基于概率理论的模态灵敏度分析及其应用

With the more and more connections of AC and DC power grid and large-scale renewable energy generations, such a large number of nonlinear devices and loads integration result in the harmonic and resonance issues getting more serious. Moreover, the power system has larger scale and more nodes; on the other hand, the probable nature of the network parameters and (both linear and nonlinear) loads directly affect the analysis results of the harmonic resonance. As a consequence, the practical harmonic resonance analysis and researches are going harder and more complexity. Therefore, this project, deals with large-scale and multiple nodes of power system and takes account of the network parameter variations, proposes the probability-based resonance mode and modal sensitivity studies. The main research contents are listed as follows: 1) modal analysis and fast calculation methods for such power system; 2) model the probability of loads, harmonic sources and network parameters and propose resonance mode assessment method considering varying parameters; 3) define the device, circuit branches, nodes and region sensitivity indices with respect to probability modal sensitivity information and derivation approach; 4) the harmonic resonance mitigation technique based on united modal sensitivity indices. The research of this project will enhance the calculation, assessment, prediction and mitigation studies for power system resonance issues, and direct the design, improvement and safe reliability. The research has important theoretical and practical values.

随着交直流电网互联、大规模可再生能源接入，大量非线性设备和负荷投运造成了电力系统谐波与谐振问题日趋严重。一方面电力系统的规模越来越大、节点越来越多，另一方面，系统参数、负荷与谐波源的不确定性直接影响谐波谐振的分析结果，导致谐振分析的难度和复杂度进一步加大。因此，本项目针对大规模、多节点电力系统，并计及系统参数波动特性，开展基于概率理论的谐振模态与模态灵敏度研究。主要创新内容有：1）大规模、多节点电力系统的模态分析及快速求解算法；2）负荷、谐波源和系统参数的不确定性建模，提出参数波动下的谐振模态分析方法；3）定义元件、支路、节点、区域四个层次对概率模态阻抗、频率、节点的灵敏度指标，研究概率模态灵敏度信息及提取方法；4）基于复合模态灵敏度信息的谐波谐振抑制技术。项目的研究可对电力系统谐波谐振问题进行计算、评估、预测与抑制，对实际系统的设计、改造及安全可靠运行提供指导，具有重要的理论和实际意义。

近年来随着（电力）电子和信息技术的快速发展，新能源系统和（电力）电子设备的大量接入已经显著改变了电力系统谐波问题的性质。它们的随机性和分布式特性以及电力系统规模的不断扩大对系统谐波传输和谐波谐振分析方法提出了新的要求。亟需提出新的方法来解决现有分析方法的计算复杂、只能得到定性分析结果以及未考虑系统不确定性的不足。为此，本项目围绕电力系统的谐波谐振问题开展理论研究，着重解决谐波谐振分析的模态快速计算、影响区域及严重度的量化评估以及概率评估等一系列理论问题。提出了基于改进幂迭代的谐波谐振模态快速计算方法，解决了传统谐振模态分析法基于特征值分解计算空间及时间复杂度较大的问题。具体创新点包括提出了新的迭代过程起始向量选择方法以及“收敛速度”及“收敛加速度”综合迭代终止条件，可有效减少不必要的迭代过程；进一步提出采用“两步长法”进行谐振模态分析，所得结果准确，且进一步提高了谐振模态分析的速度。提出了一种谐波谐振量化评估方法及不确定条件下的灵敏度分析方法，解决了谐波谐振影响区域及放大严重度的量化评估问题。区分了谐波源母线上和非谐波源母线上的谐振，即局部谐振和非局部谐振，并给出了具体的定义；建立了基于谐波电气距离的谐波传输区域和相应放大倍数的量化指标。除局部灵敏度分析外，进一步采用全局灵敏度分析方法对系统不确定性参数进行灵敏度分析，并对三类灵敏度参数进行了区分和定义。提出了一种考虑不确定性的电力系统谐波谐振模态概率评估方法。该方法能够分别给出系统级谐振频率带和模态阻抗的概率表达式，以及母线级和元件级的灵敏度信息。提出了基于灵敏参数调整的概率谐振频移。项目组通过广泛的分析和仿真研究以说明和验证上述方法。结果证实，相较于已有方法，这些方法对于分析电力系统谐波传输及谐振放大问题优势明显。本项目研究切实促进了谐波谐振分析的快速计算、从定性分析到定量分析、从确定性分析到概率分析的进步。