《随机扰动下复杂电力系统与网络的动力学行为及其混沌控制研究》

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课题来源与背景:该研究项目任务来源于两个已完成的国家自然科学基金项目。国家自然科学基金项目分别为“随机扰动下复杂电力系统与网络的动力学行为及其混沌控制研究(编号10862001)”和“噪声作用下复杂网络稳定性分析与控制研究(编号10947011)”。研究目的与意义:电机、电力系统属强非线性、强耦合、动态的复杂系统,而大电网之间的互联是现代电力系统发展的必然趋势,它将使电网的发电和输电变得更经济,更高效。与此同时,电机、电力系统运行的稳定性受到前所未有的挑战。近几十年来,国内外一些大电网相继发生电压、频率振荡失稳甚至崩溃的事故,如2003年8月14日美加大停电,2005年5月23日莫斯科大停电等,这些事故给国民经济和人们的生活造成了巨大损失和严重危害。最初,研究人员认为电力系统负阻尼引起的低频振荡是导致其失稳的根本原因,但是他们在通过附加励磁控制器增强系统阻尼之后,发现振荡仍有发生。随着分岔、混沌理论在电力系统非线性动力学行为研究中的应用,人们发现电力系统中除了低频振荡外,还存在混沌振荡,其外在表现为非周期、无规则、突发性或阵发性的病态机电振荡。这种振荡不仅对系统的稳定具有极强的破坏力,而且不能依靠附加传统的励磁控制器来抑制或消除,因而很有必要对电力系统的混沌振荡产生机理及其控制进行深入研究。另一方面。研究发现,电网中某一个局部节点发生故障会导致它的负载重新分配,而负载的重新分配又使得电网中另外一些节点因接受额外负载超过其负载容量而失效,继而引发系列节点故障最终导致了电网的大面积停电、崩溃,这种现象称为电网级联故障。大规模的电网级联故障一旦发生,将带来巨大损失。因此,电网级联故障的理论研究非常重要且具有重要现实意义。自上个世纪九十年代以来,许多学者对复杂电机、电力系统非线性动力学及其控制、级联故障进行了有益的探讨,然而国内外的这些研究工作,存在以下几个问题:第一,有关电力系统的非线性动力学研究主要集中在分析确定性电力系统的分岔、混沌行为,尚未考虑噪声微扰对电力系统非线性动力学行为的影响,然而现实中的电力系统受到噪声的干扰是不可避免的,它的确定性系统模型只能是实际系统的理想化。因此,十分有必要对随机扰动下电力系统的动力学行为及其控制进行研究。第二,有关电机系统稳定性分析均未考虑电机的变时滞反馈电流对其全局稳定性的影响,然而时滞现象在实际工程问题中是普遍存在的,时滞的存在使得系统的分析与综合变得更加复杂和困难;第三,自1990年提出控制混沌的思想以来,混沌系统控制的研究引发人们极大的兴趣,新的控制理论和方法不断涌现,然而已有的分岔、混沌控制方法理论性太强,没有考虑在实际电机与电力系统应用中的实现代价,因而寻找工程上容易实现又具有较强鲁棒性的控制方法对提高电力系统的运行性能尤为重要。第四,国内外学者提出的电网级联故障理论模型,往往把节点上的负载定义为节点的介数,而故障节点上负载的重新分配是采用最短路径的路由策略原则。这种重分配要求衡量电网中所有节点之间的最短路径,每个节点必须具有全局网络信息.然而,现实中要获取电网全局信息是非常困难的.因此,提出符合实际的负载重分配原则具有重要意义。主要论点与论据:复杂电力系统的建模及其非线性动力学行为研究建立了三种噪声微扰下电力系统的随机动力学模型,并基于随机非线性动力学理论,分析了所建模型的随机响应与随机稳定性、随机分岔、随机混沌发生的临界参数条件。复杂电机、电力系统的混沌控制研究研究了具有延迟反馈电流控制的电机系统的非线性动力学行为,并利用理论分析解释了变时滞反馈控制电流比常时滞反馈控制电流更能增大电机稳定运行区域这一现象的产生机理;基于现代控制理论与方法,如自适应控制理论、LaSalle不变集定理和无源控制理论等,提出了多种新的控制器,实现对电机、电力系统分岔、混沌控制与同步控制;复杂电机、电力网络建模以及级联故障发生机理研究提出了一种基于负载局部择优重新分配的电网级联故障模型,其故障节点的负载根据邻居节点度的大小择优重新分配。同时研究电网发生级联故障时容忍参数及其鲁棒性之间的关系;建立了Newman-Watts型小世界复杂电机网络模型,研究了所建模型拓扑概率P对复杂电机网络动力学行为的影响,并利用Lyapunov稳定性方法解析得出了网络出现混沌行为的临界参数值。创见与创新:1.首次建立了三种噪声扰动下电力系统的随机动力学模型,在国际上第一次揭示了随机噪声诱导电力系统产生混沌行为的机理,即噪声首先促使电力系统发生倍周期分岔,进而产生混沌行为;2.发现了常时滞和变时滞反馈控制电流对永磁同步电动机的全局稳定性有重要影响,在不同的延迟反馈增益和延迟时间取值下,系统出现混沌、准周期、极限环、稳定运行等现象,并利用解析方法解释了变时滞反馈控制电流比常时滞反馈控制电流更能增大电机稳定运行区域这一现象的产生机理。3.创新性地提出和发展了有限时间稳定控制、LaSalle不变集定理等方法,有效抑制了电机系统转矩和转速的间歇振荡,消除了由电机不稳定运行引发的电力系统低频振荡和电压崩溃故障。4.率先建立Newman-Watts型小世界电机网络模型,首次发现小世界耦合诱导复杂电机网络产生混沌运动的现象,并还利用Lyapunov稳定性方法解析得出了网络出现混沌行为的临界参数值,对电力系统中多电机群控的可靠运行提供了理论依据。5.