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1、分类号:470.4054 密级:天津理工大学研究生学位论文风电系统中平衡解流形上分岔点搜索方法的改进及分岔控制(申请工程硕士学位)工程领域:电气工程作者姓名:梁欢指导教师:周雪松 教授李国栋 高级工程师2015年3月ThesisSubmittedtoTianjinUniversityofTechnologyfortheMastersDegreeTheimprovedmethodontrackingbifurcationpointsinequilibriumsolutionmanifoldandbifurcationcontrolinwindpowersystemByLiangHuanSuper
2、visorProf.ZhouXuesongLiGuodongMarch,2015独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果,除了文中特别加以标注和致谢之处外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得 天津理工大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名: 签字日期: 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解 天津理工大学 有关保留、使用学位论文的规定。特授权 天津理工大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检
3、索,并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编,以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子文件。(保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名: 导师签名:签字日期: 年 月 日 签字日期: 年 月 日摘要近几十年来能源短缺和环境恶化两大问题对人类发展的制约越来越明显,可再生能源的探索和利用的比例正逐年递增。风电是一种清洁可再生的能源,对风电的研究越来越受到人们的关注。然而,人们在利用风电的过程中也伴随着一系列的问题,其中风电系统电压稳定性问题是制约风电发展的关键性难题。本文以这个问题为切入点展开研究,用研究动力学系统的分岔理论来研究风电系统的电压稳定性。本文的
4、主要研究内容包括两个方面:首先,我们提出了一种搜索平衡解流形上分岔点的新方法,然后我们基于此方法要求解矩阵最大模特征值的问题,提出了改进的乘幂法。其次,针对分岔现象对风电系统造成的不利影响,我们提出了相应的解决和抑制分岔的方法。主要研究内容及结论如下:其一,针对风电系统中平衡解流形上的分岔点搜索展开研究,介绍了风电系统的基本结构和数学建模过程,利用MATCONT软件对模型进行编程,然后获得了系统的平衡解流形。我们用单位圆法对平衡解流形上的分岔点进行搜索,并用MATLAB仿真的方法对搜索结果进行验证分析。在此过程中,我们提出了改进的乘幂法来加速最大模特征值的求取,并用数学证明的方法对改进的乘幂法
5、的快速性和有效性进行了说明,且在应用中收到了良好的效果。其二,由于分岔现象的发生会给电力系统带来不利影响,我们提出了通过无功补偿的方法来增加系统电压稳定性的措施。我们选择SVC(静态无功补偿器)作为无功补偿装置,利用分岔理论对以无功为参数的风电系统模型进行了仿真分析,结果表明SVC作为无功补偿装置的加入能够有效延迟分岔现象的发生,在一定程度上增大了电力系统的稳定裕度进而提高电压的稳定性。关键词: 风电系统电压稳定性平衡解流形分岔点静态无功补偿器AbstractIn recent decades the human development is increasingly restricted b
6、y two problemswhichareenergyshortagesandenvironmentaldegradation.Theproportionoftheexplorationandutilizationofrenewableenergyisincreasingyearbyyear.Windpowerasakindofcleanandrenewableenergyispaidmoreattentionintheprocessofexploringnewenergy.However,peopleisaccompaniedbyaseriesofproblemswhenwehaveuse
