本文關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)中同步發(fā)電機搖擺振蕩的非線性動力學特性研究

  更多相關(guān)文章： 電力系統(tǒng) 同步發(fā)電機 搖擺方程 分岔 混沌振蕩 奇異性理論

【摘要】：近年來,我國電網(wǎng)規(guī)模越來越大,電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和特性日趨復雜,電網(wǎng)互聯(lián)影響越來越明顯,由此帶來的各種振蕩失穩(wěn)現(xiàn)象變得更易出現(xiàn)。又由于環(huán)境和投資條件的限制,電力系統(tǒng)通常在重負荷條件下接近其穩(wěn)定極限狀態(tài)運行,當實際的電力系統(tǒng)遇到各種擾動時,電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性極易受到影響,這是制約其安全穩(wěn)定運行的重要因素。增強電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性一直都是電力系統(tǒng)發(fā)展過程當中面臨的緊迫而艱巨的任務(wù),同時也表明當前電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的研究具有重要意義,迫切需要采用新理論新方法對電力系統(tǒng)失穩(wěn)機理進行深入研究。電力系統(tǒng)的功角穩(wěn)定性與同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子的機械運動密切相關(guān),一直是電力系統(tǒng)穩(wěn)定性研究的焦點問題,許多具有破壞性的不穩(wěn)定事故都是由發(fā)電機功角失穩(wěn)造成的。因為機電耦合的相互作用,其中涉及到的動力學問題非常復雜,發(fā)電機轉(zhuǎn)子搖擺運動可能會發(fā)生主共振、組合共振等振蕩形式,由振蕩誘發(fā)的發(fā)電機失步現(xiàn)象甚至電力系統(tǒng)失穩(wěn)等事故時有發(fā)生。電力系統(tǒng)作為一個典型的非線性動力系統(tǒng),會表現(xiàn)出極其豐富的非線性動力學現(xiàn)象。應(yīng)用非線性動力學理論深入研究同步發(fā)電機功角的振蕩和分岔規(guī)律,指導人們采取有效的控制手段,是具有重要理論意義和實際意義的研究課題。本文以同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子運動方程(又稱搖擺方程)為對象,通過解析分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的手段,深入地研究了不同大小規(guī)模的電力系統(tǒng)中搖擺方程表現(xiàn)出來的一些非線性動力學現(xiàn)象及同步發(fā)電機的振蕩失步機理。首先研究了周期性負荷擾動作用下單機無窮大電力系統(tǒng)搖擺方程的分岔和混沌特性�？紤]了與系統(tǒng)狀態(tài)變量相關(guān)的阻尼轉(zhuǎn)矩的影響,建立了該系統(tǒng)的搖擺方程,用多尺度法得到了系統(tǒng)小幅搖擺振蕩的周期解與幅頻響應(yīng)分岔方程。應(yīng)用奇異性理論對分岔方程進行了奇異性分析,由Melnikov方法給出了系統(tǒng)發(fā)生混沌運動的解析條件,最后通過數(shù)值仿真分別討論了周期性負荷和同步發(fā)電機組的阻尼對系統(tǒng)動力學行為的影響。在此基礎(chǔ)上,考慮了原動機的調(diào)節(jié)作用導致的發(fā)電機機械輸入功率受到周期性的擾動作用,建立了雙頻激勵作用下單機無窮大電力系統(tǒng)的搖擺方程,應(yīng)用多尺度法分析了組合共振的分岔特性。研究表明負荷功率和機械輸入功率都對系統(tǒng)響應(yīng)有重要影響,當兩種激勵幅值都較小時,系統(tǒng)響應(yīng)具有小幅振蕩的周期解。隨著兩激勵幅值逐漸增大,系統(tǒng)分岔現(xiàn)象凸顯,出現(xiàn)了多值、跳躍、滯后等現(xiàn)象。研究結(jié)果同時表明雙頻激勵下的單機無窮大電力系統(tǒng)發(fā)生混沌振蕩的門檻值提前,系統(tǒng)更易發(fā)生混沌振蕩現(xiàn)象。然后,針對兩機準無窮大電力系統(tǒng)的物理模型,同時考慮了無窮大節(jié)點電壓的幅值和相角的雙重擾動作用對系統(tǒng)動態(tài)特性的影響,建立了兩自由度的搖擺方程。應(yīng)用多尺度方法分別求得參激主共振和內(nèi)共振時系統(tǒng)模態(tài)解的分岔方程,由單變量奇異性理論討論了系統(tǒng)發(fā)生參激主共振時的轉(zhuǎn)遷集,并繪制了不同區(qū)域內(nèi)對應(yīng)的分岔圖。由各區(qū)域內(nèi)的分岔圖可見,無窮大節(jié)點電壓的幅值擾動與相角擾動相比,系統(tǒng)對電壓的幅值擾動更加敏感。并利用兩個狀態(tài)變量的奇異性方法分析了1:3內(nèi)共振情況下分岔方程的分岔特性,研究了其拓撲結(jié)構(gòu)與無窮大節(jié)點電壓的幅值和相角擾動之間的關(guān)系,得到了不同參數(shù)空間內(nèi)系統(tǒng)具有的典型分岔模式。