基于广域信息的互联电力系统鲁棒励磁控制理论和方法研究毕业论文.doc
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1、分类号 TM 密级 U D C 编号 10486 武 汉 大 学硕 士 学 位 论 文基于广域信息的互联电力系统鲁棒励磁控制理论和方法研究 研 究 生 姓 名:指导教师姓名、职称: 学 科、专 业 名 称:电力系统及其自动化研 究 方 向:电力系统稳定与控制2006年4月10日Research of excitation control in interconnected power system based on wide-area information Graduate Student: Academic Adviser: Prof. School of Electrical Engin
2、eering, Wuhan UniversityWuhan, China郑 重 声 明本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的,学位论文没有剽窃、抄袭、造假等违反学术道德、学术规范和侵权行为,本人愿意承担由此而引起的法律后果和法律责任,特此郑重声明。 学位论文作者: 年 月 日摘 要低频振荡是互联电力系统固有的现象,随着系统互联程度和复杂程度的不断增加,这种情况更易发生,其振荡的稳定性是保障系统安全运行的先决条件,因此得到极大的关注。本文根据电力系统发展的特点,提出了针对低频振荡问题的分析方法和控制策略,对抑制互联系统低频振荡、提高系统的稳定运行水平,具有一定的参考价值。 论文首先论述了低
3、频振荡的基本概念,概述了现代电力系统控制技术和励磁控制技术的研究现状和发展趋势。接着介绍了系统低频振荡分析控制所需用到的数学模型,其中包括主要设备模型和系统线性化模型。在上述模型的基础上,结合系统的小干扰稳定性基本理论,本文设计了互联系统的潮流分析和小干扰稳定分析程序,考虑到合理选择电力系统稳定器(PSS)安装地点对于振荡抑制的关键作用,提出了用于确定多机系统中PSS最佳安装地点的PSS作用敏感度法。针对传统的基于单机无穷大系统设计的电力系统稳定器的不足和现代电力系统的控制目标,基于系统控制理论分析方法和线性矩阵不等式方法,本文设计了一个基于广域信息的鲁棒稳定控制器,使得系统具有更强的鲁棒性。
4、最后,以两区域四机系统为例进行仿真验证,分析结果表明,本文提出的分析方法和控制策略对于系统运行方式的变化具有较强的鲁棒性,抑制振荡效果也更好。 关键词:低频振荡, 电力系统稳定器, PSS作用敏感度法(SPE),鲁棒控制, 线性矩阵不等式(LMI) Abstract Low frequency oscillation is common in power system, especially in modern interconnected network. As it plays an important part on system security and stability, rese
5、archers in and abroad have been paying great attention. Here the paper introduces a new method for analysis and control, it is helpful for improvement of system stability. Firstly, here gives the basic definition of low frequency oscillation, summarize the development of power system control as well
6、 as excitation control. The model of power system units and the lineartion expression is also discussed. With the theory of small-disturbance stability, analysis program of power flow and small-disturbance stability is developed. As the selection of installation of power system stabilizers is playin
7、g an important role in oscillation control, the sensitivity of PSS effect is used to confirm the best destination. According to the disadvantage of PSS based on single-machine infinite-bus system, on the basis of system control and linear matrix inequality, a robust PSS based on wide-area informatio
