基于Pade近似的时滞电力系统特征值计算方法

考虑广域反馈时滞后,电力系统的特征方程含有超越项,试图通过直接求解该方程得到系统的关键特征值变得非常困难。文中利用Pade近似有理多项式来逼近时滞环节,提出了一种计算时滞电力系统部分特征值的方法。将Pade近似有理多项式转化为状态空间表达式并进行平衡化处理,通过与无时滞电力系统和广域阻尼控制器相连接,建立时滞电力系统的线性化模型。根据系数矩阵的稀疏特性,可以利用稀疏特征值算法求解系统的部分特征值。该方法使得沿用常规电力系统小干扰稳定性的特征值分析方法理论和框架来分析时滞电力系统的小干扰稳定性和设计广域阻尼控制器成为可能。2区4机和新英格兰10机39节点算例系统的特征值及其对时滞的灵敏度计算结果表明,该方法能够较准确地求解与时滞系统中动态元件相关的部分特征值,正确求解与时滞环节相关的特征值个数和计算精度与有理多项式的阶数有关。     

关于轨迹特征根的再思考

轨迹断面特征根法将非线性电力系统动态行为的分析转化为对带扰动项的时变线性系统的分析。通过2个有解析解的实例证明轨迹特征根并不能正确反映时变系统的全局动态。为此引入扩展轨迹特征根方法来反映上述扰动项对系统动态的影响,并以一个带e指数的简单系统为例给以验证。但对电力系统模型而言,扩展轨迹特征根方法存在着模型适应性和解析解两方面的困难。事实上所有的轨迹特征根技术都难以判断全局稳定性,而全局稳定性只能依靠动态鞍点(DSP)的概念才能解决。     

基于广义特征根的MMC-HVDC系统高频振荡分析及抑制策略

基于模块化多电平换流器的高压直流输电(MMC-HVDC)的长链路延时引发的高频振荡严重威胁了电力系统的安全稳定运行。采用时滞稳定裕度衡量MMC-HVDC系统的高频稳定性,建立了MMC-HVDC时滞系统的高阶状态空间模型,应用基于广义特征根的时滞系统稳定性分析方法直接求解MMC-HVDC系统的时滞稳定裕度,并分析了控制器参数对系统高频稳定性的影响。将MMC-HVDC系统链路延时对系统高频稳定性的影响等效为外部干扰,通过混合灵敏度优化设计了基于H∞鲁棒控制的MMC-HVDC系统高频振荡抑制策略。通过MMC-HVDC电磁暂态仿真,验证了基于广义特征根的时滞系统稳定性分析方法求解系统时滞稳定裕度的有效性以及基于H∞鲁棒控制的高频振荡抑制策略的优越性,为研究MMC-HVDC系统的高频振荡及抑制策略提供了一种新思路。     

基于改进时间延迟环节的集群电动汽车参与电网调频的动态特性研究

电动汽车数量的增多和其快速响应功率控制指令的优势使其在电力系统调频服务中得到广泛关注,从需求响应的角度看,考虑电动汽车参与系统调频的动态特性是增加电网弹性的有效途径之一。首先介绍了集群电动汽车参与电网调频的分层分布式控制的结构框架与市场机制;其次,基于集群电动汽车的动态响应模型,建立了基于改进时间延迟环节的集群电动汽车参与电网一、二次调频的动态模型,讨论了集群电动汽车参与电网调频的时间延迟参数设置对于调频动态特性的影响。然后,提出了计及车辆限制和用户需求个体差异性的电动汽车参与电网调频的控制策略。最后,通过3个算例进行多场景定量模拟。仿真结果表明:相比于目前已有的电动汽车参与电网调频模型中参数普遍采用平均值的方法,文中所建立的一阶时滞模型更接近实际响应情况,且能抑制频率超调。     

基于时滞利用技术的电力系统次同步振荡抑制研究

本文基于结构动力学中的时滞利用技术对电力系统次同步振荡抑制展开研究。首先建立了含静止同步串联补偿器(SSSC)装置的电力系统模型,考虑SSSC注入电压与线路电流的正交特性,选取m、δ_(sc)为控制量,避免控制效果受U_(dc)波动影响。基于线性最优控制理论进行控制设计,通过时域仿真验证其能有效抑制系统振荡。广域背景下,SSSC装置利用远方机组信号作为状态信号进行实时反馈控制时,信号传输时滞不可忽略。基于时滞利用技术,建立单时滞电力系统模型,利用特征根聚类法(CTCR)分析时滞系统的稳定裕度。研究中发现,根据时滞系统稳定裕度计算结果,在控制律中引入适当的时滞量可以增强控制器性能及系统稳定性,通过时域仿真验证了正确性。     