研究結(jié)果表明內(nèi)共振的發(fā)生使得兩模態(tài)之間發(fā)生了能量傳遞,使第一階模態(tài)的幅值大大增加,模態(tài)解發(fā)生突變的分岔點增多,模態(tài)解分岔模式更為豐富。為此對系統(tǒng)進行動力學參數(shù)設(shè)計時,可以通過避開這些分岔點所對應(yīng)的系統(tǒng)參數(shù),防止系統(tǒng)的運動狀態(tài)發(fā)生突變。最后,以三機無窮大電力系統(tǒng)的搖擺方程為研究對象,利用非線性動力學方法研究其隨不同系統(tǒng)參數(shù)變化時表現(xiàn)出的動態(tài)特性。應(yīng)用四階Runge-Kutta方法,通過全局分岔圖、最大Lyapunov指數(shù)、時間歷程、相圖、Poincaré截面和頻譜,系統(tǒng)詳細地討論了無窮大節(jié)點電壓的擾動幅值、擾動頻率、無窮大節(jié)點電壓的基準值和機組阻尼對系統(tǒng)動力學行為的影響。利用奇異性理論研究電力系統(tǒng)的系統(tǒng)參數(shù)和運行參數(shù)對系統(tǒng)非線性動態(tài)特性的影響是本文的一個新視角,能夠為系統(tǒng)的動力學分析與控制提供一個新手段,并且有助于更好地理解和認識電力系統(tǒng)強迫功率振蕩發(fā)生共振的機理,對其非線性振蕩的分析、預(yù)防和控制具有指導意義。
【關(guān)鍵詞】：電力系統(tǒng) 同步發(fā)電機 搖擺方程 分岔 混沌振蕩 奇異性理論
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TM31;O322
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-12
• 第1章 緒論12-30
• 1.1 課題研究背景與意義12-14
• 1.2 電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分類14-15
• 1.3 同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子運動方程15-19
• 1.4 電力系統(tǒng)分岔與混沌研究綜述19-26
• 1.4.1 電力系統(tǒng)中分岔的研究20-22
• 1.4.2 電力系統(tǒng)中混沌的研究22-26
• 1.5 非線性動力學理論在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用26-28
• 1.6 本文主要研究內(nèi)容28-30
• 第2章 周期性負荷擾動作用下單機無窮大電力系統(tǒng)的分岔與混沌分析30-46
• 2.1 周期性負荷擾動作用下單機無窮大電力系統(tǒng)的搖擺方程30-32
• 2.2 主共振分析32-34
• 2.3 主共振的奇異性分析34-36
• 2.4 MELNIKOV函數(shù)分析36-40
• 2.5 數(shù)值分析40-44
• 2.5.1 周期性負荷激勵幅值對系統(tǒng)動力學行為的影響40-43
• 2.5.2 阻尼對系統(tǒng)動力學行為的影響43-44
• 2.6 本章小結(jié)44-46
• 第3章 雙頻激勵作用下單機無窮大電力系統(tǒng)的組合共振及分岔特性研究46-59
• 3.1 雙頻激勵作用下單機無窮大電力系統(tǒng)的搖擺方程46-47
• 3.2 雙頻激勵作用下系統(tǒng)的組合共振分析47-51
• 3.2.1 組合共振問題的求解47-49
• 3.2.2 組合共振時解的穩(wěn)定性分析49-50
• 3.2.3 奇異性分析50-51
• 3.3 MELNIKOV函數(shù)分析51-54
• 3.4 數(shù)值計算54-57
• 3.5 本章小結(jié)57-59
• 第4章 兩機準無窮大電力系統(tǒng)的分岔與奇異性分析59-80
• 4.1 兩機準無窮大電力系統(tǒng)的搖擺方程60-64
• 4.2 參激主共振分析64-72
• 4.3 內(nèi)共振分析72-78
• 4.4 本章小結(jié)78-80
• 第5章 三機無窮大電力系統(tǒng)的非線性動力學特性分析80-98
• 5.1 三機無窮大電力系統(tǒng)的搖擺方程81-83
• 5.2 最大LYAPUNOV指數(shù)83-84
• 5.3 三機無窮大電力系統(tǒng)功角搖擺振蕩的非線性響應(yīng)分析84-96
• 5.3.1 無窮大節(jié)點電壓的擾動幅值影響84-90
• 5.3.2 阻尼系數(shù)的影響90-93
• 5.3.3 無窮大節(jié)點電壓的常值B0V的影響93
• 5.3.4 無窮大節(jié)點電壓擾動頻率的影響93-96
• 5.4 本章小結(jié)96-98
• 結(jié)論98-101
• 參考文獻101-112
• 附錄112-114
• 攻讀博士學位期間發(fā)表的學術(shù)論文及其它成果114-116
• 致謝116-117
• 個人簡歷117

【參考文獻】

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本文編號：639924