电力系统广域阻尼控制在线协调优化研究

电力系统低频振荡问题是影响我国电网安全与稳定的重要因素之一，低频振荡现象若得不到有效控制， 就会威胁电力系统的稳定运行，严重时会使电力系统崩溃，发生电网事故。电力系统广域信号的传输存在通信时滞，会影响电力系统广域阻尼控制器的设计和协调控制器的控制效果。控制器的种类和数量会随着电网复杂性的提高而增加，不同控制器之间存在的交互作用有可能不利于电力系统的控制性能，这样便会使电力系统变得较为脆弱。因此，深入研究电力系统广域阻尼控制及协调控制问题，对保证广域环境下的电力系统稳定运行和在线协调控制器参数具有重要的理论研究意义。
，本书研究未考虑时滞因素的常规电力系统广域阻尼控制问题。由于在电力系统辨识与控制中存在模型辨识误差因素，且模型辨识误差因素给电力系统的辨识与阻尼控制带来了很大的难题，常常会恶化阻尼控制效果。针对此问题，首先建立电力系统闭环模型结构； 其次基于递推小二乘法和Ｖｉｎｎｉｃｏｍｂｅ
距离理论提出一种迭代辨识方法，并给出该方法实现的全部步骤，该方法把辨识与控制问题结合在一起，可以得到电力系统模型和广域阻尼控制器模型；后以四机两区系统模型为例进行算例仿真，并与传统龙格库塔迭代辨识方法进行了对比分析。本书提出的方法与传统方法相比在振幅上有所减小，趋于稳定的时间减少了一半左右；对电力系统的转子角振荡进行控制时，趋于平稳的时间在１０ｓ 左右。
第二，本书研究考虑时滞因素的电力系统广域阻尼控制问题。在考虑模型辨识误差因素的基础之上，重点针对时滞问题，首先建立电力系统闭环时滞模型；其次提出一种考虑时滞(常数时滞和时变时滞) 因素的电力系统迭代辨识广域阻尼控制器设计方法，该方法中状态反馈控制器和反馈增益矩阵分别用线性矩阵不等式和极点配置法来设计，以解决时滞电力系统阻尼控制问题；后以四机两区系统模型为例进行算例仿真，并在不同时滞情况下进行对比分析，转子角及功率振荡可以在８ｓ 内趋于稳定，可以有效地抑制低频振荡，保证电力系统的稳定性。
第三，本书研究电力系统多阻尼控制器的在线协调控制问题。首先给出多阻尼控制器参数协调模型；其次提出一种球域人工免疫算法在线协调优化多阻尼控制器参数，该算法可以减少计算量，并且具有全局的搜索能力；后以四机两区系统模型为例进行算例仿真，并与动态指标优化方法进行对比分析，使用本书方法进行控制时，功率及转子角振荡曲线趋于稳定的时间缩短５ｓ 左右，而且振幅也要小一半左右。仿真结果表明该算法可以更有效地实现多控制器参数协调优化，提高电力系统的阻尼控制效果。
第四，在ＲＴＤＳ实验设备上对本书提出的理论进行验证。经验证，仿真结果与实验结果基本一致，所设计的算法都能有效地抑制低频振荡现象。
通过仿真实验及ＲＴＤＳ实验可知，考虑模型辨识误差因素设计的控制器以及含时滞因素设计的控制器能够更有效地抑制电力系统低频振荡现象；且通过球域人工免疫算法在线协调后的参数亦能有效地抑制电力系统低频振荡，仿真及实验均取得了较好的广域阻尼控制效果，可以为我国南方电网广域阻尼控制提供理论和技术支撑。

本书主要针对目前影响我国电网安全与稳定的重要因素的低频振荡现象进行研究。低频振荡若不能得到有效控制，就会威胁电力系统稳定运行，会使电力系统崩溃，发生电网事故。此外，电力系统广域信号的传输存在通信时滞，时滞会影响电力系统广域阻尼控制器的设计和协调控制器的控制效果。控制器的种类和数量在随着电网复杂性的提高而增加，不同控制器之间存在的交互作用有可能不利于电力系统的控制性能，这样便会使电力系统变得较为脆弱。因此，本书主要围绕未考虑时滞的电力系统阻尼控制、考虑时滞的电力系统广域阻尼控制以及各控制器间的在线协调控制三个科学问题进行研究，并对未来新能源接入电网后低频振荡问题中可能亟待解决的问题进行了展望，为相关科研工作者和工程技术人员提供了研究新思路。