8、n is designed concerning the control objective of modern power system. It makes the system robust. Finally, it is tested through simulation in four-machine system, the results shows the effectiveness of the robust control, it has a satisfying performance both for various operating mode and fault mod
9、e.Key Words: Low frequency oscillation, power system stabilizer (PSS),the sensitivity of PSS effect(SPE), robust control,linear matrix inequality(LMI) 目 录摘 要IAbstractII目 录III1 绪论11.1 电力系统低频振荡问题概述11.2 选题的目的和意义11.3 国内外的研究现状和发展趋势21.3.1 电力系统控制技术研究现状和发展21.3.2 低频振荡控制技术发展31.4 本文的研究内容52 低频振荡分析数学模型2062.1概述62
10、.2 电力系统主要设备模型62.2 .1 同步发电机数学模型62.2.2 励磁系统及其附加控制的数学模型72.2.3 负荷和网络元件的数学模型92.3 电力系统线性化模型102.3.1 单机无穷大系统线性化模型102.3.2 多机系统线性化模型113 小干扰稳定问题的基本理论和分析方法133.1 小干扰稳定分析方法133.1.1 各种分析方法的综述133.1.2 特征值分析法及其基本理论153.2 实际系统小干扰稳定分析设计183.2.1 潮流程序设计46193.2.2 状态方程设计和小干扰稳定计算204 电力系统励磁控制策略的设计224.1 励磁控制方法概述224.1.1 PSS的最初发展阶
11、段224.1.2 PSS控制技术的发展224.2 PSS的最佳安装地点的选择234.2.1 选址的重要性234.2.2 选址方法概述244.3 鲁棒控制器设计254.3.1 鲁棒控制理论概述254.3.2实际系统控制器设计265 实验仿真结果285.1 系统特征值分析和最佳安装地点分析285.1.1 运行方式(一)的频域分析285.1.2 运行方式(二)的频域分析315.1.3 运行方式(三)的频域分析325.2 控制器作用下的Simulink仿真结果335.2.1 运行方式(一)的时域分析335.2.2 运行方式(二)的时域分析375.2.3 运行方式(三)的时域分析406 结论与展望446
12、.1 结论446.2 展望44参考文献46致 谢49附 录50附录1:全系统线性化状态系数矩阵:50附录2:PSS作用敏感度(SPE)的基本原理:53附录3:两区域四机系统的单线图和数据54作者攻读硕士学位期间发表的论文551 绪论1.1 电力系统低频振荡问题概述电力系统中发电机经输电线并列运行时,在扰动下会发生发电机转子间的相对摇摆,当阻尼不足时引起持续振荡。此时,输电线路上功率也发生相应振荡,由于振荡频率较低,一般为0.2-2.5Hz,故称为低频振荡1。近年来,随着互联电力系统的不断壮大以及高顶值快速励磁系统等控制设备的投入,低频振荡问题日益突出,它不仅限制了系统的传输容量,并严重威胁电力
13、系统的安全运行。低频振荡按其所涉及的范围及其频率划分大致可以分为两类2:一类为区间振荡模式,它是系统的一部分机群相对于另一部分机群的振荡,其频率范围为0.20.7Hz,这种振荡的危害性较大,一经发生会通过联络线向全系统传播;另一类为局部振荡模式,它是电气距离很近的几个发电机与系统内的其余发电机之间的振荡(可以是厂内或地区型的),其频率范围为0.72.5Hz。低频振荡的起因主要可以从三方面加以描述3:由于系统调节器的作用,基于线性系统理论,可知系统的特征根发生变化,产生了附加的负阻尼,抵消了系统的固有正阻尼,从而导致了增幅振荡;系统的输入或者扰动信号与系统的自然频率存在某种特定的关系时,会诱发谐
14、振,当其处于低频区域时表现为低频振荡;由于系统的非线性特性的影响,使得系统在某些运行范围内稳定结构发生变化,引发低频振荡。它不仅限制了系统的传输功率,甚至导致系统解列或失稳,因此它是大型电力系统互联引起的影响系统稳定的最重要的问题之一。目前抑制低频振荡方面主要有两方面的对策1:一次系统方面(即输电侧):包括增强网架,减少重负荷输电线路;采用串联电容补偿;采用直流输电方案;装设静止无功补偿器(SVS)等;二次系统方面(即发电侧):主要是采用电力系统稳定器(PSS)等附加励磁控制方案。1.2 选题的目的和意义随着电力系统的不断发展,我国绝大多数省份都将包括在一个统一的交直流互联电力系统中,全国电网
15、基本形成。互联电网在带来一定的经济性和稳定性的同时,却也引发了很多不容忽视的问题,首先,由于我国电网的覆盖面积大,结构薄弱,互联电网中任意设备和线路的故障都可能产生连锁反应,从而造成大面积的停电灾难,甚至导致全网性的稳定危机4;其次,互联使得系统的动态行为更为复杂,互联大电网的稳定问题并不是小系统稳定问题的简单叠加,互联不但涉及潮流、短路容量、规划及运行的可靠性、在正常状态、紧急状态和恢复期间的协调问题,也涉及互联线的交换功率极限值、区域稳定控制、经济性和安全稳定性之间的最佳协调等新问题。互联电网中突出的稳定问题主要有以下内容:长距离弱联系、重负荷的输电线或联络线常常会出现低频振荡;交流联络线
