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云南电网是一个典型的高比例水电大规模直流送出系统,运行中多次发生自动发电控制(automaticgeneration control,AGC)过程不稳定导致的频率振荡现象。结合云南电网实际,建立包含AGC控制环节的频率稳定性分段线性化分析模型,通过特征值分析方法研究云南电网运行方式变化对系统小干扰稳定性的影响,揭示在水电机组一次调频死区以内AGC系统超调是引起云南电网分钟级频率振荡的原因。提出高比例水电系统AGC频率偏差系数的整定方法,通过设置次紧急区区域控制偏差(area control error,ACE)反向抑制策略和紧急区恒定频率控制(flatfrequencycontrol,FFC)...

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高比例水电系统 控制策略 频率振荡 一次调频 自动发电控制

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云南电网是一个典型的高比例水电大规模直流送出系统,运行中多次发生自动发电控制(automaticgeneration control,AGC)过程不稳定导致的频率振荡现象。结合云南电网实际,建立包含AGC控制环节的频率稳定性分段线性化分析模型,通过特征值分析方法研究云南电网运行方式变化对系统小干扰稳定性的影响,揭示在水电机组一次调频死区以内AGC系统超调是引起云南电网分钟级频率振荡的原因。提出高比例水电系统AGC频率偏差系数的整定方法,通过设置次紧急区区域控制偏差(area control error,ACE)反向抑制策略和紧急区恒定频率控制(flatfrequencycontrol,FFC)切换策略,兼顾小干扰下的稳定性以及大扰动下的速动性。研究成果已在云南电网实际运行中验证,云南电网频率合格率显著提高。

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高比例水电系统 控制策略 频率振荡 一次调频 自动发电控制

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当前电力系统小干扰稳定性分析普遍使用基于增广状态矩阵描述的线性化模型。然而,该模型的实现较为复杂,且编程繁琐,为后续的计算分析带来极大不便。鉴于此,本文提出了一种基于矩阵束的新型电力系统线性化模型,并给出了建立在新模型上的特征值求解的位移逆变换稀疏实现方法、灵敏度求解、能控能观性分析等多个特征分析技术。新模型易于建模和编程,具有更好的稀疏性,适合大规模电力系统的小干扰分析。最后结合典型系统算例验证了该模型的正确性。

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矩阵束模型 能观性与能控性 特征值灵敏度 位移逆变换 小干扰稳定

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当前电力系统小干扰稳定性分析普遍使用基于增广状态矩阵描述的线性化模型。然而,该模型的实现较为复杂,且编程繁琐,为后续的计算分析带来极大不便。鉴于此,本文提出了一种基于矩阵束的新型电力系统线性化模型,并给出了建立在新模型上的特征值求解的位移逆变换稀疏实现方法、灵敏度求解、能控能观性分析等多个特征分析技术。新模型易于建模和编程,具有更好的稀疏性,适合大规模电力系统的小干扰分析。最后结合典型系统算例验证了该模型的正确性。

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矩阵束模型 能观性与能控性 特征值灵敏度 位移逆变换 小干扰稳定

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针对电网电压骤升后光伏电站并网点电压远高于额定值运行的场景,研究光伏变流器基于自身无功容量对并网点电压进行调节时光伏并网系统的小干扰稳定性变化。首先,从电力系统功率传输理论的角度推导得到并网点电压/无功灵敏度,给出并网变流器抑制光伏电站并网点电压升高的机理;其次,建立光伏并网系统的小信号模型,并据此对光伏系统无功电压调节前后进行特征值分析。研究结果表明,电网电压骤升后增加并网变流器吸收的无功功率有助于改善光伏系统的小干扰稳定性。最后,通过时域仿真验证了本研究结论及其理论分析的正确性。

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电压骤升 光伏并网系统 无功电压调节 小干扰稳定性 小信号模型

