电力电子化电力系统暂态稳定分析新框架：基于耦合因子的非线性解耦方法

不同于以同步机为主导的传统电力系统,电力电子化电力系统的惯性较低。当受到扰动时系统的状态变量极易发生较大范围的变化,使得系统面临着严重的暂态稳定性问题。然而,长期以来,对于电力电子化电力系统的暂态稳定性缺乏有效的分析工具。针对此问题,提出基于耦合因子的非线性解耦方法来进行暂态稳定分析。所提基于耦合因子的非线性解耦方法充分借鉴解耦思路,将原高阶非线性系统近似地转化为一系列解耦的一阶二次和二阶二次子系统。在解耦空间中,针对这些低阶二次非线性子系统,可以利用现有的分析工具对其进行详细地暂态稳定分析,从而可以间接地反映原系统的暂态稳定性。为有效指导非线性解耦,相应地提出耦合因子的概念,用以评价系统状态变量之间的耦合程度,便于最终确立解耦空间中的系统结构。基于耦合因子的非线性解耦方法普适性广,对所研究的电力电子化电力系统结构无特殊要求,以期成为一种新的暂态稳定分析框架。最后,通过一个直流微电网算例,对所提基于耦合因子的非线性解耦方法的有效性进行验证。     

不稳极限环--一类暂态稳定边界的研究

在分歧理论和中心流形理论的基础上，针对系统出现亚临界分歧的情况，借助不稳极限环，提出了分析这种在临界点附近的电力系统暂态稳定的方法。这种方法可计及任意复杂模型，与SBS(数值积分)方法相比，计算速度快，能给出明确的暂态稳定边界，并能获得非常直观的稳定度的结果。文中系统地给出了数值计算中心流形变量高阶偏导数，求取2阶中心流形，形成分歧方程的方法，为构建一种新的特定条件下的暂态稳定边界提供了一个有效的工具。     

含统一潮流控制器的电力系统分歧现象研究

含统一潮流控制器(Unified Power Flow Controller,简称UPFC)的电力系统中的非线性奇异现象是电力电子器件在电力系统应用中出现的新问题.UPFC参数在正常范围内的变化就可能导致不同的分歧出现,使得系统的拓扑结构发生不同的变化,系统的动态特性和稳定性也将随之变化.本文利用分歧理论,提出了分析这种非线性奇异现象的方法,研究了发生在含UPFC的系统中出现的鞍点分歧、Hopf分歧和奇异诱导分歧现象.研究表明,计及分歧时的稳定与Lyapunov稳定有着本质的区别,后者是对一个给定系统改变初始条件来研究系统的稳定性态;而计及分歧时,反映出来的是系统状态的一种跳跃或突变,从而为含UPFC的系统位于非双曲平衡点邻域内的安全稳定运行提供了一些新观点和新见解.     

基于微分几何的磁悬浮开关磁阻电机径向力的变结构控制

以磁悬浮开关磁阻电动机为对象,研究了其转子径向两自由度悬浮力系统的解耦和控制。根据电磁场理论的虚位移定理,建立了磁悬浮开关磁阻电动机径向悬浮力的数学模型。针对该模型具有非线性、多变量和强耦合的特点,采用非线性控制的微分几何方法来设计出解耦规律,通过该解耦规律的补偿,将原系统解耦和完全线性化。对解耦得到的线性子系统,应用滑模变结构控制理论来设计控制器,以获得转子的高精度稳定悬浮。仿真结果验证了该控制策略的有效性。     

一种考虑短路电流指标的动态等值方法

短路电流反映了交流系统的强度,为了简化原系统并保留原系统的短路电流特性,提出了一种考虑短路电流指标的动态等值方法.首先将外部系统根据机组的同调性划分为若干外部等值子系统,然后将短路电流作为等值过程中的一个重要量化指标,利用改进的Ward等值法对每个等值子系统化简,最后根据外部系统中的发电机与边界母线的电气距离来确定等值发电机的参数.算例表明,所提出的动态等值方法不仅能使等值前后研究系统的对称和不对称短路电流完全一致,还非常好地保留了原系统动态特性.     

