基于迭代无穷小生成元离散化的时滞特征值分析方法研究

摘要

通信技术对电力系统控制的影响日益增大。对于大规模互联系统而言，基于同步相量单元(Phasor Measurement Unit，PMU)的广域量测系统(Wide-AreaMeasurement System，WAMS)能够实时远距离采集动态参数，为电力系统搭建了新的信息平台，给出了新的实现手段。此外，小规模的微电网的运行与控制也依赖于一个可靠的信息系统。然而，信息在Wifi、Zigbee等公用、低成本的无线通信系统以及卫星通信中的传输必然引入几十到几百毫秒的时滞，电力系统因此成为时滞信息物理融合的电力系统(delayed cyber-physical power system，DCPPS)。时滞会使电力系统小干扰稳定性恶化，严重时甚至会使其失稳。因此，需要对DCPPS进行小干扰稳定性分析。
　　面向DCPPS，本文开展了对基于迭代无穷小生成元离散化(Iterative Infinitesimal Generator Discretization，IIGD)的时滞特征值分析方法及其在微电网中应用的研究，同时，对时滞依赖稳定性判据、Padé近似和基于IIGD的特征值分析方法从理论和数值仿真两方面进行了对比分析。主要的研究工作和成果如下:
　　(1)分析了DCPPS的物理特性，构建了其小干扰模型。提出了基于IIGD的大规模DCPPS关键特征值计算方法。首先，将无穷小生成元离散化近似矩阵的主要块行转换为拉格朗日常数向量和系统状态矩阵的Kronecker积之和的形式，以利用其稀疏性。然后，利用位移逆变换技术将要求的特征值变换为主特征值。其次，利用降维诱导算法(Induced Dimension Reduction Method，IDR(s))迭代实现稀疏特征值计算中的矩阵逆-向量乘积。再次，利用牛顿校验求得精确特征值。最终，该方法的有效性在四机两区域系统和实际山东电网上进行了验证。
　　(2)利用IIGD方法分析了考虑时滞影响的微电网的小干扰稳定性。首先，搭建了两个微电网，其中一个包含同步发电机与基于逆变器的分布式电源(Distributed Generator, DG)，另外一个仅含有基于逆变器的电源。采用了一种改进的下垂控制策略，该控制策略对逆变器输出的功率进行重新分配，在功率信息传输时引入了时滞。然后，构建了两个微网完整的数学模型。其次，使用基于IIGD的特征值计算方法分别求解了两个系统在孤岛状态下的特征值，验证了IIGD方法在分析微电网小干扰稳定性时的有效性和精确性，对比了两个系统的特征值分布。最终，研究了控制策略参数和时滞对DCPPS小干扰稳定性的影响。
　　(3)对时滞依赖稳定性判据、Padé近似和IIGD方法从理论和数值仿真两方面进行了对比分析研究。首先，详细介绍了一种单时滞依赖稳定性判据和Padé近似方法的基本理论。然后对三种方法进行了理论上的定性分析。其次，制定了数值对比方案。最终在四机两区域系统和山东电网上验证了理论分析的结论。
　　IIGD方法可用于大规模DCPPS和微电网的特征分析，具有精确性高和处理多时滞情况的优点。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景和研究意义

1．2 广域阻尼控制的研究现状

1．3 微电网小干扰稳定分析研究现状

1．4 考虑时滞影响的电力系统小干扰稳定性分析方法

1．4．1 时域法

1．4．2 频域法

1．5 论文的主要工作

第二章 基于迭代无穷小生成元离散化的特征值分析方法

2．1 DCPPS的物理特性

2．2 DCPPS的数学建模

2．3 无穷小生成元离散化方法基本原理

2．3．1 无穷小生成元

2．3．2 无穷小生成元的Chebyshev离散化

2．4 基于迭代无穷小生成元离散化的特征值分析方法的关键技术

2．4．1 RN的显式表达

2．4．2 位移逆变换预处理技术

2．4．3 稀疏特征值计算

2．4．4 牛顿校验

2．6 算例Ⅰ：四机两区域系统

2．6．1 系统建模

2．6．3 基于ⅡGD的特征值分析方法的准确性分析

2．6．4 基于ⅡGD的特征值分析方法的效率分析

2．7 算例Ⅱ：实际大规模输电系统

2．7．1 系统建模

2．7．2 基于ⅡGD的特征值分析方法对大规模系统的有效性

2．8 小结

第三章 考虑时滞的微电网小干扰稳定性分析

3．1 考虑时滞影响的微电网基本结构

3．2 微电网运行模式

3．3 微电网下垂控制方法

3．4 微电网数学模型

3．4．1 坐标系变换

3．4．2 同步发电机模型

3．4．3 逆变器模型

3．4．4 网络模型

3．4．5 负荷模型

3．4．6 完整的微网模型

3．5 算例仿真

3．6 小结

第四章 DCPPS小干扰稳定性分析方法对比研究

4．1 单时滞系统稳定性判据

4．2 基于Padé近似的特征值分析方法

4．3 三种方法的理论对比

4．4 数值对比方案

4．4．1 时域法保守性分析方案

4．4．2 基于Padé近似的特征分析方法的有效性分析方案

4．5 算例分析

4．5．1 四机两区域系统

4．5．2 实际输电网

4．6 小结

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的研究成果