大規(guī)模電力系統(tǒng)低頻振蕩分析與廣域自適應(yīng)控制研究.pdf

1、隨著“西電東送”戰(zhàn)略的實(shí)施，我國電網(wǎng)通過一系列的聯(lián)網(wǎng)工程形成了兩大長鏈?zhǔn)酵浇涣麟娋W(wǎng)。近年來，我國國家電網(wǎng)公司提出了建設(shè)“以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架、各級電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展”的戰(zhàn)略目標(biāo)。2009年1月6日，中國自主研發(fā)、設(shè)計(jì)和建設(shè)的1000kV晉東南-南陽-荊門特高壓交流試驗(yàn)示范工程正式建成投運(yùn)。根據(jù)規(guī)劃，到“十二五”初期，我國將建成“兩縱兩橫”特高壓骨干電網(wǎng)，從而形成超大規(guī)模的華北-華中-華東特高壓交流同步電網(wǎng)。到2020年前后，國家電網(wǎng)特高壓

2、網(wǎng)架將形成以華北、華中、華東為核心，聯(lián)結(jié)各大區(qū)域電網(wǎng)、大煤電基地、大水電基地和主要負(fù)荷中心的堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。 在我國特高壓電網(wǎng)建設(shè)過程中，高低壓電磁環(huán)網(wǎng)和重載的長距離特高壓送電通道，都可能導(dǎo)致電網(wǎng)發(fā)生低頻功率振蕩。大規(guī)模電力系統(tǒng)規(guī)模巨大且運(yùn)行方式多變，對現(xiàn)有的低頻振蕩分析和控制方法都提出了挑戰(zhàn)。因此，開展大規(guī)模電力系統(tǒng)低頻振蕩分析和廣域自適應(yīng)控制，解決現(xiàn)有分析和控制方法在大規(guī)模電力系統(tǒng)應(yīng)用中存在的不足，對于豐富和拓展電力系統(tǒng)低頻振

3、蕩的分析和控制理論，防止大停電事故和提高區(qū)域電網(wǎng)間的輸電能力都具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。在廣泛閱讀小干擾功角穩(wěn)定機(jī)理、分析和控制方法方面相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，論文在大規(guī)模電力系統(tǒng)低頻振蕩的分析和廣域自適應(yīng)控制方面，進(jìn)行了深入的研究和有益的探討。論文的主要研究工作和創(chuàng)新性成果如下： 1）針對傳統(tǒng)特征值分析方法僅適用于中小規(guī)模電力系統(tǒng)的局限性，結(jié)合Prony和稀疏特征值算法，提出了一種大規(guī)?；ヂ?lián)電網(wǎng)區(qū)間低頻振蕩分析的實(shí)用方法。稀疏特

4、征值分析方法，充分利用大規(guī)模電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性分析中所形成的增廣狀態(tài)矩陣稀疏性的特點(diǎn)，能夠計(jì)算系統(tǒng)全部特征值中我們所關(guān)心的特征子集，可分析任意規(guī)模的電力系統(tǒng)。利用Prony分析的結(jié)果作為稀疏特征值算法的初始位移點(diǎn)，從而可以快速、準(zhǔn)確地計(jì)算出所關(guān)心的部分特征值和特征向量，避免了初始參數(shù)選取不當(dāng)對稀疏特征值算法計(jì)算速度和收斂性能的不利影響。利用提出的方法，以逆迭代轉(zhuǎn)Rayleigh商迭代和隱式重啟動Arnoldi兩種稀疏特征值算法為例，分

5、別對東北-華北互聯(lián)電力系統(tǒng)和華北-華中-華東特高壓同步電網(wǎng)進(jìn)行了低頻振蕩分析，得到了關(guān)鍵的區(qū)間低頻振蕩模式，在東北-華北互聯(lián)電力系統(tǒng)配置了PSS以提高系統(tǒng)的阻尼，對華北-華中-華東特高壓同步電網(wǎng)區(qū)間低頻振蕩模式的影響因素進(jìn)行了深入分析。 東北-華北互聯(lián)電力系統(tǒng)的低頻振蕩分析結(jié)果表明：系統(tǒng)存在山東電網(wǎng)機(jī)組相對于東北電網(wǎng)機(jī)組的弱阻尼區(qū)間低頻振蕩模式。對華北-華中-華東特高壓同步電網(wǎng)進(jìn)行低頻振蕩分析后，得到以下結(jié)論：系統(tǒng)主要存在六個區(qū)

6、間低頻振蕩模式。山東電網(wǎng)機(jī)組相對于蒙西電網(wǎng)機(jī)組的振蕩模式的阻尼隨著華北主網(wǎng)向山東電網(wǎng)輸送功率的增加而增強(qiáng)，并且在山東電網(wǎng)與華北主網(wǎng)之間的第二個聯(lián)網(wǎng)工程（黃驊-濱州500kV雙回線路）的投運(yùn)而顯著降低。在極端情況下，華北主網(wǎng)需要山東電網(wǎng)提供緊急功率支援時(shí)，該振蕩模式的阻尼下降尤為嚴(yán)重。蒙西電網(wǎng)向華北主網(wǎng)輸送功率的增加，有利于提高蒙西電網(wǎng)機(jī)組參與的區(qū)間低頻振蕩模式的阻尼。福建電網(wǎng)機(jī)組相對于系統(tǒng)的弱阻尼區(qū)間低頻振蕩模式的阻尼，隨著福建電網(wǎng)向華

