时滞电力系统的小扰动稳定分析与负荷频率控制

【摘要】现代电力系统往往需要开放式通信网络进行信息的传输,这类网络可实现大范围和大数据量的信息交换,为从全局角度分析和控制电力系统提供了可能,但基于该网络传输的信息不可避免地存在时滞,它会影响系统性能甚至导致系统失稳,在电力系统的分析和控制中需考虑这些时滞的影响。时滞系统的理论研究已经得到了大量学者的关注,并提出了一系列分析和设计方法,但将这些方法用于解决实际工程问题的研究还较少,现代时滞电力系统为理论研究提供了应用平台,可验证这些方法的有效性,并探讨这些方法的改进方向以更好地处理实际问题。本文针对时滞电力系统的小扰动稳定性和负荷频率控制开展研究,在解决这些电力系统实际问题的同时也对时滞系统理论进行完善。本文的主要研究成果如下：(1)基于自由权矩阵的电力系统时滞相关小扰动稳定分析方法针对含时变时滞电力系统的小扰动稳定分析问题,指出现有基于频域研究存在的问题,即错误地认为定常时滞和时变时滞的时滞稳定裕度是一样的,基于Lyapunov直接法获得的时滞相关稳定判据,提出一种基于自由权矩阵的电力系统时滞相关小扰动稳定分析方法。该方法适用于更常见的时变时滞和随机时滞。针对安装不同励磁控制器的单机无穷大系统,利用所提方法计算时滞稳定裕度,分析励磁控制器相关参数与时滞稳定裕度的关系,为控制器的选择提供参考依据。(2)基于改进自由权矩阵的单区域电力系统PID型负荷频率控制的时滞相关鲁棒稳定分析方法针对单域电力系统PID型负荷频率控制(LoadFrequencyControl,LFC)的稳定分析问题,建立同时考虑通信时滞和参数不确定性的结构不确定性时滞系统模型,提出一种基于改进自由权矩阵的时滞相关鲁棒稳定分析方法。该方法相比传统方法具有更低保守性且更容易计算。针对安装PI或PID控制器的单区域LFC,利用所提方法分析控制器增益和参数不确定性与系统时滞稳定裕度的关系,讨论如何利用求得的时滞稳定裕度指导控制器设计(3)基于新型泛函和积分不等式的互联电力系统PID型LFC的时滞相关稳定分析方法针对互联电力系统多区域PID型LFC的稳定分析问题,考虑各控制区域问联络线的功率交换,结合单区域系统模型,分别建立传统环境和现代市场化环境下的多时滞系统模型,提出一种基于新型泛函和积分不等式的多时滞相关稳定分析方法。该方法基于更低保守性且更简单的稳定判据,可获得更准确的分析结果,更适合于研究具有高维数的大规模电力系统。针对两区域和三区域的PID型LFC,利用所提方法计算时滞稳定裕度,分析不同控制区域间时滞的相互影响,获得系统的稳定域,并探讨如何根据获得的稳定域对实际LFC的某些运行条件进行预设置。(4)基于时滞相关H∞输出反馈控制的电力系统PID型鲁棒LFC设计方法针对考虑通信时滞和负荷波动的电力系统PID型鲁棒LFC设计问题,采用负荷扰动描述不同控制区域间功率交换的耦合部分,建立基于静态输出反馈控制的时滞系统模型,提出一种基于时滞相关H∞输出反馈控制的设计方法。该方法利用改进自由权矩阵方法获取控制器的设计条件,其时滞相关性和H∞性能可分别保证系统对时滞和负荷扰动的鲁棒性；同时,该方法采用先计算后验证的步骤给出一种求解输出反馈控制器增益的新算法,为解决时滞系统输出反馈控制设计难题提供一种可行思路。针对三区域系统,利用所提方法设计LFC的PID控制增益,使对应的闭环系统在存在时滞、负荷扰动和参数不确定性时仍能很好地实现LFC的控制目标。(5)基于样本数据的控制系统分析与设计及其在电力系统离散LFC中的应用针对基于Lyapunov直接法的采样控制系统分析与设计问题,提出从弱化泛函正定约束条件来降低分析保守性的新思路,获得更有效的稳定性分析方法；同时,基于先计算后验证的控制器求解步骤,提出改进的参数设定控制器求解算法。针对电力系统实际LFC的反馈信号非连续更新问题,利用所提方法验证现有基于状态反馈的控制策略是否可工作于离散模式；同时,利用所提方法设计基于状态反馈的离散LFC,使基于非连续更新反馈信号的闭环系统仍可很好地实现LFC控制目标。
【作者】张传科；
【导师】何勇；吴青华；
【作者基本信息】中南大学，控制科学与工程，2013，博士
【关键词】时滞电力系统；时变时滞；小扰动稳定；负荷频率控制；时滞稳定裕度；Lyapunov直接法；

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