应用于电力系统仿真计算的燃气轮机调速系统模型

在对燃气轮机调速系统模型进行理论研究和对国内主流燃气轮机调速系统实际特性进行试验研究的基础上,开展了现有电力系统仿真软件的适用性分析.分析结果发现,现有仿真模型不能代表目前国内主流燃气轮机的调频特性.进一步开展了燃气轮机调速系统建模研究,建立了适用于国内主流燃气轮机调速系统的仿真模型,仿真计算结果与试验结果对比表明该模型能够模拟燃气轮机的实际调频作用.随着国内大批燃气轮机的投入运行,采用该模型进行电力系统仿真计算将能够模拟电力系统的真实系统动态特征,对解决目前国内电力系统安全所面临的问题具有重要意义.     

变速抽蓄机组频率响应机理模型与性能研究

变速抽蓄机组是潜在的大容量、灵活可靠、清洁一次调频资源。缺乏频率响应机理模型和性能研究导致定量表达、挖掘、充分发挥该机组一次调频优势遇到瓶颈。提出了一种变速抽蓄机组频率响应机理模型，并基于该模型量化分析了变速抽蓄机组较常规机组、定速抽蓄机组在调频稳定性与动态性能两方面的优势。首先基于调频物理本质，建立了变速机组发电和抽水2种工况下的频率响应模型；其次利用根轨迹法分析了频率下垂系数对3种机组调频稳定性的影响；然后推导了3种机组对应的调频性能指标，并比较了一次调频动态性能；最后通过PSCAD/EMTDC时域仿真验证了机理模型和性能分析的正确性。该研究结果为充分利用变速机组来保障新型电力系统频率稳定提供了有益的理论参考。     

基于HVAC类负荷的电力系统动态调频控制策略

以HVAC(暖通空调)类负荷为控制对象,提出了一种基于HVAC类负荷的电力系统动态调频控制策略。首先给出了HVAC负荷的等值热力学参数模型,分析了此类负荷的负荷特性;进而通过用户参与度建立HVAC负荷的温度设定值与系统频率波动之间的数学关系,给出了一种基于HVAC类负荷的电力系统动态调频控制策略,通过动态调整开关状态改变负荷功率,达到系统频率控制的目的。最后利用典型的单机电力系统模型验证了控制策略的有效性。     

适用于高风电渗透率电力系统的火电机组一次调频策略

大规模随机波动的风电功率接入电力系统将引起系统频率偏差增大,从而对电力系统的频率响应能力提出了更高要求。该文基于实测数据研究了风电功率的频率特性,分析了不同频段内的风电功率波动对电力系统调频的影响。在一次调频时间尺度下,分析了调差系数取值对一次调频控制系统稳定性的影响,并基于分频原理提出火电机组动态一次调频控制策略。该策略通过在不同频段内设置不同的火电机组调差系数,提高了火电机组的一次调频能力。将该策略应用于两区域电力系统,结合实测风电场功率波动数据进行了算例仿真,仿真结果表明利用该策略能有效减少风电功率波动对系统频率稳定的影响。     

时滞环境下基于电动汽车与电热泵的协调频率控制

提出一种时滞环境下应用电动汽车和电热泵协同参与系统负荷频率控制的调控策略。在考虑电动汽车和电热泵单体运行特性的基础上,分别构建电动汽车与电热泵集群的调频控制模型;充分考虑负荷频率控制中通信延时的影响,建立包含时滞环节的调频系统动态模型;进一步地,利用该模型对不同类型可控负荷集群对应的时滞稳定裕度进行分析,并根据最大化系统稳定裕度的原则优先采用稳定裕度较大的可控负荷进行调频,从而对电动汽车与电热泵在参与频率调节过程中进行协调控制。     

