电力系统控制与决策中的博弈问题—–工程博弈论初探

由于在处理多主体、多目标与复杂决策时序等方面具有的独特优势,博弈论从其诞生至今半个多世纪以来,已经对经济学、社会学、军事学、政治学以及工程科学等诸多领域产生深远的影响,成为分析研究策略相互作用的主流理论和控制与决策领域不可或缺的辅助设计工具.由于存在多个决策主体以及竞争与合作等多种利益关系,工程系统优化决策问题往往可归结为某种特殊形式的博弈问题.本文从电力系统中的控制与决策问题出发,阐述了工程博弈论的建模思想和主要方法,并以笔者团队近年来在相关领域的科研工作为主线,对工程博弈论在电力系统中的应用进行总结与展望.

基于电力系统稳定边界理论的紧急控制决策方法研究

提出了一种电力系统暂态稳定控制中发电机快关/切负荷紧急控制决策的新方法。该方法应用非线性动力系统稳定边界理论,沿稳定边界上主导不稳定平衡点处的法向量在角度空间中的投影向量方向外推主导不稳定平衡点,来扩大电力系统的暂态稳定域,将电力系统经典模型下的发电机快关、切负荷紧急控制决策问题描述为一线性规划模型,大大降低了控制方案搜索过程的计算量。将这一线性规划模型应用于实际电力系统故障算例时,为了得到工程实际中便于操作的紧急控制策略表,进一步采用时域仿真的方法对线性规划模型求解得到的候选控制措施进行甄别。通过很少次数的数值积分,便可以快速准确地遴选出保持系统暂态稳定的控制方案。在New England 10机39节点系统上的仿真结果表明了该方法的有效性和实用性。

基于新能源消纳的高温电解制氢系统建模与控制方法研究

基于新能源随机波动以及低温电解制氢系统转化效率较低且无法切换到发电状态,提出一种高温电解制氢变负载情形下的高效最大产氢点多模型优化控制方法。首先构建计及辅助设备在内的高温固体氧化物电解系统整体协同运行的多能耦合优化模型,分析其影响系统电解的工作温度、电流强度、物料流速等诸多因素并导出高能安全产氢率;其次,在PID控制的基础上,给出一种既能实现变负荷同步准确跟踪产氢轨迹和优化电网调控需求,又能最大优化产氢效率的自适应时变线性变参数模型预测控制方法;最后,通过算例仿真验证所提方法较PID控制电解系统升温速率快,过渡时间短,电解电流、水蒸气流速、H2流速、电炉功率都能平稳过渡至稳态点,具有一定的理论和实用价值。

广域测量技术在电力系统中的应用研究进展

大规模交直流混合电网的建设和发展,对电力系统稳定和控制在空间广度和时间维度上提出了更高的要求。广域测量系统(Wide Area Measurement System,WAMS)的同步量测数据在空间和时间上满足上述要求,因而研究WAMS技术在电力系统中的应用十分必要。从WAMS的结构和原理出发,总结了近五年来广域测量系统在电力系统动态监测与故障分析、辨识与估计、系统稳定控制和广域保护等方面的研究进展,并详细分析了其中存在的问题。最后展望了广域测量技术需要进一步研究的问题,指出基于WAMS技术构建大规模互联电力系统的广域安全监测及控制系统是一个很有意义的研究方向。

太阳能热气流发电系统仿真与实验研究

太阳能热气流发电系统是一种新型的可再生能源发电系统。文章利用COMSOL Multiphysics软件构建了该系统的CFD模型,并对该系统中集热棚和烟囱内的温度和压强,以及烟囱内浮升气流的风速变化情况进行了模拟研究。同时,利用搭建的太阳能热气流实验装置测量了集热棚内气流温度和烟囱内风速,并将实验结果与仿真结果进行对比分析。分析结果表明,集热棚内气流温度和烟囱内风速实测值的变化趋势与仿真结果基本一致,集热棚内气流温度实测值的平均值与仿真值平均值之间的相对偏差为2.9%,烟囱内风速仿真值与实测值之间绝对偏差的平均值以及标准差分别为1.21 m/s,0.4。

优质电力园区多DFACTS设备协调控制策略

优质电力园区利用多种DFACTS设备为园区内不同等级的负荷提供相应等级的电能,是一种解决电能质量问题的重要手段。由于多种DFACTS设备可能同时动作,需要对它们进行协调控制。文章依托南京青奥会优质电力园区配套工程,提出基于电能质量监控中心的多DFACTS设备协调控制策略,PSCAD/EMTDC的仿真结果验证了该方法的正确性和有效性。

基于云模型综合相似度的电力物联网关键技术综合评价

目前电力物联网关键技术应用的综合评价具有单评价对象的特点,传统评价方法无法适用.为全面评价电力物联网项目建设水平和运营成效,在综合考量电力物联网不同建设和运营阶段及其关键要素基础上,建立电力物联网关键技术综合评价指标体系,根据其单评价对象场景的特点,提出基于云模型综合相似度的评价模型.通过对逼近理想解排序方法的改造构建单评价对象的决策矩阵,提出以兼顾云模型的形状-距离综合相似度为度量,表征逼近理想解排序方法的相对贴近度,进而实现对单评价对象的精准评价.应用所提方法综合评价某电力物联网示范工程,验证了所提综合评价体系和评价方法的客观性与全面性.

