基于降階模型的區(qū)域電網(wǎng)電壓預(yù)測(cè)控制算法研究

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1、華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文第1章緒論1.1課題背景及研究的目的和意義現(xiàn)代電力系統(tǒng)是由電能生產(chǎn)、變換、輸送、分配和使用組成的能量變換傳輸系統(tǒng)以及信息采集、加工、傳輸、使用組成的信息系統(tǒng)構(gòu)成的一個(gè)非常復(fù)雜的非線性系統(tǒng)[1]。目前，世界各國電力的發(fā)展進(jìn)程中，廣泛采用大范圍區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)的方法實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化配置，使電力系統(tǒng)可以經(jīng)濟(jì)、可靠、穩(wěn)定地運(yùn)行。但隨之而來帶來一系列的安全問題，一旦電力系統(tǒng)安全性受到破壞，將會(huì)給國家經(jīng)濟(jì)、人民生活帶來難以估量的損失和災(zāi)難性的后果。近年來，全世界范圍內(nèi)電網(wǎng)大停電事故頻發(fā)。2003年8月14日，美國東北

2、部、中西部和加拿大東部聯(lián)合電網(wǎng)發(fā)生大停電，停電持續(xù)時(shí)間達(dá)29小時(shí)之久，損失負(fù)荷約為61800MW，約5000萬人受到影響，此次事故是北美歷史上最大規(guī)模的停電事故，舉世震驚！離我們最近的是2008年1月至2月期間，我國南方地區(qū)出現(xiàn)了多次大范圍低溫雨雪冰凍天氣，使局部區(qū)域電網(wǎng)的安全運(yùn)行經(jīng)歷了嚴(yán)峻考驗(yàn)。特別是，受暴雪、凍雨天氣的影響，湖南、湖北、江西、安徽等地輸變電線路出現(xiàn)大量斷線倒塔事故，造成大范圍、大面積停電限電，包括重要交通樞紐及設(shè)施等的供電中斷，嚴(yán)重影響了電網(wǎng)安全運(yùn)行，人民的正常日常生活受到了破壞。因此，電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)

3、行研究已經(jīng)迫在眉睫。長期以來，電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行研究均重點(diǎn)關(guān)注系統(tǒng)的角度穩(wěn)定性，特別是系統(tǒng)遭受到大擾動(dòng)或故障沖擊后其暫態(tài)行為。但研究過程中發(fā)現(xiàn)：當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)的頻率和角度有時(shí)基本維持不變或變化在允許范圍內(nèi)，而某些節(jié)點(diǎn)電壓出現(xiàn)持續(xù)下降且不可控制的情況，我們稱之為電壓崩潰問題。在區(qū)域電網(wǎng)電壓穩(wěn)定研究過程中，出現(xiàn)電壓崩潰的根本原因是：電網(wǎng)中某些地區(qū)存在無功功率不足的情況，容易造成局部電壓迅速下降，進(jìn)而導(dǎo)致全網(wǎng)電壓下降，最終使全系統(tǒng)發(fā)生電壓崩潰[2]。目前，解決電壓崩潰的方法最多采用的是二級(jí)電壓控制，其能從區(qū)域電網(wǎng)電壓穩(wěn)定

4、的角度出發(fā)，全局上對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的無功功率進(jìn)行合理的分配與協(xié)調(diào)，突破了原有的只根據(jù)本機(jī)附近信息就地進(jìn)行電壓控制所帶來的分散性和局部性問題，可有效提高區(qū)域電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性。本文通過建立二級(jí)電壓控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型，結(jié)合模型預(yù)測(cè)控制和模型降階理論知識(shí)，研究了區(qū)域電網(wǎng)二級(jí)電壓控制，主要進(jìn)行了以下研究：(1)非線性動(dòng)態(tài)模型的建立；(2)區(qū)域電網(wǎng)模型電壓預(yù)測(cè)控制數(shù)值算法的研究；1華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文(3)利用經(jīng)驗(yàn)Gramian模型降階方法，對(duì)高維電力系統(tǒng)非線性動(dòng)態(tài)模型進(jìn)行降階，研究基于降階模型的區(qū)域電網(wǎng)電壓預(yù)測(cè)控制的實(shí)現(xiàn)；(4)結(jié)合區(qū)域

5、電網(wǎng)算例，對(duì)區(qū)域電網(wǎng)電壓預(yù)測(cè)控制性能進(jìn)行分析。1.1課題研究現(xiàn)狀1.2.1模型降階技術(shù)近些年來，在電子系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)等眾多工程應(yīng)用領(lǐng)域，往往均涉及大型系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真、優(yōu)化與控制。上述這些系統(tǒng)一般都是由微分方程來描述的，通常方程的維數(shù)較高，給仿真計(jì)算帶來了很大的困難。模型降階技術(shù)就是在這種背景下應(yīng)運(yùn)而生，所謂的模型降階就是在某種情況下將一個(gè)較大系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為一個(gè)近似的較小系統(tǒng)的過程，即通過降低大系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型狀態(tài)變量的維數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)化系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型方法和降低系統(tǒng)理論分析難度的目的。對(duì)模型降階的認(rèn)識(shí)一般可以基于

6、實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蛿?shù)值模擬這兩種方式進(jìn)行考慮，前者是從系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)來簡(jiǎn)化模型，但由于系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)的個(gè)別性和復(fù)雜性，形成不同精度的模型，使得這種模型降階方法可以在某些條件的前提下進(jìn)行應(yīng)用；后者是利用單純的數(shù)值方法來模擬系統(tǒng)的各種響應(yīng)以達(dá)到對(duì)系統(tǒng)的行為進(jìn)行模擬，但這種方法容易忽略工程系統(tǒng)的某些特性。下面，簡(jiǎn)單介紹一下廣泛應(yīng)用的模型降階技術(shù)。(1)Pade近似法在模型降階方法出現(xiàn)之前，Pade近似法因具有計(jì)算簡(jiǎn)易和良好近似性的特點(diǎn)，是解決系統(tǒng)輸入輸出傳遞函數(shù)問題最主要的方法之一，但在使用該法進(jìn)行降階時(shí)，不能保證簡(jiǎn)化模型保證原系

7、統(tǒng)的穩(wěn)定性[3]。因此，Pade近似法在低頻段的擬合精度高，使用范圍受到了制約和限制。為了克服上述問題，研究人員又提出了Routh近似法、Hurwitz多項(xiàng)式近似法、Schwarz近似法、主導(dǎo)極點(diǎn)法同Pade近似法相結(jié)合來進(jìn)行降階。(2)Routh近似法Routh近似法是一種穩(wěn)定的系統(tǒng)降階方法，Hutton等最初提出Routh近似法只能近似原系統(tǒng)的暫態(tài)響應(yīng)或穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，而缺點(diǎn)則是不能同時(shí)近似其暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)[4]。為此，Shamash和Hsieh等分別對(duì)Routh進(jìn)行了修正，使經(jīng)過修正后的數(shù)學(xué)模型既能近似系統(tǒng)的暫態(tài)響應(yīng)又能近

8、似穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，還能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。(3)正交分解模型降階方法2華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文函數(shù)正交分解在逼近理論中是一個(gè)非常重要的概念，將其合理應(yīng)用到大型系統(tǒng)中，便可衍生出多種行之有效的模型降階方法，例如對(duì)原始系統(tǒng)進(jìn)行拉普拉斯變換，在頻域上利用正交函數(shù)來逼近系統(tǒng)傳遞函數(shù)；對(duì)向量或樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行正交分解。(4)