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随着新能源的大规模发展，太阳能发电和风力发电将主宰未来电力系统。然而，以光伏发电为主的太阳能发电和以变速风机为主的风力发电的主力发电设备都不是传统电力系统中的同步发电机组。由于光伏电站没有旋转设备，主流的风电机组的转子动能和系统频率解耦，这两种新能源发电设备都不能天然地为系统提供惯性支持。惯性，即惯性时间常数，是系统中储存在同步电机中转子动能的度量。当系统频率发生变化时，提供惯性的同步机组通过转子转速的变化吸收或释放能量来保持系统的频率稳定和减缓系统功角的变化速度。大量常规的火电机组被风电、光伏替代将导致系统的惯性不断下降。低惯性给电力系统运行的带来了严峻的挑战，惯性下降对系统安全稳定运行的不利影响及解决这些问题的可行方案亟待研究。本文主要研究如下： 首先，本文从小干扰稳定性，暂态稳定性和频率动态过程三个方面分析了同步机转子惯性对于电力系统运行各方面的影响。研究表明：单机系统惯性越小，到达极限切除角度所需要时间越短，系统受到大扰动后更容易发生暂态失稳；惯性不会影响扰动后系统的稳态频率，但惯性越小，有功缺额后系统最低频率会越低。为了保证系统频率质量，除挖掘常规机组的惯性提供潜力外，也可通过加快发电机一次调频的响应速度。 其次，为了在机组组合模型中考虑各节点相角，电压，无功和系统网损，本文对传统极坐标下的交流潮流模型进行了凸松弛处理，使其可以作为约束条件加入机组组合模型中，并能通过已有的商业软件找到其全局最优解。针对已有的凸松弛方案中系统节点相角误差大的问题，本文将正弦函数分为两部分，每一部分分别通过正弦函数的多条切线来确定其边界，可以在相角差范围很大的情况下达到很高的松弛精度。通过IEEE 24节点算例，验证了改进措施对于原凸松弛模型相角求解精度的提高效果。 最后，本文采用了更贴合实际的发电机原动机和调速器模型，相比一阶惯性环节更加精确，计算出的系统的最低频率也更具有参考价值。本文采用隐式梯形法对微分方程表示的原动机和调速器模型进行差分化处理，将其作为约束条件加入到机组组合模型中。本文建立了考虑惯性对于电力系统运行影响的机组组合模型，通过有功缺额后系统最低频率的约束体现惯性的影响。算例分析表明：较传统发电机组，可变速抽水蓄能机组的调频能力更强，响应速度更快，其投运时段中有功缺额后系统的最低频率更高。对于系统的热备用而言，在低惯性电力系统中，为了应对频率波动，系统中留有的热备用不仅总量要够，各机组各自的备用也要够，同时系统中的快速调频资源在新能源出力波动多发时段需要及时投入，才能保证系统的频率质量。

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惯性 机组组合 可变速抽水蓄能 频率动态过程 凸松弛

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近年来由于核电机组的相继投产及中小型燃汽轮机的使用，使得无刷励磁系统得以发挥其潜能。对于大型的无刷励磁系统，需要配合附加励磁限制器来改善系统阻尼，抑制系统出现的低频振荡。由于无刷励磁系统的主环增益提高，辅助励磁限制器的关键参数可调节稳定域极大地缩小。因此，基于无刷高起始响应励磁系统，本文以低励和过励限制器的性能为研究内容，开展了以下工作 。 （1）分析了无刷高起始响应励磁系统主环增益提高的原因，并简单介绍了低励限制器和过励限制器的工作原理和结构模型，为后续研究打下基础。 （2）对经典单机无穷大系统下的Heffron-Philips模型进行扩展，同步发电机采用IEEE AC2A型无刷高起始响应励磁系统，且分别由低励限制器和过励限制器控制励磁。在典型工况下，利用阻尼转矩分析法，分析了励磁辅助限制器如何影响发电机的机电振荡回路，为内部机理研究提供了理论依据。并利用Matlab/Simulink进行频域仿真验证，确定了低励限制器的控制增益及延迟时间常数和过励限制器的控制增益及测量时间常数是影响系统稳定性的关键因素。 （3）针对工程中的Ⅰ型无刷高起始响应励磁模型开展更详细的无穷大系统小干扰建模，采用特征值分析和模态分析法，确定可以作为稳定性判据的关键特征值。通过单变量分析法研究了具体低励限制器和过励限制器模型关键参数的整定范围，并提出优化参数的方案设想。 （4）最后，利用PSASP/UD搭建Ⅰ型无刷高起始响应励磁及其低励限制器和过励限制器模型，在单机无穷大系统中进行仿真分析，主要包括发电机故障后触发辅助限制器动作的暂态分析，以及辅助限制器控制励磁时系统的小干扰稳定性分析，研究表明无刷高起始响应励磁系统中辅助限制器参数再整定具有实际意义，并提出具体的改善低励和过励限制器性能的参数整定意见和优化方案，并通过试验加以验证。