基于改进MPPT算法的光伏并网系统控制策略

研究并改进了单相两级光伏并网发电系统的控制策略。以2种基本最大功率点跟踪(MPPT)技术为基础提出了一种结合固定电压法与增量电导法的占空比扰动MPPT算法。在不同的光伏电池运行点采用不同的跟踪方法,通过直接控制直流斩波器开关占空比以达到快速准确的功率跟踪效果。针对该算法的运行条件改进了光伏并网系统整体控制策略。通过直流电压外环的功率平衡控制及比例积分校正,配合内环并网电流反馈控制,使并网逆变器在保持并网电流质量的同时更好地控制直流电压。通过PSCAD/EMTDC软件搭建的光伏并网系统仿真模型验证了改进MPPT算法及逆变器控制策略的有效性。

大容量链式电池储能系统及其充放电均衡控制

为实现高母线电压、大容量的城网储能,结合链式DC/AC变流器拓扑及多重化双向DC/DC变流技术,提出一种适合于大容量、多储能模块的电池储能系统结构。该储能系统可以不通过升压变压器直接接入10 kV以上电压等级母线,并可在较低开关频率下达到良好的输出谐波特性;系统中每个串联单元的直流电压可在电池组端电压的基础上进一步提高,并允许多组电池并联接入。针对三角接链式系统提出了三级电池充放电均衡策略。电磁暂态仿真实验的结果验证了相关控制策略的有效性。

十二相异步发电机功率绕组与整流系统的电路分析

为了对异步发电机十二相功率绕组带整流负载系统进行仿真计算,采用了基于电路拓扑理论的回路电流法。针对系统多回路变拓扑结构加之电容与电感元件同时存在等复杂情况,以网络图论为基础,结合回路电流法,列写矩阵形式表示的网络方程。求解过程中定步长和变步长联合使用,解决了计算结果的稳定性问题。通过对计算数据进行等间隔插值、快速Fourier变换、输入量迭代等数值计算方法的应用,最终得出各变量的基波与谐波分量。仿真波形与实验波形比较吻合证实了分析方法的有效性,而变量基波分量计算值与实验值一致说明分析方法的相当高准确性。

海上风电场并网柔直系统的故障穿越协调控制策略

分析了基于H桥换流单元与集中式斩波电阻的多电平集中式卸荷电路(dynamic braking resistor,DBR),介绍了其结构拓扑、参数设计与控制方法,并对比模块化多电平卸荷电路,验证其故障穿越(fault ridethrough,FRT)性能。针对海上风电场并网柔性直流输电系统,结合双馈与永磁直驱风场侧换流站的交流电压降压法,利用风电机组(wind turbine generator,WTG)自身功率调节能力,设计FRT协调控制策略,在保证系统故障穿越性能的前提下,缩减卸荷电路所需容量,适用于高压大容量场合。依据德国已投运Borwin1工程的参数,在PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真软件中搭建三端柔性直流输电系统模型,验证了所提协调控制策略具有良好的FRT控制效果。

基于辨识和留数的发电机广域附加阻尼控制器设计

发电机广域阻尼控制器(Wide-area Power System Stabilizer,WAPSS)采用对区间低频振荡模式具有强可观性的广域区间信息作为反馈信号。广域信息的引入,使得被控对象为高阶复杂电力系统,基于单机无穷大系统的传统PSS设计方法不再适用。提出了一种基于辨识和留数的发电机广域阻尼控制器设计方法,首先利用辨识方法得到被控电力系统的降阶模型,然后根据降阶模型的留数得到发电机广域阻尼控制器的参数,避免了复杂的矩阵方程求解,简化了设计流程。基于该方法设计的WAPSS控制效果在中国南方电网系统得到了仿真验证,仿真结果表明,该方法设计的WAPSS能有效阻尼区间低频振荡,提高系统稳定性。

应用于链式PCS系统的双主动全桥移相控制研究

隔离式双向双主动全桥(DAB)单元作为链式功率转换系统(PCS)的核心单元直接影响系统调压范围。将双重移相方式应用于DAB单元,形成一种新型移相控制方式。该控制方式在满足电路功率双向传递的基础上,提高了DAB单元的调压范围,减小了电感电流换向所引起的功率环流损耗。采用FPGA和DSP作为主控器件,搭建了链式PCS系统实验平台。实验结果验证了理论和仿真分析的正确性。

