大规模互联电网模型降阶及其区间低频振荡时滞鲁棒控制策略研究

Conventional control method for damping interarea oscillations employ ordinary differential equations model to describe the interconnected power systems, and can not accurately reveal damping control mechanism of interconnected power systems in the environment of wide area measurement system (WAMS), and so the performance of its damping controller may dramatically deteriorate or even have no effect when it is subjected to time delay. On the background of engineering application of WAMS, considering the fact that the size of the system becomes more and more larger, the project proposes a new algorithm to compute critical eigenvalues of large-scale power systems with time delay, and find the effect of time delay on the inter-area oscillation modes, the modes correlative to time delay, and the correlative parameter of generator on the modes correlative to time delay. And then a new evaluating index is introduced to conduct time delay robust control reduced-order model for damping interarea oscillation of interconnected power systems, which is used to evaluate the degree of approximation both the reduced-order system and the original system. Based on reduced-order model, free-weighting matrices (FWM) method is applied to obtain delay-dependent robust stability criterion with less conservativeness and to construct new interarea oscillation damping performance evaluation index. A feasible LMI based approach is given to design time delay robust damping controller, which extends the conventional damping controller design approach into time delay. According to the criterion and approach，a control strategy for coordinating different damping controllers, based on FWM method and swarm intelligent algorithm, is proposed to improve the ability of damping multiple interarea oscillations for interconnected power systems under certain time delays. These contributions can provide great theoretical and practical significance for stability operation and security scheduling for power systems in the environment of WAMS.

传统区间振荡控制方法采用常微分方程描述互联电力系统，难以精确揭示广域测量环境下互联电网区间振荡机理，所设计的阻尼控制器性能大大减低甚至失效。本项目依托广域测量系统工程应用背景，考虑系统规模日益扩大这一现实，研究大规模互联电网计及时滞情况下关键特征值或特征子集的求解方法，研究时滞大小对区间振荡模态的影响规律，研究时滞大小对和时滞最为相关的模态的影响规律,研究时滞相关模态与相关发电机参数之间的影响规律；提出新的评价指标并构建基于模型降阶的大规模互联电网区间振荡时滞鲁棒控制模型；采用自由权矩阵方法推导基于模型降阶的互联电网区间振荡时滞依赖鲁棒稳定性判据并建立新的区间振荡阻尼性能指标；给出工程可行的基于LMI的区间振荡时滞鲁棒阻尼控制器设计方法；提出基于自由权矩阵方法和智能算法的时滞鲁棒阻尼控制器协调控制策略。本项目的研究对广域测量环境下电力系统安全调度和稳定运行具有重要的理论意义和现实意义。

本项目以时滞电力系统为研究背景，在时滞影响规律，模型降阶，时滞鲁棒稳定性分析与控制和时滞鲁棒协调控制策略方面进行了深入研究，取得了下列研究成果：1）提出大规模时滞电力系统的双边Jacobi-Davidson特征值计算方法，该方法使用了不断扩展的右、左子空间进行特征向量的搜索，并通过求解低阶投影矩阵的广义特征值近似原矩阵的特征值；2）从频率特性和时域仿真角度获得时滞对系统稳定和控制器阻尼性能的影响特性；揭示时滞及PSS放大倍数等关键参数对区间振荡模态、本地振荡模态和时滞控制模态的影响规律；3）提出时滞电力系统频率加权残差模型降阶方法，该方法方法有效保留了区间低频振荡特性，大大降低了稳态阶段的截断误差；在此基础上，构建一个有限频误差系统传递函数的最大奇异值函数作为模型降阶指标，然后结合投影引理、Schur补引理等基本不等式工具，从而构建了考虑低频振荡频率范围下的时滞电力系统的模型降阶方法；4）提出基于H∞混合灵敏度的时滞鲁棒控制器设计方法。通过权函数W1(s)的选取保证了电力系统在存在平衡点漂移等扰动时控制器的阻尼性能；通过权函数W2(s)和W3(s)的选取抑制了时滞环节近似对阻尼控制性能的影响。5）考虑在区间下限不为零的时变时滞系统中，运用积分不等式方法推导出基于Lyapunov稳定性定理的一类线性时滞系统稳定性判据，减小了交叉积项存在的保守性；根据局部振荡和区间振荡控制策略的差异性，提出双层结构阻尼控制器的设计方法；最后运用上述提出的时滞稳定性判据求解电力系统最大时滞稳定上限；6）基于几何可观/可控性指标，Pade近似方法，时间乘绝对误差积分准则(ITAE)和智能优化算法，提出一种时滞电力系统阻尼优化控制设计方法，该方法大大地增强了闭环系统耐受时滞的能力，提高系统时滞稳定边界；7）提出一种时滞电力系统时滞补偿及广域阻尼控制器优化设计方法。该方法引入统一Simth预估补偿控制有效地削弱时滞对控制器控制性能的影响，大大地增强了闭环系统耐受时滞的能力；基于ITAE准则的广域PSS优化设计方法，有效地降低了电力系统响应的超调量和调节时间，使电力系统更快达到稳定状态。上述研究成果对大规模互联电网安全调度和稳定运行具有重要的理论意义和现实意义。项目研究发表SCI论文7篇，EI论文21篇，申请授权国家发明专利1项；培养青年教师2名，硕士研究生8名。