柔性直流配电系统多时间尺度稳定性与优化控制研究

The flexible DC distribution system realizes interconnection with AC system and integration of distributed generations and loads mainly by power electronic devices. System oscillation and instability at different frequencies readily occurs due to low inertia and weak damping. Based on the singular perturbation theory, researches to be carried out in this project are as follows. Firstly, multi-time scale dynamic characteristics and separation modeling of fast and slow subsystems will be studied, aiming to build the state space model of subsystems at different time scales involving high frequency, intermediate frequency and low frequency. This modeling method can reduce the state matrix dimensionality and simplify stability mechanism analysis. Secondly, based on the time scale separation method, the mechanism of system oscillation and instability at different time scales will be explored. Through sensitivity and root locus analysis of the subsystems, the key parameters and inducement causing oscillation and instability are extracted. This research can provide theoretical basis for control system design and parameter optimization. Thirdly, frequency decomposition technique is used to establish the robust stability control method. For the subsystems at different time scales, robust stability controller design, multi-scenarios droop coefficient optimization and operating point online adjustment are considered to improve the robust stability of the system. Through the research in this project, the mechanism of oscillation and instability of flexible DC distribution system is expected to be revealed, and a multi-time scale robust stability control method is expected to be established, which can provide theoretical foundation and technical support for stability control of flexible DC distribution system.

柔性直流配电系统大多采用电力电子设备与交流系统互联、接纳分布式电源与负荷，呈现低惯性弱阻尼特性，易产生不同频率的振荡甚至失稳现象。本项目拟基于奇异摄动理论，研究柔性直流配电系统多时间尺度动态特性以及快慢系统分离建模方法，建立高频、中频以及低频不同时间尺度的子系统状态空间模型，降低状态矩阵维数，简化稳定机理分析；研究基于时标分离的多时间尺度振荡与稳定机理，通过分析子系统的灵敏度与根轨迹，获取引发振荡的关键参数，揭示系统失稳的主导诱因，为控制系统设计与参数优化提供理论依据；研究基于分频优化的鲁棒稳定控制方法，分别面向不同频段的子系统，综合考虑鲁棒控制器设计、多场景下垂系数优化以及平衡点在线调整策略，提高系统鲁棒稳定性。通过本项目研究，以期揭示柔性直流配电系统的振荡与稳定机理，构建多时间尺度鲁棒稳定控制方法，为柔性直流配电系统的稳定控制提供理论基础与技术支撑。

项目面向柔性直流配电系统建立多时间尺度模型、揭示振荡与稳定机理、构建鲁棒稳定控制方法，在项目执行期，申请人按照计划完成了研究工作：1）研究了直流配电系统的多时间尺度动态特性，建立了低频、中高频不同时间尺度的微分方程模型，推导出低频及高频振荡的解析表达形式，并依据影响因素的灵敏度提出降阶等效模型；2）基于降阶后的二阶模型，通过解析的方式分析了振荡频率与关键参数间的关系，揭示了直流配电系统低频及中高频振荡的机理，研究结果表明低频振荡频率大小与电压环积分系数成正相关关系，与电压环比例系数成负相关关系，高频振荡频率与外环比例系数正相关关系，与交流侧等效电感、直流滤波电容与成负相关关系；3）提出了基于H∞回路成形的鲁棒控制方法，设计了低频及中高频鲁棒控制器，只需建立系统的标称模型，无需对依赖于问题的不确定性进行建模，能够实现对低频及中高振荡的有效抑制。针对电动汽车随机接入引起的振荡问题，提出了电动汽车恒流、恒压、恒功率充放电模式的统一虚拟惯量控制方法，在此基础上，提出了系统级、就地级分层虚拟惯量控制，提高了系统阻尼及系统动态特性。针对直流配电系统中下垂系数与系统参数不匹配引起的直流电压振荡问题，提出基于解析关系的下垂系数优化设计方法，依据振荡频率自适应设计下垂系数，提高了直流配电系统稳定性。提出了基于矩阵摄动理论的下垂系数优化方法，建立了综合考虑小扰动稳定性、阻尼比和稳定裕度等的优化目标函数，提升系统的稳定性的同时，能够增强系统的阻尼特性，提高系统稳定裕度。4）利用仿真模型对理论分析结果进行了验证，并搭建实验平台对部分结果进行了实验验证。