基于多求和不等式输出反馈Lyapunov判据的时变时滞电力系统二次调频控制

电力系统使用通信网络进行动态调频时引起的时滞问题会对系统稳定性造成很大威胁。针对负荷频率控制中的网络化时滞问题,建立考虑时变时滞特性的负荷频率控制离散化状态空间模型。采用多求和不等式,构造一种具有低保守性的Lyapunov稳定判据来求解区间时变时滞负荷频率控制(load frequency control,LFC)系统的稳定裕度。在此基础上,推导时滞相关输出反馈增益的线性矩阵不等式(linear matrix inequality,LMI)准则来设计二次调频控制器参数。仿真结果表明,该文所提出的稳定判据能够求解更大的时滞稳定裕度,具有较低的保守性。所提出的控制器设计准则能够快速求解时变时滞下输出反馈增益,有效抑制小扰动下系统的频率振荡,使系统具有时滞稳定性。     

基于事故链和Markov过程时滞电力系统稳定性分析

随着时滞的存在使电力系统稳定分析和控制变得愈加复杂,已成为系统不稳定及性能变差的根源。因此,对时滞稳定性的研究需要更进一步才能满足电力系统稳定性研究的需求。提出了一种用马尔科夫动态过程(Markov)分析系统连环故障时的时滞稳定性。第一步是分析网络潮流求得合理的事故链,给出了事故链的求导方式及最优解法,然后结合Markov过程,在考虑Markov跳变的前提条件下建立一类Lyapunov-Krasovskii泛函,然后通过牛顿-拉夫逊算法将函数进行线性化求解,并构造自由权项,同时降低保守性。最终目的是计算电力系统所能承受的最大时滞,这个值是由广义矩阵特征根求得。最后对理论推导进行了仿真验证,利用H_2/H_∞控制方法设计了IEEE 16机68节点系统的阻尼控制器,并将阻尼控制器分3个时段设置时滞,测量不同发电机之间的相对功角差的动态响应曲线,发现仿真结论与理论推导的结果一致。     

新能源一次调频死区影响机理建模及系数修正策略

新能源参与电力系统一次调频时一般会设置调频死区，以达到避免机组频繁动作与保障调频效果之间的平衡。与传统同步机调速器设备性能决定的固定死区不同，新能源的一次调频死区可在较大区间内灵活设置，并且设置方式更加多样化。然而，新能源一次调频死区对系统频率安全的非线性影响机理尚不明确，尤其是高比例新能源参与调频场景下，无法分析其对系统一次调频效果的影响。为此，文中首先建立了考虑新能源一次调频死区的系统频率响应模型，通过解析求解频率动态响应表达式，分析了新能源一次调频关键参数对系统频率重要指标的影响，并指出普通型调频死区的存在会削弱系统的一次调频能力。然后，为减小普通型死区对调频效果的影响，提出了新能源一次调频系数修正策略，以改善一次调频效果。最后，仿真验证结果表明，考虑新能源死区的系统频率响应模型具有较高的精度，且所提一次调频系数修正策略可减小最大频率偏差，提高系统频率安全性。     

风力发电对系统频率影响及虚拟惯量综合控制

针对大规模风电接入引起系统等效转动惯量下降、系统频率稳定风险上升的问题,在分析电力系统调频过程与风电常规虚拟惯量调频的基础上,建立了含风电的电力系统频率动态响应模型,研究了风电及调频参数对系统频率动态特性的影响及变化规律。提出了基于选择函数的风电机组新型虚拟惯量综合控制方法,利用有限风电机组转子动能,有效增加了系统等效转动惯量,同时避免了传统控制所造成的功率二次跌落。在MATLAB/Simulink中建立了系统仿真模型,仿真验证了控制策略有效性及对频率动态特性的改善作用。     

交流励磁抽水蓄能机组变下垂系数调频控制策略

针对固定下垂系数控制存在抑制频率波动的阻尼不足的问题,提出一种基于惯性环节的交流励磁抽水蓄能机组变下垂系数调频控制策略。首先,基于交流励磁抽水蓄能机组运行特点,分别建立了可逆水泵水轮机和交流励磁电机的数学模型以及交流励磁抽水蓄能机组控制模型;然后,考虑频率变化率和频率偏差值对系统频率动态调节影响,引入下垂系数-系统频率变化率(R-df/dt)函数,并通过检测电网频率变化和机组转速,获得幅值随频率变化率动态变化的下垂系数,基于此,提出一种基于惯性环节的变下垂系数调频控制策略,并给出了参数整定方法。基于MATLAB/Simulink平台,搭建含交流励磁抽水蓄能机组的电力系统3机仿真模型,并进行系统频率特性的仿真分析。仿真结果表明,所提控制策略可有效提升机组在发电、电动工况下的频率响应能力,提高了电力系统的频率稳定性。     