提出了一种基于负载局部择优重新分配的电网级联故障模型,同时研究电网发生级联故障时容忍参数及其鲁棒性之间的关系,发现当容忍参数大于阈值时,电网没有发生级联故障;然而当容忍参数小于阈值时,网络中发生局部或全局级联故障。研究还发现,如果容忍参数固定,则调节参数的越大,电网越稳定。社会经济效益,存在的问题:1.该项目所取得的成果引起了国内外同行专家的广泛关注,产生了较大的社会影响。该项目的成果主要在国内外重要的非线性和电路与系统期刊上发表,论文被SCI收录17篇,其中“IEEE Transactions on Circuits and Systems-II”1篇,“Europhysics Letters”1篇,“Physics Letter A”1篇、“Nonlinear Dynamics”3篇,“Physica A”1篇、Chin.Phys.B 5篇、Chin.Phys.Lett.1篇、物理学报2篇。该项目的研究工作引起了国内外同行专家的广泛关注,产生了较大的社会影响。该项目的成果被国内外SCI收录期刊正面他引102次,单篇最高SCI他引38次,引用期刊包括IEEE Transactions on Systems,Man,and Cybernetics,Part B: Cybernetics,IEEE Transactions on Circuits and Systems-I,IET Power Electronics,Europhysics Letters,IET control theoryaapplications、Physics Letters A、Physica A、Nonlinear Analysis: Real World Applications、Applied Mathematics and Computation等著名国际期刊。2.该研究成果为进一步承担国家项目打下了坚实基础。由于课题组出色的研究工作,项目负责人和课题组成员又得到两项国家自然科学基金资助项目:“光伏离网和并网逆变器的非线性动力学行为、控制与同步研究”(批准号:11262004,2013.01~2016.12,负责人:罗晓曙);“多电机复杂网络模型的混沌行为与连锁故障关系分析和控制”(批准号:61263021,2013.01~2016.12,负责人:韦笃取);3.通过该研究成果提高了课题组成员为国家和社会服务的能力和水平。成果主持人韦笃取教授被国际著名期刊IEEE Transactions on Circuits and Systems-I,IET Power Electronics,Neurocomputing,Nonlinear Dynamics以及国内期刊“Chin.Phys.B”、“物理学报”聘为审稿人;成果主要人员罗晓曙教授被Europhysics Letters,IET Generation,TransmissionDDistribution,Physics Letter A,Nonlinear Dynamics等著名国际学术期刊聘请为论文审稿人,评审论文15篇;被国内权威期刊“中国科学”、“通信学报”、“Chin.Phys.Lett.”、“Chin.Phys.B”、“物理学报”和其它重要国内学术期刊“中国邮电高校学报(英文版)、“浙江大学学报”、“”聘为审稿人,近十年来,已评论了学术论文105余篇,连续八年被国家自然科学基金委聘为自然科学基金项目评审人。2006年,台湾中兴大学物理系主任曾祥器教授邀请罗晓曙教授进行学术访问。另外,罗晓曙教授分别被《Far East Journal of Dynamical Systems》等七种国际杂志和出版社的编委邀请撰稿。建立和促进了国内外的学术交流。积极开展各种学术交流,促进了学术研究和人才培养。近年来,在各类国内、国际学术会议上做特邀报告3次,大会报告5次;2004年8月,负责主办了第一届桂林电路与系统和通信技术发展学术会议,会议邀请了一批国内著名专家、学者以专题学术报告的形式介绍电路与系统和通信技术领域的新理论、新方法和新成果,推进了中国电子科学和通信技术的研究和发展;2007年7月,作为大会组织委员会的副主席,成功召开了“2007国际复杂系统与网络学术会议”。这次大型国际学术会议,到会代表200多人,其中包括澳大利亚David Hill(首席科学家)和IEEE CircuitSSystem-I主编Gianluca Setti在内的国际和港澳代表40余人,本次国际学术会议极大地推进了国内外复杂系统与网络的学术研究,同时也扩大了该区在该研究领域的影响;2007年10月,又成功组织召开了“2007年中国电力电子产业发展研讨会议暨电力电子学会六届五次理事会议”,包括院士和博导在内的二十余位国内电力电子专家做了大会报告,对中国的未来十年电力电子产业的发展进行了规划和论证。培养了年轻人才。从2001年~2013年,通过该项目的研究,培养了硕士研究生35名,其中蒋品群、邹艳丽、韦保林、杨仁桓等分别考上中国科技大学、上海交通大学(两人)、南开大学、东南大学的博士研究生,现已毕业,其中多名博士研究生已成为高校骨干教师,其中2名已晋升为教授。存在的问题:国内外对电网级联故障的理论模型及其产生机理的研究已有较多文献报道,然而有关电网级联故障保护策略的研究尚未开展,因此,结合复杂网络稳定控制理论与方法,提出电网级联故障的保护策略与控制方法,是一项具有挑战性的工作。

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