含UPFC的电力系统中的分歧研究

在建立统一潮流控制器UPFC(Unified Power Flow Controller)动态模型的基础上,利用分歧理论,揭示了含UPFC电力系统中的非线性奇异现象,并给出了分析这种系统位于非双曲平衡点邻域内稳定性的方法和步骤。计及分歧时的稳定与Lyapunov稳定有本质区别,后者是对一个给定系统改变初始条件研究系统的稳定性;而计及分歧时,系统的拓扑结构已发生变化,反映是系统状态的一种跳跃或突变,从而为含UPFC系统的安全稳定运行提供了一些新观点和新见解。     

非线性分歧理论及其在电力系统中的应用

分歧、混沌是常见且重要的非线性现象,分歧理论已经广泛应用于各种学科领域。电力系统是典型的非线性动力系统,分歧理论为研究电力系统的稳定问题提供了很好的方法和手段。文章首先简要介绍了分歧理论的数学基础,总结了非线性分歧理论电力系统中的应用情况及研究成果,最后指出了电力系统分歧与混沌研究需要解决的问题和方向。     

基于改进REI等值法的网架调整限流策略

为了提高传统全网遍历限流方案的求解效率,面对大规模电力系统,给出一种基于改进REI等值法的网架调整限流策略。将网络等值技术与500 k V网架调整限流机理相结合,根据支路限流灵敏度指标对原系统进行一次预处理,将其划分为研究系统和若干外部子系统。再利用改进的动态REI等值法对各子系统进行化简,以等值过程中各发电机在虚拟支路上的功率传输因子来确定等值发电机的参数。通过在两个算例上的仿真验证,结果表明改进后的REI等值法能够较好地保留原系统的动态特性,同时迅速筛选出最优限流开断线路方案。     

基于支持向量机逆系统的无轴承异步电机非线性解耦控制

无轴承异步电机是非线性、多变量和强耦合的系统,实现其电磁转矩和径向悬浮力之间的动态解耦控制是电机稳定悬浮运行的关键。本文采用基于最小二乘支持向量机(LS-SVM)α阶逆系统的方法对无轴承异步电机进行解耦控制。将用LS-SVM辨识出的无轴承异步电机逆系统串联在原系统之前,使复杂的非线性原系统解耦成四个独立的伪线性子系统——两个径向位移子系统、一个速度子系统和一个转子磁链子系统,然后根据线性系统理论进行系统综合。最后的仿真试验研究表明,基于LS-SVMα阶逆系统方法能够实现无轴承异步电机悬浮力和旋转力之间的动态解耦控制。     

大电力系统的解耦及关联测量控制法

本文根据多机电力系统所形成的大系统的特点,导出了关联项与本子系统状态变量及一些可测量的关系,从而得到了大电力系统动态解耦的一个方法。又在大系统关联预估法的基础上导出了分散反馈控制律,它是本子系统的定常增益反馈。在理论上本文提出了一个大电力系统控制解耦方法,在实践上解决了大电力系统分散控制器的设计方法。 本文对三机电力系统进行了数字仿真,用本文提出的关联测量分散控制器所得的系统动态品质完全达到了典型全系统最佳控制的效果。     

运用分岔理论研究电力系统电压稳定性

为研究电力系统电压稳定性问题,用分岔理论的基本原理分析了电力系统中常见的分岔现象及其对电压稳定的影响。从静态分岔和动态分岔两个方面阐述了分岔理论在电压稳定分析中的具体应用后,论述了引起电压失稳的鞍结点分岔(SNB)、Hopf分岔(HB)及奇异诱导分岔(SIB)等3种主要分岔形式的定义、分岔发生的条件及分岔点的数值计算方法,并给出了相应的数学模型及适应范围,比较了各种分析方法的优缺点,还讨论了各种分岔之间相互作用对电压稳定的影响。最后,展望了分岔理论在电压稳定分析应用中需进一步深入探讨的问题。     

An approach for determining the subsystem experiencing andproducing a bifurcation in a power system dynamic model

This paper presents a method for determining reduced-order subsystems called bifurcation subsystems, that experience bifurcation, and produce the bifurcation in the full power system dynamic model. The bifurcation subsystem is generally a subset of the center manifold subsystem. The bifurcation subsystem is in fact the singular perturbation determined slow subsystem within the center manifold dynamics that actually experiences and produces the bifurcation in the center manifold dynamics. The test procedure used to determine a bifurcation subsystem is described in this paper and does not require performing a nonlinear transformation required to determine the center manifold. The theory provides two singular perturbation based test conditions for existence of bifurcation subsystems. Examples that demonstrate the systematic use of this test procedure are presented for saddle-node and Hopf bifurcations in a single-machine-infinite-bus-model. Results when the test procedure for finding a bifurcation subsystem is applied to the large dominant elements of the tight eigenvector and the participation factor of a bifurcating eigenvalue are compared     