7、dwindpower,andwindpowersystemvoltagestabilityproblemisakeyproblemrestrictingthedevelopmentofwindpower industry. In this paper,based on this issue above, we study the wind power systemvoltage stability by the bifurcation theory of nonlinear dynamic system . The researchemphasisofthispapermainlyinclud
8、estwosides.Firstly,weputforwardanewmethodabouthowtotrack bifurcationpointsontheequilibriumsolutionmanifold,and thenweimprovepower method to get thebiggest eigenvalue model based on solvinghigh-order eigenvalueproblem. Secondly, in view of the bifurcation phenomenon can effect on the voltagestability
9、 of wind power system, we put forward the corresponding solution and inhibitbifurcationmethod.Themainresearchcontentsandconclusionswereasfollows:Firstly,westarttostudyhowtotrackthebifurcationpointsontheequilibriumsolutionmanifoldinwindpowersystem.Thispaperintroducesthebasicstructureofthewindpowersys
10、temandtheprocessofmodeling.ThenwewritetheprogramsofthemodelinMATCONTsoftware.Weget theequilibriumsolutionmanifold ofthesystem.Wetrack thebifurcationpointontheequilibriumsolutionmanifoldintheunitcirclemethodandvalidatethesearchresultswithMATLABsimulation.Intheprocess,weproposetheimprovedpowermethodto
11、speed up calculating the biggest eigenvalue model, and prove the quickness and theeffectivenessofimprovedpowermethodinmathematicalmethod.Wehavereceivedthegoodeffectinapplication.Secondly,becausethebifurcationphenomenoncanbringadverseeffecttopowersystem,wetakemeasurestoimprovethevoltagestabilityofthe
12、systembythereactivecompensation.ThechosenreactivepowercompensationdeviceisSVC(StaticVarCompensator).Wemakeasimulationanalysistothewindpowersystemmodelastheparameterofreactivepowerinbifurcationtheory.TheresultshowthatSVCcaneffectivelyrestrainbifurcation,canimprovethepowersystemstabilitymarginandstren
13、gthenthestabilityofvoltage.Key words:Wind power system,Voltage stability,Equilibrium solution manifold,Bifurcationpoint,SVCi目 录第一章绪论.11.1研究背景和选题意义.11.2国内外电力系统稳定性及分岔理论的研究现状和发展趋势.21.3分岔理论与风电系统稳定性研究及高阶矩阵特征值的求解.31.4本章小结.5第二章电力系统中的分岔理论.62.1分岔理论的研究范畴.62.2分岔的定义及分类.62.2.1分岔的定义.62.2.2分岔的分类与判断依据.72.2.3分岔点的搜索方