7、東主網(wǎng)輸送功率的增加而增強(qiáng)，且該模式的阻尼在杭北變電站失去所有的特高壓線路后得到顯著增加。安徽、浙江電網(wǎng)機(jī)組相對于江蘇電網(wǎng)和陽城廠機(jī)組的振蕩模式的阻尼，在杭北變電站失去所有的特高壓線路后急劇減弱。石家莊特高壓變電站的失去與否對系統(tǒng)區(qū)間低頻振蕩模式的阻尼影響很小。 2）在電力系統(tǒng)阻尼控制研究中，系統(tǒng)模型是進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)的前提和基礎(chǔ)。針對現(xiàn)代互聯(lián)電力系統(tǒng)規(guī)模巨大和運(yùn)行方式復(fù)雜多變的特點(diǎn)，首次提出了阻尼控制中的在線遞推閉環(huán)子空間辨識算

8、法，著眼于解決“現(xiàn)辯現(xiàn)控”思想中的“辯”。在閉環(huán)情況下，利用由系統(tǒng)“過去的”輸入和輸出Hankel矩陣形成的輔助變量消除系統(tǒng)的輸入輸出測量噪聲和過程噪聲，并通過矩陣正交投影得到系統(tǒng)擴(kuò)展可觀性矩陣的列張成的子空間。借助奇異值分解和擴(kuò)展可觀性矩陣的轉(zhuǎn)移不變特性得到系統(tǒng)矩陣A和C的實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而由最小二乘計(jì)算系統(tǒng)矩陣B和D。在新的采樣數(shù)據(jù)到來時(shí)，利用擴(kuò)展輔助變量投影估計(jì)子空間跟蹤算法遞推更新A和C，并由遞推最小二乘算法更新B和D。論文還從系統(tǒng)模型

9、的閉環(huán)可辨識性、持續(xù)激勵信號的選擇以及采樣數(shù)據(jù)的尺度變換方面，對在線遞推閉環(huán)子空間辨識算法應(yīng)用于電力系統(tǒng)阻尼控制時(shí)應(yīng)注意的問題，進(jìn)行了探討。在基于自校正原理的廣域自適應(yīng)阻尼控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)下，利用在線遞推閉環(huán)子空間辨識算法，設(shè)計(jì)了線性二次最優(yōu)部分輸出反饋的廣域附加阻尼控制器。 利用電網(wǎng)的動態(tài)響應(yīng)來辨識包含主導(dǎo)低頻振蕩模式的降階模型，避開了實(shí)際系統(tǒng)模型階次很高且不易獲得的難題。在線遞推閉環(huán)子空間辨識算法具有較好的數(shù)值穩(wěn)定性和較低的時(shí)間

10、復(fù)雜度，為實(shí)現(xiàn)“現(xiàn)辯現(xiàn)控”思想中的“控”打下基礎(chǔ)。 中國電科院8機(jī)36節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的仿真結(jié)果表明，所提出的在線遞推閉環(huán)子空間模型辨識算法，能夠有效地辨識和跟蹤包含系統(tǒng)的主導(dǎo)低頻振蕩模式的狀態(tài)空間模型，并實(shí)現(xiàn)附加阻尼控制器參數(shù)的在線調(diào)整?；趶V域信息的附加阻尼控制器能有效地抑制系統(tǒng)的區(qū)間低頻振蕩。 3）針對最優(yōu)控制不能在優(yōu)化求解過程中考慮控制約束的不足，提出了基于模型預(yù)測理論的廣域阻尼控制策略，用以實(shí)現(xiàn)“現(xiàn)辯現(xiàn)控”思想中的“控

11、”。在辨識得到的系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上，用輸出擾動對系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行增廣，得到系統(tǒng)的輸出擾動模型，以防止系統(tǒng)輸出產(chǎn)生靜態(tài)偏差。通過Kalman濾波器得到輸出擾動模型狀態(tài)的估計(jì)值。在利用辨識模型得到閉環(huán)形式的預(yù)測方程后，分別建立表征在無限時(shí)域內(nèi)系統(tǒng)響應(yīng)偏離參考軌跡的代價(jià)和施加阻尼控制的代價(jià)的目標(biāo)函數(shù)?？紤]到控制輸入的約束，最優(yōu)控制量通過求解以當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)為初始狀態(tài)的最優(yōu)控制問題得到。在線模型辨識和控制量的優(yōu)化求解在有限時(shí)間間隔內(nèi)反復(fù)進(jìn)行。該控制策略

12、是在線模型辨識和控制器參數(shù)在線更新的有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了電力系統(tǒng)低頻振蕩的自適應(yīng)控制，因此克服了基于離線辨識設(shè)計(jì)的固定參數(shù)控制器的固有缺點(diǎn)，解決了由于運(yùn)行方式復(fù)雜多變和參數(shù)的不確定性與時(shí)變性引起的控制性能降低問題。采用模型預(yù)測、滾動優(yōu)化和反饋校正策略可以預(yù)知系統(tǒng)在控制措施下的演化軌跡，避免了控制的負(fù)效應(yīng)。 中國電科院8機(jī)36節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)仿真結(jié)果表明，系統(tǒng)狀態(tài)空間模型和模型預(yù)測控制律更新的最大耗時(shí)小于采樣時(shí)間間隔，控制器能夠滿足在線應(yīng)用的