具有交直流互联的电力系统能量协调暂态稳定控制研究

This project presents a coordinated energy distributed transient stability control strategy for AC/DC inter-connected power systems, based on the design of generalized state and perturbation observer and bang-bang funnel control scheme. The main contributions of this project are summarized as follows...First, a coordinated energy distributed transient stability control strategy will be proposed for AC/DC inter-connected power systems. The control strategy should be able to make use of all the controllable devices in power systems, and all the controllable devices are designed to contribute in a switching and coordinated manner for the transient stability of power systems. The design of the control strategy should not rely on the accurate model of power system, and it can provide a maximum control capability for the transient stability of power systems...Second, concerning the transient stability of AC/DC inter-connected power systems is significantly influenced by the reliable operation of LCC-HVDC systems, this project will also study the commutation failure mechanism of LCC-HVDC systems in instantaneous time scale. The voltage dynamics of complex power networks will be studied from the view of instantaneous reactive power. The commutation failure attenuation performance of different strategies will be investigated in the aspect of capacity requirement, control performance as well as the cost for the realization of the control strategy...Third, this project will compare the control performance of the proposed transient stability control method and the conventional transient stability control method, and investigate the minimum realization of the proposed controllers, namely, find the smallest number of controllable devices that should be controlled with the proposed control strategy and are able to guarantee the transient stability of the system.

针对具有交直流互联的电力系统的暂态稳定控制问题，本项目将首先从系统级能量协调的角度探索基于扩展状态和扰动观测器和逻辑开关控制器的能量协调分布式暂态稳定控制策略，该控制策略应能够灵活调动电力系统内的可控资源使其协同一致为系统的暂态稳定做贡献，同时控制策略的设计应不依赖于系统的精确建模，可以在电力系统的暂态过程中发掘控制设备的最大控制能量；其次，考虑交直流互联电网的暂态稳定性与LCC-HVDC的可靠运行密切相关，本项目将探索瞬时动态时间尺度的LCC-HVDC换相失败机理及其抑制措施，将对复杂电网络在瞬时无功功率层面的电压动态特性进行探索，同时从配置容量、控制效果和经济性的角度对不同的换相失败抑制策略进行对比研究；此外，本项目将对比分析所提能量协调分布式暂态稳定控制策略与传统暂态稳定控制策略以探索所提控制策略的最小实现。

针对具有交直流互联的电力系统的暂态稳定控制问题，本项目首次提出基于能量协调的暂态稳定控制理论。项目在以下七个方面取得重要进展：（1）提出了适用于高阶输入输出标准型系统和具有下三角结构系统的串联滑动模观测器和级联观测器，通过构造李雅普诺夫函数证明了级联观测器观测误差的收敛性，以及闭环系统的稳定性，基于级联观测器实现了同步发电机和风力发电机的非线性自适应控制；（2）首次提出基于模态观测的自适应逻辑开关控制及其稳定性证明方法，采用李雅普诺夫函数法和前推回代法证明了自适应逻辑开关控制系统的闭环稳定性，项目将该方法应用于同步发电机、直流输电系统、风力发电机的最大能量控制；（3）提出含风力发电和柔性直流输电系统（MMC-HVDC）的交直流混联系统暂态能量函数构建方法，定义了双馈风机和MMC换流器的虚拟功角与虚拟转速，构建了与双馈风机和MMC-HVDC状态空间模型等效的旋转质块运动方程，实现了风力发电机、MMC-HVDC与同步发电机的统一形式建模；（4）提出基于容错控制的交直流混联电力系统故障穿越控制方法，并应用于包含风电场、多端直流输电系统和交流电网的交直流混联电力系统，证明了容错控制下闭环系统的稳定性；（5）首次提出不依赖电力电子装置的风氢综合能源系统及其控制策略，为偏远地区风能利用提供了一种经济、可靠的方案，该系统不需要在风机中配置大容量电力电子换流器，大大降低风电设备投资成本；（6）在经典力学的理论框架下，构建了三相交流系统的动力学模型，并提出一种以节点磁链为未知量进行潮流分析的方法；（7）提出基于双降压解耦策略及开关控制的逆变器电压控制方法，通过开关控制器直接产生功率开关管触发信号，极大提升了逆变器的抗扰动能力。本项目所开展的研究具有独创性，有非常大的发展潜力和广阔的应用前景，不仅适用于电力系统的稳定控制，而且可应用于其他大规模异质异构系统的运行与控制，所研究的问题及提出的理论将推动整个电力能源系统控制理论的发展。