14、法.82.3分岔理论对电力系统微分-代数方程进行分析.102.3.1电力系统微分-代数方程.102.3.2电力系统中平衡解流形的追踪方法和参数化过程介绍.122.4本章小结.14第三章基于平衡解流形上分岔点搜索的乘幂法改进.153.1能够搜索平衡解流形上动、静分岔点一种新的方法.153.2用乘幂法求Z矩阵的最大模特征值.183.2.1乘幂法的求取最大模特征值的原理介绍.183.2.2改进的乘幂法计算矩阵的最大模特征值.193.2.3算例验证.213.3应用改进的乘幂法搜索系统平衡解流形上的分岔点.223.3.1风电系统分岔分析模型的建立.223.3.2风电系统中平衡解流形的追踪.243.3.3
15、对平衡解流形上的分岔点搜索并进行仿真验证.263.4本章小结.29第四章风电系统中分岔控制的研究.304.1分岔控制的主要方法.304.1.1一般非线性系统中的分岔控制.304.2 SVC在风电系统中的应用.314.2.1 SVC结构及数学模型.314.2.2仿真分析.324.3本章小结.34第五章总结与展望.35参考文献.37ii发表论文和科研情况说明.42致 谢.43附录.44第一章 绪论1第一章 绪论随着科学技术的快速发展、工业规模的急速扩大以及人口数量的急剧增长,能源短缺和环境恶化已经成为影响人类生活水平提高,甚至会威胁人类生存的两大难题。能源是人类发展的重要基础,而环境是人类生存的必
16、要条件,二者是既矛盾又统一的关系。煤、石油、天然气在过去的几百年里一直是人们生活和发展的动力,但是他们都是不可再生能源,用尽之后人类该何去何从,这是我们当下急需要考虑的问题。目前唯一的解决办法就是探索并发展新型可再生能源,以达到既能满足人类可持续发展的需要,又能给人类创造良好的生存环境的目的1。1.1研究背景和选题意义21世纪由石油、核能及一些潜在可利用的能源引发的战争已日趋频繁,能源危机意识已在世界范围内深入人心。各个国家都已经意识到能源缺乏将使经济的发展寸步难行。而且随着人类文明的向前发展,经济的快速增长5,人们对生活水平和生存环境的要求也日渐提高,所以为了从根本上减少战争,给人类一个优质
17、的生存条件,全面提高人们的幸福指数,快速寻找和发展一种新型可再生的清洁能源是全人类的迫切需要,是无数专家和学者的努力方向。然而,以现在的科学技术水平,在人类已知的能源类型里,目前风能和太阳能是最符合当前人类需要并有待开发的新兴清洁能源34。科学数据统计表明:化石能源的能量储备要比水能、风能、太阳能等新兴可再生能源的能量储备小得多,地球在十天之内吸收的太阳能总和几乎就等于地球上所有化石燃料的能量60,只是那些被吸收的能量不容易储存和利用,而是以这样或那样的形式而消耗浪费掉。有数据表明,在可利用的水能、风能、太阳能的对比当中,风能和太阳能比地球上可开发利用的水能要大十倍还要多5。21世纪必将是可再
18、生能源逐渐走上历史舞台,逐渐代替不可再生能源成为人类生活的主要能量来源的时代。有权威专家预测,2060年可再生能源和不可再生能源将在人类所利用的能源里各占一半。这十几年来,随着国家对风电、太阳能开发行业的政策倾斜,风力发电和太阳能发电的年均增长率每年均已30%的速度增长,发展速度之快令人瞠目6。风能虽然清洁无污染且蕴藏的能量巨大,非常满足人类可持续发展的需要,但是与传统的火电水电相比开发难度要困难的多。这是因为风能具有以下几个特点7:(1)风能的能量密度小。与水轮机相比,如果得到同样的发电容量,我们必须要把风力发电机风轮的尺寸做的比水轮机水轮的尺寸要大得多。(2)风能的稳定性差。风能是过程性能
19、源,具有随机性和间歇性,风速和风向在随时变动,这将对风力发电机的工作状况有很大影响。风力发电机的有效风力区为第一章 绪论2sm/253 ,在有效风力区内为得到较稳定的输出电能,必要的刹车和控制装置需要配套安装(如调速器、调向器和刹车装置等)。(3)风能不易储存。风力发电机组,要保证不间断地供电,必须加装储能设备或者与其他发电设备系统使用。对 kW10 以下小型风力发电机组,一般配备超级电容和蓄电池,或与其他形式的能源构成混合发电系统(如太阳能、柴油发电机等)使用。对于 kW10 以上的大型风力发电机组,为了避开储能带来的一系列问题,全部采用与大电网并联运行的发电方式。(4)风轮的效率较低。风轮