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低励限制器 过励限制器 无刷高起始响应励磁系统 小干扰稳定性分析 阻尼分析

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模块化多电平换流器(MMC)作为新一代高压大功率换流装置，在应用时，具有交流输出无需复杂的滤波装置，可向弱受端系统输电等诸多优点，被认为是柔性直流输电的代表性技术。本文主要是研究MMC的控制策略并对其进行稳定性分析。 本文第二章首先对MMC的拓扑结构和工作原理进行简要介绍，传统控制策略是将功率控制和环流抑制分别考虑，割裂了二者之间的联系。而本文是对数学模型进行αβ坐标变换，建立同时包含输入电流与环流的数学模型。在此基础上对MMC系统的矢量控制策略进行研究。除此之外还考虑了桥臂内部动态均压策略。本文对MMC系统建立小信号模型，进行小干扰稳定性分析，通过编程验证系统的稳定性。最后，在MATLAB中搭建仿真模型，仿真结果表明矢量控制策略具有良好的控制效果。 第三章将IDA-PBC理论应用于MMC系统，推导了MMC换流器的端口受控哈密顿系统模型（PCH）。同时对输入电流和环流两种频率分量进行建模。在此基础上，对MMC系统进行IDA-PBC控制器设计。本文对两种典型情况设计了具体的IDA-PBC控制器。由于指数稳定控制方法在阻尼参数选择范围上存在困难，因此本章仅对互联结构不变的控制器进行仿真研究，仿真结果表明IDA-PBC控制策略具有良好的控制效果。 本文对矢量控制策略和IDA-PBC控制策略在相同条件下进行了对比研究。MMC系统工况设定为功率给定阶跃，仿真结果表明，IDA-PBC控制策略具有更好的动态特性、较强的鲁棒性，在矢量控制不能及时调整控制参数时IDA-PBC具有更强的稳定性。 针对电网中存在的串联系统、并联系统、反馈系统，分别就其同时采用IDA-PBC控制策略的稳定性进行研究分析，通过计算，证明上述三种系统中当单一系统采用IDA-PBC控制策略具有稳定性时，则同时采用IDA-PBC控制策略的互联系统仍能够保证系统的稳定性。 最后，建立交流侧不对称故障时考虑系统负序分量的数学模型，建立相应的PCH模型，设计互联结构不变的IDA-PBC控制器，分析其稳定性。最后在仿真中验证系统发生对称故障和不对称故障时IDA-PBC控制器的控制效果。仿真结果显示当系统发生对称故障和不对称故障时，采用IDA-PBC控制策略均具有良好的控制效果。

