电力系统暂态稳定控制策略研究

论文摘要

现代电力系统在发电容量和电压等级方面都有较大提高,高压直流输电（HVDC）和柔性交流输电元件（FACTS）的投入运行,以及跨区域电网的互联和电力市场的开放,都增加了系统在结构和模型上的复杂性,并产生了许多不确定因素,为电力系统带来了更多的安全隐患。近年来,世界范围内的多起严重停电事故,使电力系统的安全稳定问题再次引起了人们的重视。电力系统中许多破坏性事故的根本原因都归咎于大扰动下发电机的功角失稳。大干扰功角稳定通常又称暂态稳定,是电力系统安全稳定运行的基础,暂态稳定控制是电力系统安全稳定运行的一道重要屏障。本文的研究主要针对暂态稳定控制策略的相关问题,所作的主要工作包括:第一章,综述了现代电力系统暂态稳定非线性控制的相关问题,包括控制对象、控制方法等问题,简述了非线性系统自适应控制的相关知识及其在电力系统暂态稳定控制中的应用。第二章,研究了多机电力系统中发电机励磁的非线性鲁棒自适应控制问题,考虑了发电机阻尼系数、d轴同步电抗和暂态电抗的不确定性,以及模型误差和外部动态干扰的存在,设计了非线性鲁棒自适应控制规律,保证了发电机功角和频率在原运行点邻域内的收敛性。在所采用的方法中,只要求动态干扰项有界而不需要知道或给定其界限的具体数值,这是该方法的主要特点。在所设计的控制器中,针对每个不确定项,都设计了一个动态估计环节以应对其影响,控制规律保证了所有状态变量的一致最终有界性和系统输出的收敛性,并且,所设计的控制器是分散体地化的,数字仿真显示了控制器在提高系统暂态稳定性方面的有效性。第三章,提出了一类多输入-多输出（MIMO）非线性不确定系统的鲁棒自适应控制方案,并将其应用于设计发电机励磁与调速综合协调控制,对第二章中所采用的单输入-单输出（SISO）系统鲁棒自适应控制设计方法进行了扩展。对于一个n阶非线性不确定系统,假设前n-1个控制量在系统处于稳态时为零,则首先对系统进行增阶,即设前n-1个控制量为状态变量,从而产生n-1个新的控制量替代原有的控制变量,且使系统变为一个2n-1阶非线性不确定系统。控制规律的设计仍采用反步法（Back-stepping）,对于每个不确定项,都设计了一个动态估计环节以应对其影响,最终保证了全部状态变量的一致最终有界性和系统输出的收敛性。最后,将所提出的方法应用于发电机励磁与调速综合协调控制设计,给出了发电机励磁和调速综合协调控制规律,并通过数字仿真显示了所设计控制器对于提高系统暂态稳定性的效用。第四章,提出了利用系统动态贯量中心COI（Center of Inertia）信号设计非线性暂态稳定控制器的思想,简称“COI跟踪”思想。一般来讲,系统COI（包括功角COI和频率COI）曲线能够反映系统中所有发电机运转的总体趋势,且其较为平滑,容易跟踪,因此,如果系统中所有的发电机都能够动态地跟踪COI的变化,而不只是停留于原有运行点,则各发电机更容易保持同步,系统暂态稳定性更能够得到保证。广域测量系统WAMs（Wide-area Measurement Systems）技术的发展为该思想的实现提供帮助,各发电机在通过WAMs得到系统COI信息后,动态的跟踪COI的变化以达到同步运行,且一定范围内的WAMs信号时滞是被允许的。根据传统的“分散/本地化”控制思想和本章提出的“COI跟踪”控制思想,采用相同的非线性控制方法设计了两种励磁控制器,数字仿真实验表明,后者更有利于提高系统的暂态稳定性。第五章,提出利用区域COI信号阻尼两区域互联系统功角和频率COI振荡的高压直流输电系统（HVDC）直流功率调制和晶闸管控制串联电容器（TCSC）电抗调节控制方法。HVDC直流功率调制和TCSC电抗调节都能改变区域间传输的有功功率,从而影响系统的暂态稳定性。HVDC和TCSC控制环节均采用一阶环节表示,设计的控制目标是阻尼区域功角和频率COI间的振荡,控制器设计采用非线性鲁棒控制方法,保证了全部状态变量的一致最终有界性和区域间功角及频率COI振荡的收敛。数字仿真表明,所提出方案相比于传统型调制控制器更有利于故障后发电机功角摇摆的收敛,更有利于提高系统的暂态稳定性。所提出的方法同样可扩展应用于多区域互联电网的暂态稳定控制,用于阻尼多区域间的功角和频率COI振荡。第六章,对全文做出总结,并分析了本文中存在的未解决问题及有待进一步解决的问题。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 电力系统暂态稳定非线性控制综述
• 1.3 非线性系统自适应控制研究简介
• 1.4 本章小结
• 第2章 多机系统中非线性鲁棒自适应励磁控制
• 2.1 引言
• 2.2 多机系统中发电机励磁控制系统的数学模型
• 2.3 数学模型坐标转换
• 2.4 控制规律的推导
• 2.5 数字仿真实验
• 2.6 本章小结
• 第3章 一类MIMO非线性不确定系统的鲁棒自适应控制设计方法及其应用
• 3.1 引言
• 3.2 一类MIMO非线性不确定系统的鲁棒自适应控制设计
• 3.3 发电机励磁与调速鲁棒自适应综合控制设计
• 3.4 数字仿真
• 3.5 本章小结
• 第4章 基于COI跟踪思想的暂态稳定励磁控制
• 4.1 引言
• 4.2 “COI跟踪”思想的提出
• 4.3 两种不同思想下的励磁控制系统模型
• 4.4 利用反步法设计的非线性鲁棒控制器
• 4.5 数字仿真
• 4.6 本章小结
• 第5章 利用区域COI提高互联系统的暂态稳定性
• 5.1 引言
• 5.2 利用区域COI进行HVDC功率调制控制设计
• 5.3 利用区域COI进行TCSC电抗调节控制设计
• 5.4 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 参考文献
• 本人攻读博士学位期间发表的论文
• 致谢