16、因其潮流难以控制而无法实现子网间的可靠事故支援;带负荷调压变压器和无功功率缺额可能造成电压失稳等等。2003年,世界上相继发生了“8.14”美加大停电5,“8.28”伦敦大停电,“9.1”悉尼和马来西亚大停电,“9.28”意大利大停电,以及2005年“5.25”俄罗斯大停电,现代电网的特殊性使偶然的事件、局部的事故能够迅速波及整个网络,并在相联的巨大电网间传递,大城市顷刻间陷入彻底瘫痪,经济损失难以计数。教训极其深刻。同时,电力系统安全控制理论的发展远远滞后于电力系统本身规模的发展和复杂程度的增大。电网互联在系统安全稳定性方面仍存在如下几方面的主要技术问题: 第一,电网互联引发系统结构薄弱问题
17、。弱联网导致互联的双方电网内部稳定水平下降,动态稳定问题趋于严重,模型、参数等严重影响稳定分析。第二,影响电网安全稳定水平的因素多元化,电力市场的不确定性对稳定性控制提出新的要求。市场竞争将更加突出电力系统经济和安全性的矛盾,这将导致对优化问题的重新考虑和定义,建立新的目标函数。第三,缺乏在系统一定程度的变化范围内具有鲁棒稳定性的鲁棒控制器。传统的控制器都是基于系统某一点运行方式设计的,当系统运行方式偏离该运行点后,系统性能将恶化。第四,缺乏大量数据的组织和管理能力。由于实时数据量非常庞大,而且十分复杂,这就给实时数据的存储和管理增加了难度。综上所述,电网本身的结构和电网安全稳定控制技术方面都
18、无法很好的满足互联系统的运行要求,本课题正是基于这一现象提出来的,因此本课题的研究具有一定的理论和现实意义。1.3 国内外的研究现状和发展趋势1.3.1 电力系统控制技术研究现状和发展 随着电工技术的进展,电力控制技术也在发展。电力控制技术从早期功能简单的借助于接触器或变阻器实现合闸或断开;增大或减小;升高或降低等逻辑控制,到采用控制理论进行控制的技术结果。先后共有四种控制理论:(1) 古典控制理论:它是以积分变化为主要数学工具,用频域方法描述输入和输出外 部关系的传递函数为基础,研究控制系统动态特性的理论,这种控制理论对电力系统输入和输出关系对应性好的单个元件的控制是十分有效的,在电力系统初
19、级阶段获得了广泛的应用。目前,在电力系统的底层控制中仍然有应用。(2) 现代控制理论:它是状态空间建模和线性代数方法的结合。分析方法是时域的,并基于线性化模型,适用于多输入多输出系统。电力系统发展到一定程度,特别是输入控制变量和输出因变量都相当多,且有复杂的时域关系的发电机组的控制起初均采用这种控制理论作支持。这种控制理论作为工程控制方法的难点在于寻找线性关系。(3) 非线性控制原理6,7:随着电力系统的发展,庞大的电力系统网架结构中大量存在的相互作用是非线性的,由于线性处理是非线性作用在一定条件下的近似,在电力系统控制中,非线性控制理论具有更普遍的意义和更具有代表性的方法,如基于微分几何控制
20、理论的非线性系统反馈精确线性化方法,大范围直接反馈线性化方法,非线性H控制方法量8,9等。(4) 人工智能控制理论:人工智能技术就是延伸计算机的计算功能,使其尽量模仿人类大脑的求解、感知、学习、推理执行等功能的技术,如模糊逻辑、人工神经网络、基因算法以及其他各种单一的分布人工智能技术。利用这种技术进行控制即为人工智能技术。由于他们具有处理各种非线性(包括强非线性)的能力,平行计算的能力,自适应、自学习、自组织的能力,以及容许模型不精确性和参数不确定性的特性,几乎已经渗透到电力系统和电工技术的所有方面。多智能体系统10是当今人工智能中的前沿学科,是分布式人工智能研究的一个重要分支,其目标是将大的
21、复杂系统(软硬件系统)建造成小的,彼此相互通讯及协调的、易于管理的系统。多智能体技术具有自主性、分布性、协调性,并具有自组织能力、学习能力和推理能力。采用多智能体系统解决实际应用问题,具有很强的鲁棒性和可靠性,并具有较高的问题求解效率。1.3.2 低频振荡控制技术发展从50年代到现在,励磁控制方式的发展大致经历了以下几个阶段:1 古典控制阶段11:即按发电机端电压偏差进行比例积分微分(PID)调节的方式。该法存在的主要缺陷是:针对电压信号设计的PID产生的超前相位不一定满足补偿负阻尼所需的相位;而且其超前相位的频率与低频振荡的频率也未必相同,因此他对抑制低频振荡的作用是有限的。2 传统的PSS
22、阶段1969年美国学者F.P.demello和C.Concodri提出用电力系统稳定器(PSS)抑制低频振荡12,它是一种能够提供正阻尼附加励磁控制,常见的输入有角速度,功率和频率,主要由放大环节、复位环节和相位补偿环节等组成。针对当前电力系统的运行情况,基于系统在某一平衡点处的近似线性化模型设计的PSS,针对性强,易于实现,且抑制区域内低频振荡的效果显著,但对于区域间振荡却起不了多大的作用,主要的不足之处有:(1)各组成环节的参数需要用试验方法加以调整,不仅耗费精力,而且如果参数配合不合适,则不能取得预期的控制效果;(2)目前投入使用的都是基于单机系统设计的,对于区域内振荡的控制具有较好的效
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