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MMC 控制策略 数学模型 稳定性 无源控制

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多端柔性直流（VSC based Multi-terminal Direct Current, VSC-MTDC）输电能够实现多电源供电、多落点受电，还可用于连接多个交流系统或者将交流系统分为多个孤立运行的电网，比传统直流输电具有更好的经济性、灵活性及可靠性。多端柔性直流输电将来可能在远距离、大容量功率传输中发挥重要的作用，为以后构建直流电网和发展“能源互联网”提供重要的技术支撑。目前，VSC-MTDC直流输电技术仍处于初步发展阶段，还有大量学术和工程问题尚未得到合理解决。本文将在前人工作的基础上，对含VSC-MTDC交直流电力系统的建模、数值仿真方法、稳定性分析以及协调控制等方面进行了深入的研究，主要工作如下： （1）研究了适用于交直流电力系统机电暂态仿真的VSC-MTDC数学模型。首先，根据VSC换流阀的电路结构，建立了能够揭示VSC-MTDC内部特性和物理过程的开关函数模型；然后，基于输入输出法，通过合理简化得到了适用于暂态稳定性分析的VSC-MTDC模型，该模型包括VSC交流侧模型、直流部分的模型、VSC各种控制器的模型三个部分，具有一般性，为后续研究奠定了坚实的基础。 （2）研究了含VSC-MTDC的交直流电力系统暂态稳定性分析方法。首先，给出了交直流接口的等效电路，并推导出VSC注入直流网络和交流电力网络的电流表达式。然后，根据各动态元件的输入输出关系将它们连接，从而形成了含VSC-MTDC的交直流电力系统综合数学模型。接着给出了稳定性分析中VSC控制器各种限制环节的处理方法。最后，采用模块化设计，在MATLAB平台上开发了一套通用性较强的含VSC-MTDC的交直流电力系统机电暂态仿真程序。通过仿真计算，与PSCAD电磁暂态的仿真结果对比，验证了所建立的模型和所用方法的正确性和有效性。将所编程序应用于直流电网拓扑更复杂且存在多个异步交流系统的二十三端VSC-MTDC测试系统的仿真，证明了所编程序具有较强的通用性，可用于含VSC- MTDC大规模交直流电力系统的仿真及暂态稳定性分析等研究。 （3）研究了含VSC-MTDC的交直流电力系统小干扰稳定性分析方法。首先，推导了VSC-MTDC系统的线性化模型，将其分为VSC部分和直流部分两个模块；然后根据各模块间的输入输出关系，将VSC-MTDC系统的线性化模型与交流系统的线性化模型进行连接，从而形成全系统的线性化模型；最后，根据所得到的模型在MATLAB平台上开发了含VSC-MTDC的交直流电力系统小干扰稳定性分析程序。该程序与机电暂态程序共用一套计算数据和数学模型，因此可以非常方便地用这两个程序进行计算，并能够彼此验证，为含VSC-MTDC的大规模交流直流电力系统稳定性分析提供了有力的手段。 （4）研究了锁相环和VSC控制参数对系统动态特性的影响。研究表明：在交流对称故障下，锁相环对系统的动态特性没有显著影响，因此在暂态稳定性分析中可忽略不计；直流电网的弱阻尼特性表现为各换流站直流电压之间的振荡，各控制器的控制参数若协调不当可能会降低直流电网的阻尼性能，但对交流系统的阻尼性能没有显著影响；交直流混联系统除了同步转矩不足导致的功角失稳外，还存在另一种由直流电压崩溃引起的失稳现象。直流电压间的激烈振荡会引起直流电网的电压崩溃，使得交流系统在没有到达其稳定极限时便失稳（异常的功角失稳），这种失稳现象明显不同于功角摇摆失稳。以上两种不同的失稳现象可通过分析直流电压的动态曲线加以区分。 （5）为了消除或降低多个控制器间的交互影响，并改善直流系统的动态响应特性以及提高交流系统的稳定性，借助于时域仿真程序，提出一种基于粒子群算法的多目标优化协调方案。首先，建立了VSC控制器及直流调制器参数的优化数学模型，其目标函数综合考虑了反映交流系统振荡的变量和反映直流系统振荡的变量；然后，利用PSO算法进行优化搜索，得到了在系统暂态过程中综合表现较优的控制器参数配置方案。时域仿真表明，过度地提高交流系统的阻尼特性会加剧直流电压的振荡，严重时会导致直流电压崩溃，进而引起交流系统异常的功角失稳。采用本文所提出的多目标优化方法，不仅能够有效地抑制交流系统区域间的低频振荡，而且能够避免由直流电压剧烈振荡而导致的崩溃现象，增强整个系统的稳定性。最后，在不同的故障地点和不同的系统网架结构下，验证了所提多目标优方法的优越性和鲁棒性。 （6）针对传统定斜率直流电压下垂控制器的不足，基于模型预测控制设计了一个用于协调各下垂换流站的中央控制器。首先，建立了VSC-MTDC系统的预测模型；然后给出了目标函数及其优化问题求解的方法，并简要阐述了该中央控制器的基本结构及工作原理；最后，将模型预测控制方法与定斜率下垂控制方法的控制效果通过时域仿真进行了对比，证明了所提方法的有效性、优越性及灵活性。研究发现：通过协调地调整各下垂换流站的下垂系数，能够实现整个直流电网的定直流电压控制；各下垂换流站还能根据自身的功率裕度合理地自动分配功率，无需切换控制方式便可避免换流站过载运行的现象，此时该换流站仍处于下垂控制模式，因此保留了它对直流电压的控制能力；在换流站故障停运等极端工况下，本文所提的协调控制方法仍能实现定直流电压控制，避免直流电压较大的波动。此外，还可根据需要任意指定某些下垂换流站实现定有功功率控制或令其输出的有功功率在某个特定范围内变化，以满足电力市场中各种功率调度的需求。