发电机模型对分岔理论研究动态电压稳定性的影响分析

以一种典型电力系统结构为对象,应用非线性动力学理论中的分岔分析方法与通用分岔分析软件Au-to97,探讨了发电机数学模型对分岔分析方法研究动态电压稳定性的影响问题。使用分岔分析软件,得到了5种发电机模型下电力系统的电压随原动机功率发生分岔的分析结果。在给出的电力系统结构与负荷模型下,采用不同的发电机模型,电力系统的电压随原动机功率的改变,均发生一系列在定量与定性上均不相同的分岔过程,但使电力系统产生动态电压不稳定的首要原因—即在到达SNB点以前均先出现HB点却是相同的。     

Bifurcation subsystem and its application in power system analysis

The paper extends the concept of a bifurcation subsystem that experiences, produces, and causes the bifurcation in the full system model, and systematically describes a bifurcation subsystem method. The motivation for finding a bifurcation subsystem and its advantages over model reduction, slaving, and finding the center manifold dynamics are discussed. By using the theoretical results of the persistence on saddle-node and Hopf bifurcation of a full system model with both fast and slow singularly perturbed dynamics, a more precise definition of what constitutes a bifurcation subsystem for both saddle-node and Hopf bifurcation is given. Persistence of the center manifold for the reduced models of singularly perturbed fast and slow external dynamics thus is shown. These results are then used to show that the center manifold of the saddle-node and Hopf bifurcation lies in the bifurcation subsystem or is contained within the bifurcation subsystem if additional conditions are satisfied. The test conditions for the existence of a bifurcation subsystem are: 1) quickly reviewed and 2) then applied to compute a saddle-node and a Hopf bifurcation subsystem for a multiple machine differential algebraic example system. The results computationally validate the bifurcation subsystem method.     

一种典型电力系统模型的电压稳定分岔分析

基于Walve综合负荷模型,采用非线性动力学理论中的分岔分析方法,对一种典型电力系统模型进行了电压失稳机理研究。研究结果表明该系统有4种引起电压失稳的方式：鞍结分岔导致电压单调失稳, Hopf分岔导致电压周期振荡或低频振荡失稳,倍周期分岔走向混沌引起电压失稳,吸引子共存、状态扰动改变运行状态导致电压失稳。研究结果还表明相邻母线的负荷相互作用将对电压稳定的定性定量性质产生影响;保证电压稳定的控制措施应首先考虑较低电压等级母线负荷的调整,条件许可时限制本地发电机的出力也不失为一种避免电压振荡失稳的方法。     

电力系统微分代数模型奇异诱导分岔点的搜索及其理论分析

拓展了已有的奇异诱导分岔定理的结论，提出了当参数变化时如何追踪奇异诱导分岔点的方法。该方法表明，如果搜索到某一参数下的奇异点而且知道对应的修正项，那么就可以简单地通过只改变发电机节点的注入功率而保持负荷节点的功率注入不变的方法准确地追踪到另外一个参数值下的奇异诱导分岔点。最后用简单示例系统和IEEE 118系统对前面的方法进行了验证，仿真结果表明该方法的有效性和合理性。     

基于分岔理论研究励磁参数对系统电压稳定的影响

笔者以一个典型的3节点电力系统模型为例,应用AUTO 07分岔分析软件,分析了励磁系统调节器时间常数和放大倍数对系统电压稳定的影响.结果表明,采用双、单轴发电机模型所得分岔分析结果虽然有定量上的变化,但都有相同的定性特征,即在到达SNB分岔点以前均先出现Hopf分岔点.而且,励磁系统调节器时间常数的降低和放大倍数的升高,能改善系统电压稳定性.     

考虑饱和非线性环节的水轮机调节系统的分叉分析

为了深入地探索水轮机调节系统的非线性动力学特性,在小波动情况下考虑了水轮机调节系统的饱和非线性环节,建立了一个便于运用非线性分叉理论进行分析处理的微分方程组模型,利用该模型分析了PI型水轮机调节系统中的非线性动力学行为,得到系统存在Hopf分叉的条件及其分叉方向,给出系统保持稳定时调节器参数之间应满足的关系,通过计算仿真了分叉点两侧系统稳定性的变化情况,验证了理论分析的结果,表明使分叉参数远离分叉点将有利于系统较快地收敛到平衡点。     

基于分岔理论的HVDC系统静、动态特性对比分析

应用分岔理论分析了一个HVDC系统的动态电压稳定性,分析了不同控制方式下HVDC电压稳定性与短路比SCR的关系,并与传统基于静态分析方法得出的电压稳定指标进行了对比分析,指出了两者之间的联系。研究结果表明,通过静态方法分析得出的HVDC系统临界失稳点就是分岔研究中HVDC系统的鞍结分岔点,并对应HVDC系统的静态电压失稳,但是在一定运行方式下,HVDC系统将出现Hopf分岔,只有通过动态分岔分析才能得到。