PAGE0(2015-2016學年第2學期)重慶理工大學研究生課程論文課程論文題目：智能電網電壓崩潰問題研究綜述 課程名稱電力系統運行分析課程類別□學位課□非學位課任課教師蔣東榮所在學院電子信息與自動化學院學科專業電氣測試技術與儀器姓名學號52150722101提交日期2016年5月6日注意事項：注意事項：1、以上各項由研究生認真填寫；2、研究生課程論文應符合一般學術規范，具有一定學術價值，嚴禁網上下載或抄襲；凡檢查或抽查不合格者，一律取消該門課程成績和學分，并按有關規定追究相關人員責任；3、論文得分由批閱教師填寫（見封底），并簽字確認；批閱教師應根據作業質量客觀、公正的在文后簽寫批閱意見；4、原則上要求所有課程論文均須用A4紙打印，加裝本封面封底，左側裝訂；5、課程論文由各學院（部）統一保存，以備查用。4、卷紙不夠寫，可另附紙。PAGE9智能電網電壓崩潰問題的研究崔森摘要：由于智能電網含有大量的分布式新能源逆變并網，使電網的潮流流向和電壓分布特性發生改變，影響了智能電網的穩定性，嚴重則可能導致電壓崩潰。電網電壓崩潰最直接的表現就是混沌現象，本文從介紹智能電網分岔現象入手，表明其存在漸近穩定、周期運行、準周期運行、混沌、超混沌以及電壓崩潰的運行狀態，再利用其分岔、混沌機理對其進行電壓穩定控制。關鍵詞:智能電網；混沌；電壓崩潰

ResearchonvoltagecollapseofsmartgridCuiSenABSTRACT：Becausethesmartgridcontainsalargenumberofdistributednewenergyinverter,Theflowdirectionandvoltagedistributioncharacteristicsofpowernetworkarechanged,Affectthestabilityofsmartgrid.Themostdirectperformanceofvoltagecollapseischaos.Startingwiththeintroductionofthebifurcationphenomenonofsmartgrid,itisindicatedthatithasasymptoticstability,periodicoperation,quasiperiodicoperation,chaos,hyperchaosandvoltagecollapse.Thevoltagestabilitycontroliscarriedoutbyusingthebifurcationandchaosmechanism.Keywords：Smartgrid;chaos;Voltagecollapse1引言近年來，隨著電網穩定性問題的深入研究，許多學者發現，其系統是一種典型的強耦合、多變量、非線性的動態系統，智能電網在失穩之前往往要經歷一段時間的振蕩，而在這一過程中可能存在著大量的分岔和混沌現象[1-4]。從本質上看，智能電網中電力系統是一個非線性的動態系統，電壓失穩的外在表現為幅值的震蕩失穩或瞬間大幅跌落，分岔是其主要原因之一。對電網電壓失穩、崩潰研究近30年來，相關學者研究表明系統在隨機相位擾動下會發生混沌震蕩現象，這些研究成果對于發現電網失穩，提高電網穩定性具有重要的意義，但它們所涉及的均為傳統電力網，而在智能電網中，為了實現新能源的靈活控制，提高供電可靠性和電能質量，普遍使用逆變器作為新能源與電網之間的接口，這也是新型智能電網與傳統電網的不同之處。為了研究智能電網的失穩問題，本文首先對目前分岔現象的研究做出介紹，進而解釋電壓混沌現象產生的原因與主要的分析方法，最后通過混沌理論研究抑制或消除智能電網電壓失穩的控制方法，從而提高電網穩定性。2智能電網分岔現象的研究對于非線性動力系統，電網中通常發生的分岔主要有鞍結點分岔（SaddleNodeBifurcation，SNB），Hopf分岔（HopfBifurcation，HB），倍周期分岔（PeriodDoublingBifurcation，PDB），環面折疊分岔（CyclicFoldBifurcation，CFB），環面分岔（ToursBifurcation，TB）等。由于對電力傳輸容量的巨大需求，考慮到追求經濟效益和對環境影響的約束，輸電系統越來越緊湊，電力設備運行于極限狀態，因此電壓穩定就成了電力系統安全性和可靠性的最大威脅[24]。