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参数优化 电压源换流器 多端柔性直流输电 机电暂态模型 模型预测控制 稳定性分析方法 线性化模型 协调控制 直流电压下垂控制器

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随着电力系统规模的不断扩大，发电机之间的电气距离增大，电力系统低频振荡问题日渐显现，高起始响应励磁系统的使用则有助长作用，因此有必要深入研究低频振荡的产生机理、影响因素及控制措施。实践表明PSS是抑制电力系统低频振荡的有效措施，但其参数整定方法还有待完善。因此，本文研究了低频振荡的产生机理、分析了发电机的阻尼特性，并提出了基于负荷波动的PSS参数整定方法，主要工作如下： （1）探究了励磁系统参数对电力系统稳定性的影响、分析了低频振荡的产生机理。对于几种不同类型的励磁系统，推导了相应的线性化方程，利用劳斯判据分析了励磁系统参数对电力系统稳定性的影响，得到高起始响应励磁系统能够增强电力系统的暂态稳定性，但可能引起电力系统的小干扰稳定性问题的结论。 （2）研究了低频振荡中发电机的阻尼特性，实现了发电机电磁转矩的时域分解。建立了孤机大电网体系低频振荡模型，据此推导出发电机同步转矩、阻尼转矩与发电机电磁转矩和转速的关系方程，得到了发电机合成同步转矩、阻尼转矩与发电机参数及运行工况的关系，发现系统远距离、重负荷的输电特性以及高起始响应励磁系统的应用是低频振荡发生的主要诱因。在PSCAD中搭建了孤机大电网体系的时域仿真模型，利用发电机电磁转矩和转速的时域波形，通过滤波、测量滞后角度、幅值测量等环节实现了时域中电磁转矩的分解。该方法可得到发电机运行过程中同步转矩和阻尼转矩的实时信息，为发电机并网运行提供了重要参考。 （3）分析了PSS抑制低频振荡的原理并优化了孤机大电网体系中PSS的参数。首先使用现代控制理论推导出孤机大电网体系中PSS提供正的附加阻尼转矩的参数条件。然后在MATLAB中用模糊聚类的方法处理电力负荷数据，基于聚类结果建立了孤机大电网体系PSS参数优化的目标函数，并用基因遗传算法实现了PSS参数的优化。这种PSS参数整定方法计及了负荷的波动，使PSS能够在多种运行方式下有良好的阻尼效果。 （4）分析了多机体系中各机组之间的相互作用，提出了确定多机体系中PSS安装位置及PSS参数整定的方法。首先基于孤机大电网体系的低频振荡模型建立了多机体系的低频振荡模型，然后利用现代控制理论分析了各机组之间的交互作用对发电机同步转矩和阻尼转矩的影响。通过求取振荡模式对不同位置PSS增益的灵敏度，确定在灵敏度参数最大的位置安装PSS。PSS参数整定是通过基因遗传算法求解计及负荷波动的多机体系PSS参数优化的目标函数，该方法能够使多台PSS在系统多种运行方式下都能提供良好的阻尼效果。

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参数优化 低频振荡 电力系统稳定器 励磁系统 阻尼特性

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