双绕组高速异步发电机控制绕组电流和定子频率的确定

通过电磁场有限元分析方法,计算了实心鼠笼转子双绕组异步发电机不同负载下恒压运行时控制绕组电流和定子频率。根据异步发电机十二相功率绕组和三相控制绕组各自电势、电流相位关系以及两绕组间的空间相对位置,确定了各相量的相位角和除控制绕组电流外其它相量的有效值。由ANSYS中的二维谐波场求出了功率绕组每相感应电势,相电势计算值与给定值一致作为优化目标函数,控制绕组电流有效值与转差频率作为变量,通过直接搜索方法迭代得到变量最终值。控制绕组电流和发电机运行转差率的计算结果与实验结果较为一致,证明了分析方法的正确性。

基于钒流电池储能的虚拟同步发电机控制策略

构建基于钒流电池储能的虚拟同步发电机(VSG),使微电网具有同步发电机惯量大、输出阻抗大等特性。采用同步发电机5阶方程作为VSG本体模型,双向Buck-Boost变换器作为连接钒流电池储能装置与VSG的桥梁,在调频单元中加入2次调频及对转动惯量和阻尼值的合理设置,可以省去传统的预同步单元,在4象限内准确地跟踪有功和无功功率,实现VSG离网到并网平滑切换。

含任意拓扑和通信故障的关联系统分散控制

针对一类含任意拓扑结构连接以及不可靠通信连接而引起的关联系统子系统间信息交换故障情况问题,提出了一种关联系统分析以及分散控制器设计方法。该方法首先把关联系统子系统间通信故障的随机变量看作是关联系统模型不确定性来源,并且用分式线性变换形式建立关联系统。然后,借助鲁棒控制理论推导出在最大通信连接故障情况下关联系统均方稳定的充分条件。在给定某一通信故障率下,基于线性矩阵不等式理论,通过设计分散状态反馈控制器来保证整个大系统是均方稳定的。最后,通过中国南方电网局部缩减模型作为仿真实例说明所提出模型和方法的有效性。仿真结果表明,当南方电网局部电力元件之间的通信发生故障时使用本文的方法能够很好地进行电网设计和广域控制,并使整个局部电网是均方稳定的。

半导体温差发电装置最优工作区控制研究

详细分析半导体温差发电模块的功率特性和效率特性,提出一种兼顾最大功率和最大效率的温差发电优化控制策略,获取最优电流工作区。在Matlab/Simulink中构建基于Boost的温差发电模型并构建实验平台,仿真和实验结果证明控制策略的有效性。

基于多元线性回归的变电设备状态评价权重修正模型

为解决多数电网公司所采用的基于导则的打分制变电设备状态评估方法中缺少针对权重修正的闭环反馈,致使评估权重较为固定的问题,文中引入变电设备状态评价权重修正模型,基于历史评估数据与经与状态评级事后有效性评价得到的修正结果,通过多元线性回归模型,给出回归后的理论修正权重,并可根据该结果对状态量权重进行修正。通过理论及应用实例验证表明:文中所提出的通过结合客观的历史检修、运维、评估数据与事后有效性验证的权重修正模型,是一种较为有效的权重修正方法,可以为更准确地为评估变电设备的状态情况提供参考。

利用自适应校正设计的同步发电机神经控制器

电力系统是大规模非线性系统,其不确定性、快速动态等特性一直是稳定控制中难以解决的问题。神经网络控制由于具有自组织性、自适应性、容错性等性能,近年来在控制领域取得了很大的发展。文中介绍了一种新型神经控制器,该控制器应用自适应校正设计的原理,选用基于控制网络的启发式动态规划(Action-DependantHeuristicDynamicProgramming),设计中利用控制网络与校正网络交替训练的方法进行控制器的优化,具有结构简单,不依赖于受控系统的优点,并且能够实现在线学习。以单机无穷大系统为例,在Matlab/Simulink环境中对系统不同运行方式进行仿真,将该神经控制器同传统控制器进行对比,结果显示前者能够对系统振荡进行更好的阻尼,并且对不同工况保持稳定一致的控制效果,体现了很强的鲁棒性。

战略备用煤电机组的成本效益分析

气候变化导致极端天气频次升高,电力系统的安全稳定受到挑战。现有对战略备用机组的研究多为政策分析或者从机组成本和售电收入等角度进行建模仿真,无法全面反映其带来的经济社会影响。为综合分析战略备用机组的经济性,建立了考虑保障经济生产、居民健康效益和劳动力水平等方面收益以及电厂投资运维成本的成本效益分析模型,并以四川省限电事件为案例进行分析。结果表明:四川省限电事件中,战略备用机组可带来的度电效益为4.77元/(kW·h),战略备用机组所带来的度电成本约为1.91元/(kW·h),而使用已完成折旧的机组作为战略备用机组所带来的度电成本约为0.47元/(kW·h),所以从全社会角度分析,建设运营战略备用机组是经济可行的;机组运行时长是影响战略备用机组度电成本的最关键因素,一年内低于89 h的运行时长会使得机组度电成本高于其社会效益。