分岔與電壓穩定的研究工作主要集中在：利用面向電壓穩定分析的模型[5～27]，研究有功負荷或無功負荷變化時，所出現的分岔、混沌現象，揭示電壓失穩的機理，探討電壓崩潰點和電壓穩定域的求取方法，并利用分岔理論研究提高電壓穩定的措施。文獻[28，29]認為電壓崩潰產生于平衡點的SNB。這是運用靜態的觀點來分析電壓穩定性，認為電壓失穩是由于代表潮流的非線性代數方程不存在可行解。非線性潮流方程有多解，隨著負荷的加重，解的個數成對減少，當系統接近極限運行狀態時，潮流方程只存在兩個解，當負荷達到極限運行狀態時，潮流方程的一對解重合時，潮流Jacobian矩陣奇異，即發生SNB。文獻[30]基于中心流形理論的電壓崩潰模型，提出了SNB分岔導致電壓崩潰的動態機理解釋，文獻[31]指出運用靜態模型可以預測動態電壓崩潰的起始方向和狀態變量的起始參與，當接近分岔點時，系統在穩定運行點處的Jacobian矩陣的右特征向量可以預報系統狀態從穩定運行點到不穩定運行點的方向，左特征向量可以預測運行點到穩定邊界的距離。僅僅利用潮流方程解的存在性和SNB來研究電壓失穩和崩潰機理具有很大的局限性，因為當考慮元件的動態行為后，實際的動態系統會發生其他許多復雜的分岔現象，一些情況下，系統到達SNB之前就已發生了電壓失穩，因此要以動態的觀點來探索電壓崩潰機理。文獻[5]認為Bluesky分岔——一種狀態空間中涉及到極限環不連續消失的全局分岔，引起了電壓崩潰，而此Bluesky分岔發生在SNB之前，文獻[50，51]認為奇怪吸引子的邊界突變引起了電壓崩潰。文獻[6]在全面分析了所采用模型出現的分岔現象后，指出當無功負荷小于發生亞臨界Hopf分岔的分岔值時，會發生第一次混沌現象，當無功負荷稍微大于發生亞臨界Hopf分岔的分岔值時會出現電壓崩潰，而在第二次混沌發生時，混沌吸引子阻止了電壓崩潰。盡管各種文獻對電壓崩潰的機理解釋不同，但是電力系統中發生的各種災難性分岔如：SNB、SHB、UHB、極限環的Bluesky分岔和奇怪吸引子的邊界突變是引起電壓崩潰的原因，可以把發生UHB時的無功負荷作為電壓失穩的起始點。電力系統的安全運行需要合理的規劃和適當的控制方法來避免電壓崩潰，因此電壓崩潰點的搜尋或負荷域的計算（估計）顯得特別重要。許多文獻研究了搜尋電壓崩潰點的方法。文獻[34]介紹了基于潮流Jacobian矩陣奇異值分解的靜態電壓穩定指數方法，這些指數和相應的奇異向量包含了對電壓不穩定的接近程度和來自電壓不穩定點的干擾的真實和重要信息。文獻[37-40]介紹了一種電壓穩定評估和控制的系統方法，該方法同時求解系統的微分方程和代數方程來獲得平衡解，而不需要分為兩步，因此不需要作松弛或PV母線這樣不現實的假定。結合參數化連續技術和直接平衡點跟蹤技術來辨別系統電壓崩潰點而不需要重構系統的動態Jacobian矩陣并檢查它的奇異性，同時運用電壓穩定邊界靈敏度設計有效的控制策略來抑制電壓崩潰。對于n維潮流方程，運用SNB的定義來計算最大負荷運行點需要求2n+1個方程，文獻[35]通過運用簡單的參量化技術和潮流模型的特性，指出了利用求解n+1個方程來計算最大負荷點的方法和理論基礎，由于少解了方程數目，提高了解的速度，同時由于該方法提出的試驗函數在SNB點附近是單調的，所以在軌線的搜尋過程中可以監視到達最大負荷點的路徑。文獻[36]運用一對多重的負荷潮流解估計最接近的負荷極（ClosestLoadablityLimit，CLL）或最接近的SNB點，運行解和低電壓負荷潮流解用來有效地估計在CLL點的節點注入和相應于負荷潮流Jacobian矩陣零特征值的左右特征向量，并用來監視負荷穩定域，辨別電力系統中的脆弱點和檢查避免電壓崩潰的最優控制方法。文獻[38]提出了一種有效計算最接近分岔點和一對多重潮流解的方法，該方法可以表示成在給定初始條件下的最接近分岔點的最小問題，運用一對多重潮流解的條件，將多重潮流解分解成分岔點數和偏差向量，最接近分岔點通過偏差向量對給定電力系統條件的最小值來評價。該方法可以避免利用牛頓拉夫遜法在分岔點出現的病態條件。為了提高計算分岔點或負荷域的速度，文獻[39]基于神經網絡模擬仿真提出了新的求解分岔點的方法，確定SNB分岔點的問題被看成非線性最優化問題。文獻[41]運用動態負荷潮流Jacobian矩陣引出時變穩定指數，運用該指數去評估系統對擾動響應中新的穩定平衡點的不存在，同時該指數可以對可能鞍結分岔點刻劃的系統初始條件不穩定和結點定位提供診斷。