【摘 要】
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电力系统包含发电和负载系统,是一种多变量、强耦合、结构复杂的非线性系统。随着用电用户的日益增多,负载不断加入到电力系统中,电网规模的扩大使得原有电力系统的稳定性发生了变化。已有的研究表明,在某些参数和工作条件下电力系统会产生混沌行为,探讨有效的控制策略来抑制电力系统混沌行为的产生,利用复杂网络的耦合作用增强电网的同步能力,对保持发电机、负载与电力系统间的同步稳定具有重要的实际意义。当前国内外对电力
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电力系统包含发电和负载系统,是一种多变量、强耦合、结构复杂的非线性系统。随着用电用户的日益增多,负载不断加入到电力系统中,电网规模的扩大使得原有电力系统的稳定性发生了变化。已有的研究表明,在某些参数和工作条件下电力系统会产生混沌行为,探讨有效的控制策略来抑制电力系统混沌行为的产生,利用复杂网络的耦合作用增强电网的同步能力,对保持发电机、负载与电力系统间的同步稳定具有重要的实际意义。当前国内外对电力系统的非线性动力学分析与控制的研究主要考虑具有相同数学模型的发电系统和负载系统,对于含有不同模型的发电和负载电力系统的非线性动力学行为与控制的研究尚属少见。为此,本文以永磁同步风力发电机（PMSG）、类Kuramoto电力模型、永磁同步电动机（PMSM）为研究对象,建立不同的发电和负载系统模型,分析多个发电系统,负载与电力系统间的非线性动力学行为与控制研究的问题。通过不同系统间的交互连接发现,耦合参数的调节不仅能对电力系统的混沌控制起重要作用,还能对电网的同步行为产生影响。论文包括两部分内容:一是提出两种不同的控制方法对两台PMSGs系统进行混沌控制;二是以类Kuramoto模型作为基本电力网络,以PMSM系统作为感性负载,建立一个含有感性负载的电力系统模型,探究感性负载与电网之间的耦合参数对电力网络同步能力的影响和负载PMSM混沌行为的控制。本文具体工作可归纳如下:（1）建立几个电力系统的动力学模型。首先确定PMSG、PMSM产生混沌行为的参数条件,绘出系统的混沌相图。然后以网络序参量作为衡量电网同步的指标分析类Kuramoto电力模型的非同步与同步行为,确定电网达到同步时耦合强度的临界值。（2）研究基于时间加权的反馈控制对PMSGs系统混沌行为的影响。首先发现了相同状态变量反馈控制对PMSGs系统可实现混沌同步的行为,而不同状态变量反馈控制对PMSGs系统具有抑制混沌振荡的作用。然后在周期时间内把这两种状态反馈结合在一起,分析不同时间加权下系统的动力学行为,发现时间分数因子和耦合参数的不同取值可使PMSGs系统产生混沌、混沌同步和振荡抑制等动力学行为。这种基于时间加权的反馈控制器结构简单,控制效果好,也较易实现。（3）改进一种直接和间接耦合的控制方法,对PMSGs系统的混沌运动进行镇定。利用Lyapunov渐进稳定性理论探讨直接耦合参数和间接环境阻尼系数的取值范围,确定该耦合系统可能出现不同动力学行为的参数条件,发现不同的参数组合下,PMSGs系统呈现出丰富的动力学行为。该耦合控制器除了使用系统转速变量的信息外,还利用了一维过阻尼动力学系统作为虚拟环境,间接影响着系统的混沌行为。实验仿真验证了直接和间接耦合控制对PMSGs系统的混沌行为具有抑制作用,提高了电能利用率,维持了机电系统的安全稳定运行。（4）构造一种更具实际意义的复杂电力系统模型,研究了电网同步聚散性的问题。以类Kuramoto模型作为基本电力网络,以PMSM系统作为实际感性负载,建立一个含有感性负载的电力系统模型,以序参量和平均频率误差作为两个衡量电网同步程度的指标。发现感性负载与电网之间的耦合参数越大,序参量越快接近于1,平均频率误差也越快趋于0。这表明了含有感性负载的电力网络在耦合参数的影响下越快趋于完全同步状态。（5）研究感性负载PMSM系统分别受到电力网络的全局耦合作用和部分耦合作用时,负载系统的稳定性问题。发现电力网络与负载这两类不同的耦合方式对抑制负载系统的混沌行为有积极影响,使负载系统处于稳定运行状态。研究还发现在电网的全局耦合作用下,抑制负载PMSM系统的混沌行为所需的时间要比部分耦合所需的时间短。研究结果对保证电力网络中感性负载的稳定性以及复杂电力系统本身的稳定运行提供了参考。
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