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我国电网正发展为大规模的交直流输电系统。这类系统具有大容量、远距离、超高压、多区域互联的特点,能有效地解决能源分布不均问题,减少机组备用容量,提高系统的稳定性和经济性,电网互联带来效益的同时,也为系统的稳定性带来新的问题和挑战。与传统的纯交流系统相比,交直流输电系统具有更丰富的动态特性,交直流系统的相互作用使稳定分析变得更加困难,高度可控的直流系统又为稳定控制提供了新的手段。保证交直流输电系统安全稳定运行是一个迫切的、具有重要意义的课题。本文围绕我国交直流输电系统的动态特性及稳定问题展开研究。
本文的主要研究工作包括：
(1)针对交直流输电系统具有多区域互联,大容量、远距离输电,容易引发多模式低频振荡的问题,建立了一个具有实际工程背景适于机电暂态分析的交直流输电系统数学模型。该模型以2004年中国南方电网为原型,涵括了多个大区域的电网骨架,含有三条直流输电线、五回远距离交流输电线,着重描述了区域互联的架构,突出了大容量远距离输电的特点。这三条直流输电线有两条在同一交流网,正常情况时分别为以双极和单极方式运行,另一条直流线则连接了两个不同的交流电网,正常情况时以双极方式运行,因此该系统具有多馈入直流的特性。为研究一般的交直流输电系统提供了参考模型。
(2)针对交直流输电系统中存在多个与直流调制耦合的弱阻尼比振荡模式,提出了利用根轨迹选择阻尼控制输入信号,达到控制效果协调一致的方法。首先对非线性的交直流输电系统数学模型进行了线性化,求取特征值,再通过振荡频率和参与因子辨识了低频振荡模式和参与机组,通过时域仿真验证了识别出的振荡模式。在模式分析的基础上,设计了多个直流阻尼控制器用于提高弱阻尼振荡模式的阻尼比,利用根轨迹法选择了直流阻尼控制器的增益。
(3)构建了计及直流线路动态的交直流输电系统的暂态能量函数,发电机功角,转速以及直流线路两端的交流母线电压将在暂态能量函数中作为显式变量。并给出了数值计算该暂态能量函数的方法。该方法将发电机的转速和功角视为慢变量,直流的动态视为快变量,在故障期间慢变量直接采用时域仿真的轨迹作为积分路径,快变量采用根据慢变量和故障后的网络参数计算得到的轨迹作为积分路径。利用PEBS法对多个交直流输电系统求解了临界能量和临界切除时间,并和时域仿真的结果进行了比较。根据所求得的稳定度指标,探讨了交直流输电系统的暂态预防控制。
(4)提出了一种应用哈密顿-雅可比偏微分方程求取电力系统稳定域的方法。该方法的主要思路是,在电力系统的状态空间预先设定一个已知的稳定区域,将其作为目标集,逆时间求解目标集的可达集得到电力系统稳定域；目标集和可达集均由水平集函数描述,从而将可达集的计算转化为求解哈密顿-雅可比方程的终值问题。利用该方法计算了二阶和三阶电力系统的稳定域,并和其他方法的结果进行了比较,在求得的稳定域基础上讨论了简单混杂电力系统的稳定性。本文的研究工作获得了国家自然科学基金重点项目(50337010)的资助。