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低频振荡通常被归结为小扰动稳定问题,将系统的非线性微分方程在平衡点附近线性化,获取线性化方程的机电相关特征根反映系统的振荡模式和模态。特征根分析只能表征系统在平衡点附近的动态特征,不能反映系统中非自治、非线性因素以及扰动强度的影响。
电力系统在小扰动引起的增幅振荡或直接在大扰动下,都会进入强时变、强非线性状态,而使平衡点特征根失去意义。然而,扰动的大小具有相对性,不仅取决于扰动本身,还取决于平衡点离稳定域边界的距离。
受扰轨迹是系统动态行为的直接表达,包含了系统对特定扰动的时间响应信息。从受扰轨迹不同时间窗口中提取的振荡阻尼与瞬时频率,构成了与受扰时段对应的特征根时间序列,简称为轨迹特征根,以区别于平衡点特征根。轨迹特征根不仅可以反映全部非线性及非自治因素的影响,也清晰地反映了系统振荡分群方式和振荡中心界面以及它们的演化过程,因此有更丰富的内涵。
根据实际/仿真的受扰轨迹,求取轨迹特征根的方法有轨迹窗口特征根法和轨迹断面特征根法。轨迹窗口特征根法在窗口每次移动后重新提取振荡参数,故有一定能力处理时变非线性系统。但其窗宽必须大于一定的采样周期(或仿真步长),并将窗内视为平稳过程,故仍不适合快时变或强非线性场合。轨迹断面特征根法则是在每个时间断面上,对系统方程重新线性化并求解特征根。这类分段线性化的特征根技术可以应对快时变和强非线性,但需事前掌握系统的数学模型与参数。
对于任何复杂模型,通过仿真得到特定扰动下的受扰轨迹后,就可沿轨迹将系统模型等值为分段定常的线性系统。轨迹断面特征根法采用的假设与欧拉积分完全相同,即系统在且仅在单个仿真步长内被定常线性化。因此,在每个积分步内,不但可用静态扩展等面积准则(SEEAC)分析该轨迹断面上的能量稳定裕度(轨迹断面能量),也可用平衡点特征根技术分析该轨迹断面上的振荡阻尼与瞬时频率,而将断面处的不平衡功率与动能视为初始扰动。完整的受扰轨迹成为大、小扰动稳定分析的共同基础,断面特征根可反映复杂因素对振荡特性的影响,而EEAC可反映复杂因素影响同步稳定性的本质。引入“轨迹断面虚拟平衡点特征根序列”的概念,以计入断面处动能对滑步失稳的影响,并将滑步失稳与振荡失稳两者的机理相关联。本文据此考证最远点(FEP)和动态鞍点(DSP)处的振荡阻尼与瞬时频率,揭示大、小扰动失稳的内在联系。
电力系统动态仿真是指导电力系统规划、设计和运行的根本依据。电力系统动态仿真的准确度直接影响到系统控制策略的效果,当然也会影响到基于轨迹断面特征根进行的系统动态分析和控制策略的制定。需要对电力系统动态仿真模型的可信性进行定量的评估,以指导参数识别,获取可靠的系统模型。
本文详细归纳了电力系统动态行为的要素、受扰轨迹的特征量及差异度指标,评述基于受扰轨迹差异度指标的模型校核及参数识别方法、存在问题和发展方向。指出该指标不宜仅基于常规的信号处理技术,还应该反映系统动态行为的物理机理。
受扰轨迹完整地反映了模型及参数对系统动态行为的影响。基于稳定性机理,提出电力系统受扰轨迹的物理机理差异度。该指标值随动态行为差异的增大而增加,当且仅当该指标值为零时,两组受扰轨迹完全重合。据此,可量化不同动态行为的接近程度,用以校核模型,并通过灵敏度分析来识别参数。
本文揭示了多参数识别问题中普遍存在的多解现象,即在一个特定扰动下,按受扰轨迹的相似程度来识别模型参数,其结果在本质上依赖于初值和迭代策略。指出必须分别以不同场景下的多组实测响应曲线为标准,并且被识别参数在多次试验期间必须保持不变,才有可能解决参数识别的多解问题。本文同时指出,系统识别的困难大大超出现有的认识。
仿真验证了以上指标和算法的有效性。所得研究成果不仅具有理论上的意义,对实际工程同样具有指导意义。