20、的理论最大效率为 %3.59 ,实际则更低,统计显示,水平轴风轮机风能转化率通常在 5.02.0 ,垂直轴一般在 4.03.0 。随机性和不稳定性是风电的最大不足,大规模风电并网会给电网调度和管理带来一定的困难。实际上,风电所发出的来的电能如果不加以控制就并网只会影响电能质量,而且风电规模越大对电网的冲击则越大90。所以,如果我们想要大规模的利用风能,则必须建立在风电的稳定性满足并网要求基础上,这就需要我们利用新的电压稳定性理论和控制理论对风电系统进行研究,以突破风电大规模并网所面临的瓶颈,从而促进风电行业的快速发展,实现人类发展与环境友好的和谐统一。电力系统是一个复杂的非线性动态系统,我们可
21、以认为电压稳定性态的改变就是系统从稳定状态走向分岔状态的复杂过程。分岔理论是应用于非线性动力学研究的重要工具,它的应用在很多领域都取得了有价值的研究成果,所以将其应用到电力系统研究中去必将收到良好的效果。风电系统又是一个复杂动态的电力系统,其电压稳定性的研究对新能源行业及其他行业的发展起着至关重要的作用,将分岔理论运用到风电系统电压稳定性分析中去,意义重大且深远11-13,必将取得得重大成就。分岔理论中对电力系统的电压稳定性研究,目前主要集中于的对分岔参数的选取和对分岔点的追踪。在求得电力系统中已知分岔点的基础上,我们才能在此基础上对分岔点进行控制,避免或消除分岔现象在电力系统中发生,进而能保
22、证电力系统在可控范围内保持稳定66。1.2国内外电力系统稳定性及分岔理论的研究现状和发展趋势电压稳定性是指电力系统在给定初始运行状态下遭受一定的扰动后维持系统内所有节点电压稳定的能力。电压不稳定的表现形式一般为节点电压的持续跌落或升高。电力系统的结构、发电和负荷模式等是电压不稳的主要作用因素。对电压稳定的概念,目前主要从电力系统维持电压的能力和系统电压随参数变化的情况两个角度给出解释。本文所研究的内容主要是基于后者即电压随参数的变化情况来判别电压稳定与否24-27。我们根据后面的观点,即用参数变化情况来判断电压稳定性,我们将电压稳定性的类型分为下面四类13:(1)动态电压稳定性。考虑系统中各动
23、态元件和设备的性能,当系统遭遇小扰动后能够恢复之前水平的能力。第一章 绪论3(2)静态电压稳定性。不考虑系统中各动态元件的性能,系统在初始条件下遭遇小扰动后能够恢复扰动前运行状态的能力。(3)暂态电压稳定性。计及系统中各动态元件的动态性能,当系统遭遇大扰动后,系统能否恢复到扰动前水平的能力。(4)电压崩溃。在遭受一定的扰动后,原来稳定运行的电力系统在负荷母线电压突然大范围跌落的情况。1.3分岔理论与风电系统稳定性研究及高阶矩阵特征值的求解在许多其他的动力学领域分岔理论已经取得了许许多多的研究成果,我们进一步将分岔理论应用到电力系统中去,经过无数的国内外专家和学者的苦心钻研和夜以继日的努力目前也
24、取得了不少的成果。但是,分岔理论在风电系统等更复杂的系统的基础上的研究少之又少。下面对分岔理论近几年的研究成果和遇到的问题做具体的概述:文献4就风电技术在国内外的发展情况作了一定的研究,对我国发展风电过程中要遇到的问题进行了阐述,文献5介绍了小型风力发电机结构、机型和发电系统的主要类型,并根据他们的模型各自进行仿真建模,文献6介绍了大型风电场并网运行的大趋势,以恒速恒频异步发电机为研究对象,建立了风力发电机的数学模型,文献30介绍了应用于风电系统研究中的一些控制策略,31介绍了电力系统分析中的多种分岔现象,主要从动静分岔两个方面展开论述。文献32研究了电压模式控制boost变化器中的多种分岔现
25、象用数学推导得出发生这类分岔的条件,文献33研究了双馈风力发电机组的失稳机理,建立了简化的数学模型,并用延拓法追踪系统的平衡解流形。文献34研究了以风电注入有功和注入无功为变化参数的风电系统,用分岔理论分析其失稳机理,并在单参数分岔的基础上进行了双参数分岔分析,将分岔研究向前推进一大步。文献35提出了基于局部参数化的改进的连续潮流法,校正过程中不增加雅克比矩阵的维数,且具有自适应步长策略。文献36采用MATCONT分岔软件分析了电力系统的失稳模式,提出利用在薄弱点加入无功补偿器的方法来进行分岔抑制的研究。文献37利用非线性动力系统的分岔理论,使用通用分岔分析软件AUTO2000对典型的含SVC系统和不含SVC系统进行电压稳定的分析,得出了系统在两种情况下的分岔点数值。文献38评述了分岔理论在静态电压稳定和动态电压稳定中的应用,重点介绍了鞍结分岔点和Hopf分岔点的求取,指出了各种算法的优缺点。文献39与传统的方法进行比较表明这种方法实时性与快速性明显性根据HOPF分岔来估计系统稳定裕度。文献4041单机无穷大系统模型的电力系统电压稳定性进行分析,同时讨论系统能稳定运行的区域。文献43建立了一个多目标优化模型确定最小阻尼转矩并提出了其对HOPF分岔的影响,增加了系统的阻尼系数,对分岔发生有抑制作用。文献44引入直接NormalForm(规范型)计算方法,求
限制150内