于淼，北京建筑大学机电学院机械电子工程系硕士生导师，副教授。2020年获北京建筑大学“建大英才”称号，IEEE PES理事，中国人工智能学会会员，中国电机工程学会会员，北美华人电力协会会员，国家自然科学基金电工学科函审专家。主要从事城市电网的分析与控制、辨识与智能控制理论及应用、新能源发电与并网控制等方面的科学研究工作。2010年7月硕博连读毕业于北京理工大学自动化学院，2012年11月从清华大学电机工程与应用电子技术系电气工程博士后流动站出站，2019年3月澳大利亚科廷大学电气与计算科学学院公派访问学者，清华大学电力系统机发电设备控制和仿真国家重点实验室访问学者，并曾访问香港大学、台湾大学、中国科学院电工研究所以及新加坡国立大学、日本公立函馆未来大学等国内外知名高校和研究机构。曾作为负责人完成国家自然科学基金等多个项目，担任国内核心期刊《可再生能源》杂志编委以及国内外自动化和电气期刊和国际会议特约审稿人。近五年来以作者身份发表SCI、EI、核心期刊科学论文30余篇，国内外学术会议论文10篇，授权发明专利3项，申请发明专利4项，出版学术专著2部，并参与了日本北海道函馆、澳大利亚珀斯、马来西亚马六甲、意大利罗马、美国波特兰等多个国际学术会议及重要项目的组织工作。

第１ 章 绪论
１.１ 研究背景与研究意义
１. １. １ 研究背景
１. １. ２ 研究意义
１. ２ 国内外发展状况
１. ２. １ 电力系统广域阻尼控制研究现状
１. ２. ２ 考虑时滞因素的电力系统广域阻尼控制研究现状
１. ２. ３ 多阻尼控制器参数在线协调控制研究现状
１. ３ 本章小结
第２ 章 电力系统广域阻尼控制
２. １ 系统模型与基本理论
２. １. １ 多干扰环境电力系统模型建立
２. １. ２ 基本理论
２. ２ 基于迭代辨识方法的广域阻尼控制器设计
２. ２. １ 广域阻尼控制器性能改善的计算方法
２. ２. ２ 电力系统稳定条件
２. ２. ３ 基于迭代辨识方法的广域阻尼控制器设计步骤
２. ３ 算法收敛性分析
２. ３. １ 系统模型状态空间模型
２. ３. ２ 迭代辨识算法收敛性基本思想
２. ３. ３ 收敛性定理
２. ４ 四机两区域系统算例验证
２. ４. １ 电力系统辨识参数
２. ４. ２ 辨识电力系统模型与初始给定对象模型伯德图
２. ４. ３ 电力系统阶跃响应
２. ４. ４ 电力系统转子角振荡曲线
２. ４. ５ Ｖｉｎｎｉｃｏｍｂｅ 距离动态关系曲线
２. ５ 本章小结
第３ 章 考虑时滞因素的电力系统广域阻尼控制
３. １ 系统模型与稳定性判据
３. １. １ 电力系统真实模型
３. １. ２ 电力系统辨识模型
３. １. ３ 闭环稳定性判据
３. ２ 考虑时滞因素的迭代辨识方法与广域阻尼控制器设计
３. ２. １ 时滞状态反馈控制器和反馈增益矩阵的设计
３. ２. ２ 时滞广域阻尼控制器设计
３. ３ 收敛性分析
３. ３. １ 相关引理
３. ３. ２ 考虑时滞迭代辨识算法收敛性证明
３. ３. ３ 基于 Ｑ 因子的迭代辨识算法收敛速度分析
３. ３. ４ 收敛速度仿真
３. ４ 四机两区域系统算例验证
３. ４. １ 辨识结果
３. ４. ２ Ｖｉｎｎｉｃｏｍｂｅ 距离分析
３. ４. ３ 伯德图分析
３. ４. ４ 辨识模型的开环阶跃响应分析
３. ４. ５ 电力系统辨识模型的闭环阶跃响应分析
３. ４. ６ 考虑时滞闭环响应对比分析
３. ４. ７ 不同时滞下有功功率和转子角振荡曲线
３. ４. ８ 阻尼比分析
３. ５
本章小结
第４ 章 多阻尼控制器参数在线协调优化
４. １ 在线协调控制模型建立
４. ２ 球域结构人工免疫算法
４. ２. １ 算法步骤
４. ２. ２ 亲和度
４. ３ 四机两区域系统算例验证
４. ３. １ 控制器参数在线协调结果
４. ３. ２ 算法性能指标及亲和度
４. ３. ３ 在线协调控制模型的输出响应
４. ３. ４ 四机两区域系统转子角及功率振荡曲线
４. ４ 本章小结
第５ 章 ＲＴＤＳ 实验
５. １ ＲＴＤＳ 实验设备及实验流程
５. １. １ ＲＴＤＳ 实验设备
５. １. ２ ＲＴＤＳ 实验流程
５. ２ 电力系统广域阻尼控制 ＲＴＤＳ 实验
５. ２. １ 电力系统辨识参数
５. ２. ２ 电力系统辨识模型与初始给定对象模型伯德图
５. ２. ３ Ｖｉｎｎｉｃｏｍｂｅ 距离动态关系曲线
５. ３ 考虑时滞的电力系统广域阻尼控制 ＲＴＤＳ 实验
５. ４ 多阻尼控制器的参数在线协调优化 ＲＴＤＳ 实验
５. ４. １ 控制器参数在线协调结果
５. ４. ２ 算法性能指标及亲和度
５. ４. ３ 在线协调控制模型的输出响应
５. ４. ４ 云南—广东区域系统转子角及功率振荡曲线
５. ５ 本章小结
第６ 章 结论与展望
６. １ 结论
６. ２ 展望
参考文献

