电力系统稳定边界的研究

 

电力系统稳定边界的研究

李颖晖1，张保会1，李　勐2

（1．西安交通大学，陕西西安710049；2．国防科技大学计算中心，湖南长沙410073）

    摘要：根据非线性系统稳定域边界理论，非线性系统在系统稳定边界上不稳定平衡点处的不变稳定流形的集合为受扰动后系统的稳定边界，某不稳定平衡点处的稳定流形可以通过对非线性系统进行特定的线性及非线性变换求得。该文提出了新的非线性变换形式，使得在求得稳定边界后，确定临界切除时间，从而避免了多值映射的问题；推导了在原始系统中系统运动方程的矩阵表达式；推导了经线性映射后系统运动方程的矩阵公式和四阶非线性变换的矩阵表达式；给出了系统在主导不稳定平衡点处稳定边界的解析式和确定临界切除时间的方法及公式；通过仿真计算验证了这种非线性变换形式的可行性。
    关键词：稳定域边界；不变稳定流形；临界切除时间

1　引言
　　受扰动后的非线性系统的稳定域边界是系统的稳定边界上的不稳定平衡点的稳定流形的并集构成。由于稳定流形定义为受扰动后系统的解的集合，因此通过求系统的稳定流形来确定稳定边界是十分困难的。由非线性系统理论可知，对系统的运动方程进行特定的线性及非线性变换，可以将非线性系统的稳定流形变换为对应的线性系统的稳定子空间，因此用二阶的Normal Form变换确定扰动后的电力系统稳定边界应运而生［1～3］。但是这种非线性变换存在多值性的问题［4］，在确定系统的临界切除时间时遇到困难，从而也阻碍了高阶的NormalForm变换的应用，使得用二阶的Normal Form变换确定的稳定边界的准确性得不到提高。
　　本文提出了另一种非线性变换，同样也将非线性系统的稳定流形变换为与其对应的线性系统的稳定子空间，但由于这种非线性变换是多对一的映射，不存在映射的多值性问题，因此可以考虑应用较高阶的非线性变换，使得稳定边界的精确度得到保证。

2　运动方程的矩阵表达

　　由于要对电力系统的运动方程作线性及非线性变换，因此首先要将系统的状态方程按泰勒级数展开，并表示为矩阵的形式。

2．1　功角和角速度的状态空间下状态方程的数学描述
　　在系统的功角和角速度的状态空间下，取第n台机为参考机，取故障后系统的主导不稳定平衡点为系统的坐标原点，电力系统的运动方程为

式中　X为N维列向量；F为关于X的N维函数向量；N的值在n台发电机电力系统中为2 n－2。
　　将X的第i维分量写出，Fi（·）为函数向量F的第i维分量

电机功角和角速度所在空间称为X空间。
2．2　从X空间线性变换到Y空间系统的状态方程的描述
　　在系统的主导不稳定平衡点（CUEP）处，对系统的运动方程作特定的线性和非线性变换，则非线性系统在CUEP处的稳定流形变换为对应线性系统的稳定子空间，从而求稳定流形的问题转化为求线性系统的稳定子空间的问题。
　　从X空间变换到Y空间，是对系统作一相似变换，有

X＝UY       （6）

式中　矩阵U满足矩阵方程，矩阵A即是在X空间中系统状态方程的雅可比矩阵，矩阵A的特征根可能有若干对共轭复数，设为αi＋jωi，αi－jωi，i取1至nm，矩阵Jr的对角元素由矩阵A的特征根组成，Jr写为

对式（5）按式（6）作线性变换，则式（5）必定可以变换为以下的形式

　　因为变换是线性的，所以在X空间的二次项变换到Y空间仍然是二次项。将式（5）的右边写成线性及二次项与二次以上项的和，以求得二次项在Y空间的表达式为

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