基于平方和近似的交直流系统李雅普诺夫函数求解与稳定域分析

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近年来,随着直流输电馈入比例增加,交直流系统的动态特性与传统交流系统相比发生了很大的变化。由于其复杂的结构和直流换流器快速响应的控制特性,电力系统非线性和复杂程度逐渐增大。此外,多时间尺度的动态环节相互影响,系统模型随着控制模式的切换而变化。因此,交直流系统故障后的暂态稳定性分析非常复杂。如何更准确地分析交直流系统的暂态稳定性,为指导交直流系统的暂态稳定控制提供可靠的定量信息,已迫在眉睫。当前,对电力系统暂态电压稳定性的研究还是主要基于时域仿真的方法,得到各电气量随时间变化的轨迹,从而判断系统的稳定性。这种方法耗时长,且无法给出系统的稳定裕度。电力系统暂态稳定域的估计十分重要,更准确的稳定域估计可以减少不必要的操作干扰,有利于控制系统的协调。根据更合适的暂态稳定域估计方法,选择合适的运行模式,提高安全性和稳定性。传统基于能量函数法和不稳定平衡点估计稳定域只对用简单和某些特定系统有效,且一旦模型发生变化,就需要重新推导计算。本文将关注另外一种方法,即基于平方和的多项式李雅普诺夫函数法。较之能量函数法,该方法的优点是能够更方便、高效地求解对复杂非线性系统稳定域进行估计,减少人工推导计算过程,提高计算效率。本论文旨在探索一种适应于直流系统换流器控制切换特性的电力系统暂态稳定域估计方法。本文将交直流系统建模为非线性切换系统,在构造李雅普诺夫函数和估计暂态稳定域的过程中,反映了直流系统故障后暂态特性的动态方程,在含直流系统主要状态量的变量空间上刻画稳定域边界。在交直流系统暂态稳定域研究里,基于李雅普诺夫函数法的系统稳定性分析中,验证了保留直流换流器主控制回路及其切换特性的必要性。从工程实践出发,考虑交直流系统控制模式间的切换特性,根据多李雅普诺夫函数连续性条件,利用迭代优化算法,求解了交直流系统的连续分段李雅普诺夫函数并进行稳定域估计。此外在电力系统应用中,利用工具箱编程求解时可能出现的数值问题的影响下,本文给出了不同的SOS近似方法对结果的影响。考虑直流控制参数不确定影响下,探索了利用平方和近似的多项式李雅普诺夫函数法估计交直流系统稳定域,并进行分析的可行性。最后所有算例均在MATLAB中编程,并利用仿真平台搭建时域仿真模型对比分析。本文的研究工作来源于国家自然科学基金项目“国家自然科学基金项目“P-Q强耦合交直流混联受端电网吸引域迁移特性研究”(51577071),并得到该项目的经费资助。
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