文獻[42,43]運用中心流形法對電壓崩潰相關聯的Fold分岔（即SNB）進行了簡化計算，確定了電壓崩潰點。文獻[17]運用延拓法對面向電壓穩定分析模型的SNB點和HB點進行了計算，分析表明了延拓法計算結果的準確性。3智能電網混沌現象研究混沌是確定性系統表現出來的貌似隨機的運動。它的特征是對初始條件非常敏感，時間響應曲線的頻譜很寬，具有正的Lyapunov指數，奇異吸引子具有分數維等。通常通往混沌的途徑有級聯的倍周期分岔，準周期分岔，環面分岔等，因此分析電網中出現的分岔現象是分析混沌現象的一種手段。另外周期也導致混沌現象的發生。目前電力系統對混沌現象分析主要采用的方法是：龐加萊映射，Lyapunov指數計算，Melnikov方法和頻譜分析等。由于電網在不穩定極限環或混沌吸引子下運行一段時間，甚至幾分鐘就會造成像轉軸這樣貴重設備的嚴重損壞，因此，在實際系統運行中，識別在不同運行參數下何時會發生這種持續振蕩就顯得很重要。由于混沌振蕩具有很寬的頻譜，因此混沌吸引子將對系統運行帶來更多的麻煩，在同步發電機中會誘導出潛在的有害的諧波暫態。4智能電網電壓失穩控制提高電壓穩定域的方法主要有：并列電容器組的投切，有載調壓分接頭的調整，發電機的調度，并聯型的FACTS裝置和AVR運行點的調整以及負荷控制等，這些控制方法的響應時間不同，所具有的特點也不同。文獻[44]根據提供穩定性和期望安全域所需控制的類型和數量，運用安全約束靜態方法評價最有效的控制結構，當前運行點到分岔邊界的最小距離用來測量安全域，基于最小距離對控制的靈敏度獲得了最優控制方向，運用微分動力學程序計算的多層最優問題解用來調整實際控制方法，使之沿著最優方向，這樣實現了具有不同特點、不同時間特性的多種電壓控制方法的協調控制，提高了防止電壓崩潰的系統安全域。文獻[45]基于連續功率潮流和所有SNB點集合的法向量公式以及系統靜態模型確定最合適的控制方向來使得系統離開SNB和相應的電壓崩潰，該算法簡單，可以運用到實際系統的規劃和控制中，并給出了運用該方法獲得的Bosnian電網最佳控制方法。文獻[50]介紹了通過有功、無功調度來控制電網HB的方法。這種調度方法通過AVR參數值的調整來實現，從而延遲HB，對電力系統參數的HB靈敏度被用來評價不同控制方法的有效性。文獻[46]運用直接反饋線性化方法設計SVC非線性控制器，利用時域仿真和分岔理論分析研究了該控制器對文獻[6]給出的電網電壓穩定性提高的有效性，該控制器可以推遲電壓崩潰的時間，而且大大地延遲了SNB。文獻[48]在文獻[49]所設計的非線性和線性反饋控制器的基礎上，設計了一個多層全局控制方案，所設計的控制器能夠在開環系統中不包含SNB點的系統允許運行的幾個參考軌線之間轉換。該方法大大提高了電力系統穩定性和電壓調節能力。因此可以利用分岔理論來獲得各種提高電網電壓穩定性的控制方法的協調控制，運用分岔控制和FACTS非線性控制器可以提高智能電網的電壓穩定性。5結語分岔、混沌理論研究是非線性科學中的熱點和難點，其已經在電網的上述諸多方面得到了應用，但由于電力系統是一個典型的大規模復雜非線性系統，在一定條件下其必然會發生分岔、混沌現象，分岔、混沌將影響電力系統的穩定運行，所以對電網電壓分岔、混沌的控制研究就顯得尤為重要，就目前的情況可以預見參考文獻[1]閔富紅，馬美玲，翟煒，等．基于繼電特性函數的互聯電力系統混沌控制[J]．物理學報，2014，63(5)：70—77．[2]ZhaoH，MaYJ，LiuSJ．Controllingchaosinpowersystembasedonifnite．itmestabilitytheory[J]．ChinesePhysicsB，2011，20(12)：105—112．[3]楊瑤，孫秋野，楊東升．基于多項式模型混沌系統平方和算法脈沖控制[J]．物理學報，2012，61(20)：159—163．[4]WuB，LiuY，LuJQ．Impulsivecontrolofchaoitcsystemsanditsapplicaitonsinsynchronizaiton[J]．ChinesePhysicsB，201120(5)：188—194．[5]WangHO，AbedEH，HamdanAnanMA.Bifurcations,chaos,andcrisesinvoltagecollapse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