本书主要针对目前影响我国电网安全与稳定的重要因素的低频振荡现象进行研究。低频振荡若不能得到有效控制，就会威胁电力系统稳定运行，会使电力系统崩溃，发生电网事故。此外，电力系统广域信号的传输存在通信时滞，时滞会影响电力系统广域阻尼控制器的设计和协调控制器的控制效果。控制器的种类和数量在随着电网复杂性的提高而增加，不同控制器之间存在的交互作用有可能不利于电力系统的控制性能，这样便会使电力系统变得较为脆弱。因此，本书主要围绕未考虑时滞的电力系统阻尼控制、考虑时滞的电力系统广域阻尼控制以及各控制器间的在线协调控制三个科学问题进行研究，并对未来新能源接入电网后低频振荡问题中可能亟待解决的问题进行了展望，为相关科研工作者和工程技术人员提供了研究新思路。

于淼，北京建筑大学机电学院机械电子工程系硕士生导师，副教授。2020年获北京建筑大学“建大英才”称号，IEEE PES理事，中国人工智能学会会员，中国电机工程学会会员，北美华人电力协会会员，国家自然科学基金电工学科函审专家。主要从事城市电网的分析与控制、辨识与智能控制理论及应用、新能源发电与并网控制等方面的科学研究工作。2010年7月硕博连读毕业于北京理工大学自动化学院，2012年11月从清华大学电机工程与应用电子技术系电气工程博士后流动站出站，2019年3月澳大利亚科廷大学电气与计算科学学院公派访问学者，清华大学电力系统机发电设备控制和仿真国家重点实验室访问学者，并曾访问香港大学、台湾大学、中国科学院电工研究所以及新加坡国立大学、日本公立函馆未来大学等国内外知名高校和研究机构。曾作为负责人完成国家自然科学基金等多个项目，担任国内核心期刊《可再生能源》杂志编委以及国内外自动化和电气期刊和国际会议特约审稿人。近五年来以作者身份发表SCI、EI、核心期刊科学论文30余篇，国内外学术会议论文10篇，授权发明专利3项，申请发明专利4项，出版学术专著2部，并参与了日本北海道函馆、澳大利亚珀斯、马来西亚马六甲、意大利罗马、美国波特兰等多个国际学术会议及重要项目的组织工作。