高比例可再生能源下直流电力网络的规划控制与稳定性研究

This project focuses on the complex characteristics of DC power grid under the condition of high-permeability renewable energy. In this way, the capacity planning, voltage stability and adaptive virtual inertial control of the system are worth to be deeply studied. The main concerns of this project are as follows: 1) Considering the strong uncertainty of renewable energy and transmission loss, the sufficient condition for realizing the balance of system’s source-grid-load power is given. Besides, the capacity planning of realizing the complementary ratio of new energy and reasonable installed capacity are established to guarantee the uninterrupted power supply of the system. 2) The existence and stability analysis method of the equilibrium point of DC power grid under distributed control is given . An analytical solution for the stability of the system with multiple loads and communication delay is proposed to ensure the safe and stable operation of the system. 3) To suppress voltage fluctuations caused by the low inertia of power electronic grid, an adaptive virtual inertial control strategy and its coordination optimization design scheme are proposed to improve the anti-disturbance capability of voltage and ensure the overall optimal inertia of the system under the capacity constraints, as well as the system security and voltage transient performance. Through the research of this project, a safe, reliable and efficient intelligent DC power grid will be built , which will lay the foundation for the real realization of China's smart grid.

课题针对高比例可再生能源下直流电力网络的复杂特性，深入研究了系统的容量规划、电压稳定性以及自适应虚拟惯性控制问题。主要内容包括：1）考虑可再生能源的强不确定性及输电损耗，给出实现系统源-网-荷功率平衡的充分条件，确立了实现新能源互补配比以及装机容量的容量规划，保证系统不间断供电。2）给出分布式控制下直流电力网络的平衡点存在性与稳定性分析方法，提出多重负阻抗以及通信延时下系统稳定的解析条件，保证系统在多重恒功率负载下的安全稳定运行。3)针对电力电子化网络低惯性问题导致的电压频繁波动，提出自适应虚拟惯性控制策略及其协调优化设计方案，提高了电压抗扰能力，保证系统在容量约束下具有整体最优惯性，兼顾系统安全性以及电压暂态性能。通过研究，将构建一个安全、可靠、高效的智能化直流电力网络，为我国智能电网的真正实现奠定基础。

课题以直流电力网络为研究对象，针对可再生能源的随机性和波动性、负载的恒功率和负阻抗等固有特性导致的系统源-网-荷功率不平衡、电压失稳以及剧烈波动问题，研究高比例可再生能源下直流电力网络的容量规划、分布式控制下系统电压稳定性以及自适应虚拟惯性控制策略及其协调优化设计。本项目深入分析了可再生能源的强不确定性以及输电损耗对电力网络源-网-荷功率平衡的影响，从能量的角度给出源端输出功率与负载功率应满足的关系，通过对源-源、源-荷的联合概率分布函数的研究，可以得到强不确定性条件下系统安全运行的条件，通过对新能源之间的合理互补配比降低了系统对常规能源的依赖，该方法已被验证可行。提出分布式控制下包含多重恒功率负载的直流电力网络的平衡点存在性和稳定性分析方法，得出平衡点存在性与稳定性的解析条件，并基于系统平衡点的内蕴性质，求得系统网络等效阻抗矩阵的特征值分布范围，从而得到了系统稳定时的恒功率负载上界和通信延时上界。在自适应虚拟惯性控制及其协调优化设计方面，将自适应虚拟惯性的优化设计问题，描述成一个数学上的优化问题，通过人工智能方法以及随机寻优方法至少能得到一个性能很好的次优解。同时，提出自适应虚拟惯性控制策略及其协调优化设计方案，将自适应控制和虚拟惯性理论优势结合，获得了更好的性能，保证系统在容量约束下具有整体最优惯性，提高了系统电压暂态性能，保障系统的安全高效运行。