风电场阻尼电力系统振荡的机理及时滞影响

为改善风电场对电力系统的阻尼影响,提出了附加有功控制策略并分析了通信时滞对附加控制效果的影响。首先,分析了风电场阻尼电力系统的机理,推导了风电场提供正阻尼的解析条件。基于该条件,设计了附加有功控制策略,将风电场公共母线的频率增量作为附加控制器的输入,附加控制器的输出经通信网络作用于各风电机组,以改善风电场整体动态行为,达到对电力系统产生正阻尼的作用。然后,考虑了通信时滞对控制效果的影响,提出并证明了求解风电场提供零阻尼的临界时滞以及计算系统发生Hopf分岔的临界时滞的2个命题,以作为附加有功控制的约束条件。最后,通过时域仿真表明,附加有功控制可显著增强电力系统阻尼;在引入时滞因素后发现,随着时滞的增大,系统阻尼相应变化。根轨迹分析与频率特性分析验证了风电场提供正阻尼条件及时滞影响相关命题的正确性。     

考虑风速影响的双馈风机调频建模及稳定性分析

由于实际运行中风速的随机性和不确定性,针对风速变化对不同控制策略下双馈风机系统运行稳定性和调频效果影响进行研究,可为多工况下调频控制方法的选择提供依据。首先,分析双馈风机系统的基本控制模型,比较虚拟同步机和下垂控制调频机理的联系和区别;其次,评估不同风速下双馈风机系统的有效调频动能,建立包含风速变量的双馈风机调频系统小信号模型,并在此基础上推导出风机系统等效惯量和风速的耦合关系,根据伯德图和特征根的根轨迹图分析初始运行风速对虚拟同步机和下垂控制双馈风机系统调频动态特性的影响,确定虚拟同步机控制的临界振荡风速;最后,利用DIgSILENT进行时域仿真,验证理论分析的正确性。     

基于Pade近似的广域电力系统关键模态时滞轨迹分析

采用广域阻尼控制可有效地提高大型互联系统的动态性能,但广域信号传输带来的时滞对广域电力系统关键模态产生显著影响,从而改变闭环系统稳定性,因此关键模态时滞变化轨迹分析对于广域阻尼控制设计具有重要理论意义。首先采用Pade近似方法将时滞环节转化为状态空间表达式,从而建立考虑时滞环节的电力系统线性化模型;之后建立时滞对电力系统机电模态的影响关系模型;采用Arnoldi特征值计算方法研究时滞对区间振荡模态、局部振荡模态和时滞相关模态的影响规律。以四机两区域系统和New England系统为测试系统,仿真结果表明该方法能够较准确地求解上述模态随时滞变化趋势,从而验证了该方法的有效性。     

实时电价下电动汽车变参与度动态频率控制策略

针对大规模间歇性新能源并网造成的电力系统频率不稳定问题,提出利用电动汽车作为一种有效的需求侧响应资源,为电力系统提供辅助调频服务。在充分分析用户参与辅助调频服务受电价影响行为特征的基础上,提出了基于变参与度的电动汽车动态频率控制策略,可有效评估实时电价（real-time pricing,RTP）环境下电动汽车参与系统调频服务的响应能力。仿真结果表明：在RTP环境下,基于变参与度的电动汽车频率控制策略能够充分利用电动汽车负荷的充放电特性为电力系统提供动态辅助调频服务,有效支撑电力系统的动态频率稳定。     

高风电渗透率系统的模糊自适应虚拟惯量控制

随着风电大规模并网,电力系统逐渐发展为低惯量系统,广泛推广风电机组转子惯性控制技术对于提高系统的频率稳定性具有重要意义。该文通过对双馈风电机组和火电机组调频特性的分析以及对双馈风电机组等效惯性常数的研究,提出了风-火系统模糊自适应虚拟惯量控制策略。首先根据风电机组运行工况和系统风电渗透率模糊动态决策出了风电场调频比例系数,其次基于风电机组辅助惯性控制微分系数与风电机组等效惯量常数的关系和风火联合增量系统模型整定了风电机组虚拟惯性控制参数的变化范围,最后设计算例验证了所提自适应调频控制策略的有效性。仿真结果表明该策略不仅使得风电机组在各种运行工况下均能够提供可靠的有功支撑,还保证了调频过程中风电机组的稳定运行,提高了系统的频率稳定性。