交/直流互联电力系统的非线性模态分析和柔性协调控制

现代电力系统的显著特征是形成大规模互联电网。高压直流输电(HVDC)由于其许多独特的优点，在远距离输电和大型互联电网中起着很重要的作用。因此，越来越多的电力系统采用交、直流互联电网。大型电力系统互联的目的是提高发电和输电的经济可靠性，但同时也带来一系列影响电力系统运行稳定性的新因素，需要引起注意并认真加以解决。改善与提高电力系统稳定性的主要手段是控制，互联电网的可靠性更需要借助于发展先进的控制系统来予以保证。而随着HVDC和FACTS等新型装置投入电力系统，一方面大大增加了系统的可控程度，另一方面也使系统的稳定性分析和控制特性变得更为复杂，由于使用局部、无协调的控制策略，各控制器之间可能存在不稳定的相互作用，这就需要各种控制措施的综合和协调。总之，互联电网的发展使电力系统稳定性分析和控制问题变得更加突出和重要。 本论文的研究目标即着眼于交、直流互联电力系统的稳定性分析和协调控制两大问题，尤其关注HVDC系统的特性分析和控制研究，进行了一些创新性的研究工作，主要有：提出了基于模态级数法的电力系统非线性模态分析方法，并首次成功地将其应用于交／直流互联电力系统的动态行为分析；提出了互联电网柔性协调控制系统的全新概念和架构，并基于此，应用Multi-agent系统(MAS)理论的原理建立了基于MAS的交直流互联电网柔性协调控制系统；以多馈入直流输电系统为对象，研究了多馈入直流输电系统中多个直流附加控制器的协调优化问题，并以南方电网实际工程为背景，进行了深入分析。 本文首先总结了国内外关于电力系统稳定性分析尤其是模态分析技术的研 究成果，在此基础上发展和提出了模态级数方法，阐述了其数学基础和理论体 系，并将其与线性模态分析方法和向量场的正则型方法进行比较。模态级数法 在电力系统中的应用是全新的，它扩展了线性系统理论的概念来理解和分析非 线性系统。 首次将模态级数应用到HVDC/AC互联电力系统中，系统地阐述了基于模态 级数法的HVDC/AC互联电力系统分析方法，提出了一种基于模态级数理论和符 号计算代数的综合分析技术，用来分析包含HVDC的电力系统的非线性模态交 互作用。提出了交直流互联电力系统模型中AC心C接口的处理方法，该方法概 念清晰，具有一般性，对所有FACTS装置接入电力系统时都适用，为将模态级 数法应用到包含新型大功率电力电子器件的现代电力系统分析提供了一般化的 方法。开发了基于模态级数法的HVDC/AC互联电力系统分析软件包，通过此软 件可以得到系统的非线性响应，获得非线性系统零输入响应的近似闭式解，进 行系统模态分析、非线性模态交互作用分析，并为控制系统设计提供有价值的 特征信息。 根据研究的目的，定义了一系列评价电力系统动态响应中非线性作用的影 响、非线性交互作用的影响等的性能指标;分别以三机纯交流系统和交/直流混 合输电系统作为测试系统进行研究，用模态级数法来研究系统遭受扰动后的动 态行为，分析系统的稳定性、振荡模态、非线性模态交互作用以及HVDC的加 入对电力系统振荡模态的影响，说明了模态级数法的有效性和强大功能。 本文总结了电力系统紧急控制的发展动态和方向，基于互联电网安全稳定 性的迫切要求，提出了互联电网柔性协调控制系统这一全新的概念和架构;根 据柔性协调控制的理念，研究多种电力系统控制器之间的协调问题，建立了基 于Multi一agent系统的柔性协调控制系统，提出了多种稳定控制器之间的协调优 化策略和算法，并将其应用于多馈入直流输电系统的协调控制研究;阐明了在 多馈入交/直流混合电力系统中，进行多个直流系统调制协调优化的必要性，提 出了基于非线性分析和目标函数最小化的多个直流调制的全局协调优化方法; 以南方电网多馈入直流输电系统为例进行仿真研究，结果证明了该协调控制系 统的有效性和鲁棒性。 最后，依托中国南方电网2005年网络规划实际工程项目，以提高南方电网 暂态稳定水平和改善区域间振荡的阻尼特性，提高西电东送输电能力为目标， 深入研究了南方电网中HVDC输电系统的附加控制器选择和多条HVDC输电系 统调制的协调问题，比较了各种反馈信号和控制器结构对直流调制效果的影响， 提出了2005年南方电网规划网络中贵广和天广直流输电系统的协调控制方案。 研究结果对改善南方电网的稳定性、提高西电东送的能力和保证系统安全可靠 运行有一定的参考意义。 关键词:交/直流互联电力系统高压直流输电模态级数非线性模态分析 柔性协调控制Multi一ageni系统多馈入直流输电系统直流调制 协调优化中国南方电网