基于多类型FACTS装置的复杂电力系统时滞相关鲁棒阻尼控制方法

Aiming at the low frequency oscillation (LFO) problem of the large-scale and complex power systems, and combing the newly development of modern information technology of smart grids, power electronics conversion technology and advanced control technology, this project investigates a delay-dependent robust damping control strategy for multiple flexible AC transmission systems (FACTS) devices, in order to damp multiple LFO modes and improve the stability and the security of large-scale interconnected power systems. The reasons of exciting LFO as well as the action mechanism of the LFO are revealed in theory by means of analyzing interconnected systems with wide area measurement systems (WAMS). The small signal stability of multiple FACTS control system is analyzed by considering the AC/DC conversion characteristics and the real control characteristics of the voltage source converter (VSC) and the current source converter (CSC). The delay-dependent dynamical model of power systems is established by considering the delay effects of wide area signals, and the stability condition of such model on the delay effects is addressed by a free weighting matrix method. Based on this, a class of new design methods about the delay-dependent wide area damping control system is proposed, and the coordinated robust control of multiple wide area damping controllers is realized. The research results of this project has significant science meanings for opening up a new field for the power system stability analysis and control as well as the promotion of the development of smart grids.

本项目针对当前大规模复杂电力系统普遍存在的低频振荡问题，结合现代智能电网信息技术、电力电子变换技术和控制技术的新发展，研究一种考虑广域信号时滞影响的多类型柔性交流输电系统（FACTS）时滞相关鲁棒阻尼控制方法，以同时抑制多个低频振荡模式，提高大规模互联电力系统的运行稳定性和安全性。通过分析基于广域测量系统的互联电力系统，从理论上揭示其发生低频振荡的成因以及造成这些成因的作用机制；考虑电压源型和电流源型换流器的交直流变换特性与实际控制特性，研究多类型FACTS控制系统的小信号稳定性；分析广域信号时滞对电网的影响，建立电力系统时滞相关动力学系统模型描述；应用自由权矩阵方法，研究一类对时滞效应具有更大容忍度的稳定性新判据，由此提出一类新颖的时滞相关广域阻尼控制设计方法，实现多个广域阻尼控制器的协调鲁棒控制。研究成果将开辟电力系统稳定性分析与控制的新领域，对促进智能电网的发展具有重要的科学意义。

低频振荡尤其是区间振荡是电网互联过程中不可回避的一个典型的稳定性问题。低频振荡在一定程度上降低了互联电网的功率传输容量，桎梏了电网互联的发展规模；同时，降低了互联电网的稳定运行裕度，对电网的安全与稳定运行造成了相当程度的破坏。因此，本项目对复杂电力系统低频振荡的产生机理与抑制原理进行研究，在此基础上，对不同的柔性交流输电系统(FACTS)装置的及其控制系统的稳定性分析研究，并结合多类型FACTS装置及广域测量系统，构建广域鲁棒协调控制系统的设计方法研究体系，对于电力系统广域稳定控制的发展有重要意义。. 本项目针对产生低频振荡的电力系统，在时域范围内对占优的低频振荡模式进行了分析，计算出振荡频率和阻尼比，揭示出互联电力系统发电机参与主导振荡模式的参与因子和振型，实现了对电力系统振荡机组和振荡区域的划分。针对电力系统广域信号引起的时延问题，提出了一种STATCOM的广域附加阻尼控制器的设计方法，将控制器设计转换为时滞输出反馈控制问题，基于自由权矩阵方法和极点配置方法整定控制器参数,所设计控制器能够有效的抑制电力系统低频振荡，同时还具有一定的时滞稳定裕度。针对带有信号延时区域间振荡，提出了一种带有高压直流附加控制器（HVDC）的时滞依赖型广域阻尼控制策略，基于时变延时控制器特性，将HVDC/AC互联系统线性化成一个标准的时滞依赖型线性化模型，基于鲁棒H∞设计方法来确定最优状态反馈控制器参数。针对多类型FACTS的协调鲁棒控制问题，设计了一种考虑WAMS传输信号时延的SVC和TCSC的基于自由权矩阵方法的H∞阻尼控制器，以提高电力系统的动态性能。最后，基于RT实验室建立系统闭环测试平台，应用于多机互联电力系统中，对所提出的广域阻尼控制策略的软件和硬件进行了设计与实现，验证所提方法的有效性。. 通过研究，本项目提出一类新颖的时滞相关广域阻尼控制设计方法，并实现多个广域阻尼控制器的协调鲁棒控制，研究成果对于拓展电力系统稳定性分析与控制领域，促进智能电网的发展具有重要意义。