.4 多机系统UPFC控制律的设计
• 4.4.1 UPFC控制律的设计
• 4.4.2 仿真研究
• 4.5 小结
• 第5章 统一潮流控制器优化配置模型及智能算法研究
• 5.1 概述
• 5.2 UPFC的等值电路和潮流方程
• 5.2.1 UPFC的等值电路
• 5.2.2 UPFC潮流方程
• 5.3 UPFC优化配置的数学模型
• 5.4 UPFC优化配置问题的求解
• 5.5 应用实例分析
• 5.6 小结
• 第6章 结论及展望
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的论文