电力系统发电机及HVDC控制与仿真算法研究

论文摘要

随着大区域电网的互联,已形成的大规模交直流混联电力系统的运行与控制非常的复杂。为了适应大量投运直流工程的需要,为电力系统运行、规划和设计部门提供准确分析手段,迫切需要建立能够准确模拟直流输电特性的暂态稳定仿真模型,并研究暂态稳定仿真实现算法。区域电网之间的弱联络以及高放大倍数励磁器的使用,削弱了系统阻尼,使得系统动态稳定问题突出。电力系统通过采用电力系统稳定器（PSS）和直流调制控制器来提高系统阻尼,抑制大扰动后的系统振荡。深入研究了电力系统稳定器数学模型,介绍了采用隐式梯形积分法获得其差分方程的方法,研究了在暂态稳定分析计算中的实现。在IEEE11测试系统上的仿真结果与BPA结果比对,验证了仿真算法的有效性。深入研究了两端直流输电系统的基本原理、控制特性和仿真模型,形成了包含定电流控制、定熄弧角控制、低压限流环节VDCOL、换相失败模拟和闭锁-重启动等功能的仿真模型。根据交直流系统之间的物理联系,形成了直流系统与网络的接口方程,然后采用双向迭代简化算法进行交直流系统机电暂态仿真计算。该数值算法的实质是基于隐式梯形积分法和牛顿法的联立求解法,在保持联立求解法没有交接误差、收敛性好的优点,同时具有物理概念清晰、模块性强、可扩展、易编程的特点。采用C++编程实现,在2007年南方电网实际系统上进行了仿真计算,验证算法的有效性。深入研究了直流调制参数优化方法,提出了一种基于时域仿真的直流调制参数优化方法,将直流调制参数优化问题转化为带参数约束的非线性优化问题。该方法,首先将约束优化问题转化为无约束优化问题,通过轨迹灵敏度仿真得到目标函数的梯度信息,应用拟牛顿法（DFP）优化直流调制控制器参数。由于目标函数反映了AC/DC复杂系统的动力学特性,该方法可有效地改善系统的阻尼特性,抑制大扰动引起的系统振荡。在IEEE四机系统上进行的特征值分析和时域仿真结果验证了该方法的有效性和鲁棒性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的背景
• 1.2 课题研究的意义
• 1.3 国内外研究现状
• 1.4 本文所做的工作
• 第二章 发电机及其控制系统的数学模型
• 2.1 同步发电机数学模型
• 2.1.1 发电机与网络接口方程
• 2.1.2 转子运动方程
• 2.1.3 转子绕组电压平衡方程
• 2.2 励磁系统数学模型
• 2.3 电力系统稳定器数学模型
• 第三章 直流输电及其控制系统的基本原理和数学模型
• 3.1 直流输电基本原理
• 3.2 直流输电系统的数学模型
• 3.2.1 交直流系统标幺值
• 3.2.2 换流器方程
• 3.2.3 直流线路方程
• 3.2.4 直流线路功率方程
• 3.2.5 直流系统与网络接口方程
• 3.3 直流输电的控制特性
• 3.3.1 换流器的基本控制方式
• 3.3.2 换流器的辅助控制方式
• 3.3.3 两端换流器的组合控制方式
• 3.3.4 模拟换相失败
• 第四章 电力系统的机电暂态仿真计算
• 4.1 电力系统机电暂态仿真数学模型
• 4.2 电力系统机电暂态仿真数值解法
• 4.3 电力系统各元件的双向迭代模型
• 4.3.1 发电机及其控制系统模型
• 4.3.2 直流系统仿真模型
• 4.3.3 电力网络模型
• 4.4 电力系统双向迭代机电仿真流程
• 4.5 算例分析
• 4.5.1 SI/SI+模型验证
• 4.5.2 直流系统验证
• 第五章 直流调制的参数优化设计研究
• 5.1 直流输电系统的直流调制
• 5.1.1 直流调制抑制低频振荡的原理
• 5.1.2 直流调制数学模型
• 5.2 基于轨迹灵敏度分析的直流调制参数优化设计
• 5.2.1 轨迹灵敏度方法
• 5.2.2 轨迹灵敏度系统数学模型
• 5.2.3 直流调制参数优化问题模型
• 5.2.4 优化算法实现
• 5.3 算例分析
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